TECNOCIENCIA CHIHUAHUA, Vol. XVI (2) e 973 (2022) https://vocero.uach.mx/index.php/tecnociencia 1
ISSN-e: 2683-3360
Artículo de Revisión
Mecanoquímica: una herramienta importante en la
reactividad en el Estado Sólido
Mechanochemistry: an important tool in solid-state reactivity
*Correspondencia: jmga@cic.unam.mx (Juan M. Germán-Acacio)
DOI: https://doi.org/10.54167/tch.v16i2.973
Recibido: 09 de mayo de 2022; Aceptado: 21 de julio de 2022
Publicado por la Universidad Autónoma de Chihuahua, a través de la Dirección de Investigación y Posgrado.
Resumen
Los inicios de la mecanoquímica pueden remontarse a la prehistoria teniendo registro de su uso en
la era de la Grecia antigua presentando importantes avances a inicios del siglo XIX con los trabajos
de Lea Carey (considerado el primer mecanoquímico) y de Michael Faraday. A pesar de que la
mecanoquímica se conoce desde hace mucho tiempo, esta herramienta sintética no ha recibido la
suficiente atención por varias comunidades científicas como un método de preparación robusto de
compuestos químicos. Se pueden enumerar distintos factores de este poco entusiasmo hacia la
mecanoquímica, siendo los principales la falta de terminología y nomenclatura común, aunado al
poco entendimiento de los procesos mecanísticos involucrados (identificación de intermediarios o
proposición de mecanismos de reacción). Aún con estas disyuntivas, los métodos mecanoquímicos
son procesos de preparación con un alto valor de importancia desde el punto de vista de la Química
Verde, ya que las reacciones pueden llevarse a cabo en ausencia o en cantidades catalíticas de
disolvente, evitándose el uso de grandes cantidades de este medio. Así, en esta revisión se busca dar
un panorama de la situación actual de la mecanoquímica y su uso en distintas áreas de la ciencia.
Palabras clave: mecanoquímica, química verde, química medicinal, reacciones en estado sólido
M. Fernanda Muñoz Tecocoatzi1, José C. Páez-Franco1, Guadalupe Coyote Dotor1, Alejandro
Dorazco-González1, René Miranda-Ruvalcaba3, David Morales-Morales2, y Juan M. Germán-
Acacio1*
1 Red de Apoyo a la Investigación, Coordinación de la Investigación Científica-UNAM, Instituto
Nacional de Ciencias Médicas y Nutrición SZ, Ciudad de México CP 14000, México.
2 Instituto de Química, Universidad Nacional Autónoma de México. Coyoacán, 04510, Ciudad
de México, México.
3 Departamento de Ciencias Químicas, Facultad de Estudios Superiores, Universidad Nacional
Autónoma de México, Cuautitlán Izcalli, Estado de México 54740, México
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Muñoz-Tecocoatzi et.al
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Abstract
The beginnings of mechanochemistry can be traced back to prehistory, having a record of its use in
ancient Greek and presenting important advances at the beginning of the 19th century with
important works by Lea Carey (considered the first mechanochemist) and Michael Faraday.
Although mechanochemistry has been known for a long time, this synthetic tool has not received
enough attention from various scientific communities as a robust preparation method for
compounds in general. Different factors of this lack of enthusiasm towards mechanochemistry can
be listed, the main ones being the lack of terminology and common nomenclature, added to the little
understanding of its mechanistic processes (identification of intermediates or proposal of reaction
mechanisms). Despite these dilemmas, mechanochemical methods are preparation processes with a
high value of importance from the point of view of Green Chemistry, since the reactions can be
carried out in the absence or in catalytic amounts of solvent, avoiding the use of large amounts of
this medium. Hence, in this review, we want to give an overview of the current situation of
mechanochemistry and its use in different areas of science.
Keywords: mechanochemistry, green chemistry, medicinal chemistry, solid-state reactions
1. Introducción
La Química Verde busca el desarrollo de reacciones ambientalmente amigables, que generen
una nula o poca cantidad de residuos y que sean altamente eficientes desde el punto de vista de
rendimientos, que se lleven a cabo en condiciones suaves y que resulten benignas para el ambiente.
