Nydesignet molekyle binder nitrogen

Hvede, hirse og majs har alle brug for nitrogen for at vokse. Gødning indeholder derfor store mængder nitrogenholdige forbindelser, som normalt syntetiseres ved at omdanne nitrogen til ammoniak i den industrielle Haber-Bosch-proces, opkaldt efter dens opfindere. Denne teknologi er krediteret med at brødføde op til halvdelen af ​​den nuværende verdensbefolkning.

Luft består af næsten 80 procent nitrogen (N2), hvilket er, imidlertid, ekstremt ureaktiv, fordi bindingen mellem de to nitrogenatomer er meget stabil. Haber-Bosch-processen bryder dette bånd, omdannelse af kvælstof til ammoniak (NH3), som kan optages og bruges af planter. Dette trin kræver meget høje tryk og temperaturer og er så energikrævende, at det anslås at forbruge 1 procent af den primære energi, der genereres globalt.

"Så vi ledte efter en måde at spalte nitrogen på, der er mere energimæssigt gunstig, " forklarer professor Holger Braunschweig fra Institut for Uorganisk Kemi ved Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) i Bayern, Tyskland. Visse bakterier viser, at dette faktisk virker:De er i stand til at gøre det ved normalt tryk og temperaturer ved at bruge nitrogenase-enzymet, som katalyserer reaktionen ved hjælp af overgangsmetallerne jern og molybdæn.

"Vi har hidtil ikke haft held med at reproducere en slags nitrogenase, " siger Braunschweig. "Så vi begyndte at lede efter et alternativ:et molekyle, der er i stand til at katalysere reaktionen og ikke er baseret på overgangsmetaller."

Hans hold har studeret specifikke borholdige forbindelser, de såkaldte borylener, årevis. De betragtes som potentielle kandidater til en sådan katalysator. Men præcis hvordan skulle det tilsvarende borylenmolekyle være struktureret til dette formål?

Jern og molybdæn i nitrogenasen er kendt for at give elektroner væk til nitrogenmolekylet, en proces kaldet reduktion. Dette får bindingen mellem de to N-atomer til at bryde. Imidlertid, dette virker kun, fordi overgangsmetallerne passer godt til nitrogenmolekylet:Deres orbitaler, det rum, hvor elektronerne passerede under reduktion, kan findes, overlapper betydeligt med nitrogenets på grund af deres rumlige layout.

Baseret på kvantemekaniske forudsigelser, Dr. Marc-André Légaré fra Institut for Uorganisk Kemi designede en borylen med et lignende orbital arrangement. Resultaterne af hans undersøgelser blev derefter syntetisk testet på JMU-instituttet.

Og med succes, da borylenet fremstillet på denne måde var i stand til at fiksere nitrogen - og det ved stuetemperatur og normalt lufttryk. "For første gang, vi var i stand til at demonstrere, at ikke-metalliske forbindelser også er i stand til at udføre dette trin, " understreger Légaré.

Imidlertid, det betyder ikke, at Haber-Bosch-processen er ved at blive afskaffet. For én ting, det er ikke sikkert, at det reducerede nitrogen kan løsnes fra borylenet uden at ødelægge det. Imidlertid, dette trin er nødvendigt for at recirkulere katalysatoren, så den er tilgængelig til at binde til det næste nitrogenmolekyle efterfølgende.

"Om dette i sidste ende vil give en metode, der er mere gunstig energimæssigt, er stadig et åbent spørgsmål, " siger professor Braunschweig. "Det er kun det allerførste skridt, omend en stor, på vej til at nå det ultimative mål."

Resultaterne af undersøgelsen, som er udført i samarbejde med forskergruppen af ​​professor Bernd Engels fra JMU Instituttet for Fysisk og Teoretisk Kemi, vil blive offentliggjort i den berømte Videnskab magasin.