Mecanoquímica Reacciones mecanoquímicas con molinos de bolas, sin disolventes
La mecanoquímica es una rama de la química que utiliza las fuerzas de impacto y fricción para desencadenar reacciones químicas, normalmente mediante el uso de molinos de bolas. Cada vez despierta más interés por sus beneficios medioambientales, ya que los químicos buscan alternativas sin disolventes ante la creciente preocupación por el medio ambiente, y la mecanoquímica ofrece un enfoque prometedor. Aparte de acelerar las reacciones y ahorrar energía en comparación con los métodos convencionales basados en disolventes, este método resuelve problemas como la escasa solubilidad de los reactivos. Permite reacciones que no pueden llevarse a cabo en disolventes y la estabilización y purificación de productos intermedios. La mecanoquímica abre así nuevas vías para mejorar la sostenibilidad de los procesos y desarrollar reacciones novedosas. RETSCH ofrece la gama más completa de molinos de bolas y accesorios óptimos para llevar a cabo reacciones químicas en recipientes de molienda.
Ventajas de las reacciones mecanoquímicas frente a los procesos basados en disolventes
- En los procesos sin disolventes se elimina hasta el 90 % de la masa de reacción, lo que mejora la eficiencia de costes y la seguridad medioambiental. Además, no es necesario buscar el disolvente óptimo para una reacción.
- La mecanoquímica permite explorar nuevas vías de reacción, dado que también puede utilizar reactantes insolubles, estabilizar productos intermedios o facilitar reacciones distintas en comparación con los métodos basados en disolventes .
- Este método ahorra tiempo, ya que las reacciones suelen completarse en cuestión de minutos u horas, en lugar de los días que se necesitan con los disolventes.
- Una vez identificadas las condiciones adecuadas, se pueden obtener mayores rendimientos.
¿Cómo funciona la mecanoquímica?
En la mecanoquímica, el método de aporte de energía y la mezcla son factores importantes. Los molinos planetarios de bolas utilizan principalmente la fricción para la trituración, mientras que los molinos mezcladores se basan en el impacto. Determinadas reacciones pueden llevarse a cabo con mayor eficacia en los molinos planetarios de bolas, mientras que otras se benefician del modo de impacto de los molinos mezcladores. En la actualidad, se están investigando los efectos variables de la temperatura y la mezcla en las reacciones mecanoquímicas, ya que aún no se comprenden a fondo los mecanismos precisos que las impulsan.
La eficiencia de las reacciones mecanoquímicas suscita varios interrogantes: ¿Es la energía del impacto la que impulsa estas reacciones, y un mayor aporte de energía mejora siempre los resultados? ¿Las bolas no sólo crean nuevas superficies reactivas, sino que también mejoran la mezcla? ¿O desempeña un papel importante la concentración relativamente alta de reactivos en comparación con los sistemas solubles? Además, ¿contribuyen las altas temperaturas generadas por el impacto de las bolas, o se trata de una combinación de estos factores?
Otra consideración se refiere al tamaño óptimo de las bolas. Unas bolas demasiado pequeñas pueden producir la aglomeración de los reactivos y una mezcla insuficiente, mientras que unas bolas demasiado grandes podrían dar lugar a colisiones menos reactivas. El diámetro ideal de las bolas oscila entre 5 y 15 mm. La elección del material de las herramientas de molienda, como el óxido de circonio o el acero inoxidable, también es crucial. El material debe ser resistente a las reacciones químicas, no interferir en el proceso y poseer estabilidad mecánica para minimizar la abrasión.
Las reacciones autopropagadas inducidas mecánicamente (MSR) son reacciones químicas rápidas y exotérmicas iniciadas por energía mecánica, como la que se proporciona en los molinos de bolas, que se propagan a través de un material sin calentamiento externo. El vídeo muestra una reacción mecanoquímica entre el níquel y el azufre que, en determinadas circunstancias, puede funcionar como MSR. Hacia el final del vídeo, se puede ver un destello de luz que documenta la ignición de la MSR. Permiso para utilizar este vídeo concedido por Matej Baláž. [11]
¿Qué molinos de bolas se utilizan en la mecanoquímica?
Los molinos de bolas permiten un control preciso de las condiciones de reacción, una amplia gama de aportes de energía y la posibilidad de llevar a cabo reacciones en recipientes sellados. Los molinos planetarios de bolas y los molinos mezcladores suelen utilizarse para reacciones mecanosintéticas. Los principios de funcionamiento de estos dos tipos varían en algunos aspectos.
Molinos planetarios de bolas
Los recipientes de molienda están dispuestos excéntricamente sobre la rueda principal del molino planetario de bolas. El movimiento de rotación de la rueda principal es en dirección opuesta a la rotación de los recipientes de molienda en una proporción de 1:-2, 1:-2,5 o 1:-3. Las bolas de molienda de los recipientes de molienda se ven influidas por movimientos de rotación superpuestos, la denominada fuerza de Coriolis. Las diferencias de velocidad entre las bolas y los recipientes de molienda dan lugar a una interacción de fuerzas de fricción e impacto, por la que se liberan elevadas energías dinámicas. La interacción de estas fuerzas da lugar a un grado de trituración elevado y muy eficaz de los molinos planetarios de bolas.
RETSCH ofrece cuatro modelos de molinos planetarios de bolas con capacidad para 1, 2 o 4 recipientes de molienda en tamaños de 12 ml a 500 ml.
El PM 300 trabaja con una relación de velocidad de 1:-2, pero a diferencia de los demás modelos, alcanza hasta 64,4 veces la aceleración debida a la gravedad gracias a la velocidad máxima de 800 rpm y a la gran rueda principal. Gracias a la posibilidad de utilizar cuatro recipientes de molienda pequeños y apilables con tamaños de 12 a 80 ml para el funcionamiento a pequeña escala o dos recipientes con un tamaño de hasta 500 ml para fines de ampliación de escala, este molino planetario de bolas es ideal para aplicaciones de investigación en la mecanoquímica.
Molino de bolas de alta energía Emax
El molino de bolas de alta energía Emax es un tipo especial de molino planetario de bolas. Combina el impacto de alta frecuencia, la fricción intensa y los movimientos circulares y controlados del recipiente de molienda para crear un mecanismo de trituración único y muy eficaz con una velocidad de hasta 2.000 min-1, lo que resulta en un elevado aporte de energía.