Esta rama de la Química se considera una filosofía regida por doce principios (Anastas et al., 1998;
Tang et al., 2005; Germán-Acacio, 2009)
La Química Verde es una disciplina que busca reducir el uso de materiales y fuentes peligrosas para
el ambiente. A principios de los años noventa se centró la atención en este campo, con el incremento
de cuestiones como el calentamiento global, el manejo de desperdicios químicos y la contaminación
causada por procesos industriales (Sheldon, 2008). El aumento en el interés sobre la Química Verde
se vio reflejado con la aparición en 1999 de la revista de la Royal Society denominada Green
Chemistry. También en la American Chemical Society han aparecido otras revistas con intereses
relacionados con la Química Verde: ACS Sustainable Chemistry & Engineering, Environmental
Science and Technology, Environmental Science and Technology Letters, Organic Process Research
& Development. Recientemente surgió la revista Green Chemical Engineering. Los doce principios
de esta disciplina, son una guía para la síntesis verde (Anastas et al., 1998). Sus objetivos están
basados en tratar de reducir el uso de materiales peligrosos, realizar reacciones más benignas al
medio, evitar la generación de residuos no biodegradables, así como el uso de fuentes renovables
cuando sea posible.
Históricamente, en diferentes áreas de la ciencia han predominado las reacciones en disolución. Este
tipo de reacciones se conoce comúnmente como «Química Húmeda», en donde los reactivos son
disueltos en un disolvente, ya que se piensa que las moléculas al encontrarse en un medio líquido se
promueve una estrecha interacción reactivo-disolvente, lo que facilita la formación de los productos
deseados. Adicionalmente en este tipo de reacciones, el disolvente ayuda a dispersar el calor que se
genera in situ. Por otro lado, la Química del Estado Sólido explora la reactividad de sustancias en
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estado sólido, las cuales pueden ser inducidas por métodos tales como microondas, ultrasonido,
irradiación de luz UV-Visible y molienda (Solares-Briones et al., 2021). Lo que se promueve con estas
reacciones, es principalmente llevarlas a cabo en ausencia o con una mínima cantidad de disolvente
como medio de reacción. Margaret E. Etter (1991) sugirió que: «- Frecuentemente, la fase que es
obtenida por síntesis en estado sólido es idéntica a la obtenida en el crecimiento de cristales en
disolución, implicando que el disolvente no es necesario para dirigir las moléculas con interacciones
intermoleculares direccionales y fuertes para la formación cristalina preferida-». Por consiguiente, en
este tipo de reacciones ocurre una transformación química promovida por energía mecánica, lo que
se define como procesos mecanoquímicos. Por simplicidad, estos procesos mecanoquímicos también
se mencionan de forma indistinta como molienda.
El concepto de reactividad química entre sólidos es complejo de definir. Se ha argumentado que la
síntesis en estado sólido ( Rothenberg et al., 2001; Germán-Acacio, 2009) ocurre con un intermediario
en fase líquida, como es una fase eutéctica o fundida y estas reacciones no pueden ser vistas como
una auténtica reacción sólido-sólido. Este es el caso para reacciones activadas mecanoquímicamente,
ya que se ha indicado que el calor generado en el transcurso del proceso induce a una fusión local en
la interfase de los diferentes cristales y también de reacciones de amasamiento que requieren
pequeñas cantidades de disolvente entre los reactivos. Otros mecanismos aceptados de cómo
proceden las reacciones por molienda son: (1) difusión molecular; y (2) formación de un
intermediario amorfo (Friščič et al., 2009; Solares-Briones et al., 2021).
Figura 1. Esquematización de reacciones en estado sólido según Braga. Adaptado de la referencia (Solares-
Briones et al., 2021) MDPI 2021.
Figure 1. Schematization of solid-state reactions according to Braga. Adapted from reference (Solares-Briones
et al., 2021) MDPI 2021.
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De manera general, se han clasificado las reacciones entre sólidos en dos tipos: (1) reacciones
intrasólido; y (2) reacciones intersólido, (Fig. 1) (Braga et. al., 2004). Otra clasificación son las
reacciones gas-sólido, sin embargo, no se discutirán en esta revisión (Braga et al., 2005).
Las reacciones intrasólido son aquellas donde la reacción toma lugar dentro del cristal (basados en
los postulados topoquímicos y en la movilidad molecular dentro de la celda unitaria). Por otro lado,
las reacciones intersólido se refieren a la reactividad de al menos dos sólidos por medio de
mecanoquímica.
Los postulados topoquímicos (Kohlschütter et al., 1918) fueron premisas que dieron lugar a una
teoría general que explicaba las reacciones intrasolido, aunque contaban con un limitado poder
predictivo, ya que solo anticipaban correctamente reacciones de cicloadición [2+2]. Posteriormente,
Schmidt (1971) llevó a cabo extensos estudios cristalográficos y fotoquímicos con polimorfos
derivados del ácido cinámico (, y ). Sus hallazgos demostraron que las formas y eran
fotoactivas para la reacción de cicloadición [2+2] pero la forma no lo era. A partir de esto se
plantearon los postulados topoquímicos que pueden ocurrir dentro de un cristal, (Fig. 2) (Germán-
Acacio, 2009).
