Mikrowellen-Chemie von A wie Aufschluss bis Z wie Zeolithsynthese

Es war einmal...

Die Vorteile der Mikrowellentechnik sind seit der Erteilung des Patentes im Jahre 1946 inzwischen allgemein bekannt. Dabei begann der außerordentliche Verbreitungsgrad dieser Technik am Anfang erst gemächlich. Das wesentliche Einsatzgebiet war zunächst die Nachrichtentechnik. Erst seit den 60er Jahren nutzt man im Haushalt die Mikrowelle als schnelle Heizquelle für das Erwärmen von Lebensmitteln. Damit traten die Mikrowellengeräte als Tischgeräte ihren Siegeszug an. Bereits 1976 waren in 60 % der US-Haushalte Mikrowellengeräte in der Küche anzutreffen.

In dieser Zeit erkannte Dr. Michael Collins die enormen Vorteile der Energieübertragung mittels Mikrowellen für zahlreiche Anwendungen im Laboralltag und entwickelte eine Reihe von unter­schiedlichen Mikrowellen-Laborsystemen, für deren Vermarktung er 1978 die Fa. CEM gründete. Seit diesen Anfängen haben mikrowellenbeschleunigte Verfahren in weite Bereiche des Laboralltages Einzug erhalten und dabei traditionelle Methoden abgelöst.

Mikrowellen in Küche und Labor

Wenn man die Anwender von Mikrowellen-Laborgeräten nach den Gründen für deren Einsatz fragt, erhält man immer wieder dieselben typischen Antworten. Ein Kunde von CEM verglich seine Gründe mit dem Aufwärmen eines Tellers Suppe. Wenn man in der Küche einen Teller Suppe erwärmen will, dann muss man die Suppe in einen kleinen Topf überführen und auf dem Herd erhitzen. Anschließend wird die warme Suppe auf den Teller gefüllt, und der Herd kühlt wieder ab. Auf diesem klassischen Weg wird viel Wärmeenergie beim langwierigen Aufheizen und Abkühlen des Herdes verbraucht. Außerdem muss noch Reinigungsaufwand für das Spülen des Topfes erbracht werden, und zudem dauert die ganze Prozedur deutlich länger als das Erwärmen in der Mikrowelle.

Mit diesem Vergleich aus der Küche liegen die Vorteile der Mikrowellentechnik gegenüber der konventionellen Prozedur auf der Hand:

• Zeitersparnis
• Bedienkomfort
• Energieersparnis

Im Labor kommt außerdem noch der wichtige Aspekt der erhöhten Arbeitssicherheit dazu. Gerade bei chemischen Reaktionen wie z. B. bei Aufschlüssen oder Synthesen geht mit dem Energieeintrag ein Gefährdungspotential durch exotherme Reaktionen einher, die zu Unfällen führen können. Der Mikrowelleneintrag kann jedoch ohne Verzögerung fein dosiert werden, während durch moderne Druck- und Temperatursensorik die Reaktionskinetik kontrolliert wird. Zusätzlich kann sofort eine Intensivkühlung aktiviert werden, um exotherme Reaktionen abzufangen, falls dies erforderlich ist.

Trocknung in der Mikrowelle

Als Dr. Collins mit seinen beiden Kollegen die ersten Mikrowellen-Laborgeräte baute, integrierten sie eine Analysenwaage in eine umgebaute Mikrowelle. Das Ziel war die schnelle Trocknung von feuchten Proben innerhalb weniger Minuten anstelle vieler Stunden, die der konventionelle Weg über den Trockenschrank erforderte.

Damit war der erste Mikrowellentrockner geboren - heute findet die Mikrowellentrocknung in weiten Bereichen der chemischen Industrie, der Lebensmittelindustrie, in der Abwassertechnik, der Papierindustrie etc. Verwendung. Bis heute sind fünf Generationen von Mikrowellentrocknern entwickelt worden, was für das Potential dieser Technik spricht.

Zurück zu den Lebensmitteln: Die Fett-Extraktion

Mit dem Einsatz von Lebensmittelproben entwickelten die Mikrowellen-Pioniere von CEM 1982 einen Fett-Extraktor, der nach der erfolgten Trocknung von Fleisch-, Wurst- und Käseproben den Fettgehalt analysierte. Für diese Innovation wurde CEM der erste "Oskar für Erfindungen", der R&D Award verliehen. In den folgenden Jahren lief der Trend in der Fettanalyse weg von der Verwendung organischer Lösungsmittel hin zu Säure- und Lösemittelfreien instrumentellen Verfahren. Heute erfolgt die Fettanalyse im Zusammenspiel von schneller Mikrowellentrocknung mit der Kernresonanzanalytik. Auch das entsprechende Kombinationsgerät aus Mikrowelle und NMR-Spektrometer von CEM erhielt 2001 einen R&D Award.

Aufschlußreiche Analytik mit (und ohne) Druck

Mitte der 80er Jahre nahm auch die klassische Elementanalytik Notiz von den enormen Vorteilen der Mikrowellentechnik, und CEM entwickelte ein erstes, 1987 prämiertes Mikrowellen-Druckaufschlussgerät, um Proben bei erhöhten Drücken und Temperaturen zu lösen. In den letzten 19 Jahren wurde auf diesem Gebiet von einer Vielzahl von Forschern beachtliche Entwicklungsarbeit geleistet, durch die die Mikrowellenaufschlussgeräte immer weiter hinsichtlich des Probendurchsatzes, der Bedienerfreundlichkeit, der maximalen Aufschlusstemperaturen, der Sicherheit etc. verbessert wurde. Auch die fünfte Gerätegeneration, das MARS 5 wurde 1998 mit dem R&D Award ausgezeichnet.