La interacción de la geometría del recipiente y la secuencia de movimiento garantiza una fuerte fricción entre las bolas, la muestra y las paredes del recipiente, así como una elevada aceleración, que hace que las bolas golpeen la muestra con un fuerte impacto en los bordes redondos del recipiente. El resultado es una mezcla significativamente mejor de las partículas, con finuras finales más altas y distribuciones granulométricas más estrechas de lo que era posible hasta ahora en los molinos de bolas.
Un sistema único de refrigeración por agua garantiza temperaturas estables de la muestra y permite así procesos de molienda con un aporte de energía extremadamente alto. El Emax permite realizar moliendas dentro de un intervalo de temperatura definido, que el usuario selecciona definiendo una temperatura mínima y una máxima. Si se supera la temperatura máxima, el molino interrumpe automáticamente el proceso de molienda y sólo lo reanuda cuando se alcanza la temperatura mínima. La duración de la molienda y el tiempo de las pausas pueden variar en función de los límites de temperatura, si bien el proceso de molienda siempre es reproducible.
Molinos mezcladores
El modo de trituración de los molinos mezcladores se basa principalmente en el impacto. Los recipientes de molienda realizan oscilaciones radiales en posición horizontal. La inercia de las bolas de molienda hace que impacten con gran energía sobre el material de la muestra en los extremos redondeados de los recipientes y lo pulvericen. Además, el movimiento de los recipientes junto con el de las bolas da lugar a una mezcla intensiva de la muestra.
RETSCH ofrece cinco modelos de molinos mezcladores. El MM 400 se utiliza a menudo en la mecanoquímica porque es compacto y fácil de manejar. Una característica importante es la posibilidad de realizar moliendas de larga duración de hasta 99 horas.
El CryoMill enfría constantemente la muestra en el recipiente con nitrógeno líquido hasta -196°C. El MM 500 vario admite hasta 6 recipientes de molienda y, con una frecuencia máxima de 35 Hz, proporciona un nivel de energía superior al del MM 400. El MM 500 nano está diseñado para la producción de nanopartículas, pero con una frecuencia de 35 Hz también proporciona la energía necesaria para la mecanoquímica.
La máquina más interesante para la mecanoquímica es el MM 500 control, que permite trabajar en una gama de temperatura de -100 °C a +100 °C.
Influencia de la velocidad o la frecuencia en el rendimiento en la mecanoquímica
En la mecanoquímica, el método de aporte de energía y la mezcla son factores importantes. Los molinos planetarios de bolas utilizan principalmente la fricción para la trituración, mientras que los molinos mezcladores se basan en el impacto. Determinadas reacciones pueden llevarse a cabo con mayor eficacia en los molinos planetarios de bolas, mientras que otras se benefician del modo de impacto de los molinos mezcladores. En la actualidad, se están investigando los efectos variables de la temperatura y la mezcla en las reacciones mecanoquímicas, ya que aún no se comprenden a fondo los mecanismos precisos que las impulsan.
La eficiencia de las reacciones mecanoquímicas suscita varios interrogantes: ¿Es la energía del impacto la que impulsa estas reacciones, y un mayor aporte de energía mejora siempre los resultados? ¿Las bolas no sólo crean nuevas superficies reactivas, sino que también mejoran la mezcla? ¿O desempeña un papel importante la concentración relativamente alta de reactivos en comparación con los sistemas solubles? Además, ¿contribuyen las altas temperaturas generadas por el impacto de las bolas, o se trata de una combinación de estos factores?
Otra consideración se refiere al tamaño óptimo de las bolas. Unas bolas demasiado pequeñas pueden producir la aglomeración de los reactivos y una mezcla insuficiente, mientras que unas bolas demasiado grandes podrían dar lugar a colisiones menos reactivas. El diámetro ideal de las bolas oscila entre 5 y 15 mm. La elección del material de las herramientas de molienda, como el óxido de circonio o el acero inoxidable, también es crucial. El material debe ser resistente a las reacciones químicas, no interferir en el proceso y poseer estabilidad mecánica para minimizar la abrasión.
Una investigación reciente de la Universidad de Utrecht ha demostrado que la eficiencia de la despolimerización del polipropileno (PP) mediante molienda con bolas en el Mixer Mill MM 500 vario puede mejorarse considerablemente optimizando los parámetros mecánicos. Cuando se aumenta la frecuencia de molienda, la velocidad a la que se producen monómeros valiosos como el propeno aumenta considerablemente. Esto se debe a que las frecuencias más altas generan impactos más frecuentes y enérgicos, lo que acelera la escisión de las cadenas de polímeros. El efecto es muy no lineal: incluso aumentos modestos de la frecuencia pueden dar lugar a ganancias exponenciales en el rendimiento del producto, lo que hace que el proceso sea potente y ajustable. El mayor rendimiento se obtuvo con una frecuencia máxima de 35 Hz. [13]
Además de la frecuencia, el número y el tamaño de las bolas de molienda dentro del recipiente de molienda desempeñan un papel crucial. El uso de más bolas aumenta el número de colisiones, lo que a su vez impulsa la formación de pequeñas moléculas de hidrocarburos. Sin embargo, existe un rango óptimo en el que el proceso es más eficiente. Más allá de este punto, añadir más bolas reduce la eficacia, ya que restringe su movimiento y limita la transferencia de energía. Este enfoque ofrece una solución flexible y energéticamente eficiente para la economía circular de los plásticos.
