Mechanische Katalyse: Chemische Reaktion ganz ohne giftige Lösungsmittel

Viele chemische Reaktionen basieren auf dem Einsatz von Lösungsmitteln. Doch es geht auch ohne die oft gesundheits- oder umweltgefährdenden Substanzen. Mechanisch getrieben laufen die Reaktionen ganz ohne Lösemittel ab.

Um Chemikalien miteinander reagieren zu lassen, braucht es häufig den Einsatz von Lösungsmitteln. Doch diese sind meist gesundheitsgefährdend oder umweltschädlich. Dabei geht es auch anders: Denn mechanisch getriebene Reaktionen laufen gefahrlos für Mensch und Umwelt ab. Und diese würden zudem noch eine Menge an giftigen Abfällen in der Chemieindustrie einsparen.

Lars Borchardt von der Ruhr-Universität Bochum tüftelt an solchen mechanisch getriebenen Reaktionen. Mit seinem Team betreibt er dafür katalytisch beschichtete Kugelmühlen. Dort hat es bereits funktioniert, chemische Reaktionen ganz ohne Lösemittel ablaufen zu lassen. Um das nachhaltige Verfahren zur Marktreife zu bringen, muss es aber in großem Maßstab und kontinuierlich funktionieren. Nun wird sein Projekt „MechanoExtrusion“ vom Europäischen Forschungsrat ERC für 18 Monate mit 150 000 € gefördert.

Katalyse grün und nachhaltig – mechanisch und ohne einen Tropfen Lösungsmittel

„Das Konzept heißt Mechanochemie und basiert darauf, dass man Reaktionen in Kugelmühlen durchführt – lösungsmittelfrei, einzig dadurch, dass Kugeln aufeinanderprallen, dabei mechanische Energie an die festen Reaktanden übergeben und diese so in Reaktion bringen“, erklärt Borchardt. „Kein Tropfen Lösungsmittel ist dazu notwendig, das ganze also grün und nachhaltig.“

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Borchardt und sein Team widmen sich Synthesekonzepten, die gänzlich auf Lösungsmittel verzichten können. Im Zuge dessen haben sie Kugeln und Mahlbehälter entwickelt, die mit katalytisch aktiven Komponenten beschichtet sind. Dadurch lässt sich auf die Zugabe von Katalysatorpulver oder molekularen Katalysatorverbindungen verzichten. „Diese Komponenten sind nur schwer wieder abzutrennen und wiederzuverwenden“, erläutert Borchardt. Also ein klarer Vorteil für die Prozesstechnik, wenn sie gar nicht erst unter die Reaktionspartner gemischt werden müssen. Stattdessen dienen die Mahlwerkzeuge selbst als katalytisch aktive Komponenten.

Mechanokatalyse von der Forschung in die Anwendung

Zurzeit funktioniert dieses besonders nachhaltige Verfahren der direkten Mechanokatalyse allerdings nur im Labormaßstab. Damit es industriell einsetzbar ist, muss es kontinuierlich und vor allem im größeren Maßstab ablaufen. „Ziel ist es also, dass man kontinuierlich Reaktanden in einen Reaktor füllt, und darin ebenso kontinuierlich das gewünschte Produkt entsteht“, erläutert der Bochumer Forscher.

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Im Mittelpunkt seiner Forschungsarbeit steht deshalb jetzt die sogenannte Suzuki-Kupplung, eine der wichtigsten Reaktionen der pharmazeutischen Chemie zur Synthese von Biphenylen. Dafür werden sogenannte Extruder, die man sich als eine Art Fleischwolf vorstellen kann, kontinuierlich mit den Rohstoffen befüllt. Eine inwendige Schnecke knetet diese durch und fördert sie stetig weiter, bis am Ende das gewünschte Produkt ausgeworfen wird. Nun soll die direkte Mechanokatalyse von der Forschung in die Anwendung überführt werden.