Chemie Geschüttelt, nicht gerührt

Nachdem Sie das letzte Mal ein Ei gekocht haben, haben Sie das Wasser, welches ein Vielfaches des Volumens des Eis hatte, sicher weggeschüttet. Grundsätzlich funktionieren so auch die Prozesse in der chemisch-pharmazeutischen Industrie. Um im Bild zu bleiben: Das rohe Ei entspricht den Ausgangsstoffen, das Wasser ist das Lösungsmittel, in dem die Reaktion – das Garwerden des Eis – ­stattfindet. Das Produkt ist am Ende das gekochte Ei.

In gewaltigen Anlagen – der größte Chemiepark Deutschlands, der ChemCoast Park Brunsbüttel, erstreckt sich beispielsweise über eine Fläche von etwa 2800 Fußballfeldern – werden Chemikalien in Lösungsmitteln gelöst, gerührt, erhitzt und nach der Reaktion wieder abgetrennt. Lösungsmittel machen dabei oft 80 bis 90 Prozent der Gesamtmasse einer Reaktion aus. Das ist problematisch, da es sich dabei meist um toxische und umweltbelastende organische Substanzen handelt, die nicht einmal an der eigentlichen chemischen Reaktion teilnehmen. Diese Mengen werden in den Anlagen erhitzt und bewegt, was große Mengen Energie erfordert, während die Lösungsmittel am Ende als Abfall anfallen.

Doch warum werden diese Lösungsmittel überhaupt verwendet, wenn sie doch an der Reaktion selbst gar nicht teilnehmen und stattdessen Prozesse nur energieintensiver, gefährlicher und umweltschäd­licher machen? Die Antwort: Lösungsmittel sind notwendig, um Chemikalien miteinander zu ver­mischen, Zwischenprodukte zu stabilisieren oder die Hitze der Reaktion abzuführen. Doch dies stimmt nur, wenn man davon ausgeht, dass die gewünschte ­Reaktion nur möglich ist, indem man Stoffe löst und das Gemisch unter rühren und erhitzen zur Reaktion bringt. In Zeiten steigenden Umweltbewusstseins rücken nun aber nachhaltigere Alternativen in den Fokus. Zum Beispiel die Mechanochemie.

Wir haben eine Vielzahl von Reaktionsparametern untersucht sowie geeignete Katalysatoren und Additive ausgewählt – und konnten schließlich zeigen, dass sich beide Umlagerungen in Kugelmühlen durchführen lassen.

Allerdings eignen sich Kugelmühlen nur bedingt für die Produktion größerer Mengen, wie sie in Industrieprozessen benötigt werden. Daher haben wir unser Verfahren mittels Doppelschneckenextruder (DSE) skaliert. Dabei werden Stoffe durch zwei ineinandergreifende Metallschnecken miteinander vermischt. Dadurch entstehen Scherkräfte, welche die not­wendigen mechanischen Energien für eine Reaktion bereitstellen. Mittels DSE gelang es uns, beide Reaktionen in größere Maßstäbe zu übertragen. Konkret konnten wir die erzeugte Abfallmenge in der Beckmann-Umlagerung um etwa 75 Prozent senken, während in der Fries-Umlagerung die Reaktionszeit um 97 Prozent reduziert und gleichzeitig die Ausbeute um mehr als das 1,5-Fache gesteigert wurde. Damit konnten wir nicht nur die ersten Umlagerungsreaktionen mittels DSE überhaupt durchführen. Wir konnten auch zeigen, dass die Mechanochemie eine umweltfreundliche Alternative für die Durch­führung dieser wichtigen Reaktionsklasse darstellt.

Wie erwähnt, untersuchten wir neben den Umlagerungen auch photochemische Reaktionen. Dabei handelt es sich um Reaktionen, die durch Licht ausgelöst werden. Dazu gehört auch die Photo­synthese, einer der fundamentalen Prozesse in der Natur. Da Sonnenlicht einfach verfügbar ist, können photochemische Reaktionen besonders nachhaltig sein. Wie die meisten Reaktionen werden aber auch photochemische Synthesen meist in Lösungsmitteln durchgeführt. Bei diesem Reaktionstyp ist das sogar besonders problematisch, da eine hohe Verdünnung der Lösung für eine effiziente Bestrahlung und anschließende Reaktion erforderlich ist. Dadurch entstehen bei photochemischen Reaktionen besonders viele Lösungsmittelabfälle, was ihre industrielle Anwendung häufig unattraktiv macht. Eine Durch­führung photochemischer Reaktionen im festen Zustand (ohne Lösungsmittel) ist hingegen schwierig, da die notwendige Durchmischung fehlt.

Unser Ziel war daher, Mechanochemie und Photochemie zu vereinen. In diesen photo-mechano­chemischen Reaktionen könnte Licht die Reaktionen antreiben, während die Vermahlung in einer Kugelmühle die notwendige Vermischung im festen Zustand ermöglicht. Jedoch gab es nahezu keine Arbeiten auf diesem Gebiet – was daran liegt, dass geeignetes Equipment schwer zu finden ist: Das Reaktionsgefäß muss einerseits lichtdurchlässig sein, um die photochemischen Reaktionen zu ermög­lichen, und andererseits den enormen mechanischen Kräften einer Kugelmühle standhalten.

Am Anfang unserer Experimente stand daher der Bau eines Photoreaktors aus starken LEDs, der die Bestrahlung der Kugelmühle ermöglichte, sowie von durchsichtigen Behältern für die Reaktion. Diese bestanden aus Quarzglasröhren mit Kunststoff­verschlüssen. In Kombination mit weichen Polymermahlkugeln konnten wir die ersten beiden Reak­tionen in einer Kugelmühle unter Bestrahlung mit UV-Licht durchführen.

Wir untersuchten dabei Reaktionen zur Synthese von Nanographenen. Diese Verbindungen sind etwa bei der Herstellung von OLEDs von Bedeutung – organischen Leuchtdioden, die in hochauflösenden Bildschirmen verwendet werden. Aufgrund ihrer Größe und geringen Polarität sind Nanographene schwer löslich und mit klassischen Methoden entsprechend schwer zugänglich. Wir konnten mit der von uns entwickelten Technik eine Zahl von Nanographenen in guten Ausbeuten erzeugen. Im Gegensatz zur konventionellen Reaktion in Lösung reduzierte sich die Reaktionszeit um 56 Prozent, der Energiebedarf um 78 Prozent und die Lösungsmittelmenge sogar um 98 Prozent.

Die Mechanochemie bietet enormes Potenzial bei der Entwicklung nachhaltiger chemischer Reak­tionen – auch wenn die eindrucksvollen Einsparungen gegenwärtig hauptsächlich im Labormaßstab erzielt werden. Doch haben sich weltweit bereits einige junge Firmen der Mechanochemie verschrieben. Auch das Interesse etablierter Unternehmen an dieser Technik wächst. Perspektivisch dürfte sich die Mechanochemie zunächst in Industriezweigen mit geringerer Produktionsmenge wie der Herstellung von Arzneistoffen oder Spezialchemikalien durchsetzen, da hier geringere Investitionen seitens der Industrie notwendig sind. Langfristig könnte das Verfahren – auch unter den steigenden Anfor­derungen an nachhaltige Prozesse – Anwendung in ­größeren Maßstäben finden. Auch wenn die Mechano­chemie nicht alle der herkömmlichen Prozesse ersetzen wird, kann sie den Anteil nach­haltiger Produktionen deutlich steigern.