Reactivity and Reactions of Lignin Model Compounds with Laccases

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-9029-5
Title: Reactivity and Reactions of Lignin Model Compounds with Laccases
Author: Lahtinen, Maarit
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Chemistry
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2013-09-06
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-9029-5
http://hdl.handle.net/10138/40157
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Laccases (EC 1.10.3.2, benzenediol: oxygen oxidoreductase) are multicopper oxidases that can catalyze the oxidation of several, mainly different phenolic but also some inorganic substrates. Laccases selectively catalyze the one-electron oxidation of a phenolic substrate to a phenoxy radical, which can react further in non-enzymatic radical reactions. The phenolic subunits of lignin, one of the major components of wood, are natural substrates of laccases. In the presence of suitable small molecules, mediators, laccases can also catalyze the oxidation of the etherified (i.e. non-phenolic) subunits of lignin. The aim of this research is to increase the knowledge on the direct reactions of laccases and lignin, without mediators. Recently, this area has begun to garner increasing general interest as a result of the biorefinery concept, which aims to produce valuable raw material from sustainable resources. In addition, the most recent development of laccase mediators has been focusing on lignin-based phenolic molecules, which links these two areas, the laccase-mediator system and reactions without the mediator, directly to each other. Monomeric and dimeric lignin model compounds were used to evaluate the reactions and reactivity with laccases. Many of the model compounds represented the most common linkage-type in lignin, the beta-O-4 structure; thus, more efficient ways to synthesize these types of compounds were developed. Further, the oxidizabilities of the compounds, revealed by cyclic voltammetry, and the oxidation rates using the low- and the high-redox potential laccases from M. albomyces and T. hirsuta were compared in view of the theory that the reaction rate is dependent on the redox potential difference between the substrate and the laccase. However, it was found that the redox potential difference could not entirely explain the preferences of the studied laccases. The reaction products from the lignin model compounds were mainly formed as a result of 5-5 coupling and oxidation of the benzylic hydroxyl group to an aldehyde. The analysis was also performed as a function of time; for guaiacylic products the 5-5 coupling was the preferred reaction and these products were formed first. One model compound, vanillyl alcohol, was used to examine the effect of pH, enzyme dosage and temperature, all of which affected the product distribution. The observed predominating product was the 5-5 dimer, although according to computational evaluation, vanillin was the thermodynamically favored product, with a difference of 5.6 kcal mol-1. The transition states leading to the products seemed to affect the observed product distribution. In addition, the calculated pKa-values suggested that at the used pH range (4.5 7.5), rearomatization of the quinone intermediates could occur through deprotonation rather than through protonation. Finally, the M. albomyces laccase was tested in the presence of 1-allyl-3-methylimidazolium chloride, [Amim]Cl; an ionic liquid able to dissolve lignin. An expected decrease in enzyme activity was also found experimentally. The monolignol coniferyl alcohol was polymerized further, as expected, but the chemical structure of the formed dehydropolymer (DHP) was also affected by the presence of [Amim]Cl.Lakkaasit ovat kuparia sisältäviä entsyymejä, jotka voivat katalysoida erilaisten fenolisten rakenteiden hapetusreaktioita. Lakkaasin selektiivisessä yhden elektronin hapetuksessa fenolisesta substraatista muodostuu fenoksiradikaali, joka voi reagoida edelleen. Yksi puun pääkomponenteista on ligniini, jonka fenoliset alayksiköt ovat lakkaaseille luonnollisia substraatteja. Lakkaasien on mahdollista katalysoida myös ligniinin eetteröityneiden rakenteiden (fenolin johdannaisten) hapettumista, silloin kun läsnä on hapetusreaktion välittäjänä toimiva molekyyli, niin kutsuttu mediaattori. Tutkimuksen tarkoituksena oli saada uutta tietoa niistä lakkaasien ja ligniinien välisistä reaktioista, jotka tapahtuvat ilman mediaattoria. Aihe on ajankohtainen ajatellen myös biojalostamoja, joiden tarkoituksena on tuottaa arvokkaita raaka-aineita uusiutuvasta biomassasta. Lisäksi lakkaasin mediaattoritutkimuksen viimeaikainen keskittyminen ligniinipohjaisiin fenoleihin yhdistää lakkaasien ja ligniinin väliset reaktiot sekä ilman mediaattoria, että mediaattorin kanssa. Reaktioita ja reaktiivisuutta lakkaasin kanssa tutkittiin yhdestä ja kahdesta alayksiköstä koostuvien ligniinin malliaineiden avulla. Monet käytetyistä yhdisteistä sisälsivät niin kutsutun beta-O-4 rakenteen, ja siksi tutkimuksessa kehitettiin tehokkaampia menetelmiä tällaisten malliyhdisteiden syntetisoimiseksi. Olemassa olevan teorian mukaan lakkaasin katalysoiman reaktion nopeus riippuu lakkaasin ja substraatin hapetuspotentiaalien välisestä erosta. Tämän vuoksi tutkimuksessa arvioitiin ligniinin malliyhdisteiden hapetuspotentiaaleja syklisen voltammetrian avulla ja verrattiin niitä reaktionopeuksiin kahden eri lakkaasin kanssa. Toisella tutkituista lakkaaseista oli alhainen hapetuspotentiaali (Melanocarpus albomyces lakkaasi) ja toisella korkea (Trametes hirsuta lakkaasi). Vertailu osoitti, että hapetuspotentiaalien välinen ero ei pelkästään riitä selittämään havaittuja reaktionopeuksia. Tuotteet, joita lakkaasien katalysoimissa reaktioissa muodostui, olivat pääasiassa erilaisia bifenyylisiä yhdisteitä ja aldehydejä. Tuotteita analysoitiin myös ajan funktiona, jolloin huomattiin että bifenyyliset yhdisteet muodostuivat ennen muita tuotteita. Kolmen eri tekijän huomattiin vaikuttavan havaittuun tuotejakaumaan, jota tutkittiin tarkemmin yhdellä malliaineista, vanillyylialkoholilla. Näitä olivat pH, käytetty entsyymiannos ja lämpötila. Bifenyylistä tuotetta muodostui ensisijaisesti, vaikka laskennallisesti vanilliinin, aldehydin, olisi pitänyt olla suosituin tuote. Tuotteisiin johtavat siirtymätilat, joita selvitettiin laskennallisesti, ilmeisesti vaikuttavat havaittuun tuotejakaumaan. Lisäksi laskettujen pKa-arvojen perusteella reaktiossa muodostuvien kinonivälituotteiden aromatisoituminen saattaisi tapahtua ensisijaisesti deprotonoitumisen kautta. Melanocarpus albomyces lakkaasia testattiin ionisen nesteen kanssa. Käytetty ioninen neste, 1-allyyli-3-metyyli-imidatsoliumkloridi, liuottaa hyvin ligniiniä. Kuten odottaa saattoi, entsyymin aktiivisuus heikkeni ionisen nesteen läsnä ollessa. Kun ligniinin muodostumiseen tarvittavaa rakenneyksikköä, koniferyylialkoholia, polymeroitiin dehydropolymeeriksi (DHP), ionisen nesteen vaikutuksesta polymeerilla oli suurempi molekyylipaino sekä erilainen kemiallinen rakenne.
Subject: orgaaninen kemia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
lahtinen_dissertation.pdf 3.172Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record