Neben den Druckaufschlüssen gab es aber in den Analytiklaboratorien auch einen Bedarf an automatisierten, drucklosen Aufschlussgeräten, die Probenmengen im Gramm-Maßstab bei Atmosphärendruck aufschließen. Hier leistete die französische Firma Prolabo in den 80er Jahren wertvolle Pionierarbeit und entwickelte verschiedene Geräte, ehe die Produktion Anfang 2000 eingestellt wurde. CEM griff diese Entwicklungen auf und konnte 1997 mit dem STAR-System erneut eine Auszeichnung erringen. Da die Mikrowellen-Aufschlusstechnik mittlerweile Einzug in diverse DIN- und EN-Methoden gehalten hat, ist der Mikrowellen-Aufschluss zur "Standard-Methode" gereift. Laut einer Prognose von CEM wird in wenigen Jahren in jedem Labor für die Spurenanalytik ein solches Aufschlussgerät zu finden sein. In diesem Fahrwasser zog auch die organische Analytik nach. Die Mikrowellen-Extraktion MASE (Microwave Accelerated Solvent Extraction) ist mittlerweile von der Environment Protection Agency (EPA) für Umweltschadstoffe verwendet worden.

Erhitzen mit Mikrowellen einmal anders: Der schnellste Muffelofen der Welt

Bei allen voran beschriebenen Methoden wirkt die Mikrowelle als direkte Energieüberträger auf die Proben ein. 1989 hatte Dr. Collins die völlig neue Idee, einen Muffelofen zu bauen, in dem die Mikrowelle zum Aufheizen des Ofens eingesetzt wird, aber nicht direkt auf die Proben wirkt. Aus dieser prämierten Idee entstand der schnellste Muffelofen der Welt, mit dem man in wenigen Minuten sämtliche erdenkliche Probenarten veraschen kann und bis zu 95 % der Zeit gegenüber dem klassischen Verfahren spart. Mit Mikrowellen-Muffelöfen kann in nur zehn Minuten eine komplette Glühverlust/Glührückstand-Analyse durchgeführt werden, die konventionell fünf Stunden dauert. Lebensmittel, Öle, Kunststoffe, Kohle, Pharmazeutika etc. werden binnen Minuten komplett verascht.

Neue Wege in der Synthese mit der Mono-Mode-Mikrowellenkammer

Ein weiteres Potential für den Einsatz von Mikrowellengeräten zeichnet sich momentan in der chemischen Synthese ab. In den 90er Jahren experimentierten viele organische Chemiker mit umgebauten Haushaltgeräten (Multi-Mode-Mikrowellen) herum und erzielten erhöhte Ausbeuten der gewünschten Reaktionsprodukte. Zudem verkürzten sich die Reaktionsgeschwindigkeiten drastisch von Tagen auf Minuten. Allerdings gab es neben Sicherheitsproblemen enorme Schwierigkeiten in der Reaktionsführung, da die Reaktionsbedingungen Temperatur und Druck nur unzureichend verfolgt werden konnten und die Mikrowelleneinstrahlung in Haushaltgeräten nicht wissenschaftlich reproduzierbar erfolgt. Bei der Mikrowellen-Synthese ist ein Umdenken gegenüber der konventionellen Arbeitsweise erforderlich: Die Mikrowelle dient nicht zum Erwärmen der Reaktionslösung sondern als Energieüberträger auf die Moleküle. In Anlehnung an die Arbeiten von Prolabo wurde Anfang des neuen Jahrtausends eine speziell auf die Anforderungen der organischen Synthese zugeschnittene Mikrowellen-Kammer mit besonders hoher Mikrowellenenergiedichte entwickelt (Mono-Mode-Mikrowellenkammer). Diese fokussierte Mikrowellentechnik hat sich in den letzten Jahren gegenüber den klassischen Multi-Mode-Mikrowellen durchsetzt, da sie ganz neue Wege in der Chemie eröffnet. So können mit Hilfe von Mikrowellenenergieübertragung und gleichzeitiger Wärmeabfuhr neue Reaktionswege beschritten werden. Speziell bei den komplexen Biomolekülen wie z. B. Peptiden oder aber bei Kohlenhydraten kommt diese Technik mit großem Erfolg zum Einsatz. Geräte zur Mikrowellen-Synthese dienen zur organischen Wirkstoff-Synthese, zur Erstellung kombinatorischer Datenbanken, zur anorganische Zeolithsynthesen, zur metallorganischen Synthesen, zur Darstellung von komplexen Biomolekülen, zur Synthese im Subambient-Bereich (T < 0 °C) etc. Die Mikrowellengeräte werden dafür wahlweise mit Autosamplern, Pumpen, Kühlzellen oder Roboteranbindung ausgerüstet.

Vielfältige Möglichkeiten

Auch wenn die breite Öffentlichkeit heute die Mikrowelle nur als schnelle Methode zum Erwärmen von Speisen wahrnimmt, haben inzwischen die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten im Labor verschiedene spezielle Geräte hervorgebracht. Die Vorteile der Mikrowellentechnik liegen im Labor nicht nur in einer Zeitersparniss, sondern eröffnen neue Wege in der Analytik und Synthese.