Programming two different frequencies can improve reactions
Sequential milling at 25 Hz followed by 35 Hz greatly enhances amine formation compared to using a single frequency. In the first step at 25 Hz, benzaldehyde reacts with aniline to form the imine intermediate through condensation. In the second step at 35 Hz, this imine is hydrogenated to produce the desired amine. If only a high frequency is used, benzaldehyde is directly hydrogenated to benzyl alcohol, resulting in unwanted side products. Conversely, using only a low frequency does not provide enough energy for hydrogenation, so the imine does not convert to the amine. The two-step protocol suppresses side reactions and enables a true one-pot process without intermediate handling. Overall, this approach yields higher amounts and purity of the target amine, demonstrating a robust and sustainable method for reductive amination. [12]
Molinos de bolas de alta energía
Un elevado aporte de energía en los molinos de bolas aumenta significativamente el rendimiento de la molienda y da lugar a una distribución granulométrica más fina y homogénea. Esto es crucial para aplicaciones en las que la calidad del producto final depende de su tamaño y distribución de las partículas. En la mecanoquímica, el aporte de energía junto con el modo de acción, la temperatura, el tamaño del molino de bolas y los efectos de mezcla pueden influir en el resultado de la reacción. Para poder realizar experimentos en un espectro de velocidades medias a altas, cabe destacar cuatro molinos de bolas de RETSCH: PM 300, Emax, MM 500 nano y MM 500 vario. La aceleración que pueden alcanzar estos molinos depende del tamaño de la rueda principal y de la velocidad máxima (molinos planetarios de bolas) o de la amplitud y frecuencia (molinos mezcladores).
El molino de bolas de alta energía Emax, el más potente de la gama RETSCH, alcanza el mayor aporte de energía con velocidades de hasta 2.000 rpm, lo que se traduce en una aceleración de 76 g. En combinación con el principio de funcionamiento único y el diseño del recipiente de molienda, se consigue una distribución granulométrica excepcionalmente estrecha, tiempos de molienda y reacción cortos y partículas ultrafinas. Además, los movimientos de las bolas con impacto y fricción simultáneos mejoran la mezcla de la muestra.
El molino planetario de bolas PM 300 tiene una gran rueda principal y una velocidad máxima de 800 rpm, alcanzando aceleraciones de hasta 64,4 g. Junto con la opción de utilizar cuatro pequeños recipientes de molienda apilables con un tamaño de 12 a 80 ml para aplicaciones de laboratorio o dos recipientes con un tamaño de hasta 500 ml para aplicaciones a mayor escala, este molino planetario de bolas es ideal para aplicaciones de investigación en la mecanoquímica.
El modelo PM 400 con cuatro estaciones de molienda está disponible con una relación de velocidad de 1:-2,5 y 1:-3, lo que se traduce en un elevado aporte de energía favorable para las aplicaciones mecanoquímicas.
Los molinos mezcladores MM 500 nano y MM 500 vario funcionan a una elevada frecuencia máxima de 35 Hz, lo que produce una aceleración significativa. De este modo se acorta el proceso de molienda, se mejora el grado de molienda y se aumenta el aporte de energía para las reacciones mecanoquímicas.
Destrucción mecánico-química de Forever Chemicals en el PM 100
En un estudio detallado, Gobindlal et al. (2022) [10] investigaron la destrucción mecánico-química (MCD) de los ácidos perfluorosulfónicos (PFSA), una subclase de las sustancias alquílicas persistentes perfluoradas y polifluoradas (PFAS), utilizando el PM 100.
- Configuración de la molienda: se mezclaron 0,05 g de PFAS estándar con 5 g de arena de cuarzo en un recipiente de acero inoxidable de 50 ml con diez bolas de acero inoxidable de 10 mm.
- La molienda se realizó a temperatura y presión ambiente sin disolventes ni aditivos químicos. Las muestras se molieron en condiciones relativamente suaves durante un máximo de 720 minutos para evaluar la cinética de degradación y determinar los mecanismos de degradación subyacentes.
- La PM 100 alcanzó una degradación del 99,99 % del contenido total de PFSA después de 720 minutos. Compuestos individuales como PFOS, PFHpS, PFHxS, PFPeS y PFBS mostraron una rápida degradación, y el PFBS se destruyó por completo después de 180 minutos.
Modo de acción:
La arena de cuarzo genera radicales superficiales reactivos durante la molienda en el PM 100, que inician la degradación de los PFAS. Estos radicales facilitan la ruptura del enlace C-F, uno de los enlaces más fuertes de la química orgánica, lo que conduce a la mineralización del flúor en enlaces Si-F estables. Otro estudio del mismo grupo subraya la escalabilidad y la eficacia de la MCD utilizando el molino de bolas planetario PM 100 de Retsch para la remediación de suelos contaminados con PFAS y la destrucción de AFFF almacenados.
Funcionalización de la biomasa para aplicaciones farmacéuticas mediante mecanoquímica
La mecanoquímica está transformando la forma en que se fabrican los biomateriales funcionales, y la celulosa catiónica es un ejemplo claro de ello. Mediante un proceso sin disolventes, las fibras de algodón se combinan con una base catalítica y un aditivo mínimo, y luego se muelen junto con el reactivo catiónico para activar la reacción utilizando el molino mezclador MM 400. Este enfoque en estado sólido elimina el agua y los disolventes a granel, lo que reduce drásticamente el uso de productos químicos y los residuos en comparación con los métodos convencionales. Después de la molienda, una breve etapa de envejecimiento completa la reacción, lo que da como resultado fibras de celulosa altamente cargadas con un rendimiento excepcional. [14]
Condiciones óptimas de reacción: Las fibras de algodón se molieron en un recipiente de acero inoxidable de 50 ml con bolas de 3 x 10 mm durante 5 minutos a 25 Hz, luego se añadió EPTMAC y la mezcla se molió durante 30 minutos más. El posterior envejecimiento de la mezcla de reacción a 50 °C durante 24 h, seguido de la extracción Soxhlet (48 h) y la liofilización, dio como resultado el aislamiento de material cCF puro.
¿Por qué es esto interesante para la industria farmacéutica?
Estas fibras catiónicas muestran una fuerte unión electrostática con los virus, lo que permite la eliminación eficaz de patógenos del agua y de los flujos de proceso, algo fundamental para la fabricación estéril y las aplicaciones de agua limpia. Más allá de la filtración, el material ofrece potencial en la administración de fármacos, superficies antimicrobianas y ayudas para bioprocesos. El proceso alcanza unos parámetros de sostenibilidad excepcionales, en consonancia con los principios de la química verde y los objetivos de la industria. También permite un control preciso de la densidad de carga para obtener un rendimiento personalizado. Esta innovación demuestra cómo la mecanoquímica puede ofrecer soluciones de alto valor y respetuosas con el medio ambiente para la producción farmacéutica, combinando seguridad, eficiencia y sostenibilidad en un enfoque revolucionario.
