Keemikud otsivad pidevalt paremaid viise molekulide loomiseks, neid läheb vaja kõigeks – alates ravimitest kuni materjalideni välja. Kujutlege: molekulilinnas elab benseen - molekul, millel on täiuslikult stabiilne ring kuuest süsinikuaatomist. See stabiilisus, mida tuntakse "aromaatsusena", tuvastati teadlaste poolt juba ammu. Aroomaatseid ühendeid leidub looduses 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 meie igapäevaeluks vajalike molekulide loomiseks. Nende madal reaktiivsus tekitab aga küsimuse: kuidas me neid aineid tõhusalt teisteks tsüklilisteks ühenditeks muudame, arvestades nende olemuslikku stabiilsust?

1944. aastal kirjeldas Austraalia keemik Arthur Birch meetodit aromaatsuste "häkkimiseks", kasutades ohtlike keemikaalide kokteili: leelismetalle (nagu liitium, naatrium ja kaalium), mis lahustati madalal temperatuuril alla −33°C juures vedelas ammoniaagis. Aga millised probleemid seliste ühenditega kaasnevad? Isesüttivate leelismetallide kasutamine võib viia veega kokkupuutel plahvatuseni, vedel ammoniaak ja väga madalad temperatuurid, muudavad niisuguse lähenemisviisi ohtlikuks ja raskesti teostatavaks. Hoolimata nendest puudustest sai meetod, mida tuntakse Birch'i taandamisena, orgaanilise sünteesi alustalaks ja vältimatuks tööriistaks. Hiljuti tekkis veel üks probleem: globaalne liitiumi puudus, sest viimane on akude oluline koostisosa, see sundis teadlasi otsima sellele kriitilisele toormele jätkusuutlikumaid alternatiive.

Kuidas muuta Birch'i taandamine turvalisemaks, vältides ohtlikku vedelat ammoniaaki ja leelismetalle? See oli küsimus, mis paelus keemikuid juba aastakümneid pärast Arthur Birch'i avastust. Lahendus leiti alles hiljuti tänu populaarsust koguvale mehhanokeemiale: see tehnika võimaldab keemilisi reaktsioone teha ilma keskkonna- ja tuleohtlike lahustiteta, lihtsalt aineid uhmerdades või jahvatades. Kuigi mehhanokeemiliseid meetodeid tunti juba iidsetel aegadel, on see olnud pikka aega tähelepanuta, nüüd kogub see järjest populaarsust tänu selle rakendamisega tekkivatele eelistele keskkonnahoius ja ohutuses. Esimestena näitasid mehaanokeemilise Birch'i taandamise võimalikkust leelismetallidega (liitium, naatrium ja kaalium) Prof. Ito rühm Hokkaido Ülikoolist (Jaapan) ja Prof. Lu rühm Newcastle'i Ülikoolist (Suurbritannia). Kuid veelgi põnevam oleks raputada mehaanokeemia abil reageerima oma olemuselt madala reaktiivsusega metallid. Nüüd teatas TalTechi teadlaste rühm, mida juhivad Prof. Riina Aav ja Dr. Dzmitry Kananovich, teisest läbimurdest: nad näitasid, et kergesti kättesaadavad madala reaktiivsusega ja maakoores laia levikuga metallid, kaltsium ja magneesium, sobivad samuti mehhanokeemilise Birch'i taandamise läbiviimiseks. Selline toorme asendus on oluline, sest neid metalle on kas ohutum käsitleda (näiteks magneesium reageerib normaaltingimustel veega tohutult aegalaselt) või pakuvad nad head alternatiivi kriitiliseks toormeks muutunud liitiumile (näiteks on kaltsium levikult viies keemiline element Maa koores). Lisaks, tänu magneesiumi ja kaltsiumi madalamale reaktiivsusele, toimuvad nendega reaktsioonid kontrollitumalt ning selektiivsemalt, ehk erinevaid orgaaniliste molekulide osasid saab muundada valikuliselt. See saavutus avaldati hiljuti ühes juhtivas keemiaajakirjas Angewandte Chemie International Edition.

See avastus sillutab teed ohutumale ja jätkusuutlikumale keemiatööstusele. Leitud lähenemisviis mitte ainult ei kõrvalda traditsioonilise Birch'i meetodiga seotud ohtusid, vaid vähendab ka sõltuvust keemilistest ainetest, mille varud võivad olla kriitilised ja mis võivad kujutada keskkonnale ohtu. Nii aidatakse kaasa kindlamat ja jätkusuutlikumate tarneahelate tekkele olulistes tööstusharudes. Muutus võib olla kasulik ka bio-põhiste aromaatsete ühendite muundamisel ja jäätmete ringlussevõtul, sealhulgas keskkonnale ohtlike püsivate orgaaniliste saasteainete väärindamisel. TalTech uurimisüühm otsib nüüd võimalusi selle töö edasi arendamiseks, et laiendada Birch'i taandamise ja muude keemiliste muundamiste abil levinumate metallide rakendust mehaanokeemias. Varem leidis sama uurimisüühm viisi Grignardi reaktsiooni keskkonnasõbralikumaks teostamiseks magneesiumi ja mehhanokeemia abil. Loe selle kohta rohkem siit.

Teadusrühm on “Strateegilise mineraalse ning süsinikupõhise toorme ringmajanduse tippkeskuse” liige ja see töö seostati Eesti teadusagentuuri toel Tallinna Tehnikaülikooli Keemia ja biotehnoloogia instituudis.