Cellulose Derivatives : Synthesis, Properties and Applications

Even though cellulose is the most abundant polymer on Earth, its utilisation has some limitations regarding its efficient use in the production of bio-based materials. It is quite clear from statistics that only a relatively small fraction of cellulose is used for the production of commodity materials and chemicals. This fact was the driving force in our research into understanding, designing, synthesising and finding new alternative applications for this well-known but underused biomaterial. This thesis focuses on the developing advanced materials and products from cellulose by using novel approaches. The aim of this study was to investigate and explore the versatility of cellulose as a starting material for the synthesis of cellulose-based materials, to introduce new synthetic methods for cellulose modification, and to widen the already existing synthetic approaches. Due to the insolubility of cellulose in organic solvents and in water, ionic liquids were applied extensively as the reaction media in the modification reactions. Cellulose derivatives were designed and fine-tuned to obtain desired properties. This was done by altering the inherent hydrogen bond network by introducing different substituents. These substituents either prevented spontaneous formation of hydrogen bonding completely or created new interactions between the cellulose chains. This enabled spontaneous self-assembly leading to supramolecular structures. It was also demonstrated that the material properties of cellulose can be modified even those molecules with a low degree of substitution when highly hydrophobic films and aerogels were prepared from fatty acid derivatives of nanocellulose. Development towards advanced cellulose-based materials was demostrated by synthesising chlorophyllcellulose derivatives that showed potential in photocurrent generation systems. In addition, liquid crystalline cellulose derivatives prepared in this study, showed to function as UV-absorbers in paper.

Copper Diffusion Barrier Deposition on Integrated Circuit Devices by Atomic Layer Deposition Technique

Transfer from aluminum to copper metallization and decreasing feature size of integrated circuit devices generated a need for new diffusion barrier process. Copper metallization comprised entirely new process flow with new materials such as low-k insulators and etch stoppers, which made the diffusion barrier integration demanding. Atomic Layer Deposition technique was seen as one of the most promising techniques to deposit copper diffusion barrier for future devices. Atomic Layer Deposition technique was utilized to deposit titanium nitride, tungsten nitride, and tungsten nitride carbide diffusion barriers. Titanium nitride was deposited with a conventional process, and also with new in situ reduction process where titanium metal was used as a reducing agent. Tungsten nitride was deposited with a well-known process from tungsten hexafluoride and ammonia, but tungsten nitride carbide as a new material required a new process chemistry. In addition to material properties, the process integration for the copper metallization was studied making compatibility experiments on different surface materials. Based on these studies, titanium nitride and tungsten nitride processes were found to be incompatible with copper metal. However, tungsten nitride carbide film was compatible with copper and exhibited the most promising properties to be integrated for the copper metallization scheme. The process scale-up on 300 mm wafer comprised extensive film uniformity studies, which improved understanding of non-uniformity sources of the ALD growth and the process-specific requirements for the ALD reactor design. Based on these studies, it was discovered that the TiN process from titanium tetrachloride and ammonia required the reactor design of perpendicular flow for successful scale-up. The copper metallization scheme also includes process steps of the copper oxide reduction prior to the barrier deposition and the copper seed deposition prior to the copper metal deposition. Easy and simple copper oxide reduction process was developed, where the substrate was exposed gaseous reducing agent under vacuum and at elevated temperature. Because the reduction was observed efficient enough to reduce thick copper oxide film, the process was considered also as an alternative method to make the copper seed film via copper oxide reduction.

Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography: Instrumental and Methodological Development