Influencia de la temperatura en la mecanoquímica
En la mecanoquímica, la temperatura tiene un impacto significativo en la eficacia de la reacción y puede incluso determinar el tipo de reacción. Existe un interés creciente por los molinos calentables para hacer realidad el concepto de "batir y calentar", aunque la refrigeración también desempeña un papel en los resultados de la reacción. En algunos casos, la temperatura no tiene ninguna influencia apreciable. El diagrama ilustra los rangos de temperatura cubiertos por los molinos de bolas RETSCH. Los siguientes ejemplos muestran la posible influencia de la temperatura en las reacciones químicas.
El enfriamiento permite estabilizar los productos intermedios (derivados) en la mecanoquímica
Las reacciones con productos intermedios térmicamente inestables pueden controlarse con precisión sintetizándolos con refrigeración simultánea, p. ej. a -5 °C en el MM 500 control, en el que la refrigeración externa se ajusta a -5 °C y el refrigerante enfría activamente las placas térmicas y, por tanto, también los recipientes de vidrio y la muestra. Este proceso estabiliza los productos intermedios térmicamente inestables y, en última instancia, aumenta su rendimiento. La gestión de la temperatura del MM 500 control permite reacciones completamente nuevas, como demuestra la síntesis de ZIF-8 a partir de 2-metilimidazolio y óxido de zinc.
El MM 500 control permite controlar con precisión la formación de productos en procesos mecanoquímicos utilizando distintos niveles de temperatura. Conectándolo a un criostato o al CryoPad, las reacciones también pueden estabilizarse en otros rangos de temperatura de hasta -100 °C, lo que amplía significativamente el potencial para descubrir nuevas rutas de síntesis y productos. El CryoPad se utiliza para controlar la temperatura y permite regular la temperatura de las placas térmicas de 0 °C a -100 °C.
La reacción posterior para obtener kat-Zif-8 y dia-ZIF-8 pudo detenerse en cuanto la temperatura de las placas térmicas se ajustó a -5 °C mediante un refrigerador. Un aumento de 5 °C seguía dando lugar a la formación del segundo producto intermedio kat-ZIF-8. A 20 °C de las placas térmicas, se encontraron los tres productos. Al sintetizar sin refrigeración, la reacción real es completa, sólo dia-ZIF-8. Resultados presentados por el grupo de Lars Borchardt. [3]
El calentamiento produce resultados diferentes o reacciones más rápidas con mayores rendimientos en la mecanoquímica
En la mecanoquímica, el aporte de energía a través del calor puede ser ventajosa para las reacciones y dar lugar a mejores rendimientos u otros tipos de reacciones. Hay vías de reacción, como la reacción de acoplamiento cruzado Suzuki Miyaura, en las que una temperatura más alta acelera la reacción, de forma similar a la química clásica con mecheros Bunsen. En un caso, se utilizaron pistolas de calor para calentar los recipientes de molienda del MM 400.
Con el MM 500 control, que puede conectarse a un criostato, es posible un tipo de calentamiento controlado. En esta configuración, las placas térmicas se calientan hasta 100 °C con un fluido térmico, que transfiere eficazmente el calor a los recipientes y facilita la reacción.
El diagrama muestra un ejemplo de reacciones mecanoquímicas bajo la influencia del calor, concretamente la reacción de una amina primaria con anhídrido ftálico. Si se utiliza el MM 500 vario o el MM 500 control a temperatura ambiente, sólo se forma la monoamida. Por el contrario, la molienda durante tres horas a 80 °C conduce a la formación de la imida deseada con un rendimiento aislado de alrededor del 75%.
Otro ejemplo de cómo la temperatura afecta al rendimiento de las reacciones mecanoquímicas en los molinos de bolas se demuestra sintetizando un compuesto metalorgánico en el MM 500 control. A 30 °C, se alcanzó un rendimiento máximo de alrededor del 70% al cabo de 30 minutos, sin que se produjera ninguna mejora al ampliar el tiempo de molienda. Sin embargo, cuando la temperatura se mantuvo a 60°C mediante un termostato, se produjo una reacción casi completa en sólo 15 minutos.
Un segundo ejemplo muestra el grado de conversión durante una reacción orgánica realizada en el control MM 500. El simple molido de los reactivos sin calentamiento solo proporciona un rendimiento del 10 % después de 2 horas. Sin embargo, el calentamiento a 70 °C aumenta este porcentaje al 35 %. También es posible obtener mejoras adicionales con la optimización de la escala, la velocidad de molienda, etc., pero el calentamiento es fundamental para lograr un buen rendimiento.
Como se muestra en este ejemplo, la temperatura puede determinar el tipo de reacción en un molino de bolas. Regulando el nivel de temperatura, la reacción puede controlarse con precisión y pueden obtenerse diferentes productos. Resultados presentados por el grupo de Andrea Porcheddu. [4]
Sistema de medición GrindControl GrindControl muestra lo que sucede dentro del recipiente de molienda, en tiempo real.
GrindControl proporciona visibilidad en tiempo real de los procesos que tienen lugar dentro del recipiente de molienda. La presión y la temperatura se controlan continuamente, lo que garantiza un control seguro y preciso, incluso con materiales sensibles o reactivos. Responda con prontitud a los picos de presión inesperados y vigile de cerca en todo momento las muestras sensibles a la temperatura e incluso las reacciones mecanoquímicas.
GrindControl de un vistazo
- Datos en tiempo real sobre presión y temperatura.
- Detección temprana de afecciones críticas
- Control preciso del proceso
- Protección de materiales sensibles
- Resultados reproducibles
Pequeñas cantidades de muestra y alto procesamiento de muestras para fines de cribado
En la mecanoquímica, la industria farmacéutica o la I+D en general, a menudo sólo se utilizan pequeñas cantidades de muestra cuando se ensayan reacciones, debido a los elevados costes o a la disponibilidad limitada de materiales. Por ello, resulta ventajoso utilizar recipientes de molienda pequeños. Los volúmenes de recipientes más pequeños para los molinos mezcladores son de 1,5 o 2 ml en acero inoxidable, siendo 5 ml o 10 ml los tamaños de recipiente más utilizados. Para aplicaciones que requieren recipientes de molienda de óxido de circonio o carburo de tungsteno, el tamaño más pequeño disponible es de 10 ml. Para satisfacer todas las necesidades, RETSCH ofrece una amplia gama de adaptadores y recipientes multicavidad:
- Hay disponible un adaptador para el MM 400, el MM 500 vario y el CryoMill, que contiene 4 recipientes de molienda de acero inoxidable de 5 ml y permite procesar 8, 24 o 4 muestras simultáneamente.
