机械化学——即利用研磨、粉碎或剪切等机械力驱动化学转化的过程——与研钵和研杵的历史一样悠久。然而，这一学科绝非陈旧。机械化学反应通常在无溶剂条件下进行，为合成提供了一种更绿色的方法。
在固态或近固态条件下运行的机械化学，还能够实现全新的化学转化。在许多情况下，这些反应是基于溶液的方法所无法实现的。随着绿色化学日益受到重视，这种方法已成为减少废弃物并提高化学品、药物等开发过程安全性的重要手段。
通过查阅CAS Content CollectionTM（这是全球最大的经人工标引的科学信息库，可通过由 STNTM 支持的 CAS IP Finder 访问），我们发现出版物趋势明显反映了人们对该领域兴趣的激增（见图 1）。
期刊文章的稳步增长凸显了机械化学在学术界的吸引力日益增强，这得益于人们对可持续和环境友好型化学研究的关注。相比之下，专利申请数量相对较少，表明其商业化程度有限，这很可能是由于目前在理解机械研磨如何激活不同分子基团以进行化学反应方面仍存在挑战。让我们探讨该领域的发展及其在更广泛的绿色化学领域中的作用：
材料研究人员可以使用 CAS SciFinder 搜索材料科学文献，识别支持创新的结构-性能关系和合成方法。
机械化学的工作原理
机械化学反应技术的选择直接影响能量输入、反应效率、可扩展性和可持续性，因此它是决定工艺性能的关键因素。我们的分析显示，研磨是机械化学反应中最常用的技术（见图 2）。
这种主导地位归功于研磨技术能够在封闭系统中精确控制反应参数（如研磨频率和介质与样品的重量比），从而提高了效率、通用性，并使其适用于众多反应和研究应用。
球磨机的设计基于其运动模式，其中振动磨和行星式球磨机最为常用。振动磨通常用于小样本，通过研磨罐的往复振动频率来决定研磨强度。行星式球磨机使研磨罐围绕中心轴旋转的同时自身也在自转，产生强大的离心力，模拟了工业辊磨机中的重力作用，并为规模化生产提供了直接途径。
其次是研磨，这通常指一种更简单的开放式机械过程，对反应参数的控制有限。然而，这是成本最低且最简单的方法，并且可以使用简单的研钵和研杵在克级规模上进行模拟。
超声处理利用高频声波，通过高效搅拌、增强溶解、改善传质传热以及通过空化坍缩引发试剂声解来驱动化学转化。这些局部的极端条件对于非均相反应非常有效，无需整体加热即可实现。这使得超声处理成为在温和的整体条件下促进反应的一种通用方法。
较新的机械化学技术在少量出版物中有所体现：
- 反应挤出，特别是双螺杆挤出（TSE），通过反应器设计和连续变量优化，为机械化学加工提供了一种可扩展的连续化方案。尽管通过TSE进行的有机合成仍处于起步阶段，但其潜力已日益受到认可。IUPAC已将反应挤出列为化学领域十大新兴技术之一，有望助力实现全球可持续发展。
- 液体辅助研磨（LAG）是一项新兴技术，在机械化学的成功应用中发挥着关键作用。通过引入少量液体（液体添加剂与反应物质量比 η ≈ 0-1 μL/mg），LAG能够增强反应物混合，加速反应速率，提高选择性和产率，促进能量传递，并实现或引导仅靠干法研磨无法完成的转化。在LAG中调控液体添加剂为机械化学反应提供了重要的控制手段。此外，LAG在筛选包合物、共晶、多晶型物以及有机机械化学领域也表现高效。离子与液体辅助研磨（ILAG） 由LAG发展而来，通过加入少量盐（≤ 5 mol%）来活化体系。一种相关但独特的方法是离子液体辅助研磨（IL-AG），它使用离子液体代替传统溶剂或盐作为添加剂。
- 共振声学混合（RAM）利用低频声能进行混合并诱导反应，无需研磨介质或溶剂。RAM采用简化的反应器设计，最大限度地降低了污染风险。它已应用于有机合成和光化学过程，为机械化学转化提供了一种清洁高效的方法。
机械化学与各行业的先进制造
机械化学已发展成为一种应用广泛的多功能方法。我们基于分类代码分析了概念数据，并根据其各自的应用领域进行了分类（见图3）。研究结果表明，机械化学在材料科学中应用广泛，在能源存储、电子、环境应用、催化和生物医学领域做出了重大贡献。
材料化学的主导地位源于其在固相合成、环保加工及先进材料设计方面的适用性。此外，机械化学在矿物和材料工程领域的历史发展，也使得相关基础设施和专业知识在这些领域高度集中。
我们进行了深入分析，以全面了解每个领域，并确定了各类别中的十大概念（见图4）。固体电解质已成为机械化学在能源存储与转换领域的主要关注点，该概念下的文献数量最多。这一趋势很可能受到固态电池日益普及的推动，因为固态电池具有卓越的安全性、耐用性、环境友好性以及极高的能量密度。
