Minu uurimistöö põhineb asümmeetriliste organokatalüütiliste reaktsioonide uurimisel. Enamik keemilisi protsesse looduses toimub katalüsaatorite manulusel. Katalüsaator on aine, mis kiirendab reaktsiooni, aga väljub sellest muutumatul kujul. Elusorganismides on katalüsaatoriteks ensüümid – suure molekulmassiga keerulise struktuuriga valgud.

On leitud, et reaktsiooni katalüüsimisel osaleb tavaliselt ainult väike osa valgust, mida nimetatakse aktiivtsentriks. Aktiivtsentris osalevad aminohapete jäägid võivad aktiveerida lähteainet (või reagenti) nii kovalentsete keemiliste sidemete kui ka oluliselt nõrgemate elektrostaatiliste interaktsioonide, nt vesiniksidemete kaudu. Neid loodusest „varastatud“ ideid kasutataksegi organokatalüüsis, mis on looduses toimiva ensümaatilise katalüüsi keemiline madalmolekulaarne analoog ja selle väike vend.

Ühest küljest tundub mõttetu konkureerida ensüümidega, mille struktuur on miljonite aastate jooksul toimunud loodusliku valiku käigus optimeerunud ja mis on suutelised katalüüsima reaktsioone väga efektiivselt ning kõrge selektiivsusega. Teisest küljest on ensüümide „masinavärk“ märkimisväärselt keeruline ja üha rohkem on meil vaja niisuguseid mittelooduslikke ühendeid, mille sünteesiga ensüümid hakkama ei saa. Seetõttu on just viimastel aastatel organokatalüüs tõusnud ensümaatilise ja metallkatalüüsi kõrval juhtivaks katalüüsi haruks. Tunnistust sellest annavad organokatalüüsi nimetamine Rahvusvahelise Puhta ja Rakenduskeemia Liidu (IUPAC) poolt üheks kiiremini arenevaks keemiatehnoloogiaks ja eelmise aasta keemia Nobeli preemia omistamine organokatalüüsi uurijatele.

Konkreetsemalt uuritakse minu rühmas praegu juba igapäevaseks saanud amino- ja vesiniksidemete katalüüsi kõrval ka selle perekonna ühte nooremat liiget – halogeensideme katalüüsi. Ilmselt on kõigile tuntud DNA kaksikspiraali koospüsimine vesiniksidemete kaudu. Selgub, et teatud ühendites võivad halogeeniaatomid anda vesiniksidemetele sarnast interaktsiooni. See loob võimaluse nende kasutamiseks katalüsaatoritena. Sarnaselt vesiniksidemega on ka halogeenside nõrk – mitukümmend korda nõrgem kui keemiline side aatomite vahel molekulis.

Niisuguste nõrkade jõudude kasutamine (ja ka selle protsessi tõestamine) katalüüsis on suur väljakutse. Kõigepealt tuleb sünteesida sobiliku struktuuriga katalüsaator. Halogeensideme võimendamiseks saab kasutada naaberaatomite mõju. Selle tulemusena tekib koosmõjuline nõrkade interaktsioonide võrgustik, mis tugevdab halogeensidet. Kui sõltuvus katalüsaatori struktuur-aktiivsus-selektiivsus on suuresti empiiriline ja põhineb senisel kogemusel, siis vesiniksideme indutseeritud halogeensideme moodustamist saab modelleerida arvutil. Olime esimesed, kes kasutasid nii disainitud ja sünteesitud katalüsaatoreid praktilises asümmeetrilises sünteesis.

Asümmeetrilist organokatalüüsi saab kasutada kõige erinevamate bioaktiivsete ainete sünteesil. Hetkel on meile huvipakkuvaim spetsiifiliste rinnapiimas leiduvate kiudainete – rinnapiima oligosahhariidide (HMO-de) süntees. Seoses üha suureneva vajadusega beebitoitude järele kasvab ka vajadus HMO-de järele. Ligikaudu paarisajast HMO-st, mille struktuur on määratud, on sünteesitud ainult üksikud. Kui „rakuvabrikutega“ sünteesitakse HMO-de segusid, siis keemiline süntees võimaldab saada kindla struktuuriga HMO-sid, mis on vajalikud individuaalsete ainete omaduste iseloomustamiseks. Plaanime rakendada oma uusi halogeensideme doonoritel põhinevaid multifunktsionaalseid katalüsaatoreid just HMO-de sünteesil.

Sama oluline kui konkreetne rakendus on organokatalüüsi üldine mõju tänapäevasele orgaanilisele sünteesile. Tänaseks on sünteesi fookus nihkunud eesmärkühendite saamisest nende sünteesi efektiivsusele, mis väljendub eelkõige selektiivsemate reaktsioonide kasutamises. Organokatalüüs ongi üheks võimaluseks efektiivsuse tõstmisel. See omakorda viib lühemate, aatomefektiivsemate sünteesiteede, vähemate kõrvalproduktide ja jäätmete tekkeni. Oluline on ka rohekeemia põhimõtete kinnistamine doktorantidele, kes tulevikus tagavad nende juurutamise Eesti ettevõtluses.

Teadus, eriti eksperimentaalteadus, on kollektiivne töö. Selle huvitava teemaga tegelemine on osutunud võimalikuks tänu minu kolleegidele-kaasteelistele ja nii endistele kui ka praegustele doktorantidele, keda siinkohal tänada soovin.