Tänapäeva maailmas
Kõik need probleemid mõjutavad meie igapäevaelu ja nõuavad seetõttu sekkumisi. Iga päev ja samm-sammult üritab inimkond leida tõhusaid lahendusi ning panustada nende probleemide ennetamisse. Üks hea näide on ressursside taaskasutus, mis pole enamiku jaoks enam uudsus, vaid argielu. Näiteks sorteerime prügi, et kasutatud jogurtitopsist saaks uue polüestrikanga, banaanikoorest väetise või vanast klaasipudelist ilusa kaasaegse ehte.
Kas sama printsiipi on võimalik rakendada aga juba molekulaarsel tasandil? Kas oleks võimalik muuta ühendite saamise meetodeid jätkusuutlikumaks, kasutades taaskasutamist? Vastus on jah.
Kuidas seda kõike teha saab?
Keemia mängib jätkusuutlikkuse tagamisel keskset rolli. Uued keemilised protsessid ja olemasolevate protsesside arendused aitavad vähendada jäätmeid, suurendada energiakasutuse tõhusust ja sünteesida keskkonnasõbralikke materjale kasutades jätkusuutlikke tehnoloogiaid. Üks paljulubav võimalus nende eesmärkide saavutamiseks on tahkele kandjale seotud organokatalüsaatorid (Joonis 1).
Organokatalüsaatorid on suure molekulmassiga ensüümidest kergemad orgaanilised molekulid, kuid kiirendavad samamoodi keemilisi reaktsioone. Sellega pakuvad need keskkonnasõbralikumat alternatiivi metallkatalüsaatoritele, mis võivad sisaldada kalleid, haruldasi ja keskkonda saastavaid metalle. Organokatalüsaatorid on sageli odavamad ja elusorganismidele ohutud, kuna need on tihti saadud looduslikest ühenditest.
Eriti tähtis on see, et kiraalsete organokatalüsaatorite abil saab sageli sünteesida ühendeid, mis koosnevad vaid ühest enantiomeerist. Enantiomeerid on molekulid, mis koosnevad samadest aatomitest, mis on omavahel seotud samas järjekorras samade keemiliste sidemetega, kuid on teineteise mittekokkulangevad peegelpildid (joonis 2).
Ühe enantiomeeri saamine on kriitilise tähtsusega näiteks farmaatsiatööstuses, kuna erinevatel enantiomeeridel võivad olla inimese organismile väga erinev mõju. Sageli võivad olla mõjud isegi vastandlikud – ühendi üks variant võib olla ravitoimega, samas kui teine võib olla kahjulik või ebaefektiivne. Seetõttu võimaldab ühe enantiomeeri sünteesimine ehk asümmeetriline süntees toota ohutumaid ja tõhusamaid ravimeid.
Lisaks juba ülal mainitud eelistele saab organokatalüsaatorite kasutamise tõhusust suurendada, immobiliseerides need tahkele kandjale. Seeläbi minnakse homogeense katalüüsi pealt üle heterogeensele ja katalüsaator muudetakse teistest reaktsiooni lahustuvatest komponentidest kergesti eraldatavaks lihtsa filtrimise teel (joonis 3).
Ühtlasi võimaldab see kasutada katalüsaatorit mitu korda. Piltlikult võib homogeenset katalüüsi võrrelda näiteks lahustuva kohvi valmistamisega, mille käigus lahustub nii suhkur kui ka kohvipulber. Tee tegemine sarnaneb aga heterogeensele katalüüsile: suhkur lahustub samamoodi, kuid teelehti saab uuesti kasutada.
See mitte ainult ei vähenda kasutatud kemikaalide, energia ja tekkivate jäätmete hulka, vaid pikendab ka katalüsaatori eluiga, muutes keemilised protsessid tõhusamaks, kuluefektiivsemaks ja keskkonnasõbralikumaks.
Oleme keemia ja biotehnoloogia instituudis varem uurinud asümmeetrilist ümberasetusreaktsiooni, mis homogeenses lahuses kulges organokatalüsaatori manulusel stereoselektiivselt ja andis kõrge saagisega produkte. Neid omakorda sai kasutada universaalsete lähteühenditena asümmeetrilises sünteesis, et valmistada erinevaid bioaktiivseid ühendeid. Selle reaktsiooni puudusena oli katalüsaatorit reaktsiooniproduktist keeruline eraldada ja selleks tuli palju vaeva näha.
Aleksandra Murre jätkas uuringuid ja leidis sellele probleemile lahenduse, kasutades heterogeenset katalüüsi, st katalüsaatori immobiliseerimist. Katalüsaatori immobiliseerimine ei kujuta pelgalt selle sirgjoonelist sidumist lahustumatule kandjale, vaid selleks tuleb lahendada eelnevalt rida probleeme: missugust kandjat täpselt kasutada; millise reaktsiooni abil siduda katalüsaator; kas katalüsaatori omadused lahustatuna ja seotuna kandjale on samad; kuidas säilitada katalüsaatori aktiivsus korduvkasutamisel.
Suur samm rohelise keemia suunas
Lõpuks leidsime kiire meetodi lihtsate ja kergesti kättesaadavate kiraalsete primaarsete amiinide sidumiseks (aminometüleeritud) polüstüreenile. Selleks kasutasime tahke faasi peptiidsünteesis tuntud kandjat ja reaktsioone. Erinevaid kandjaid ja kiraalseid amiine uurides leidsime tingimused, kus reaktsioon tahkele kandjale seotud aminokatalüsaatori manulusel toimus kõrge saagise ja enantioselektiivsusega.
Lihtsustatud isoleerimisprotsess hõlmas vaid filtrimist ja pesemist. Nõnda saime kergesti samaaegselt eraldada nii produkti kui ka katalüsaatori.
Avastasime lisaks, et heterogeensete katalüsaatorite taaskasutamise võtmesammuks on kandja vabade aminorühmade blokeerimine. Vastasel juhul muutub katalüsaator kasutuks, sest kandja vabad aminorühmad hakkasid konkureerima kandjale seotud aminorühmadega. Kandjale seotud katalüsaatorid, mille vabad aminorühmad olid blokeeritud mahuka pivaloüülrühmaga, olid tõhusad ja ka korduvkasutatavad. Neid sai taaskasutada kuni kuus korda, ilma et nende võime reaktsiooni kiirendada oleks vähenenud (joonis 4). Seejuures reaktsiooni stereoselektiivsus ei langenud.
Antud uuring näitas, et immobiliseeritud katalüsaatorite kasutamine on oluline samm rohelise keemia suunas. Töö tulemusel võiks suureneda tööstuses oma edukust tõestanud aminokatalüsaatorite kasutus.
Seni on need enamasti rakendust leidnud ühekordsete katalüsaatoritena. Nende kasutamisest immobiliseerituna tahkele kandjale on olnud aga vaid üksikuid näiteid. Selline lähenemine pakub lahendusi, mis toetavad säästvat arengut ja aitavad vähendada keemiatööstuse ökoloogilist jalajälge.