Figura 2. Fotoreactividad en estado sólido de los polimorfos del Ácido o-etoxi-trans-cinámico
Figure 2. Solid-state photoreactivity of o-ethoxy-trans-cinnamic acid polymorphs
Para que se lleve a cabo la fotodimerización, los fragmentos C=C se deben ubicar de forma paralela
o antiparalela a una distancia centro a centro de < 4.2 Å. En los tres sólidos los alquenos se encuentran
empaquetados en una dimensión, apilados de forma desplazada. En las formas y los fragmentos
C=C se disponen con una separación de 4 Å. En el caso del polimorfo , las moléculas están
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orientadas en una forma antiparalela relacionadas por un centro de inversión cristalográfico. Este
arreglo molecular da lugar a la formación del ácido -truxílico «cabeza-cola». En el caso de la forma
los C=C se encuentran relacionados por un eje de traslación y orientados de forma paralela
formando el ácido -truxílico «cabeza-cabeza». Se destaca que los productos obtenidos después de
la irradiación presentan estereoquímicas distintas debido a su forma de empaquetamiento. El
polimorfo es fotoestable ya que los fragmentos C=C se localizan muy lejos para reaccionar (> 4.2 Å)
(Germán-Acacio, 2009).
Schmidt (1971) propuso que estas reacciones se llevan a cabo en dos pasos: (1) formación de una
molécula excitada proveniente de una molécula en estado basal después de ser irradiada con luz
ultravioleta; y (2) ataque de la molécula excitada a otra que se encuentra en estado basal. Si los
orbitales p del sistema en los dobles enlaces están desalineados, o se localizan muy lejos uno de
otro, la fotodimerización no se lleva a cabo después de la irradiación. Estas condiciones son
conocidas como reglas topoquímicas (Germán-Acacio, 2009).
De esta manera, las reglas topoquímicas implican cualitativamente que los reactivos, estados de
transición y productos finales deben de estar confinados en la «cavidad de reacción» dada por el
empaquetamiento cristalino. Cuantitativamente, implica que si la reacción ocurre dentro de las
distancias topoquímicamente «permitidas» éstas se llevan a cabo, en caso contrario, no existe un
control en la reactividad ya que muchas de estas distancias han sido determinadas empíricamente.
Una ventaja en este tipo de reacciones es que dan acceso a productos donde existe un control
estereoquímico, que en «Química Húmeda» es difícil de obtener (Ariel et al., 1989; Pokkuluri et al.,
1992; Cheung et al., 2000; Germán-Acacio, 2009;).
Desafortunadamente, los postulados topoquímicos son limitados como guía y presentan poco poder
de predicción. Distancias intermoleculares adecuadas no garantizan que la reacción ocurra (Murthy
et al., 1987). Experimentalmente, el control en la reactividad está basado en prueba y error, y es
gobernado por la ruptura y formación de enlaces débiles entre las moléculas (enlaces de hidrógeno,
fuerzas de van der Waals, apilamiento π), y por los efectos de empaquetamiento requeridos para
organizar los reactivos en una posición adecuada y que son controlados por su posición en la fase
condensada. Por otra parte, estos principios están abocados en su mayoría a reacciones de
monocristal y no contemplan materiales amorfos en muchas de ellas (Garcia-Gabibay, 2003; Germán-
Acacio, 2009).
Ante esto, las reacciones intersólido sí contemplan la reactividad sin importar su forma de inicio
(cristalina o amorfa). Con esto, se da lugar a la descripción de la mecanoquímica como una
herramienta importante en la reactividad en estado sólido.
2. Mecanoquímica
La International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) define a la mecanoquímica
como: «una reacción química que es inducida por la absorción directa de energía mecánica» (IUPAC,
2012). Los orígenes de la mecanoquímica han sido registrados desde la prehistoria pasando por la
antigua Grecia; y posteriormente hubo aportaciones importantes hechas por Lea Carey (considerado
el primer mecanoquímico) y Michael Faraday en los siglos XIX-XX (Takacs, 2004, 2003; Takacs, 2007;
Takacs, 2013; Solares-Briones et al., 2021). Wilhelm Ostwald consideró que la Química debía
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clasificarse dependiendo de la energía involucrada en las reacciones: (1) termoquímica; (2)
electroquímica; (3) fotoquímica; y (4) mecanoquímica (Solares-Briones et al., 2021). La definición de
Heinicke es la actualmente aceptada: «- mecanoquímica es una rama de la química que se ocupa de las
transformaciones químicas y fisicoquímicas de sustancias en todos los estados de agregación producidos por el
efecto de procesos de energía mecánica-» (Solares-Briones et al., 2021).