半导体和陶瓷绝缘体是电子和光电子学领域的主导概念，因为两者对于器件性能、小型化和可靠性至关重要。它们助力实现了高速、高效且耐用的电子和光电器件，这些器件是智能手机、太阳能电池和LED等现代技术的核心。
生物质在环境应用中占据重要地位，因为它解决了包括废物管理、可再生能源生产和碳足迹减少在内的许多可持续发展挑战。将机械化学与生物质增值和加工相结合，进一步增强了可持续性。
近年来，光催化因其可持续性和高效率，已成为催化过程中的关键领域。在此基础上，机械-光催化反应作为迈向绿色技术的一大进步，引起了科学界的极大关注，现已被公认为机械化学中最突出的催化方法之一。机械催化过程在实现多种有机转化方面也发挥着至关重要的作用。
机械化学在生物医学应用和各类治疗药物的合成方面具有革命性意义。这包括药物制剂，涉及多晶型控制、共晶形成和共无定形系统，以提高药物的溶解度和稳定性。此外，机械化学通过生产用于靶向药物递送的功能化药物纳米颗粒，为纳米医学提供支持。
机械化学的另一个重要用途在于多孔和分离材料领域，重点主要集中在金属有机框架（MOFs）上。MOFs以其高孔隙率、可调架构和化学多功能性的卓越结合而著称，使其成为各类科学和工业应用中备受追捧的材料。它们可以通过一锅法合成，通过减少溶剂的使用，成为机械化学开发的理想目标。
机械化学在建筑材料和表面涂层方面也有应用，主要分别集中在水泥和塑料薄膜上。塑料薄膜和喷涂涂层也可以由通过木质纤维素生物质机械化学预处理生产的聚合物制成。
让有机化学更具可持续性
机械化学是技术增强型合成的现代工具之一，促进了传统有机化学与先进技术创新之间的协同作用。有机合成传统上依赖于将反应物溶解在有机溶剂中以促进反应，这引发了一个问题：是否可以通过机械化学方法实现此类转化，从而消除大量溶剂的使用。
虽然从可持续发展的角度来看，这一策略非常理想，但它仍然具有挑战性，因为有机合成根植于溶液相技术，该技术可确保分子水平的精度、立体/化学选择性和稳定性。为克服这些局限性，相关研究已成功将机械化学的应用范围扩大到包括有机催化反应、金属催化转化、烯烃复分解、C─H键活化、偶联反应和点击反应在内的众多有机转化。
利用CAS SciFinder®（汇集了来自全球的化学及相关科学数据），我们分析了反应数据，并深入了解了目前通过机械化学方法进行的转化类型的趋势（见图5）。
研究人员若想探索类似趋势，可 利用 CAS SciFinder 的人工智能搜索功能 来识别有机化学反应数据中的模式。
配位反应是主要的转化类型，紧随其后的是加成反应，包括醇/胺对醛的加成、迈克尔加成以及有机金属化合物对活化双键或三键的加成。这两种反应类型本质上都与固态条件相容，并受益于机械活化所提供的充分混合与能量输入。
酯化、酰化和烷基化等反应类型是有机合成中最常见的官能团转化。图 6 展示了十大反应类型的年度增长情况，突显了在机械化学条件下进行的反应数量持续增加：
图 6： 十大反应类型的增长情况。来源：CAS 内容合集。
工艺自动化是实现机械化学规模化的关键
机械化学作为一种无溶剂的创新化学合成方法，正日益受到认可。该学科已在材料科学、高分子化学、有机与无机合成以及生物化学等多个领域得到广泛应用。机械化学优势显著，但要将其潜力转化为商业成功，克服规模化难题至关重要。因此，目前正致力于通过改进反应方法和开发机械化学技术来应对这些挑战。
例如，机械催化结合了机械力和催化作用，不仅提高了能源效率，还实现了传统溶液相方法无法达到的反应。它在有机合成、材料开发和聚合等领域同样具有深远影响。如前所述，液体辅助研磨（LAG）是另一种趋势性方法，它为扩展机械化学反应性提供了一种强有力的方式，促进了在无溶剂条件下难以实现的反应。连续化加工是实现规模化和工业化的关键，而基于挤出的机械化学正成为一种核心解决方案。双螺杆挤出（TSE）技术的集成，已使许多机械化学转化实现了大规模生产。
尽管机械化学已取得显著成就，但对其反应机理和理论基础的全面理解仍有待深入。因此，针对该方向的重点研究对于机械化学工艺的有效规划与成功实施至关重要。此外，集成人工智能有助于工艺自动化与筛选，为实现更高效、更具经济可行性的工业规模机械化学生产铺平道路。
从本质上讲，机械化学不仅是一种趋势，更是向可持续化学生产的范式转移。随着持续的研究和技术创新，它有望成为主流工业流程，推动学术界和工业界的共同进步。
