Muu hulgas koguneb põhjavette mürgist jääkainet: 1, 2, 3-trikloropropaani (TCP). Nõo Reaalgümnaasiumi õpilased Fred Järv ja Jaagup Kuuskla leidsid oma uurimistöös kõige sobivama mehhanokeemilise meetodi, mis võimaldab muundada TCP platvormkemikaaliks. Teisisõnu saab TCP-st sellega aine, mida on võimalik tööstuslikult kasutada algmaterjalina teiste vajalike keemiliste ühendite valmistamiseks.

Täpsemalt vaatasid nad, kuidas muuta TCP-d allüülalkoholiks. Seda platvormkemikaali saab kasutada näiteks ravimitööstuses. Selgus, et kõige tõhusamalt saab teha seda siis, kui kasutada levinud süsiniku aatomite vaheliste sidemete tekitamise meetodis magneesiumi, kirjutab Tartu Ülikooli rakubioloogia teadur Signe Värv ajakirjas Akadeemiake.

Saastunud põhjavesi

Järve ja Kuuskla uuritud meetod lahendaks teisegi pakilise probleemi. Loodusesse kogunenud saasteainete käitlemisel kasutatakse praegu tihti meetodeid, mis võivad omakorda põhjustada uut reostust. Näiteks looduses mitte kohatav ja ise väga aeglaselt lagunev mürgine ühend trikloropropaan (TCP) võib lisaks põllumajandusele ja keemiatööstusele joogivette sattuda ka veepuhastusjaamades. 

Hiirtega tehtud katsetes on teadlased näidanud, et organismis TCP lagunemisel tekkivad ühendid põhjustavad kasvajaid. Pikaajalist kokkupuudet TCP-ga on seostatud lisaks nii neeruhaiguste kui ka normaalsest madalama kehakaaluga.

Seejuures registreeritakse Ameerika Ühendriikides ja Euroopas aina rohkem juhtumeid, kus TCP on sattunud põhjavette. Seega on oluline leida võimalusi, kuidas TCP võimalikult keskkonnahoidlikult kahjutuks teha.

TCP keskkonnast eemaldamiseks on välja töötatud nii kemikaalidel põhinevaid abiootilisi kui ka mikroorganisme kasutavaid biootilisi meetodeid. Abiootilise meetodi puhul läheb vaja kas tugevat oksüdeerijat või kasutatakse nullvalentset tsinki. Biootilise meetodi puhul on teadlased leidnud, et hapnikuta keskkonnas suudavad mõned bakterid kasutada TCP-d elektronide vastuvõtjana. 

Selline biolagunemine on praegu veel aeglane ja mittetäielik protsess. Teadusmaailmas otsitakse võimalusi muundada baktereid niimoodi, et neis olevad ensüümid tõhusamalt TCP-d kasutaks. Siiski võtab see protsess aega.

Üheksa korda mõõda, üks kord muunda

Fred Järve ja Jaagup Kuuskla uurimistöö keskendus sobiva meetodi leidmisele, mis aitaks loodusesse jõudnud TCP-d suunata platvormkemikaali, allüülalkoholi tootmiseks, kasutamata mürgiseid ja loodust reostavaid lahuseid. 

Nad kasutasid töös mehhanokeemiat, kus keemilist reaktsiooni kutsutakse esile mehaanilise töötlusega. Meetodi populaarsus kasvab maailmas mitmel põhjusel. Esiteks töötab mehhanokeemia enamasti ilma mürgiste lahusteta. Samuti võtab see vähem energiat, sest reaktsioonid saavad kulgeda ka madalatel temperatuuridel. Pealekauba annab see reaktsiooni tulemusel enamasti üsna suure koguse lõppsaadust.

Mehhanokeemilise reaktsiooni puhul asetatakse lähteained kinnisesse kapslisse koos väikese kuulikesega. Reaktsioonid ise toimuvad ainete mehhaanilisel nii-öelda jahvatamisel. 

Järv ja Kuuskla kasutasid mehhanokeemiat, et viia läbi Grignardi reaktsioon. Reaktsiooni käigus reageerivad kõigepealt halogeen (TCP) ja metall. Tekib niinimetatud Grignardi reagent, mis seejärel reageerib sobiva substraadiga, milleks enamasti on aldehüüd. Reaktsiooni teise etapi tulemusena neutraliseeritakse halogeenrühm, vabaneb metall ja tekib soovitud produkt.

Noorte uurijate ülesanne oli tuvastada, millise metalli juuresolekul annab Grignardi reaktsioon TCP-ga suurima koguse saagist ja milliste ainehulkade suhte juures kulgeb reaktsioon kõige edukamalt. 

Uurimistöös viisid noored läbi kaheksa erinevat Grignardi reaktsiooni, kus metallina kasutati kas indiumi, tsinki, magneesiumi, alumiiniumi või mangaani. Kõigi reaktsioonide puhul oli Grignardi reagendi substraat ehk kasutatav aldehüüd 2-naftaldehüüd. 

Järv ja Kuuskla uurisid ka erinevate lahustite nagu vee või tetrahüdrofuraani mõju reaktsiooni lõppsaadusele. Reaktsioonis tekkinud saadusi analüüsiti, kasutades õhukese kihi kromatograafiat ja prootoni tuumamagnetresonants-spektroskoopiat. 

Töö tulemusena selgus, et suurim, 74-protsendine reaktsioonisaagis saadi, kasutades Grignardi reaktsioonis metallina magneesiumi ja abistava lahustina suuremas koguses tetrahüdrofuraani. Samas leidsid, et paremuselt teise saagise andnud indiumi puhul oli väga oluline just lisatud aldehüüdi kogus ja mitte liiga madal ega liiga kõrge abistava lahusti maht. 

Viimane tulemus näitab eriti ilmekalt, kuivõrd tähtis on keemiliste katsete juures väga täpne reaktsioonis osalevate kemikaalide hulkade paikapanek, millele Järve ja Kuuskla töö oluliselt kaasa aitas. Tulevikku silmas pidades leidsid nad, et põnev oleks teha katseid nii teiste metallide kui ka abistavate lahustitega, et leida veelgi tõhusam meetod TCP muundamiseks. 

Mida rohkem infot suudavad teadlased koguda erinevate keemiliste reaktsioonide kõige tõhusamate tingimuste kohta, seda loodussäästlikumalt saab neid ka tööstuslikes tingimustes läbi viia ja kaitsta seega ümbritsevat keskkonda suurema saastumise eest. 

Fred Järve ja Jaagup Kuuskla uurimus "Püsiva orgaanilise saasteaine trikloropropaani mehhanokeemiline muundamine platvormkemikaaliks Grignardi reaktsioonis" sai 2023. aastal Eesti Teadusagentuuri õpilaste teadustööde konkursil gümnaasiumiastmes III preemia ja esindab Eestit 2024. aastal messil "Regeneron International Science and Engineering Fair" Los Angeleses (USA). Tööd juhendasid õpetaja Aivar Vinne, kaasprofessor Riina Aav (Tallinna Tehnikaülikool), nooremteadur Jagadeesh Varma Nallaparaju (Tallinna Tehnikaülikool). Töö täispika versiooniga saab tutvuda õpilaste teadusajakirjas Akadeemiake.