Figura 3. Diferentes ramas de la mecanoquímica. Adaptado de la referencia (Solares-Briones et al., 2021) MDPI
2021.
Figure 3. Different branches of mechanochemistry. Adapted from reference (Solares-Briones et al., 2021) MDPI
2021.
La mecanoquímica es un área que cubre al menos cuatro grandes ramas: (1) triboquímica; (2)
trituración; (3) macromolecular; y (4) sonoquímica, (Fig. 3), (Suslick, 2014). Hay que enfatizar que la
triboquímica es una rama de la mecanoquímica, ya que muchas veces se confunden estos dos
términos. A la triboquímica le interesa el estudio de las reacciones que se llevan a cabo en la
superficie de dos sólidos, entre un material lubricante o entre un lubricante y la superficie de un
sólido (Kajdas, 2013; Martini et al., 2020). Por lo tanto, la triboquímica es vista como los fenómenos
que suceden a nivel de fricción superficial (tribos: fricción). Por otro lado, la mecanoquímica dentro
MES: Molienda en seco
MAD: Molienda asistida por disolventes
MOF: (traducido del inglés, armazón metal-orgánico)
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de sus ramas considera los fenómenos de trituración (molienda) que pueden llevarse a cabo en total
ausencia de disolvente(s) (MES: molienda en seco) o asistida por disolvente(s) (MAD), (Fig. 3). Sobre
estos términos se ahondará más adelante donde se mencionará la influencia que puede tener en la
formación de la fase sólida final. Asimismo, se abordará otro tipo de condiciones preparativas de los
métodos mecanoquímicos.
Las otras dos ramas de la mecanoquímica contemplan la parte «macromolecular» relacionada
directamente con la mecanoquímica en procesos biológicos y/o de materia condensada blanda
(ruptura de cadenas poliméricas, motores moleculares, movimiento biológico) (Suslick, 2014).
Finalmente, la sonoquímica es la parte de la mecanoquímica que le interesa el estudio de reacciones
inducidas por consecuencias mecánicas del sonido (Suslick, 2014). En el caso de esta revisión, el
interés está centrado en las reacciones promovidas por trituración de sus componentes sólidos
(molienda). Por si sola, la mecanoquímica o molienda es un método de síntesis que satisface los doce
principios de la Química Verde (Ardila-Fierro et al., 2021).
3. Condiciones preparativas dentro de las reacciones de molienda
Como se mencionó anteriormente, dentro de los procesos mecanoquímicos estos se pueden llevar
a cabo bajo condiciones preparativas como son MES o MAD. Sin embargo, hay otras condiciones
preparativas que involucran el empleo de otras matrices como son: (1) molienda asistida por un
polímero (MAP); (2) molienda asistida por un líquido de cantidad variable (MALCV); y (3) molienda
asistida por un líquido iónico (MALI). Para una mayor profundidad acerca de los fundamentos de
estas diversas condiciones preparativas de molienda se recomienda consultar la revisión (Solares-
Briones et al., 2021).
Se debe enfatizar que dentro de los beneficios de los procesos mecanoquímicos sobre la «Química
Húmeda» son: (1) que muchos productos finales de reacción solo pueden accederse por medio de
métodos de molienda (Bučar et al., 2019); (2) estos métodos proveen un control polimórfico en el
producto final (Skovsgaard et al., 2009; Trask et al., 2004, 2005); (3) pueden presentar mejoras en los
rendimientos; (4) las reacciones pueden proceder de forma más rápida comparadas con reacciones
en disolución ( Toda et al., 1988; Stolle et al., 2014; Beillard et al., 2017; Hernández, 2017); y (5) permiten
un aumento en el control estereoquímico y de selectividad ( Jörres et al., 2015; Hernández et al., 2017).
De esta manera, se remarcan las ventajas que presentan los métodos mecanoquímicos sobre la
«Química Húmeda», sin embargo, muchos de estos beneficios dependerán de las condiciones
preparativas de estos procesos.
De inicio, una reacción mecanoquímica típica involucra la mezcla de dos o más componentes en
donde se le aplica energía mecánica para que exista una transformación química. Dentro de esta
transformación, el mezclado de los componentes se puede llevar a cabo en total ausencia de
disolvente(s) (MES) o bajo la presencia de disolvente(s) (MAD) los cuales se añaden en cantidades
catalíticas ( James et al., 2012; Bowmaker, 2013). En la preparación de cocristales se ha demostrado
las ventajas del empleo de MAD sobre MES (Friščić, 2010; Hasa et al., 2017; Friščić et al., 2009, 2020).