Comprehensive two-dimensional gas chromatography (GC×GC) offers enhanced separation efficiency, reliability in qualitative and quantitative analysis, capability to detect low quantities, and information on the whole sample and its components. These features are essential in the analysis of complex samples, in which the number of compounds may be large or the analytes of interest are present at trace level. This study involved the development of instrumentation, data analysis programs and methodologies for GC×GC and their application in studies on qualitative and quantitative aspects of GC×GC analysis. Environmental samples were used as model samples. Instrumental development comprised the construction of three versions of a semi-rotating cryogenic modulator in which modulation was based on two-step cryogenic trapping with continuously flowing carbon dioxide as coolant. Two-step trapping was achieved by rotating the nozzle spraying the carbon dioxide with a motor. The fastest rotation and highest modulation frequency were achieved with a permanent magnetic motor, and modulation was most accurate when the motor was controlled with a microcontroller containing a quartz crystal. Heated wire resistors were unnecessary for the desorption step when liquid carbon dioxide was used as coolant. With use of the modulators developed in this study, the narrowest peaks were 75 ms at base. Three data analysis programs were developed allowing basic, comparison and identification operations. Basic operations enabled the visualisation of two-dimensional plots and the determination of retention times, peak heights and volumes. The overlaying feature in the comparison program allowed easy comparison of 2D plots. An automated identification procedure based on mass spectra and retention parameters allowed the qualitative analysis of data obtained by GC×GC and time-of-flight mass spectrometry. In the methodological development, sample preparation (extraction and clean-up) and GC×GC methods were developed for the analysis of atmospheric aerosol and sediment samples. Dynamic sonication assisted extraction was well suited for atmospheric aerosols collected on a filter. A clean-up procedure utilising normal phase liquid chromatography with ultra violet detection worked well in the removal of aliphatic hydrocarbons from a sediment extract. GC×GC with flame ionisation detection or quadrupole mass spectrometry provided good reliability in the qualitative analysis of target analytes. However, GC×GC with time-of-flight mass spectrometry was needed in the analysis of unknowns. The automated identification procedure that was developed was efficient in the analysis of large data files, but manual search and analyst knowledge are invaluable as well. Quantitative analysis was examined in terms of calibration procedures and the effect of matrix compounds on GC×GC separation. In addition to calibration in GC×GC with summed peak areas or peak volumes, simplified area calibration based on normal GC signal can be used to quantify compounds in samples analysed by GC×GC so long as certain qualitative and quantitative prerequisites are met. In a study of the effect of matrix compounds on GC×GC separation, it was shown that quality of the separation of PAHs is not significantly disturbed by the amount of matrix and quantitativeness suffers only slightly in the presence of matrix and when the amount of target compounds is low. The benefits of GC×GC in the analysis of complex samples easily overcome some minor drawbacks of the technique. The developed instrumentation and methodologies performed well for environmental samples, but they could also be applied for other complex samples.

Aminopyridinato Complexes as Possible Alternatives for Metallocenes in Ethylene Polymerization

Polyethylene is the most widely used synthetic polymer in the world. Most polyethylene is made with Ziegler-Natta catalysts. Polyethylenes for special applications are made with metallocenes, which are nowadays heavily patented. It is laborious therefore, to develop new metallocenes. The aim of this work was to investigate the feasibility of replacing the cyclopentadienyl ligands of metallocenes by aminopyridinato ligands without losing the good properties of the metallocenes, such as high activity and formation of linear polymer. The subject was approached by studying what kind of catalysts the metallocenes are and how they catalyze polyethylene. The polymerization behavior of metallocenes was examined by synthesizing a piperazino substituted indenyl zirconocene catalyst and comparing its polymerization data with that of the indenyl zirconocene catalyst. On the basis of their isolobality, it was thought that aminopyridinato ligands might replace cyclopentadienyl ligands. It was presumed that the polymerization mechanism and the active center in ethylene polymerization would be similar for aminopyridinato and metallocene catalysts. Titanium aminopyridinato complexes were prepared and their structures determined to clarify the relationship between structure of the catalyst precursor and polymerization results. The ethylene polymerization results for titanium 2-phenylaminopyridinato catalysts and titanocene catalysts were compared.

