Die Abfallproblematik in der chemischen Industrie erfordert neue, umweltfreundliche Lösungsansätze. Die Kombination von Mechanochemie mit kontinuierlicher Extrusion stellt dabei einen vielversprechenden Ansatz dar.
Die zunehmenden Probleme bei der Abfallentsorgung in der chemischen Industrie fordern nachhaltige Lösungen. Eine besonders vielversprechende Strategie ist die Mechanochemie, ein Verfahren, das sich in verschiedensten Bereichen der Chemie als wirkungsvoll erwiesen hat. Mechanochemische Reaktionen zeichnen sich durch ihre Umweltfreundlichkeit aus, da sie häufig ohne Lösungsmittel auskommen und dabei hohe Ausbeuten erzielen und kurze Reaktionszeiten ermöglichen. Derzeit wird mechanische Energie meist durch Kugelmahlung zugeführt, was ein etabliertes Verfahren ist, sich aber auf kleine Produktionsmengen beschränkt. Die Skalierung auf industrielle Maßstäbe stellt bislang eine Herausforderung dar. Um diesen Engpass zu überwinden, rückt die kontinuierliche reaktive Extrusion zunehmend in den Fokus. Sie bietet das Potenzial, mechanochemische Prozesse effizient, kontinuierlich und ressourcenschonend in die industrielle Praxis zu überführen.
Viviene Chantrain forscht zu diesem Thema im Team von Prof. Dr. Borchardt an der Ruhr-Universität in Bochum: «Wir sind überzeugt davon, dass Mechanochemie einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung der chemischen Industrie hin zu nachhaltiger Nutzung von Ressourcen und Energie leistet. Da allerdings die Produktionskapazitäten der meisten Kugelmühlen aus sicherheitstechnischen Gründen begrenzt sind, bietet sich der Extruder als leicht skalierbare und kontinuierliche Methode an.»
Mit Einsatz eines Three-Tec Extruders ZE 12, L/D 40:1 hat Viviene Chantrain und ihr Team das erste direkte mechanokatalytische Reaktionsprotokoll für die Suzuki-Miyaura-Reaktion* im Extruder entwickelt. Durch das Beschichten der Schnecken oder des Zylinders des Extruders mit einer dünnen Palladiumschicht konnten sie Kreuzkupplungsreaktionen kontinuierlich, lösungsmittelfrei und ohne Zugabe molekularer oder pulverförmiger Katalysatoren durchführen.
Die Untersuchung verdeutlicht das empfindliche Zusammenspiel zentraler Prozessparameter wie Temperatur, mechanische Energiezufuhr, Verweilzeit, Rheologie und Katalysatorkontaktzeit. Eine gezielte Optimierung dieser Parameter führte zu Produktausbeuten von 36 % bzw. 75 % bei längeren Reaktionszeiten. Der Extruder und die Unterstützung von Three-Tec konnten Viviene Chantrain bei ihrer Arbeit überzeugen: «Der Three-Tec Extruder zeichnet sich für mich besonders durch sein nutzerfreundliches und flexibles Design aus, da uns dies erlaubt, viele verschiedene Synthesemethoden einzusetzen oder kaskadische Reaktionen zu fahren. Man merkt während der Nutzung ganz eindeutig, wie durchdacht das Design des Extruders ist, besonders in den Details. Three-Tec stand uns bei Problemen und Fragen immer hilfreich zur Seite. Sogar bei unseren ungewöhnlichen Spezialteilen und sehr spezifischen Problemen wurden wir immer ernst genommen und kompetent wie auch freundlich beraten.»
Die Ergebnisse der Forschung leisten einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung der Mechanokatalyse hin zu einem kontinuierlichen, skalierbaren und industrietauglichen Verfahren. Mit Blick auf die Zukunft soll die Mechanochemie für die industrielle Fertigung attraktiver gemacht werden. Insbesondere durch weitere Kugelmühlenprotokolle, die anhand der gezeigten Trends für den Extruder adaptiert werden (z.B. Amidbindungsbildung, Buchwald-Hartwig-Kupplung, Dakin-Reaktion, Michael-Addition, Heck-Reaktion oder Friedel–Crafts-Reaktion). Gleichzeitig sollte auch das geometrische Scale-up auf größere Extruder/Schnecken für die benötigten Reaktionsmischungen und deren teils ungünstige Rheologie sowie die exakten Einflüsse der verschiedenen Knetelemente und deren Anzahl weiter untersucht werden.
Hier finden Sie das komplette Paper «Continuous Direct Mechanocatalytic Suzuki-Miyaura Coupling via Twin-Screw Extrusion».
| Viviene Chantrain hat ihre Masterarbeit zum Thema «Mechanochemical synthesis by extrusion» geschrieben. Aktuell ist sie Doktorandin an der Ruhr-Universität in Bochum, wo sie weiterhin zum Thema «Skalierbarkeit und Nachhaltigkeit mechanochemischer Prozesse» forscht. |
* Die Suzuki-Miyaura-Reaktion ist eine chemische Reaktion, mit der sich zwei organische Moleküle durch eine C-C-Bindung miteinander verbinden lassen. Die Reaktion verbindet ein Molekül, das ein Bor-Atom enthält, mit einem anderen Molekül, das ein Halogenatom wie Brom oder Iod trägt. Damit diese Kopplung effizient abläuft, ist ein Palladium-Katalysator notwendig. Er beschleunigt die Reaktion und ermöglicht die Verbindung unter milden Bedingungen. Zusätzlich wird eine Base hinzugegeben, die für den Katalysezyklus notwendig ist. Das Ergebnis ist ein neues, oft komplexeres Molekül, in dem zwei Kohlenstoffgruppen direkt miteinander verbunden sind. Die Suzuki-Miyaura-Reaktion ist wegen ihrer Zuverlässigkeit und Vielseitigkeit eine der wichtigsten Methoden in der modernen organischen Chemie. Sie wird häufig in der Pharmaforschung, bei der Herstellung von Wirkstoffen sowie in der Materialwissenschaft eingesetzt.