Orgaaniline süntees on molekulide loomise kunst, mida kasutatakse farmaatsiatoodete, põllumajanduskemikaalide, aga ka kõrgtehnoloogilistele vidinate, nagu näiteks nutitelefonide, valmistamiseks vajalike materjalide saamiseks. Piltlikult võib võrrelda seda mikroskoopilisel tasemel legodega mängimisega. Keemikud ühendavad lihtsaid klotse keerukate molekulide saamiseks.

Keskset rolli mängib selle juures kahe süsinikuaatomi vahelise sideme loomine. Nagu LEGO klotside mügarikud ja avaused, peavad ka süsinikuaatomid omavahel sobima, et kergesti ühineda. Siin on aga konks: hõlpsasti reageerivad orgaaniliste ainete süsinikuaatomid kannavad tavaliselt positiivset laengut, mis teeb nad omavahel kokkusobimatuks. See on nagu kahe mügarikuga LEGO tükkide ühendamine – need lihtsalt ei haaku.

Kui õpilane varjutab õpilase...

Orgaanilise keemia algusaegadel, 19. sajandil avastasid teadlased kitsaskohast mööda hiilimiseks nutika lahenduse. Võti peitus organometallilistes ühendites. Ühendades süsiniku metalliga nagu tsink või magneesium, said teadlased süsinikuaatomi laengu muuta positiivsest negatiivseks. Nii sai tekitada sobivaid kombinatsioone teiste orgaaniliste molekulidega, avades võimaluse tohutult paljude uute ühendite loomiseks.

Üks mõjukam avastus oli seejuures prantsuse keemiku Victor Grignardi meetod, mis kasutas orgaaniliste ühendite valmistamiseks kergesti kättesaadavat metallilist magneesiumi. Uus meetod oli nii oluline, et see tõi talle 1912. aastal Nobeli preemia. Grignardi meetod oli keemias revolutsiooniline, kuid sellel on oma puudused. Kiiresti reageerivat metalli sisaldavad orgaanilised molekulid on ebastabiilsed ja võivad niiskuse või õhu käes kergesti laguneda. Nii on nende tööstuses kasutamine keeruline.

Lahendus sellele probleemile on võimalik, kui reaktiivsed organometallilised ühendid kohe samas keskkonnas edasi reageeriksid ja annaksid stabiilse lõppsaaduse. Grignardi teaduslik juhendaja, Philip Barbier, püüdis süsinikuaatomeid metallide abil just selliselt ühendada, kuid tema meetod andis ebarahuldavaid tulemusi. Soovitud produktide saagised jäid madalaks.

Siin võttis lugu iroonilise pöörde: Barbier palus Grignardil oma meetodit täiustada, ja see päädiski Nobeli preemia võiduga. Barbier, olles ise organometallilise keemia teerajaja, ei saanud aga kunagi samasugust tunnustust.

Vana meetodi uus elu

Rohkem kui sajand hiljem andsid Tallinna Tehnikaülikooli keemikud supramolekulaarse keemia uurimisrühmast professor Riina Aava ja vanemteadur Dzmitry Kananovichi juhtimisel varem hüljatud Barbieri meetodile uue elu.

Orgaanilistes lahustites metallilise magneesiumi ja orgaaniliste lähteainete segamise asemel, nagu keemikud on palju aastaid traditsiooniliselt teinud, leidsid nad, et metalli ja reagentide koos jahvatamine kuulveskis annab märkimisväärselt parema tulemuse nii efektiivsuse kui keskkonnasõbralikkuse seisukohast. Seejuures pole tarvis kasutada lahustit.

Uus areng toob Barbieri meetodi tagasi tähelepanu keskpunkti, muutes selle sama tõhusaks, kui kuulus ja end juba tõestanud Grignardi meetod. Tulemused avaldati hiljuti ajakirjas Angewandte Chemie International Edition.

Tehnikaülikooli teadlaste kasutatud tehnika rakendab mehhanokeemiat. Viimast saab võrreldada veskis kohviubade jahvatamisega. Samal põhimõttel toimivad seadmed soodustavad keemiliste reaktsioonide toimumist kiire segamise, jahvatamise ja purustamise kaudu, mitte lahuste segamisel. Kuigi lähenemisviis on olnud tuntud juba antiikajast, oli see orgaanilise sünteesi teadusringkondades pikka aega hüljatud. Traditsiooniliselt kasutati seal selle asemel lahusepõhist keemiat.

Keskkonnasõbralik lahendus sajandi tagant

Huvi vana tehnika vastu on kasvanud selle keskkonnasõbralikkuse tõttu. Mehhanokeemia väldib ohtlike lahustite kasutamist, mis kujutavad endast tõsist ohtu nii inimestele kui ka planeedile.

Nüüd kirjeldatava Barbieri algsele ideele toetuva uue meetodi eelis on reaktsiooni toimumine õhu ja isegi teatud nõrkade hapete juuresolekul. Selle poolest eristub see oluliselt traditsioonilistest lähenemisviisidest ehk Grignardi meetodist. Kuna organometallilised ühendid eksisteerivad vaid lühiajaliselt vahesaadustena ja saavad kohe edasi reageerida ning saaduse anda, on tehtud avastus paljulubav mitmete väärtuslike ainete tootmise parendamisel.

See võib viia lihtsamate, ohutumate ja keskkonnasõbralikumate protsessideni, eriti sellistes tööstusharudes, mis toodavad hädavajalikke aineid, nagu farmaatsiatööstuses. Mehhanokeemiliste reaktsioonide tegemine on ka tehniliselt lihtne. Näiteks uurisid Tehnikaülikooli laboris Jagaheesh Nallaparaju abil seda reaktsiooni ka Nõo Reaalgümnaasiumi õpilased Jaagup Kuuskla ja Fred Järv. Täpsemalt katsetasid nad, kuidas saada saasteainest kasulikku ja ohutut produkti.

Jägmise sammuna soovib Tehnikaülikooli uurimisrühm nüüd seda innovatsiooni edasi viia, püüdes farmaatsiasektorit ümber kujundada mehhaanilise keemia tootmismeetodite abil. Euroopa riigi teadlastega koostöös IMPACTIVE projektis, uurivad Eesti teadlased, kuidas mehhanokeemia hüved reaalsuseks muuta. Vana ja uue teadmise segunemine lubab helgemat tulevikku.