Radikalcyklisering vid syntes av polycykliska indoler och pyrroler

I de senaste två decennierna har radikalcyklisering, intramolekylär radikaladdition, utvecklats till en viktig syntesmetod för polycykliska indoler och pyrroler. De erhållna produktmolekylerna eller deras derivat är ofta naturliga eller syntetiska alkaloider som väckt biologiskt eller medicinskt intresse. Avhandlingen behandlar både intramolekylära radikaladditioner av pyrrolyl-, indolyl- eller indolylacylradikaler till -bindningar och intramolekylära additioner av flera olika radikaler till indolens eller pyrrolens -system. Också cykliseringar som delreaktioner i radikalkaskader behandlas. Radikalreaktioner kan släckas både oxidativt och reduktivt. För att bibehålla heteroarenens aromaticitet måste cykliseringar till pyrrol- eller indolringen släckas oxidativt. Oxidativa radikaladditioner till aromater benämns homolytiska aromatiska substitutioner. Det finns olika sätt att erhålla en reaktantradikal från en radikalprekursor. I vissa fall har radikalprekursorn en mycket labil bindning som kan brytas fotokemiskt eller med hjälp av en initiator. Till exempel kol-svavelbindningen av en O-etyl-S-alkylxanthat kan brytas på detta sätt. Ofta används dock en radikalmediator för att bilda en reaktantradikal från dess prekursor. Mediatorer är ofta föreningar, som under reaktionsförhållandena själv bildar radikaler med en stor affinitet för en prekursors specifika atom eller atomgrupp vilken abstraheras. Således fungerar mediatorn som mellanhand vid bildning av reaktantradikalen. Exempel på mediatorer av detta slag som använts vid syntes av polycykliska pyrroler och indoler är tributyltennhydrid, hexabutylditenn, tris(trimetylsilyl)silan, tributylgermaniumhydrid, dicumylperoxid, trietylboran, natriumarensulfinater (med ättiksyra) och Se-fenyl-p-toluenselenosulfonat. Också dimetylsulfoxid kan ses som mediator då den bildar metylradikaler vid Fentonreaktion i lösningsmedlet. Övergångsmetallsalter kan även bilda reaktantradikalen från prekursorn genom enelektronoxidationer eller -reduktioner. Vid syntes av polycykliska pyrroler och indoler har reaktantradikalen bildats genom enelektronoxidationer med Mn(OAc)3 eller Ag2+ (Miniscireaktion) och elektronreduktioner med ett Ni(I)-komplex eller SmI2. Avhandlingen är indelad enligt reagenset eller reagensen, som åstadkommer bildning av reaktantradikalen vid syntes av polycykliska indoler och pyrroler. Cirka hälften av avhandlingen behandlar tributyltennhydridmedierade cykliseringar då reagenset trots dess toxicitet är det överlägset mest använda. Avhandlingen diskuterar mekanismen för bildning av reaktantradikalen från prekursorn, cykliseringen och dess möjliga regioselektivitet, andra radikalreaktioner vid radikalkaskader och hur produktradikalen släcks.

Lätta stabila isotopfraktioner som verktyg i biologisk forskning

Det finns en mätbar entitet i all levande materia, nämligen förhållandet mellan ett atomslags lätta och tunga isotop. Denna entitet divideras med en definierad referens och ett värde erhålls som brukar anges i promille ( ). Värdet är ett mått på isotopfraktionering. Genom att studera ekologi, taxonomi, kretslopp, isotopeffekter, dokumenterad data och metabola effekter kan man skissera över vad isotopfraktionen betyder. Migrationsbeteende, trofinätverk, dieter, miljö- och klimatdata kan rekonstrueras i tid och rum. Vid rekonstruktioner av gången tid har de museala samlingarna en nyckelposition. I litteraturöversikten tas teori, praktik och forskning upp för att påvisa metodens faror och användningsområden.

