Inert nitrogen tvunget til at reagere med sig selv

Udgør over 78 % af den luft, vi indånder, nitrogen er det grundstof, der oftest findes i sin rene form på jorden. Årsagen til overfloden af ​​elementært nitrogen er dinitrogens utrolige stabilitet og inerthed (N ₂ ), et molekyle bestående af to nitrogenatomer og den form, hvori der findes mest nitrogen. Kun i meget barske miljøer, som i ionosfæren, kan dinitrogen samles til længere nitrogenkæder, danner N ₄ ioner med meget kort levetid.

På trods af inertiteten af ​​dinitrogen, naturen er i stand til at bruge det som et vigtigt råstof for alle slags levende organismer. I biologiske systemer, den meget stærke nitrogen-nitrogen-binding i N ₂ kan spaltes og ammoniak (NH ₃ ) kan fremstilles, som så bliver kilden til nitrogen for hele fødekæden på Jorden.

Helt ny kemisk reaktion

Efterligner naturen, mennesker bruger den altafgørende Haber-Bosch-proces til at nedbryde nitrogen til ammoniak, som derefter kan videreforarbejdes til fremstilling af gødning og til at stille kvælstof til rådighed til fremstilling af pigmenter, brændstoffer, materialer, lægemidler og mere. Fremstilling af forbindelser, der indeholder kæder af to, tre eller fire nitrogenatomer - som især er af farmaceutisk betydning i vasodilaterende lægemidler, for eksempel - kræver gensamling af mono-nitrogen molekyler såsom ammoniak, fordi der ikke eksisterer nogen direkte reaktion, der direkte kan forbinde molekyler af dinitrogen.

Denne uge, forskerhold fra Tyskland, fra Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) og Goethe-universitetet i Frankfurt, rapportere en helt ny kemisk reaktion i Videnskab magasin. Den nye proces bruger borholdige molekyler til direkte at koble to molekyler af N ₂ ind i et N ₄ kæde. For første gang, det er lykkedes dem direkte at koble to molekyler af atmosfærisk nitrogen N ₂ med hinanden uden først at skulle spalte din nitrogen til ammoniak, dermed omgå Haber-Bosch processen. Denne nye metode kunne muliggøre direkte generering af længere nitrogenkæder.

Åbner vejen for ny kemi

Den nye syntesevej fungerer under meget milde forhold:ved minus 30 grader Celsius og under et moderat tryk af nitrogen (omkring fire atmosfærer). Det kræver heller ikke en overgangsmetalkatalysator, i modsætning til næsten alle biologiske og industrielle reaktioner af nitrogen.

"Dette vil åbne vejen for en kemi, hvormed helt nye kædeformede nitrogenmolekyler kan syntetiseres, " siger JMU kemiprofessor Holger Braunschweig. For første gang, nitrogenkæder indeholdende en speciel variant af nitrogen (15N isotop) kan også nemt fremstilles.

Dette videnskabelige gennembrud er baseret på JMU postdoc Dr. Marc-André Légarés eksperimentelle arbejde og ph.d.-kandidaten Maximilian Rang.

Teoretisk indsigt leveret af Goethe-universitetet

Doktorgradskandidat Julia Schweizer og professor Max Holthausen fra Goethe Universitet Frankfurt stod for den teoretiske del af arbejdet. De beskæftigede sig med spørgsmålet om, hvordan de fire nitrogenatomer er kemisk forbundet.

"Ved hjælp af komplekse computersimuleringer, vi var i stand til at forstå de uventet komplicerede bindingsbetingelser i disse smukke molekyler. Dette vil gøre os i stand til at forudsige den fremtidige stabilitet af sådanne nitrogenkæder og støtte vores eksperimentelle partnere i den videre udvikling af deres opdagelse, " siger Frankfurts kemiprofessor.

Næste trin i forskningen

Forskerholdene har haft som mål at inkorporere de nye nitrogenkædemolekyler i organiske molekyler, der er relevante for medicin og farmaci, især muliggør produktionen af ​​deres 15N-analoger.