Eesti teadlaste leitud nipp raputab tõrksad ained kasulikeks ühenditeks

Energeetikasektori laiema elektrifitseerimise valguses tasuks akudes hinnatud liitiumi asemel kasutada mujal laialt levinud magneesiumi ja kaltsiumi. Tallinna Tehnikaülikooli teadlased on nüüd välja mõelnud, kuidas rakendada neid keemias üliolulise reaktsiooni tegemiseks.
Tehnikaülikooli teadlased eesotsas professor Riina Aava ja vanemteadur Dzmitry Kananovichiga näitasid, et kergemini kättesaadavad ning keemiliselt inertsemad metallid kaltsium ja magneesium sobivad mehhanokeemilise Birchi protsessis taandamiseks.
Reaktsioon sai nime Austraalia keemik Arthur Birchi järgi. Keemik kirjeldas 1944. aastal meetodit aromaatsete ühendite ehk areenide väga püsiva vormi lammutamiseks. "Areenid on orgaaniliste ühendite seas hästi stabiilsed. On oluline, et Birck leidis meetodi, kuidas neid taandada, sest see annab hõlpsa ligipääsu väga paljudele uutele ühenditele," ütles Aav.
Birch kasutas selleks ohtlikku keemilist kokteili: täpsemalt enam kui –33 °C kraadini jahutatud vedelat ammoniaaki koos leelismetallist liitiumilahusega. "Liitium on metallina väga reaktiivne ja taandab seetõttu ära aines igasugused kaksiksidemed," täpsustas Aav.
Kasutatud vahendid muutsid Birchi taandamisena tuntud protsessi keerukaks, aga ka ohtlikuks. Nagu võib keemiatunni klassikalisest katsest meeles olla, võib isesüttivate leelismetallide kasutamine veega kokkupuutel viia plahvatuseni. Vedel ammoniaak ja väga madalad temperatuurid muudavad aga keemikute jaoks tarvilike reaktsioonide tegemise keerukamaks ja ebamugavamaks.
"Meie välja töötatud uus meetod on mehhanokeemiline. Seal saame sama reaktsiooni teha magneesiumi ja kaltsiumiga," kirjeldas Aav. Samuti saab tema sõnul taandada sellega ülitugeva kolmiksideme veidi nõrgemaks kaksiksidemeks – eelmises keemilises kokteilis liitiumiga polnud see võimalik. "Saame valikuliselt teatud rühmi molekulis muundada, aga varem oleks mittevalikuliselt kõik ära taandatud," võrdleb professor.
Olemuslikumalt võimaldab mehhanokeemia keemilisi reaktsioone esile kutsuda lähteaine uhmerdamise või jahvatamisega. Tavaliselt kasutatakse sellist kinnist kapslit koos väikese kuulikesega, mida seejärel raputatakse. Seejuures pole reeglina vaja ka mürgiseid lahuseid ja protsess võtab vähem energiat, sest reaktsioonid saavad kulgeda ka madalatel temperatuuridel.

Eesti teadlaste leitud metallitoorme asendamine on oluline mitmes mõttes. "Uus meetod on ohutum, sest nüüd saab õhu käes ained kokku segada, ilma et need põlema läheks," selgitas Aav. Samuti on keemiliselt vastupidavamaid ehk inertsemat kaltsiumit ja magneesiumit ohutum käsitseda – näiteks magneesium reageerib toatemperatuuril veega väga aeglaselt.
Tänu magneesiumi ja kaltsiumi inertsusele toimuvad reaktsioonid nendega kontrollitumalt ja valikulisemalt. "Nüüd reageerivad ained ainult siis, kui jahvatus toimub. Niisama ained reaktsioonisegus ei reageeri," lisas Aav. Nii saab seda reaktsiooni kasutada keerulisemate molekulide saamiseks, mille valmistamine on seni toimunud mitmes etapis ja märksa raskemalt. Neid omakorda saab kasutada nii ravimites kui ka uutes materjalides.
Lisaks pakuvad kaltsium ja magneesium alternatiivi kriitiliseks toormeks muutunud näiteks akudes kasutatavale liitiumile. Kaltsiumist rohkem leidub maakoores veel ainult nelja, magneesiumist seitset elementi.
Aromaatsed orgaanilised molekulid on stabiilsemad kui teised süsinik-süsinik sidemetest ehitatud molekulid. Areene leidub rohkesti hormoonides, alkaloidides, samuti biomolekulides nagu aminohapped, aga ka toormetes, nagu kivisüsi, nafta, ja ka taastuvates bioressurssides, näiteks ligniinis. "Need orgaanilised molekulid on rikkalik ressurss ja nad on olulised teiste igapäevaeluks vajalike molekulide loomiseks," kinnitas Aav.

Küsimus, kuidas muuta Birchi taandamine turvalisemaks, vältides ohtlikku vedelat ammoniaaki ja leelismetalle, paelus keemikuid aastakümneid. Esimestena näitasid mehhanokeemilise Birchi taandamise võimalikkust leelismetallidega (liitium, naatrium ja kaalium) professor Ito uurimisrühm Hokkaido Ülikoolis Jaapanis ja professor Lu rühm Newcastle'i Ülikoolis Suurbritannias. Eesti teadlaste avastus võimaldab saada hakkama ka leelismetallideta, mis sillutab teed ohutumale ja jätkusuutlikumale keemiatööstusele.
"Muutus võib olla kasulik puidutööstuse kõrvalproduktide, näiteks ligniini, aromaatsete aminohapete, looduslike antioksüdantide, näiteks flavonoidide, või ka polüstüreenide ja jäätmetena tekkivate ainete ringlussevõtul, sealhulgas keskkonnale ohtlike polükloreeritud dioksiinide, bisfenoolide ja teiste saasteainete väärindamisel," selgitab Dzmitry Kananovich.
Uuring ilmus ajakirjas Angewandte Chemie International Edition.
Toimetaja: Airika Harrik