De primera instancia, llevar a cabo las reacciones bajo el sistema MES implica un mínimo cambio
molecular en el curso
del proceso de la reacción, contrario al empleo del sistema MAD donde la acción
del disolvente confiere mayor movilidad
entre los componentes. Esta mobilidad imparte grados
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adicionales de libertad (orientacional y conformacional) a las moléculas que afectan el resultado de
la reacción. Para la preparación de cocristales, se ha definido un parámetro empírico denominado
( = V (líquido, L)/m (muestra, mg)), donde V es el volumen del disolvente y m representa las masas
de los componentes del cocristal. Este parámetro ayuda a asignar una escala para diferenciar las
diversas condiciones en las cuales la reacción puede ser llevada a cabo (MES = 0; MAD 0 < < 2;
reacciones espesas 2 < < 12 y síntesis en disolución > 12) (Friščić, 2010). Este parámetro
proporciona una visión interesante del papel de los disolventes para el diseño de experimentos que
están mediados por la presencia de una cantidad mínima de disolvente (MAD, condiciones
catalíticas) pasando por reacciones espesas (slurrying) o en fase líquida. Se han descrito varios
ejemplos de la importancia en la utilización del parámetro (Solares-Briones et al., 2021).
Por otro lado, MALCV es una variación de MAD, en donde se hace un cribado de experimentos
donde se varía la cantidad de disolvente utilizado (intervalo del parámetro 0.05-0.5) y se utilizan
disolventes con distinta polaridad. Con MALCV se puede ajustar el valor adecuado de , y la
polaridad del disolvente para promover un control polimórfico (Hasa et al., 2016). En otras palabras,
dependiendo de la cantidad de disolvente añadido se puede promover la formación de manera
selectiva de un polimorfo sobre otro (Hasa et al., 2016). Con este trabajo Jones desmitificó la creencia
popular de «un líquido para una sola forma polimórfica específica».
MAP es una técnica de cribado que ayuda a promover selectivamente la formación de polimorfos.
Matzger fue uno de los pioneros en el uso de polímeros para inducir la nucleación y promover un
control polimórfico de manera selectiva y los cuales se cree que funcionan como directores del
proceso de cristalización (Pfund et. al., 2014; Lopez-Mejías et al., 2011; McClelland et al., 2011). Jones
y colaboradores exploraron el uso de estos polímeros para la formación selectiva de ciertos
polimorfos de cocristales (Hasa et al., 2015; Hasa et al., 2017).
MALI es otro método preparativo dentro de los procesos mecanoquímicos. Inicialmente se exploró
en la formación de MOF (traducido del inglés, metal-organic framework = armazón metal- orgánico).
Friščić y colaboradores utilizaron esta técnica y ciertas sales inorgánicas como aditivos (NO3- o SO42-)
comparándola simultáneamente con el método MAD en la formación del MOF [Zn2(ta)2(dabco)] (ta:
tereftalato; dabco: 1,4-diazabiciclo [2.2.2]octano) (Hasa et al., 2015). Los hallazgos de esta
investigación indicaron que mediante MALI el MOF se formó de forma más rápida que utilizando
MAD. Los autores sugirieron que la formación del MOF mediante MALI es a través un mecanismo
donde los aniones sirven de plantilla (Hasa et al., 2015). Así también, se ha utilizado el método MALI
en la preparación de cocristales farmacéuticos (Mukherjee et al., 2018). Se destaca que, en estos
experimentos en lugar de utilizar una sal inorgánica como aditivo, se emplearon líquidos iónicos.
Con este trabajo Mukherjee y colaboradores demostraron que puede existir un control polimórfico
en la formación selectiva de cocristales, pero este control depende en gran medida de la naturaleza
de los líquidos iónicos empleados.
Por último, también se ha explorado el uso de MAP en la formación de cocristales farmacéuticos, pero
introduciendo el parámetro (equivalente a usado en MAD) (Germann et al., 2020b). Por
consiguiente, en esta investigación se compararon reacciones mecanoquímicas empleando MES,
MAD y MAP, y en esta última, se varió la cantidad de polímero añadido. Se encontró que MES
mostró ser una reacción dos veces más rápida que MAP. También se observó que se requieren
pequeñas cantidades de polímero para observar un efecto catalítico. Adicionalmente, se determinó
que la masa molecular del polímero empleado no tiene un efecto preponderante en la velocidad de
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reacción. Finalmente, al aumentar experimentalmente los parámetros (MAD) y (MAP), solo en el
primero aumentó la velocidad de reacción.