Aza-Wittigringslutningar vid syntes av sammansmälta kväveheterocykler

Denna pro gradu avhandling är en litteraturstudie av intramolekylära aza-Wittigringslutningar vid syntes av sammansmälta kväveheterocykler. I arbetet behandlas material huvudsakligen från 1980 och framöver. Aza-Wittigreaktionen påminner om den analoga Wittigreaktionen. Aza-Wittigreaktioner har nästan uteslutande gjorts mellan karbonylgrupper och iminofosforaner. Reaktionsmekanismen sker enligt en tvåstegsaddition, som inleds av iminokvävets nukleofila attack till karbonylkolet och avslutas av att en zwitterjonisk betain bildar en azoxafosfetanintermediär. Intermediären sönderfaller spontant till en iminoprodukt och fosfinoxid. Reaktionen görs ofta under milda betingelser d.v.s. vid rumstemperatur och dessutom utan dyr arbetsutrustning Ett vanligt sätt att framställa iminofosforanen är från azid genom Staudingerreaktion och ofta kombineras Staudinger- och aza-Wittigreaktionerna så att iminofosforanen inte isoleras före ringslutningen. Alla andra ringslutningsreaktioner än aza-Wittig, såsom elektrocykliska ringslutningar, har uteslutits ur detta arbete. Materialet i litteraturstudien har indelats enligt vilken typ av karbonylgrupp iminofosforanen reagerar med. På så vis åskådliggörs hurudana typiska produktmolekyler som erhållits med ringslutning till en viss typ av karbonylgrupp. Det har visat sig att det är förmånligt om karbonylkolet har elektronunderskott och iminofosforanens kväve har elektronöverskott. Den ringslutande molekylens entropi och närbelägna substituenters elektroniska och steriska natur samt produktmolekylens termodynamiska fördelaktighet inverkar tillsammans på reaktionens gång. Ifall reaktionen förväntas ske långsamt är det bättre att använda sig av alkyliminofosforaner än aryliminofosforaner. Valet av lösningsmedel har nästan uteslutande lämnats oförklarat i de behandlade publikationerna men i de flesta fall har ortoxylen eller toluen varit goda lösningsmedel. Oönskad tetrazolbildning av aziden kan minimeras genom användning av opolärt lösningsmedel. Likaså kan förmånligt placerade kväveskyddsgrupper hindra intramolekylära vätebindningar. På senare tid har aza-Wittigreaktionen allt mera tillämpats vid framställning av farmakologiska produkter, vilket ökat intresset för att framställa stora mängder närbesläktade produktmolekyler. Dylika molekylbibliotek har med fördel framställts i fastfas varvid reningen av produkten underlättats märkbart. Ett nytt område inom aza-Wittigsyntetiken är asymmetriska reaktioner, vilka säkert kommer att få mera uppmärksamhet i framtiden. I denna litteraturstudie framkom det att många av de utförda synteserna på området kunde upprepas med större variation och systematik gällande reagens och reaktionsbetingelser.

Fenyylipropanoidien, erityisesti ferulahappojen hapettavat kytkeytymisreaktiot kasvin soluseinän biosynteesissä