- Los tubitos de acero inoxidable de 2 ml encajan en los adaptadores para el MM 400 (20 muestras), MM 500 vario (50 muestras) o CryoMill (6 muestras).
- Estos tubitos de 2 ml también pueden utilizarse con otro tipo de adaptador en el MM 500 nano o el MM 500 control, con capacidad para 18 muestras por lote.
- Los recipientes de acero inoxidable son especialmente idóneos para aplicaciones criogénicas, ya que no se rompen como los de plástico.
Además, el MM 500 control y el MM 500 nano pueden alojar recipientes multicavidad de 2 x 25 ml o 4 x 10 ml, con lo que se obtienen resultados de molienda comparables a los obtenidos con recipientes de 10 ml o 25 ml en el MM 400. En los molinos planetarios de bolas, se pueden utilizar recipientes de molienda de acero inoxidable de 12 ml o 25 ml e incluso apilarlos para duplicar la cantidad de muestra. También está disponible un adaptador para recipientes de vidrio de 1,5 ml, adecuado para aplicaciones mecanoquímicas - encontrará más información al respecto en la siguiente sección.
Successful Mechanochemical Synthesis of Bütschliite from Carbonates
A 1:1 molar ratio of K2CO3 and CaCO3 (total mass of 0.5 g) was milled in the 5 ml jars for 2 h at 30 Hz. 3 x 7 mm steel balls per jar were used, corresponding to a B/P ratio of 8.4:1. The reaction to buetschliite K2Ca(CO3)2 was successful and reproducible in the 4 jars. Results presented by the group of Claudia Weidenthaler. [8]
La solución para la síntesis eficiente y sostenible de co-cristales
El TM 300 es capaz de satisfacer los requisitos de la producción farmacéutica moderna. Esto puede demostrarse con el ejemplo de la síntesis mecanoquímica de co-cristales de rac-ibuprofeno:nicotinamida. El TM 300 es una alternativa respetuosa con el medio ambiente frente a los métodos convencionales basados en soluciones. En solo 90 minutos se produjeron 3,2 kg de co-cristales con un rendimiento del 99 %, utilizando únicamente cantidades mínimas de etanol en el método asistido por LAG.
El diagrama muestra una conversión de rac-IBU. Gráfico azul: Proceso de molienda con adición de 10 kg de bolas (d = 10 mm) a los 270 minutos y 10 kg de bolas (d = 30 mm) a los 360 minutos; adición del aditivo LAG EtOH a los 510 minutos. Gráfico naranja: proceso asistido por LAG con adición de EtOH antes de la reacción y 20 kg de bolas de 10 mm. Resultados presentados por el grupo de trabajo de Michael Felderhoff [6].
El TM 300 permite realizar procesos mecanoquímicos a escala de kilogramos, lo que abre nuevas posibilidades para procesos de fabricación industrial sostenibles. La abrasión mínima del metal es especialmente interesante: los valores medidos estaban muy por debajo de los niveles críticos y significativamente más bajos que, por ejemplo, en los molinos vibratorios excéntricos. La tabla muestra los valores mínimos de abrasión en el TM 300 durante la prueba.
| Muestra | Al [ppm] | Cr [ppm] | Co [ppm] | Fe [ppm] | Ni [ppm] |
|---|---|---|---|---|---|
| Materia prima IBU | 11.3 | 39.0 | 25.7 | 71.9 | 34.9 |
| Materia prima nicotinamida | 8.9 | 33.3 | 26.7 | 40.0 | 33.3 |
| Co-cristales después de 30 min | 10.8 | 35.9 | 30.8 | 51.3 | 38.5 |
| Después de 60 min | 11.0 | 37.0 | 31.7 | 63.4 | 39.6 |
| Después de 90 min | 17.2 | 43.8 | 35.9 | 64.6 | 45.3 |
Resultados presentados por el grupo de trabajo de Michael Felderhoff [6]
Configuración:
- 2,03 kg rac IBU; 1,20 kg NIC
- Tambor de 10 l para molienda en húmedo, 20 kg de bolas de molienda de 10 mm de acero inoxidable
- LAG etanol 0,1 ml/g
- 60 rpm durante 90 min
- 99 % de rendimiento
Cribado de cocristales
Mediante un adaptador especial, el cribado de co-cristales puede realizarse en un molino planetario de bolas utilizando viales desechables como los viales de vidrio GC de 1,5 ml. El adaptador cuenta con 24 posiciones que se dividen en un anillo exterior con 16 posiciones y un anillo interior con 8 posiciones. En el anillo exterior caben hasta 16 viales, lo que permite analizar hasta 64 muestras simultáneamente cuando se utiliza el molino planetario de bolas PM 400. Las 8 posiciones del anillo interior son adecuadas para realizar ensayos con diferentes aportes de energía, por ejemplo, para la investigación de la mecanosíntesis.
Este adaptador es adecuado para su uso en el PM 100, PM 300 y PM 400.
El vídeo muestra el uso de molinos planetarios de bolas para el cribado de co-cristales.
Co-crystallization
Co-Crystallization is a method to modify and optimize the properties of active materials (e.g. APIs or catalysts) by aggregation of two or more different chemical entities in a crystalline lattice.
Cribado de cocristales con el MM 400
El cribado de cocristales se puede llevar a cabo de forma eficaz en molinos vibratorios. En un estudio [9] realizado con el MM 400, se utilizaron tubos de acero de 2 ml y el adaptador de PTFE correspondiente para cocristalizar teofilina y benzoamida en una proporción de 1:1 en las siguientes condiciones:
- 60 min de molienda
- 30 Hz de frecuencia
- Una bola de acero de 6 mm por tubo
- Cuatro ensayos sin disolvente y cuatro con 20 µl de etanol
El cribado de cocristales se puede llevar a cabo de forma eficaz en molinos vibratorios. En un estudio [9] realizado con el MM 400, se utilizaron tubos de acero de 2 ml y el adaptador de PTFE correspondiente para cocristalizar teofilina y benzoamida en una proporción de 1:1 en las siguientes condiciones:
MM 400: listo para la espectroscopia RAMAN in situ y las reacciones inducidas por la luz
Se ha desarrollado una nueva función del MM 400 pensando en las aplicaciones de la mecanoquímica: Los recipientes de molienda transparentes son la base para la espectroscopia RAMAN in situ, ya que permiten observar las reacciones químicas que tienen lugar en su interior. Para ello, el espectrómetro RAMAN se coloca debajo de los recipientes de molienda. La tapa situada debajo de los recipientes puede retirarse fácilmente aflojando tres tornillos. La placa base de la máquina tiene dos aberturas a través de las cuales el espectrómetro RAMAN apunta hacia el fondo de los recipientes de molienda. Con este diseño especial, el MM 400 está perfectamente equipado para fines mecanoquímicos. Gracias a su transparencia, los recipientes de PMMA también son adecuados para llevar a cabo reacciones fotomecanoquímicas.
Ampliación de escala de reacciones mecanoquímicas
Los molinos mezcladores son una herramienta indispensable para llevar a cabo ensayos mecanoquímicos. Sin embargo, con un tamaño máximo de recipiente de molienda de 125 ml, sus posibilidades de ampliación de escala son limitadas. El siguiente paso lógico es el uso de molinos planetarios de bolas, que pueden alojar hasta cuatro recipientes de 500 ml. Debido a los diferentes principios de funcionamiento de estos molinos, no está garantizada una transferencia directa de reacciones con éxito de molinos mezcladores a molinos planetarios de bolas, por lo que son necesarios nuevos ensayos.
Para aumentar la escala, RETSCH ofrece los molinos de tambor TM 300 y TM 500, equipados con tambores de hasta 150 litros. El principio de funcionamiento de los molinos de tambor varía respecto al de los molinos mezcladores y los molinos planetarios de bolas, y suele conllevar un menor aporte de energía debido a las velocidades más bajas. Los primeros ensayos de ampliación de escala arrojan resultados prometedores.
Molinos de tambor - trituración fina de grandes cantidades de muestras
Al girar el tambor del TM 300, la fricción hace que las bolas de molienda se eleven contra la pared del tambor. La distancia va aumentando a medida que aumenta la velocidad del tambor hasta que las fuerzas centrífugas superan a la fuerza de la gravedad y las bolas se adhieren a la pared durante toda la rotación. Esta velocidad se denomina "velocidad crítica" = NC.
NC = 42.3/{√(D-d)} [revoluciones por minuto]
D = Diámetro interior del tambor [m] = 0,3 m para el TM 300 [rpm]
d = Diámetro de las bolas [m]
La velocidad crítica se sitúa en torno a 80 rpm, pero varía en función del diámetro de la bola.
2. Muestra
3. Bolas de molienda
4. Sentido de giro
El TM 300 funciona en dos modos diferentes: catarata y cascada. En el modo de catarata, el aparato funciona a aproximadamente el 70 % de su velocidad crítica, lo que corresponde a aproximadamente 55-60 min-1. Esta velocidad permite a las bolas desplazarse a gran distancia a lo largo de la pared del tambor. Aunque no alcanzan la velocidad crítica, las bolas acaban desprendiéndose de la pared, se desplazan más allá del centro del tambor y golpean la muestra en el fondo del tambor. Este principio es especialmente ventajoso para la trituración rápida de partículas de gran tamaño.
En el modo de cascada, que se activa a unas 50 rpm (menos del 70 % de la velocidad crítica), las bolas no ascienden tanto por la pared. Cuando se sueltan, tienden a rodar hacia abajo en lugar de volar por encima del centro del tambor, lo que provoca más fricción que impacto.
Nivel de llenado de los recipientes de molienda para aplicaciones mecanoquímicas
En la mecanoquímica, especialmente con molinos planetarios de bolas, el procedimiento de llenado de bolas se desvía de la regla habitual de los tercios (1/3 de bolas, 1/3 de muestra, 1/3 de espacio vacío), ya que a menudo se requieren aceleraciones elevadas y a veces sólo se dispone de poco material de muestra (reactantes). El enfoque se desplaza hacia el mantenimiento de una relación de masa específica, lo que requiere tener en cuenta la cantidad de reactivo y tomar una decisión clara sobre la relación de masa a utilizar. Además, es necesario determinar el tamaño de las bolas (véase la sección sobre los fundamentos de la mecanoquímica) para calcular la cantidad necesaria de bolas en función de su peso específico, que varía según el tamaño y el material.
Una vez determinado el número de bolas, se calcula el tamaño necesario del recipiente de molienda. Dado que la cantidad de muestra en los recipientes suele ser muy pequeña, el riesgo de dañar tanto las bolas como los recipientes es mayor que siguiendo la regla tradicional de los tercios.
Normalmente se utiliza una relación de masa (p/p) de 1:10, pero también es posible 1:5 o 1:15. Esto significa que se necesitan 150 g de bolas cuando se utilizan 15 g de reactivos.
- 150 g = 20 bolas de carburo de tungsteno de 10 mm de 7,75 g cada una.
- Para 20 bolas de 10 mm, se requiere un volumen de recipiente mínimo de 50 ml, preferiblemente 80 ml (véanse los volúmenes de llenado de bolas recomendados en las páginas de producto de los molinos planetarios de bolas).
- 150 g = 5 bolas de carburo de tungsteno de 15 mm de 26,2 g cada una requieren un volumen de recipiente de molienda de al menos 125 ml.
- 150 g = 11 bolas de acero inoxidable de 15 mm de 13,9 g cada una requieren un volumen de recipiente de molienda de al menos 125 ml.
| Recipiente Volumen nominal |
Cantidad de muestra |
Granulometría inicial máx. | Ø 5 mm* | Ø 7 mm* | Ø 10 mm* | Ø 15 mm* | Ø 20 mm* | Ø 30 mm* |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 12 ml | hasta ≤ 5 ml | < 1 mm | 50 | 15 | 5 | - | - | - |
| 25 ml | hasta ≤ 10 ml | < 1 mm | 95 – 100 | 25 – 30 | 10 | - | - | - |
| 50 ml | 5 – 20 ml | < 3 mm | 200 | 50 – 70 | 20 | 7 | 3 – 4 | - |
| 80 ml | 10 – 35 ml | < 4 mm | 250 – 330 | 70 – 120 | 30 – 40 | 12 | 5 | - |
| 125 ml | 15 – 50 ml | < 4 mm | 500 | 110 – 180 | 50 – 60 | 18 | 7 | - |
| 250 ml | 25 – 120 ml | < 6 mm | 1100 – 1200 | 220 – 350 | 100 – 120 | 35 – 45 | 15 | 5 |
| 500 ml | 75 – 220 ml | < 10 mm | 2000 | 440 – 700 | 200 – 230 | 70 | 25 | 8 |
*Números recomendados de bolas
En la tabla se muestran las cargas recomendadas (en piezas) de bolas de molienda de diferentes tamaños en relación con el volumen del recipiente de molienda, la cantidad de la muestra y la granulometría de entrada máxima.
Mecanocatálisis con molinos mezcladores
Los aldehídos desempeñan un papel esencial en la industria química y son indispensables para la producción de productos farmacéuticos, vitaminas y fragancias. El reto consiste en oxidar selectivamente alcoholes a aldehídos sin producir subproductos indeseables como ácidos carboxílicos y ésteres. Muchos métodos tradicionales provocan una oxidación excesiva y requieren el uso de disolventes y productos químicos perjudiciales para el medio ambiente, lo que no sólo produce residuos peligrosos, sino que también supone riesgos para la salud de los usuarios. A menudo se requieren altas temperaturas y presiones, lo que puede degradar los sustratos sensibles.
La conversión mecano-catalítica de alcoholes en aldehídos se demostró en la Universidad del Ruhr de Bochum cuyos resultados se publicaron [6]. La reacción tiene lugar en la superficie de oro de un recipiente de molienda recubierto de 25 ml en el MM 500 vario en un plazo de 3 horas a 35 Hz. La capa de oro del recipiente de molienda tiene un grosor de sólo 1 nanómetro y el recipiente puede utilizarse varias veces. Esta reacción catalítica tiene lugar directamente en el molino de bolas, sin disolventes nocivos y en condiciones suaves, lo que protege la integridad de los sustratos. El rendimiento de los aldehídos fue mayor en el método mecanocatalítico, y se formaron menos subproductos en comparación con el método clásico. A 35 Hz, se alcanzaron mayores rendimientos que a 30 Hz.
Control in situ de una reacción de síntesis mecanoquímica (MSR)
La supervisión de las dos variables "presión" y "temperatura" proporciona información valiosa sobre lo que ocurre en el recipiente de molienda. El sistema GrindControl de RETSCH se utiliza para controlar procesos de molienda coloidales o de larga duración o para llevar a cabo con éxito síntesis de materiales como la aleación mecánica u otros procesos mecanoquímicos. El sistema GrindControl está disponible para los molinos planetarios de bolas PM 100, PM 300 y PM 400, para los molinos mezcladores MM 500 nano y MM 500 control y para el molino de bolas de alta energía Emax. Se compone del hardware para la medición de la presión y la temperatura y del software de análisis.
Se llevó a cabo una síntesis mecanoquímica en un molino mezclador MM 500 nano, utilizando un recipiente de molienda de acero inoxidable de 125 ml, equipado con GrindControl para la supervisión del gas y la presión. Las materias primas elementales se introdujeron en el recipiente de molienda junto con bolas de acero inoxidable de 32 x 10 mm. La reacción se llevó a cabo en atmósfera de aire a 20 Hz. El proceso de molienda se detuvo cuando un cambio brusco en la temperatura y la presión indicó la finalización satisfactoria de la MSR.
El proceso de reacción inducido mecánicamente y autopropagado en la síntesis se supervisó con el sistema GrindControl. Tras 20 segundos de molienda, se produjo una reacción brusca que provocó un enorme aumento de la presión de 0 a 730 mbar y un aumento de la temperatura. En esta aplicación, GrindControl permitió observar con precisión el inicio de la síntesis, el único parámetro de interés para la reacción. [7]
Química en la fábrica: reciclaje de teflón (PTFE) mediante energía mecánica
Reciclaje mecánico-químico del PTFE (teflón)
La mecanoquímica no solo permite nuevas vías de síntesis, sino que también abre nuevas perspectivas para los procesos de reciclaje de materiales difíciles de degradar. Un ejemplo reciente de la investigación demuestra que incluso el politetrafluoroetileno (PTFE), un polímero extremadamente estable más conocido como teflón, puede degradarse mediante procesos mecanoquímicos.
Un factor decisivo es la tensión mecánica continua: durante la molienda con el RETSCH MM 400, la superficie que ha reaccionado se elimina constantemente, dejando al descubierto una nueva superficie. Esto permite que la reacción continúe hasta que se haya transformado una gran parte del polímero. En el estudio, hasta el 98 % del PTFE se transformó en fluoruro de sodio y carbono elemental. Los productos resultantes pueden utilizarse posteriormente, por ejemplo, como materias primas para materiales de baterías o como bloques de construcción que contienen flúor para aplicaciones farmacéuticas y agroquímicas.
Imagen de la derecha: : El Dr. Erli Lu y el Dr. Dominik Kubicki junto al molino mezclador MM 400, que se utilizó para descomponer los PFA. [15]
El reconocido programa científico «Forschung aktuell» de la emisora Deutschlandfunk presentó este enfoque de investigación y su importancia para las futuras tecnologías de reciclaje.
audio
Tapas de aireación de RETSCH
Las tapas de aireación se han diseñado para mejorar tanto la eficiencia como la seguridad de los procesos de molienda en entornos de laboratorio. Son especialmente útiles cuando se trabaja con materiales que requieren una atmósfera controlada, como durante la molienda en húmedo o cuando se manipulan sustancias reactivas. En tales casos, la atmósfera interna, incluido el oxígeno, puede sustituirse lavando el recipiente con un gas inerte como el nitrógeno. Estas tapas también permiten introducir gases directamente en el recipiente de molienda, lo cual es esencial para determinadas reacciones químicas o para mantener un entorno inerte. Los recipientes pueden presurizarse hasta 5 bar, lo que puede facilitar la incorporación de moléculas de gas en la reacción durante la molienda.
Además, las tapas de aireación permiten conectar el recipiente de molienda directamente a un analizador, ya sea después de su funcionamiento en un molino de bolas planetario (o en el Emax) o incluso durante su funcionamiento en el MM 500 nano o el MM 500 control. Esta configuración facilita el análisis de los gases liberados durante los procesos de molienda o generados por reacciones químicas. Las tapas están equipadas con inserciones de diversos materiales, como acero inoxidable, óxido de circonio y carburo de tungsteno, lo que permite utilizar la misma tapa con diferentes tipos de jarras.
Reproducibilidad de las reacciones mecanoquímicas en el molino mezclador MM 400
La reproducibilidad es un principio fundamental de la investigación científica y es esencial para garantizar la credibilidad y fiabilidad de los resultados científicos. Se investigó la reproducibilidad dentro de una reacción mecanoquímica en el molino mezclador MM 400, con el resultado de que se garantiza una excelente reproducibilidad para varias repeticiones, para ambas estaciones de molienda y también entre distintos dispositivos. [8]
Ligeros cambios en la frecuencia de 30 Hz a 29 Hz o 28 Hz influyen en el rendimiento de la reacción. Es importante que el molino mezclador mantenga constante un valor establecido, por ejemplo 30 Hz, y no se desvíe de él. El MM 400, que se suministra con certificado de calibración, cumple este requisito.
La reacción mecanoquímica γ-Al2O3 + ZnO -> ZnAl2O4 se realizó cinco veces durante 30 minutos utilizando recipientes de molienda de 25 ml, bolas de molienda de 2 x 15 mm, 1 g de reactivos, a 28 Hz, 29 Hz y 30 Hz. La comparación entre la estación de molienda izquierda y derecha mostró una alta reproducibilidad, al igual que la comparación entre los 5 ensayos.
Patrones de DRX tras la reacción mecanoquímica γ-Al2O3 + ZnO -> ZnAl2O4: Izquierda: Molienda a 28 Hz, 29 Hz y 30 Hz, resultados tras la quinta reacción. Centro: Comparación de la estación de molienda izquierda y derecha, quinta reacción a 28 Hz cada uno. Derecha: Reacción 1 a 5 a 30 Hz, estación de molienda derecha. Resultados presentados por el grupo de Claudia Weidenthaler. [8]
Los ensayos se repitieron utilizando otro molino mezclador MM 400 para comparar los resultados entre los dos molinos. Una vez más, se comprobó la excelente reproducibilidad para las 5 reacciones a 30 Hz, tanto para la estación de molienda izquierda como para la derecha.
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Referencias
[1] Wilm Pickhardt, Claudio Beakovic, Maike Mayer, Maximilian Wohlgemuth, Fabien Joel Leon Kraus, Martin Etter, Sven Grätz, and Lars Borchardt: The direct Mechanocatalytic Suzuki-Miyaura Reaction of small organic molecule. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202205003.
[2] Ma, X., Yuan, W., Bell, S. E., & James, S. L. (2014). Better understanding of mechanochemical reactions: Raman monitoring reveals surprisingly simple ‘pseudofluid’ model for a ball milling reaction. Chemical Communications, 50(13), 1585-1587.
[3] Reaction scheme and performance of the experiments: Dr. Sven Grätz, Ruhr-University Bochum, Faculty of Chemistry and Biochemistry, AG Prof. Borchardt.
[4] Reaction scheme and performance of the experiments: Prof. Andrea Porcheddu, University of Cagliari, Chemical and Geological Science Department (Italy).
[5] Reaction scheme and performance of the experiments: Prof. Stuart James, Queens University Belfast, School of Chemistry and Chemical Engineering (UK).
[6] Jan-Hendrik Schöbel, Frederik Winkelmann, Joel Bicker, and Michael Felderhoff; Mechanochemical kilogram-scale synthesis of rac:ibuprofen:nicotinamide co-crystals using a drum mill; RSC Mechanochemistry, 2025, DOI: 10.1039/D4MR00096J
[7] Maximilian Wohlgemuth, Sarah Schmidt, Maike Mayer, Wilm Pickhardt, Sven Graetz, and Lars Borchardt, Solid-State Oxidation of Alcohols in Gold-Coated Milling Vessels via Direct Mechanocatalysis. Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202405342.
[8] Reaction scheme and performance of the experiments: Prof. Dr. Claudia Weidenthaler, Research Group Leader Heterogeneous Catalysis Powder Diffraction and Surface Spectroscopy, Max-Planck Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr.
{LL::products.mm400.cocrystal.dominik.da.reference}}
[10] Kapish Gobindlal, Zoran Zujovic, Jacob Jaine, Cameron C. Weber, Jonathan Sperry; Destrucción sin disolventes de PFSA a temperatura y presión ambientales mediante MCD presenta un estudio detallado sobre la destrucción mecánico-química (MCD) de los ácidos perfluorosulfónicos (PFSA), Environmental Science & Technology 2023, DOI: 10.1021/acs.est.2c06673.
[11] Recording of the video and performance of the experiments: Imelda Octa Tampubolon (PhD. student) and Matej Baláž (leading researcher, both Institute of Geotechnics, Slovak Academy of Sciences) and Tomislav Stolar (post-doctoral researcher, Division 6.3 – Structure Analysis, Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), Berlin). The experiment was performed at BAM.
[12] Maximilian Wohlgemuth, Sarah Schmidt, Lars Beißel and Lars Borchardt; Ligand-free reductive amination via Pd-coated mechanocatalysis. The Royal Society of Chemistry 2025, DOI: 10.1039/d5cc04707b.
[13] Adrian H. Hergesell, Claire L. Seitzinger, Justin Burg, Renate J. Baarslag and Ina Vollmer; Influence of ball milling parameters on the mechano-chemical conversion of polyolefins. The Royal Society of Chemistry 2025, DOI: 10.1039/d4mr00098f
[14] Tatsiana Nikonovich, Yao Yu, Mikko Korkiakoski, Chengji Yang, Iris Seitz, Daniel Langerreiter, Mauri A. Kostiainen, Eduardo Anaya-Plaza, and Sandra Kaabel; Solid-State Synthesis of Cationic Cellulose Fibers from Low-Processed Cotton for Efficient Virus Capture; ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2025 13 (42), DOI: 10.1021/acssuschemeng.5c07884[15] With permission of Dr Erli Lu, Associate Professor in Mechanochemistry & Sustainable Synthesis School of Chemistry, University of Birmingham