4. Equipos utilizados en reacciones mecanoquímicas
La forma más sencilla para llevar a cabo una reacción mecanoquímica en un laboratorio es moler
los componentes en un mortero. Sin embargo, este método suele presentar ciertas desventajas. La
molienda en un mortero va a ser dependiente del vigor y de la intensidad aplicada, ya que estos
factores pueden influir en el producto final obtenido (Solares-Briones et al., 2021). Adicionalmente
factores atmosféricos (especialmente con reactivos sensibles a la humedad) puede ser un elemento
negativo en la formación del producto final (Tan et al., 2019). Por estas razones, usualmente a nivel
laboratorio se utilizan equipos automatizados para llevar reacciones mecanoquímicas de forma más
reproducible y sistemática. El uso de estos equipos permite acceder a: (1) un mayor aporte de energía
a la reacción; (2) tiempos más sistematizados de reacción (reproducibilidad); y (3) a un mejor
mezclado entre los constituyentes de la reacción (transferencia de masa y energía). Existe una amplia
variedad de equipos para realizar reacciones mecanoquímicas: (1) molinos de bolas, ya sea de tipo
vibratorio o planetario; (2) del tipo de púas o de chorro; y (3) equipos de rodillos y trituradores
(Boldyrev, 1986; Suryanarayana, 2001; Baláž et al., 2013). Se ha mencionado que a nivel laboratorio
los equipos más empleados son: (1) molinos mezcladores/agitadores; (2) planetarios; y (3) de
extrusión de doble husillo (Andersen et al., 2018). El costo de estos equipos varía alrededor de 3000–
7000 dólares (Andersen et al., 2018). Los equipos de extrusión de doble husillo se emplean
regularmente para la preparación de muestras a nivel industrial (a gran escala alrededor de
kilogramos de muestra final) (Solares-Briones et al., 2021).
Por otro lado, como se observa en la (Fig. 3), dentro de las ramas de la mecanoquímica, la
sonoquímica debe ser considerada como un método de síntesis. Principalmente dentro de la
sonoquímica existe la formación de cavitación acústica (formación, crecimiento y colapso implosivo
de burbujas en líquidos) causado por la acción de efectos de sonido. La aplicación de ultrasonido
produce la ruptura de fuerzas atractivas entre las moléculas del medio líquido, provocando una
caída estrepitosa de la presión interna formando burbujas. El colapso o colisión de burbujas provoca
el alcance de temperaturas y presiones superiores a 5000 K y 1000 atmósferas y velocidades de
enfriamiento y calentamiento mayores a 1010 K·s-1. Estas condiciones proporcionan energía mecánica
al medio (Suslick, 2014). En este sentido, se han empleado baños ultrasónicos para llevar a cabo
reacciones sonoquímicas, esto principalmente en la formación de cocristales farmacéuticos. Además
de los baños ultrasónicos, otros ejemplos para provocar reacciones sonoquímicas ya han sido
descritas con anterioridad (Solares-Briones et al., 2021).
Asimismo, existen equipos especializados en el fenómeno de mezclado acústico resonante (MAR).
Este método es una variante de síntesis mecanoquímica la cual permite aplicar a la muestra una
cantidad considerable de energía mecánica sin causarle daño alguno. Al compararlo por ejemplo con
un equipo de bolas, éste último puede ocasionar daño a las partículas de la matriz originando
defectos en la red cristalina, provocando muchas veces de manera inevitable la formación de un
material amorfo no deseable. Esta aproximación es una alternativa segura para la preparación de
materiales y propulsores altamente explosivos. Además, se recomienda cuando el producto final de
la molienda requiera de alta cristalinidad. Los equipos especializados en MAR generan energía
acústica la cual es producida por la acción de oscilación de resortes que inducen resonancia mecánica
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y cuya frecuencia es transferida directamente al recipiente de la muestra originando zonas de
mezclado locales (Michalchuk et al., 2018; Solares-Briones et al., 2021). Recientemente Friščić y
colaboradores han demostrado los beneficios de la técnica MAR en reacciones orgánicas catalizadas
por metales (Gonnet et al., 2022).
