机械化学——即通过研磨、粉碎或剪切等机械力来推动化学转化的过程——与研钵和研杵一样古老。然而，这一学科绝非过时。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环保的方法。
机械化学在固态或近固态条件下运行，还能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，这种方法在减少浪费和提高化学品、药物等开发过程的安全性方面正变得愈发重要。
正如我们通过检查以下内容所发现的那样，出版物趋势明显反映了人们对此兴趣的激增： CAS Content CollectionTM，这是全球最大的人工收录科学信息库，可通过以下方式访问： CAS IP Finder, powered by STNTM （见图 1）。
期刊文章的稳步增长凸显了机械化学日益增长的学术吸引力，这主要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演变及其在更广泛的绿色化学领域中的作用：
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，使其成为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，并使其适用于多种反应和研究应用。
研磨机的设计基于其运动模式，其中振动磨和行星磨最为常用。振动磨通常用于小样本，其研磨罐以决定研磨强度的频率进行往复振动。 行星磨 使研磨罐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联系。
其次最常见的技术是研磨，通常指一种更简单的、开放式大气环境下的机械过程，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，并且可以通过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、改善传质传热以及空化坍缩引发的试剂声解作用，推动化学转化。这些局部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一种在温和整体条件下促进反应的多功能方法。
较新的机械化学技术在少数出版物中有所体现：
- 反应挤出，特别是双螺杆挤出（TSE），通过反应器设计和对其他连续变量的优化实现精确控制，为机械化学加工提供了一种可扩展的连续化方法。尽管通过双螺杆挤出进行的有机合成仍处于早期阶段，但其潜力正日益受到认可。IUPAC 将反应挤出列为十大 新兴技术 之一，这些技术有望使我们的地球更具可持续性。
- 液体辅助研磨（LAG） 是一种新兴技术，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重量之比 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，并实现或引导仅靠纯研磨无法完成的转化。在 LAG 中调控液体添加剂可对机械化学反应实现显著控制。此外，LAG 在筛选包合物、共晶、多晶型物以及有机机械化学方面也非常高效。 离子与液体辅助研磨（ILAG） 由 LAG 演变而来，通过加入少量盐（≤ 5 mol%）来激活系统。一种相关但不同的方法是离子液体辅助研磨（IL-AG），它使用离子液体作为添加剂，而非传统的溶剂或盐。
- 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。
跨行业的机械化学与先进制造
机械化学已发展成为一种应用领域广泛的多功能方法。我们根据分类代码分析了概念数据，并按其各自的应用进行了分类（见图 3）。研究结果表明，机械化学在材料科学中得到了广泛应用，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、环保加工以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集中在这些领域。
我们进行了深入分析，以全面了解每个领域，并确定了每个类别中的十大概念（见图 4）。固体电解质已成为机械化学在能量存储与转换领域的主要研究重点，这一点从该概念下发表的文献数量最多即可得到证明。这一趋势很可能是由以下因素推动的： 固态电池的日益普及，因为它们具有卓越的安全性、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、小型化和可靠性而言均不可或缺。它们实现了高速、高效且耐用的电子和光电子设备，而这些设备是智能手机、太阳能电池和 LED 等现代技术的核心。
生物质在环境应用中十分普遍 因为它解决了许多可持续性挑战，包括废物管理、可再生能源生产和碳足迹减少。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一个关键领域。在此基础上， 机械-光催化 反应作为迈向更绿色技术的高级步骤，引起了科学界的极大兴趣，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 各种药物的合成方面具有革命性意义。这些应用包括药物制剂，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的概念，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组合而著称，使其成为各种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，成为机械化学发展的理想目标。
机械化学在建筑材料和表面涂层方面也有应用，重点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。
使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，这就提出了一个问题：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。
虽然从可持续性的角度来看，这一策略非常理想，但它仍然具有挑战性，因为有机合成深深植根于确保分子级精度、立体/化学选择性和稳定性的溶液相技术。为克服这些局限性，人们正在进行持续努力，并已成功将机械化学的范围扩大到包括众多的 有机转化 ，例如有机催化反应和金属催化转化、烯烃复分解、C─H 活化、偶联反应和点击反应。
使用 CAS SciFinder®（该平台汇集了来自全球的化学及相关科学数据），我们对反应数据进行了分析，并深入了解了当前采用机械化学方法所进行的转化类型趋势（见图 5）。
正在探索类似趋势的研究人员可以 使用 CAS SciFinder 访问人工智能驱动的检索功能 ，以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，其中包括醇/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和能量输入。
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 展示了前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： 前十大反应类型的增长情况。来源：CAS Content CollectionTM。
流程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、有机和无机合成以及生物化学等多个领域得到广泛应用。机械化学具有广泛的优势，但要将其潜力转化为商业成功，克服规模化问题至关重要。因此，目前正致力于通过改进反应方法学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关键的解决方案。双螺杆挤出（TSE）技术的整合，使得许多机械化学转化得以大规模实施。
尽管机械化学已取得相当大的成功，但对其反应机理和理论基础的全面理解仍有待深入。因此，针对这一方向的重点研究对于有效规划和成功实施机械化学工艺至关重要。此外，整合人工智能可以辅助工艺自动化和选择，为更高效、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变。随着持续的研究和技术创新，它有望成为主流的工业流程，推动学术界和工业界的进步。