Tässä kirjallisuuskatsauksessa perehdyttiin ensisijaisesti puuvartisten- ja ruohokasvien soluseinien fenyylipropanoidien ja ferulahappojen biosynteesiin ja kytkeytymisreaktioihin. Fenyylipropanoidireitti alkaa fenyylialaniinista ja johtaa monien prekursoreiden kuten lignaanien, flavonoidien, salisyylihappojen ja ligniiniprekursoreiden syntymiseen. Tutkielmassa keskityttiin ligniiniprekursoreiden muodostumiseen ja erityisesti sen biosynteesireitin välituotteen, ferulahapon hapetettuihin kytkeytymisreaktioihin kasvien soluseinillä. Fenyylipropanoiditutkimuksen lähtökohtana on jo vuosia ollut selvittää biosynteesireittejä ja menetelmiä, joiden avulla ligniini saadaan kasvin soluseinältä liukenemaan ja hiilihydraatti otettua talteen. Eräs tapa tunnistaa näitä hajoamistapahtumia on tutkia fenyylipropanoidien kytkentöjen muodostumista. Tässä pro gradu -tutkielmassa fenyylipropanoidireitin välituotteiden entsyymien säätelyä tarkasteltiin luonnonvaraisissa ja geneettisesti muunnelluissa kasveissa. Bieosynteesireitti selkeytyi paljon. Lisäksi siirtogeenisillä kasveilla havaittiin kokonaan uusia kytkentöjä ja rakenteita. Eräillä geeniyhdistelmillä voitiin lisätä tuntuvasti hiilihydraattimäärää samalla kun ligniinin kokonaismäärä väheni. Näin arveltiin voitavan kasvattaa biomassan määrää puukasveilla. Ferulahapot dehydrogenoituvat entsymaattisesti hapettavissa olosuhteissa fenoksiradikaaleiksi, jotka reagoivat edelleen muodostaen toisen radikaalimonomeerin tai -polymeerin kanssa kytkentöjä. Soluseinä tuottaa radikaalireaktioissa tarvitsemansa hapettimet ja entsyymit, vetyperoksidin ja peroksidaasin itse. Ferulahapon monomeerit ja dimeerit muodostavat esterisidoksia soluseinän hemiselluloosan kanssa. Näin syntyneet ferulaattidimeerit ja -trimeerit muodostivat ristikytkentöjä hiilihydraattien ja ligniinin välille sekä yhden tai useamman polysakkaridiketjun välille. Ferulahappojen katsottiin olevan lignifioitumisen aloituskohtia soluseinillä ja yhdistävän kaksi suurta polymeerista verkkorakennetta toisiinsa. Myös soluseinän hiilihydraattien koostumuksen havaittiin vaikuttavan muodostuvien kytkentöjen rakenteeseen. Lopuksi tarkasteltiin vielä ferulahapon antioksidatiivisia ominaisuuksia. Todettiin ligniinin ja ferulahapon määrän korreloivan soluseinän peroksidaasi- ja vetyperoksidimäärän kanssa. Kaveissa monet taudinaiheuttajat, vioittuneet kasvin osat sekä UV-säteily lisäsivät peroksidaasien tuotantoa ja edelleen ferulahappojen määrää. Fenoksiradikaalina ferulahappo kykeni eliminoimaan vetyperoksidin haitallisten happiradikaalien vaikutuksia pelkistämällä ne hapettuen itse radikaalisessa kytkeytymisreaktiossa. Tämä johti mielenkiintoisiin tulevaisuuden näkymiin ferulahaposta funktionaalisena elintarvikkeena, lääkeaineena sekä kosmeettisena valmisteena.

A New Rare-Gas Compound: HXeOXeH

Rare-gas chemistry is of growing interest, and the recent advances include the "insertion" of a Xe atom into OH and water in the rare-gas hydrides HXeO and HXeOH. The insertion of Xe atoms into the H-C bonds of hydrocarbons was also demonstrated for HXeCC, HXeCCH and HXeCCXeH, the last of which was the first rare-gas hydride containing two rare-gas atoms. We describe the preparation and characterization of a new rare-gas compound, HXeOXeH. HXeOXeH was prepared in solid xenon by photolysis of a suitable precursor, for example water, and subsequent mobilization of the photoproducts. The experimental identification was carried out by FTIR spectroscopy, isotopic substitution and by use of various precursors. The photolytical and thermal stability of the new rare-gas hydride was also studied. The experimental work was supported by extensive quantum chemical calculations provided by our co-workers. HXeOXeH forms in a cryogenic xenon matrix from neutral O and H atoms in a two-step diffusion-controlled process involving HXeO as an intermediate [reactions (1) and (2)]. This formation mechanism is unique in that a rare-gas hydride is formed from another rare-gas hydride. H + Xe + O → HXeO (1) HXeO + Xe + H → HXeOXeH (2) Similarly to other rare-gas hydrides, HXeOXeH has a strongly IR-active H-Xe stretching vibration, allowing its spectral detection at 1379.3 cm-1. HXeOXeH is a very high-energy metastable species, yet thermally more stable than many other rare-gas hydrides. The calculated bending barrier of 0.57 eV, is not enough to explain the observed stability, and HXeOXeH might be affected by additional stabilization from the solid xenon environment. Chemical bonding between xenon and environmentally abundant species like water is of particular importance due to the “missing-xenon” problem. The relatively high thermal stability of HXeOXeH compared to other oxygen containing rare-gas compounds is relevant in this respect. Our work also raises the possibility of polymeric (–Xe–O)n networks, similarly to the computationally studied (XeCC)n polymers.