5. Aspectos mecanísticos detrás de la mecanoquímica
Uno de los principales problemas encontrados en los métodos mecanoquímicos es la falta de
entendimiento detrás de los procesos mecanísticos tales como la identificación de intermediarios o
la propuesta de mecanismos de reacción. Las reacciones mecanoquímicas pueden ser monitoreadas
de forma ex situ o in situ (Solares-Briones et al., 2021). Uno de los principales problemas encontrados
en los métodos ex situ radica en que, durante la reacción, ésta debe ser detenida para extraer una
muestra para ser analizada. Esto provoca que no se pueda monitorear la formación de intermediarios
en tiempo real. De forma contraria, los métodos in situ se logran mediante el acoplamiento de
dispositivos a equipos de molienda (principalmente molino de bolas de tipo vibratorio acoplados a
equipos de difracción de rayos X de polvos producidos por un sincrotrón o espectrómetros de
Raman) (Solares-Briones et al., 2021). Los métodos in situ proporcionan una idea más detallada de
los aspectos mecanísticos circunscritos en un proceso mecanoquímico. Una de las desventajas del
monitoreo in situ es el alto costo en la adaptación y acoplamiento de los equipos, razón por la cual
son pocos los grupos de investigación en el mundo que llevan a cabo este tipo de análisis.
Muchos de los modelos mecanísticos propuestos detrás de una reacción mecanoquímica dependen
principalmente de la naturaleza de la muestra (Boldyreva, 2013). Los modelos mecanísticos
denominados «punto-caliente» y/o «magma-plasma», son los más aceptados para materia
condensada dura (materiales inorgánicos) (Boldyreva, 2013; F. Kh Urakaev et al., 2000; F. Kh.
Urakaev et al., 2000). Debido al alcance buscado en esta revisión no se profundizará en la descripción
de estos modelos mecanísticos. Para el caso de materia condensada blanda (moléculas orgánicas)
existen al menos tres modelos aceptados: (1) difusión molecular; (2) formación de una fase eutéctica;
y (3) mediación por una fase amorfa (Friščič et al., 2009). En esta revisión, no se analizarán los
modelos 2 y 3, cuyas teorías y fundamentos se tratan a profundidad en Solares-Briones (2021). Para
el caso del modelo de difusión molecular se hará una descripción más detallada ya que esta teoría
puede ser significativa en la explicación de los procesos a nivel molecular.
El modelo de difusión molecular se basa en estudios experimentales de microscopia de fuerza
atómica bajo condiciones MES (Kaupp, 2003). La propuesta incluye que el mecanismo procede en
tres etapas (Fig. 4). Este modelo es aplicable para una reacción intersólido de dos componentes que
dan lugar a la formación de un solo producto (A + B → C).
1. Migración de moléculas. La primera etapa es la reconstrucción de la fase sólida, sugiriendo
migraciones direccionales de largo alcance de moléculas, donde el componente A invade los planos
o canales del componente B (o viceversa). La incipiente formación de C distorsiona las estructuras
cristalinas originales de A y B, produciendo una fase mixta A-B-C.
2. Formación de la fase del producto. La aparición concomitante del componente C en la mezcla de
la fase A-B-C favorece la discontinuidad espacial en las partículas A y B debido a la tensión y defectos
de cristal.
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3. Desintegración de cristales. En este paso, se sugiere un desajuste químico y geométrico entre los
componentes A y B, producido por la aparición de C provocando una desintegración de las
partículas. El proceso de molienda produce superficies nuevas disponibles para una reacción
adicional hasta la finalización.
Figura 4. Representación esquemática del modelo mecanístico de difusión molecular. Adaptado de la referencia
(Solares-Briones et al., 2021) MDPI 2021.
Figure 4. Schematic representation of the molecular diffusion mechanistic model. Adapted from reference
(Solares-Briones et al., 2021) MDPI 2021.
Se recomienda consultar la revisión de Boldyreva donde discute las transformaciones
mecanoquímicas que sufre la materia dependiendo de su naturaleza (inorgánica u orgánica) a nivel
molecular (Boldyreva, 2013).
6. Perspectivas de la mecanoquímica como una herramienta de
síntesis
A pesar de que los orígenes de la mecanoquímica pueden ubicarse desde la prehistoria y,
adicionalmente se han registrado aportaciones relevantes por Lea Carey y Michael Faraday,
aparentemente esto no ha sido suficiente para que en la actualidad la mecanoquímica sea vista como
una herramienta de síntesis preponderante dentro de la comunidad científica. Y es que, aunque
como ya se han mencionado las amplias ventajas de la mecanoquímica sobre la «Química Húmeda»,
aún existe mucha reticencia de la comunidad científica en utilizarla como un método de síntesis. Se
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TECNOCIENCIA CHIHUAHUA, Vol. XVI (2) e 973 (2022)
destaca que recientemente la mecanoquímica ha sido nombrada como una de las diez tecnologías
emergentes en química como una opción altamente sostenible para el planeta (Gomollón-Bel, 2019).
