Meccanochimica: una delle 10 innovazioni chimiche

La meccanochimica è una recente branca della chimica che si occupa delle reazioni chimiche, delle trasformazioni e dei cambiamenti strutturali indotti dall’energia meccanica.

Si occupa di fenomeni in cui la stabilità cinetica di una molecola è influenzata dal movimento macroscopico, senza variazioni di temperatura o pressione.

Ha avuto un enorme sviluppo come approccio alternativo per sintetizzare un’ampia gamma di molecole e materiali.

Il chimico tedesco Friedrich Wilhelm Ostwald, padre della chimica fisica, introdusse questo tipo di approccio alla fine del XIX secolo.

All’epoca non si ebbe la dovuta considerazione e solo negli anni ’90 dello scorso secolo si è compreso che le reazioni promosse con questo metodo  procedono lungo percorsi sintetici diversi da quelli descritti nella soluzione.

Vantaggi della meccanochimica

La sintesi di materiali avviene senza la necessità di solventi risultando una tecnologia rispettosa dell’ambiente che potrebbe rivoluzionare le strategie di sintesi.

Oltre a non utilizzare solventi i prodotti ottenuti con la meccanochimica hanno alta resa e non richiedono temperature elevate. Consentono quindi anche un notevole risparmio energetico. La green Chemistry ha condotto a una consapevolezza delle problematiche ambientali e portato l’attenzione alle problematiche relative all’inquinamento e ai cambiamenti climatici

La possibilità di  trasformazioni chimiche avviate o sostenute da una forza meccanica offre, inoltre, nuove opportunità nella creazione e nello screening di molecole e materiali. Inoltre, la meccanochimica, potrebbe essere uno strumento efficace per aprire percorsi sintetici non accessibili con i percorsi convenzionali

Le alte aspettative che si hanno verso questa scienza emergente ha indotto la I.U.P.A.C. a definire la meccanochimica come “una delle dieci innovazioni chimiche che cambieranno il nostro mondo”.

Il ruolo dei solventi

Nelle sintesi tradizionale il solvente  ha un ruolo fondamentale nel controllo della cinetica e della resa e selettività della reazione.

È infatti necessario che le molecole si solubilizzino, entrino in contatto tra loro tramite la diffusione nel solvente in modo che possano interagire i gruppi funzionali.

In un processo chimico, i solventi sono i componenti che si trovano in maggior quantità e, a volte, costituiscono oltre il 90% della massa del reagente.

Tuttavia essi sono in genere poco rispettosi dell’ambiente e la loro produzione, trasporto e stoccaggio costituiscono ulteriori problemi in termini di economia e sicurezza. In questo contesto, la meccanochimica ha portato soluzioni innovative e all’avanguardia per colmare alcuni dei problemi con reazioni senza l’uso di solventi

Inoltre, ad esempio, la reazione di un’aldeide aromatica e acetofenone in presenza di un solvente avviene in tempi lunghi e si ottiene, principalmente il prodotto di addizione aldolica piuttosto che il corrispondente calcone.

Con i nuovi metodi, invece, la macinazione dei reagenti in presenza di idrossido di sodio porta al calcone in pochi minuti

Apparato sperimentale

La peculiarità della meccanochimica è ottenere trasformazioni chimiche mediante macinazione senza la necessità di dissoluzione dei reagenti.

Il dispositivo prevalentemente utilizzato è mulino a biglie detto mulino a sfere utilizzato generalmente per macinare materiali in polvere finissima. Questi dispositivi contengono biglie che schiacciano tutto ciò che si trova al loro interno mentre il recipiente subisce una rotazione. Le molecole che si trovano all’interno subiscono una serie di processi di compressione e taglio.

Il mulino a sfere offre un ambiente di reazione chiuso privo di solventi con parametri ben definiti per l’ottimizzazione della reattività. Il mulino a sfere può essere considerato come l’evoluzione del mortaio e del pestello usati da sempre in un laboratorio.

Macinazione assistita da liquido

La macinazione assistita da liquido (LAG) è un’estensione delle tecniche meccanochimiche prive di solventi in cui si utilizza una piccola quantità di liquido come additivo per migliorare e controllare la reattività.

La possibilità di cambiare l’additivo liquido nella macinazione assistita da liquido consente il controllo delle reazioni meccanochimiche

Usi della meccanochimica

Nonostante sia una disciplina nuova già molti ricercatori hanno approntato sintesi con questo metodo innovativo.

Un esempio è costituito dalla  scissione enzimatica priva di solventi della cellulosa, reazione necessaria per ottenere il bioetanolo dalla biomassa.

Si è inoltre ottenuta la conversione di metalli nobili sia in complessi di alogenuri solubili in acqua che in catalizzatori metallo-organici.

La tecnica è stata usata per sintetizzare nanoparticelle metalliche , catalizzatori, magneti, polveri nanocomposite di carburo di nichelvanadio e carburo di molibdeno-vanadio.

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