Projektid

Tippkeskuse eesmärk on edendada innovatsiooni ringmajanduses, keskkonnasõbralikku ja kohalikku ressurssi vajavate tehnoloogiate uurimise ning ühiskonna teadlikkuse tõstmise kaudu. Neljas töörühmas on järgmised uurimissuunad. Strateegilise mineraalse toorme rühm kaardistab kriitilisi materjale ja sekundaarseid ressursse jäätmevoogudes, et neid eraldada ja taaskasutada, minimeerides kahjulike jäätmete hulka. Süsiniku-põhise toorme töörühm arendab rohekeemial põhinevaid meetodeid võtme-kemikaalide ja taaskasutatavate plastide jaoks, hinnates ka nende keskkonnamõju. Ringsete tehnoloogiate tööstussiirde rühm fokusseerub skaleerimist võimaldavatele tehnoloogiatele vähendades jäätmeid ja edendades ringlussevõttu, käsitledes ka veepuhastust. Ringmajanduse ärirakenduste ning modelleerimise analüüsi rühm analüüsib jätkusuutlikke ärirakendusi ning toormete väärtusahelaid. Tippkeskuse interdistsiplinaarsus aitab luua Eestile ja Euroopale vajalikke ringmajanduslikke lahendusi.

Käeliste molekulide tuvastamine ja enantiomeeride eraldamine on oluline keskkonna seire, agrokeemia ja ravimite disaini vaatevinklist. Hemikukurituriilid on selleks väga sobilikud, sest neid saab suunatult sünteesida kombineerides erinevaid monomeere ühe-etapilises mehanokeemilises reaktsioonis. Selles jätkusuutlikus protsessis tekitatakse vähem jääke lahusteid vältides ning ise-organiseerumine on võimendatud tänu tahke faasi reaktsioonile. Käesolevas projektis uuritakse hemikukurbituriilide ise-organiseerumise fundamentaalseid aluseid ning rakendatakse neid uute supramolekulaarsete süsteemide loomisel, selleks et käeliste ühendeid tuvastada ja eraldada, aga ka saasteainete korral keemilise muundamise abil väärindada. Katseliste ja arvutuskeemia tulemuste abil luuakse ennustusmeetod uute analüütide tuvastamiskes sobivate omadustega makrotsüklite sünteesiks. Tulemused peaksid huvi pakkuma teadlastele ja rakendajatele, kes kasutavad, toodavad või tuvastavad käelisi ühendeid.

Farmaatsiatööstuse mõju keskonnale on problemaatiline. Ravimite tootmine ja kasutus tekitab suurt CO2 emissiooni, saastab mulda, mikrofloorat ja vett ning tekitab probleeme ka inimese tervisele, kanserogeensete lisandite tõttu. Eriti suur probleem on lahustite kasutusega. Rohelepe seab selged piirangud keskkonnasaaste osas farmaatsiatööstustele, see sunnib "rohelise" ravimtööstuse kõrge maksumuse tõttu, kolima ravimitootmist väljapoole Euroopa Liitu. Selline olukord põhjustab Euroopas tarneahelate ebakindlust ning alandab kriisideks valmisolekut. Vajalikud on uued, rohelised, efektiivsed ja ökonoomsed ravimite tootmise meetodid. IMPACTIVE projekt toob kokku ekspertiisi ja teadmised kahest COST-i tegevusest ja töötab välja uued rohelised meetodid ravimite toimeainete tootmiseks mehhanokeemia abil. Mehhanokeemia rakendab mehhaanilisi protsesse, nagu kuulveskis jahvatust, kahe teoga ekstruuderis pressimist, resonants akustilist segamist ja pihustuskuivatust keemiliste reaktsioonide käivitamiseks. Mehhanokeemia kasutusel on järgmised eelised: see on lahusti-vaba, kõrge effektiivsusega, odav, vähese energiakulu ja CO2 emissiooniga. Projekti lõpuks tõestame mehhanokeemia kasutamise kontseptsiooni toimivust kuue ravimi toimeaine saamiseks väikeses pilootmahus, kusjuures teeme seda kolme erineva ühendiklassi näitel. Hiljutise uuringu andmetel saab mehhanokeemia abil vähendada ökotoksilisust ja CO2 eraldumist üle 85%, samal ajal vähendades tootmismaksumust 12%. Seega IMPACTIVE projekti tulemused võimaldavad ravimitööstusel liikuda tagasi Euroopasse, samas minimeerides keskkonnareostuse teket. Maksimaalse mõju saavutamiseks, ning tänu meie tugevale kommunikatsiooni strateegiale, tagatakse projektitulemuste jagamine teadlaste, farmaatsiatööstuste, regulatoorse- ja avaliku sektori asutuste ning huvigruppidega.

CHIRALFORCE projekti eesmärk on näidata, et enantiomeere saab lahutada kompaktse fotoonilise kiibiga, mis on tehtud tavalise räni-põhiste meetoditega. CHIRALFORCE2 Hop-On projekt tugevdab originaal projekti sellega, et tagab selle kiibiga teottatud kiraalse lahutamise analüüsi metoodika. Enantiomeeride lahutamine segudest on oluline näiteks ravimiarenduses. CHIRALFORCE projekti eesmärk on teha revolutsioon kiraalse keemia maailmas selle kaudu, et kasutatakse fotooniliste lainekandurite abil saadud kiraalseid optilisi jõudusid nende kiraalsete molekulide omavaheliseks lahutamiseks. Projekti edu sõltub sellest kui hästi on aru saada kiraalse lahutamise õnnestumine. Kahjuks tänapäeval valdavalt kasutuses olevad tehnoloogiad: näit tsirkulaardikroismi (CD) spektroskoopia või kõrgrõhu vedelikkromatrograafia (HPLC) tava lahendused ei võimalda kohest lahutamise analüüsi nagu CHIRALFORCE projekt vajab. CHIRALFORCE2 projekt lahendab selle vajaduse sellega, et töötab välja platvormi kiraalse lahutamise koheseks analüüsiks peale CHIRALFORCE lahutamise kiipi samas vedelikuliinis. Me kasutame interdistsiplinaarset lähenemist, kus kombineeruvad omavahel automaatika, elektroonika, optika ja IT valdkonnad. Kiraalse lahutamise jälgimine samas vedelikuliinis teostatakse CD-spektrofotomeetria või neeldumise mõõtmisega, vastavalt mikrofluidika ja optika tingimustele projektis. Mõlemad lahendused on toestatud spetsiaalse tarkvaraga signaalide analüüsi ja tagasiside jaoks.

Supramolekulaarsete kohandatavate kiraalsuse sensorite välja töötamine on oluline orgaaniliste ainetega tegeleva tööstuse ja teadusarendus tegevuse juures. Käelised ehk kiraalsed molekulid on igapäevaselt kasutused ravimi-, toidu-, parfüümi-, kosmeetikatööstuses ja põllumajanduses. Bioloogilises ökosüsteemis metaboliseeruvad, imenduvad ja erituvad käelised molekulid stereoselektiivselt ja nende bioloogiline toime võib erineda oluliselt. Seetõttu võib erinevate stereoisomeeride mõju keskkonnalle olla radikaalselt erinev. Standardsete analüüsimeetoditega, mis ei erista molekulide käelisust, võib nende ühendite mõju alahinnata. Käesolevas projektis disainisime ja sünteesisime uusi retseptormolekule nii sopramolekulaarsete interaktsioonide kui ka kovalentse sidumise kaudu. Saadud retseptormolekulide struktuuri, optilisi ja supramolekulaarseid omadusi uurides jõudsime mitmete uute ühenditeni, millel on potentsiaali leida rakendus bioaktiivsete ning ka saasteainete lahutamise, eraldamise ja tuvastamise jaoks. Töötasime välja keskonnasõbralikke mehhanokeemilisi sünteesimeetodeid, mis võimaldavad vähendada jääkide teket orgaaniliste ühendite sünteesil. Lisaks uurisime ka oligomeersete makrotsükliliste retseptrite sünteesi ja arendasime sünteesimeetodeid nii mono- kui ka multifunktsionaalsete makrotsükliliste ühendite saamiseks. Alustasime uuringuid supramolekulaarsete materjalide loomiseks ning näitasime, et porfüriinide ja käeliste hemikukurbituriilide abil saab hõlpsalt valmistada materjali enantioselektiivsete elektroonsete ninade ehitamiseks. Uurisime ka kirooptilise signaali tekke korrellatsiooni kvantkeemiliselt modelleeritud molekularorbitaalide ja geomeetriatega ning näitasime et uuritud optiliselt aktiivselte sensormolekulide sigaali saab võimendada anorgaaliste ja kiraalsete materjalidega. Projekti tulemused avaldati mitmetes teadusjakirjades ning taotleti ka kahte patenti.

Chiral pollution is an environmental topic of crucial importance, considering that a large number of chemicals spreading into the environment, for example pesticides, are chiral substances. However, usually the stereoisomerism of contaminants is not considered, although the biological activity of enantiomers is significantly different, making their recognition critical for environmental control. Enantiomeric excess is currently determined by off-site analysis, requiring collection, transportation, eventual pre-treating of the sample, and expensive instrumentations and specifically trained staff. Thus, providing devices able to allow for rapid on site detection and chiral discrimination of target analytes would have a dramatic impact in all the fields of environmental control with significant economic benefits. The development of chemical sensors has been conceived to bypass restrictions related to classical analytical protocols and supports the use of conventional laboratory techniques for environmental control. While the technological foundation for chemical sensors already exists, it has been difficult to apply them to chiral discrimination and analysis, due to the lack of suitable solid state receptors. The main aims of the project are: a) the development of novel molecular receptors, mainly based on porphyrin derivatives, b) integration of the receptors with different nanostructures and characterization of their solid state organization, c) deposition of the structures onto transducer surfaces, d) testing and validation of the new chemical sensor devices with enantiomeric pairs of model analytes. The synergistic complementary know-how of six academic units and two private companies will allow a breakthrough development through delivery of sensing probes ranging from the synthesis of macrocyclic molecular receptors to the building and testing of analytical and electronic parts for final, field-capable devices.