Suhkrud on tuntud eelkõige energiaallikana, kuid nende ülesanded organismis on märksa mitmekesisemad. Suhkrulised osad kuuluvad ka paljude bioloogiliselt aktiivsete molekulide ehitusse ning võivad mõjutada nende lahustuvust ja seondumist teiste molekulidega. Seetõttu pakuvad need huvi ka ravimiarenduses: suhkrulise osa muutmine võib muuta kogu ühendi omadusi.

Keemiku jaoks tähendab suhkur tervet hulka erineva ehitusega ühendeid. Nende täpne struktuur loeb, sest sarnase koostisega, kuid erineva ruumilise ehitusega molekulid võivad organismis käituda erinevalt. Soovitud ühendi valmistamiseks tuleb reaktsiooni hoolikalt suunata.

Üks suhkrupõhiste molekulide sünteesiks kasutatavaid meetodeid on Ferrieri ümberasetusreaktsioon. Selle reaktsiooniga muudetakse suhkrust lähtuva molekuli ehitust ja ühendatakse sellega teine molekuliosa. Saadud ühendeid saab kasutada edasistes sünteesietappides. Sellised molekulid on olulised paljudes bioaktiivsetes ühendites, sealhulgas ravimites nagu antibiootikumid ja vähiravimid.

Elektrivool asendab keemilist oksüdeerijat

Traditsiooniliselt kasutatakse Ferrieri reaktsioonis tugevaid happeid või ohtlikke oksüdeerijaid. Need aitavad lähteainet reaktsiooniks aktiveerida, kuid tekitavad keskkonda kahjulikke jäätmeid.

Tallinna Tehnikaülikooli ja Rooma Tor Vergata ülikooli teadlased pakkusid välja uuendusliku lahenduse, milles kasutatakse elektrivoolu ja voolureaktorit. Voolurežiimis voolavad reagendid pidevalt läbi reaktori, kus toimub elektrokeemiline reaktsioon.

Võrreldes klassikalise batch-meetodiga, kus reaktsioonianumas töödeldakse korraga ühte kogust, võimaldab see lähenemine reaktsiooni paremini kontrollida, vähendada energiakulu ja protsessi märkimisväärselt kiirendada. Elektrivoolu kasutamine võimaldab vältida keemilisi oksüdeerijaid ja nendega seotud jäätmeid. Lisaks näitas võrdlus varasemate elektrokeemiliste Ferrieri meetoditega, et sama koguse toote valmistamiseks kulus vähem materjali.

Voolukeemia uurimisrühma juhi professor Maksim Ošeka sõnul aitab nende uurimisrühma töö viia meetodi tööstuslikule rakendamisele lähemale. "Uurimisrühmade varasemad meetodid olid olulised teaduslikud läbimurded, kuid nende tööstuslikku rakendamist piirasid keerukad seadmed, väike tootlikkus või ohtlike reagentide kasutamine. Meie eesmärk oli muuta reaktsioon praktiliseks ja töötasime selleks välja lihtsa ja tõhusa lahenduse," lausus ta.

Reaktsioon vähem kui 20 sekundiga

Uue meetodi üks silmapaistvamaid omadusi on kiirus: reaktsioon võib toimuda vähem kui 20 sekundiga. Selle abil saavutatud ka ülikõrge produktiivsus: süsteem võimaldab pidevas voolus toota grammi skaalal ühendeid kiirusega üle 10 mmol tunnis, mis näitab selgelt suurt potentsiaali tööstuslikuks rakendamiseks, kus kuluefektiivsus ja skaleeritavus on võtmetähtsusega. Tegu on ka kulutõhusa meetodiga, sest reaktor on lihtsa disainiga ja kasutada saab odavaid grafiitelektroode.

Lisaks praktilistele eelistele annab töö uusi teadmisi reaktsioonimehhanismi kohta. Tulemused viitavad nn radikaalahela mehhanismile, kus reaktsioon käivitub elektrilise oksüdatsiooni kaudu ja jätkub iseenesest ahelprotsessina. See aitab paremini mõista, kuidas selliseid reaktsioone tulevikus veelgi optimeerida.

Artikkel ilmus Nature grupi ajakirjas Communications Chemistry.