Was leistet die Mechanochemie? Chemie aus der Kugelmühle

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Ruhr-Universität Bochum Lehrstuhl für Analytische Chemie und Zentrum für Elektrochemie

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Kaum eine Reaktion kommt ohne Lösungsmittel aus. Doch diese wieder abzutrennen, ist zeit-, kosten- und ressourcenaufwändig und produziert große Mengen giftigen Mülls. Mechanochemische Reaktionen nutzen mechanische Energie und kommen ohne Solventen aus.

In Kugelmühlen geht es im wahrsten Sinnes des Wortes rund: Mit viel Kraft zerkleinern Mahlkugeln Stoffe. So verarbeiten riesige Mühlen in Zementwerken Klinker zu feinem Klinkermehl. Doch in der zermalmenden Kraft steckt noch mehr: Forscher und zum Teil auch schon die Pharma-Industrie nutzen die mechanische Energie, um chemische Reaktionen zu initiieren und so komplexe Moleküle aufzubauen.

Das Feld der Mechanochemie ist noch relativ jung. Ein Name, der in diesem Umfeld in den letzten Jahren häufiger fällt, ist Prof. Dr. Lars Borchardt. 2018 konnte er mit seiner Nachwuchsgruppe „Mechano­carb“ an der Fakultät Chemie und Lebensmittelchemie der TU Dresden am Beispiel von Nanographen zeigen, welches Potenzial in der Disziplin schlummert. Nanographen ist schwerlöslich und damit nur sehr aufwändig herzustellen. Durch die starken Kräfte in den Kugelmühlen werden jedoch chemische Reaktionen in Gang gesetzt, bei denen sich ein Hexaphenylbenzen-Vorläufer in ein komplett aromatisches System überführen lässt. Und das ganz ohne Lösungsmittel.

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Schnell, skalierbar und vor allem lösungsmittelfrei

Seit 2019 ist Borchardt an der RUB tätig und leitet hier die Arbeitsgruppe Mechanochemie. Eine Arbeit, deren Stellenwert immer mehr gewürdigt wird: So hat die International Union of Pure and Applied Chemistry (Iupac) die Mechanochemie als eine von zehn Chemieinnovationen benannt, die ihrer Meinung nach die Welt verändern könnten. Auch das Euro­pean Research Council (ERC) erachtet diesen neuen Zweig der Chemie als förderwürdig und unterstützt Borchardts Forschungen mit einem Starting Grant. Mithilfe dieser Mittel will der Chemiker Synthesekonzepte entwickeln, die komplett auf Lösungsmittel verzichten. Lösungsmittel machen den Löwenanteil des Mülls aus, der in der Chemieanlage entsteht. „Man sagt, dass für Basischemikalien bis zu fünfmal, für Feinchemikalien bis zu 50-mal und für pharmazeutische Chemikalien bis zu 150-mal mehr Müll produziert wird, als das eigentliche gewünschte Produkt“, betont Lars Borchardt. „Wir brauchen hingegen keinen einzigen Tropfen Lösungsmittel. Zudem ist die Synthese in der Kugelmühle schnell, energieeffizient und skalierbar.“

„Die Chemie dahinter ist bisher noch wenig verstanden“, so Borchardt. „Wir gehen aber davon aus, dass sie anders ist als das, was wir unter klassischer Chemie verstehen.“ Hinweise darauf sind, dass bei diesem Vorgehen Reaktionen funktionieren, die normalerweise nicht ablaufen, dass Reaktionen viel schneller als üblich ablaufen oder unerwartete Produkte entstehen. „Der Clou am Projekt ist, dass wir Katalyse in der Mühle machen“, verdeutlicht der Chemiker. Während man normalerweise für die Katalyse aufwändig hergestellte Stoffe nutzt, belegt das Team, dass man die Mahlkugeln selbst als Katalysatoren verwenden kann. „Das vereinfacht die ganze Chemie grundlegend und ist wahrscheinlich ein völlig neuer Zweig der Katalyse.“

Moderate Bedingungen im Kugelmühlen-Reaktor

Mühlen sind für die Industrie nichts Neues: Sie stehen als Schwing- oder Planetenkugelmühlen in vielen Laboren und bearbeiten Proben. Exzenter-Schwingmühlen wiederum vermahlen Rohstoffe, Zwischen- und Endprodukte in der Chemie-, Pharma- und Lebensmittelindustrie. „Wir betreiben die Kugelmühlen genauso wie die Industrie. Nur mit dem Unterschied, dass wir nicht zerkleinern, sondern chemische Reaktionen anstoßen“, so Borchardt. Die Bedingungen in der Mühle während eines Mahlvorgangs unterscheiden sich also nicht wesentlich von denen während einer mechanochemischen Reaktion. Während der Synthese entstehen Temperaturen zwischen 30 und 100 °C und der Druck steigt nur geringfügig.

