Syntese af et sjældent metalkompleks af dinitrogenoxid åbner nye udsigter for

Ligesom dets kemiske relative kuldioxid (CO ₂ ), dinitrogenoxid (N ₂ O) er en vigtig drivhusgas og det dominerende ozonnedbrydende stof, der udsendes i det 21. århundrede. Følgelig, strategier til at begrænse dets emissioner og dets katalytiske nedbrydning med metaller er ved at blive udviklet. En nylig undersøgelse viser, at dinitrogenoxid kan binde til metaller på samme måde som kuldioxid, som hjælper med at designe nye komplekser med endnu stærkere binding. Dette kan tillade brugen af ​​lattergas i syntetisk kemi eller hjælpe med at nedbryde det til stoffer, der er uskadelige for atmosfæren. Resultaterne blev rapporteret i tidsskriftet Angewandte Chemie International Edition som et meget vigtigt papir den 17. februar 2021.

En omfattende analyse af den globale N ₂ O-budgettet har vist, at dets emissioner har været stigende i de sidste fire årtier, med landbrugsaktiviteter ansvarlige for væksten. Selvom N ₂ O er til stede i atmosfæren i en koncentration 1000 gange mindre end CO ₂ , den er cirka 300 gange mere potent som en drivhusgas.

I naturen, N ₂ O omdannes af enzymer til N ₂ og H ