In een lab voor mechanochemie verwacht je misschien grote apparaten die met veel kracht reacties in gang zetten. Maar niets blijkt minder waar. Slechts twee zuurkasten beslaat de mechanochemie subgroep in het lab van Floris Rutjes, hoogleraar synthetische organische chemie aan de Radboud Universiteit: eentje voor de apparaten en de andere voor promovendus Florian Ort. ‘Het was eigenlijk allemaal best makkelijk om op te starten, vertelt Ort. ‘We moesten de zuurkast alleen meer geluidsdicht maken, want de reacties maken wel wat lawaai.’ 

Draaien en schudden 

In de basis is mechanochemie vrij simpel, aldus Ort. ‘Je stopt twee stoffen en een metalen bal in een maalbeker, draait de beker dicht en stopt hem in een machine.’ Voor die machines bestaan verschillende opties. ‘De ene houdt de maalbeker horizontaal en schudt gewoon heen en weer, de andere is een ronddraaiende plaat waarin de maalbeker de andere kant op draait. Een beetje zoals een wasmachine.’ De kracht die de metalen bal door al deze beweging op de moleculen uitoefent, is voor veel reacties genoeg om de benodigde activeringsenergie te bereiken, en dus het gewenste product te creëren. ‘Het mooie is dat het werkt met vaste stoffen, maar ook met vloeistoffen of zelfs gassen. Dat maakt het heel veelzijdig, en het is nog duurzamer ook.’ 

Het Nijmeegse lab —het eerste in Nederland dat aan mechanochemie doet—is onderdeel van het Impactive consortium, een samenwerkingsverband van verschillende Europese onderzoeksgroepen, waaronder die van Tom Leyssens, hoogleraar fysische chemie aan de UC Louvain. ‘Mechanochemie is heel aantrekkelijk omdat het relatief gemakkelijk is en veel duurzamer dan de klassieke chemie’, zegt Leyssens. ‘Je hebt geen of slechts een paar druppels oplosmiddel nodig, dus je vermijdt ongeveer 80 procent van het afval dat je normaal gesproken hebt. En de frictie warmt de boel op, dus er gaat minder energie zitten in het verwarmen van reacties.’ Vanuit zowel wetenschap als industrie is er daarom veel interesse in de techniek. Het Impactive consortium omvat bijvoorbeeld ook de farmaceuten Merck en Novartis. Voor hen is het interessant om te zien welke stoffen je via mechanochemie kunt produceren. Vaak is dat gewoon een kwestie van proberen. Ort: ‘Wij kijken bijvoorbeeld naar uiteenlopende reacties om de actieve ingrediënten in kanker- en bloeddrukmedicatie te maken. Dan beginnen we meestal door de reactie die in oplossing werkt, zonder oplosmiddel in een maalbeker te proberen. En dan zien we wel wat eruit komt, dat is van lastig te voorspellen.’

‘De reacties maken wel wat lawaai’

Florian Ort

Reactief oppervlak 

Tot nu toe gaat het aardig en over de hele wereld zijn al heel wat uiteenlopende reacties gedemonstreerd. ‘Er is weinig dat niet lukt’, zegt Ort. ‘Ik heb Suzuki koppelingen gezien, Grignard reacties die niet onder inerte condities hoefden, en nog veel meer.’ Ook blijkt het mogelijk om een koperen bal of een stukje zilverfolie te gebruiken om een reactie te katalyseren. Ort: ‘Er was zelfs iemand die natriumazide in een maalbeker heeft gestopt. Dat had ik zelf niet zo snel gedaan denk ik, aangezien dat spul nogal explosief is, maar het ging goed.’ 

Tegelijkertijd maakt mechanochemie veel nieuws mogelijk. Denk aan reacties met onoplosbare moleculen zoals fullereen. Ook zien chemici soms onverwachte producten opduiken. ‘Vooral bij vaste stoffen zie je hele andere producten ontstaan’, vertelt Leyssens. ‘Dit komt doordat je de stoffen veel kleiner maalt, en er dus meer reactief oppervlak beschikbaar is. Ook creëer je onder druk van de bal een supergeconcentreerd mengsel, dat kan invloed hebben op hoe de stoffen reageren.’ Dit principe heeft Leyssens zelf gebruikt om een racemisch mengsel van de precursor van het antischimmelmedicijn paclobutrazol enantiopuur te maken. ‘Als je medicijnen maakt zijn reacties vaak evenwichten, dus het is lastig om helemaal pure stoffen te krijgen. Er zijn wel manieren om deze mengsels dan alsnog te zuiveren, maar die zijn vaak tijdrovend.’ Met mechanochemie bleek dit een stuk eenvoudiger te kunnen. ‘We gebruiken de bal als een soort sloophamer, die een klein stukje van het molecuul afbreekt’, zegt Leyssens. ‘En onder de juiste omstandigheden kun je er dan voor zorgen dat het molecuul maar in één vorm weer in elkaar wordt gezet.’ 

Extruders 

Mooie resultaten, maar Leyssens geeft toe dat het achterliggende mechanisme nog niet helemaal duidelijk is. ‘Het lastigste van deze techniek is dat je niet makkelijk in de maalbeker kan kijken en even een NMR kan nemen. Je ziet alleen wat erin gaat en wat eruit komt.’ Gelukkig is dit aspect ook in ontwikkeling. ‘Een groep in Berlijn specialiseert zich in de analyse van mechanochemie’, vertelt Ort. ‘Hopelijk kunnen zij ons binnenkort meer inzicht geven in wat er gebeurt, want dat geeft ons ook weer handvatten om uitkomsten te voorspellen.’ 

‘We gebruiken de bal als een soort sloophamer’

Tom Leyssens  

Een ander punt van aandacht is opschaling. ‘We gebruiken in dit veld veel machines die al waren gemaakt voor andere toepassingen, en dat maakt het relatief goedkoop en makkelijk in te stappen’, zegt Leyssens. ‘Voor de opschaling willen we het liefst ook bestaande technologie gebruiken, dus kijken we naar extruders.’ Zoals de dubbelschroefsextruder, een apparaat met twee schroeven. ‘Op die schroeven zitten een soort kneedstukjes, die de moleculen tegen elkaar duwen’, legt Ort uit. ‘We weten niet of dit voor alle reacties werkt, maar er zijn al een aantal voorbeelden waarbij het prima verliep.’ Een groep Israëlische en Britse onderzoekers liet in 2022 zien dat een dergelijk proces haalbaar is voor de productie van het antibioticum nitrofurantoïne. De bijbehorende levenscyclusanalyse bevestigde bovendien het groene imago van mechanochemie.

‘Op alle punten was deze synthese duurzamer dan de klassieke productie in batches met een oplosmiddel’, vertelt Ort. ‘Deze winst komt vooral doordat je geen oplosmiddel nodig hebt. Het verbruikt alleen meer elektriciteit, maar die kun je in principe duurzaam opwekken.’ De stap naar de industrie lijkt daarom een kwestie van tijd, denkt Ort: ‘Ik verwacht dat ze eerst de meest vervuilende stappen gaan omzetten, en dan volgt de rest vanzelf.’ Ook Leyssens is optimistisch: ‘Ik verwacht over tien jaar wel de eerste toepassingen te zien. Het veld staat eigenlijk nog in de kinderschoenen, maar we groeien heel snel.’