Doch wie können unter diesen moderaten Bedingungen Synthesen stattfinden, die sonst nur bei hohen Drücken und Temperaturen ablaufen? Bislang erklärte man sich dieses Phänomen mit der Hot-Spot-Theorie: In dem winzigen Augenblick, in dem die Kugeln aufeinanderprallen, entstehen auf kleinstem Raum für Millisekunden tausende Grad Celsius und viele Gigapascal. Sobald die Kugeln auseinandergehen, lösen sich diese Bedingungen sofort wieder auf. Ob das wirklich so ist, wird derzeit kritisch hinterfragt. Manche Forscher erklären sich diese Reaktionen mit der extrem guten Durchmischung und den daraus resultierenden immer neuen Oberflächen. Borchardt vermutet, dass beide Theorien ihre Berechtigung haben. Für den Forscher gibt es also noch viel Spannendes zu entdecken.

„Aber mich interessiert natürlich auch, wie unsere Forschungen irgendwann einmal in bestehenden Anlagen angewendet werden“, erklärt Borchardt. Keine unrealistische Vorstellung. Schließlich befinden sich die Reaktoren – sprich Kugelmühlen – vielfach schon in den Produktionbetrieben. Und auch die Mühlenhersteller machen ihre Maschinen fit für die mechanochemische Aktivierung.

„Mechanochemie ist grüne Chemie“

Nachgefragt bei Prof. Dr. Lars Borchardt, RUB

Chemische Reaktionen, die ohne Lösungsmittel auskommen, daran forscht Prof. Dr. Lars Borchardt, Leiter der Arbeitsgruppe Mechanochemie an der Ruhr-Universität Bochum (RUB). Dafür setzen der Forscher und sein Team auf die Kraft der mechanischen Energie. Das European Research Council unterstützt das Vorhaben nun auch mit einem Starting Grant.

PROCESS: Für welche Endprodukte eignet sich die Synthese in der Kugelmühle?

Prof. Dr. Lars Borchardt: Mechanochemie eignet sich zur schnellen, skalierbaren und nachhaltigen Synthese anorganischer Materialien, organische Feinchemikalien, Polymere, ja sogar Pharmazeutika. Insbesondere Feststoffe können direkt, ohne vorheriges Lösen, miteinander umgesetzt werden. Aber auch Flüssigkeiten und sogar Gase wurden mechanochemisch zur Reaktion gebracht. Besonders attraktiv wird diese Technologie überall dort, wo die Löslichkeit der Edukte oder Katalysatoren bisher problematisch war oder wo hohe Reaktionstemperaturen und lange Reaktionszeiten verwendet wurden. Einzig zum Züchten von Einkristallen ist die Synthese in Kugelmühlen wahrscheinlich ungeeignet.

PROCESS: Welche Vorteile bietet Ihr Ansatz gegenüber üblichen Synthesewegen?

Prof. Borchardt: Mechanochemie ist „grüne Chemie“, denn sie verzichtet gänzlich auf Lösungsmittel und beseitigt somit die Hauptquelle der Abfallakkumulation in chemischen Prozessen. Sie ist deutlich schneller und energieeffizienter, als die meisten konventionellen Lösungsmittel-basierten Synthesen. Zudem sind mechanochemische Reaktoren – Mühlen – bereits in verschiedensten Größen vielfach in industriellen Prozessen etabliert.

PROCESS: Welche Aspekte müssen noch erforscht werden, um die Synthese zur Anwendung zu bringen?

Prof. Borchardt: Aus akademischer Sicht müssen die Mechanismen mechanochemischer Reaktionen untersucht und verstanden werden. Darüber wissen wir derzeit zu wenig. Vermutlich sind sie denen konventioneller Lösungsmittel-basierter Synthesen vielfach verschieden. Aus Anwendersicht müssen mechanochemische Verfahren vom Labor in den industriellen Maßstab aufskaliert werden. Hier gilt es, die Rolle mechanochemischer Prozessparameter zu verstehen. Ebenso sollten kontinuierliche mechanochemische Prozesse entwickelt werden.

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