Pese a esto, los factores que influyen para no emplear la mecanoquímica como un método de síntesis
relevante pueden ser diversos (Michalchuk et al., 2021). Se menciona que la baja popularidad del uso
de la mecanoquímica dentro de la comunidad científica puede ser debido a: (1) falta de una
nomenclatura unificada y de una terminología común, limitando la comunicación entre las
comunidades emergentes y las ya consolidadas dentro del área; y (2) el poco entendimiento detrás
de los aspectos mecanísticos que limitan la identificación de intermediarios y/o la propuesta de pasos
de reacción. El primer factor se puede atribuir a la heterogeneidad de la comunidad mecanoquímica
existente (emergentes vs consolidados). De hecho, Michalchuk y colaboradores (2021) señalan que
esta situación puede verse como una Torre de Babel de la mecanoquímica. Los autores mencionan
que los investigadores más involucrados en el área pueden poseer un lenguaje y nomenclatura bien
definidos, contrario a la comunidad científica que apenas se involucra en el área, lo que provoca que
no puedan comunicarse de forma efectiva. Esto puede influir negativamente conduciendo al poco
entusiasmo en general.
La falta de entendimiento pleno de los factores mecanísticos que gobiernan los procesos
mecanoquímicos limitan la propuesta de: (1) pasos de reacción; (2) velocidades de transformación
de fase; (3) identificación de intermediarios de reacción; y (4) determinación de fuerzas motrices de
la reacción. Por otro lado, hay que considerar que la reproducibilidad de las reacciones
mecanoquímicas es dependiente de varios parámetros como: (1) condiciones atmosféricas; (2)
condiciones criogénicas; y (3) la presencia de aditivos catalíticos (disolventes, polímeros, sales
inorgánicas, líquidos iónicos, etc). Adicionalmente, hay que considerar la influencia de los materiales
utilizados en los equipos. Por ejemplo, Friščić y colaboradores demostraron que el uso de
recipientes y bolas de acero inoxidable favorecieron la síntesis del polimorfo II del cocristal
nicotinamida: ácido adípico (Germann et al., 2020a). Por otro lado, el polimorfo I, se favoreció cuando
se utilizaron recipientes y bolas de poli(metil-metacrilato). Así también, la síntesis del producto final
se ve influenciada por el número de revoluciones por minuto (molienda planetaria de bolas o
extrusión de doble husillo) o la frecuencia (molienda vibratoria). También influyó el número, tamaño
y masa de las bolas empleadas (Gómez-Benítez et al., 2022). Estas últimas razones pueden ser
desalentadoras para la nueva comunidad científica que busca explorar la mecanoquímica como una
nueva herramienta sintética. Sin embargo, hay que conminar a que contemplen a la mecanoquímica
como un método de síntesis que cumple con varios de los lineamientos de la Química Verde y
permite el acceso a productos que no pueden obtenerse por medio de «Química Húmeda» (estereo-
control, control polimórfico, altos rendimientos, etc).
7. Conclusiones
Esta revisión es una perspectiva del panorama actual que vive la mecanoquímica dentro de la
comunidad científica. A pesar de que el empleo de la mecanoquímica como una herramienta
sintética puede rastrearse desde etapas prehistóricas, actualmente su empleo es incipiente. Muchas
de las posibles razones para el poco interés de la comunidad científica hacia la mecanoquímica se
describen en el punto 6. También, en esta revisión se enumeraron las ventajas (puntos 1 y 3) que
tiene la mecanoquímica sobre la clásica «Química Húmeda».
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Esta revisión busca revelar a la comunidad científica las ventajas de los métodos mecanoquímicos
como una herramienta de síntesis poderosa en el estado sólido.
Agradecimientos
M.F.M.-T. agradece al programa PAPIIT-DGAPA-UNAM por la beca otorgada (IT200920, folio
075422).
J.M.G.-A. agradece el generoso financiamiento del programa PAPIIT-DGAPA-UNAM (IT200920). Se
agradece al CCIQS UAEM-UNAM por el apoyo otorgado en la realización de los análisis térmicos y
de difracción de rayos X de polvos mediante el proyecto DMM-2016. "Preparación y caracterización
de fases sólidas fármaco: fármaco conteniendo agentes para el tratamiento de la diabetes tipo 2 y
factores de riesgo asociados".
Conflicto de interés
Los autores declaran que no hay conflictos de interés.
Abreviaciones
ACS American Chemical Society
Parámetro
IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry
MAD Molienda asistida por disolventes
MALCV Molienda asistida por líquido de cantidad variable
MALI Molienda asistida por un líquido iónico
MAP Molienda asistida por un polímero
MAR Mezclado acústico resonante
MES Molienda en seco
MOF (traducido del inglés, armazón metal-orgánico)
MTV Molienda a temperatura variable
Parámetro
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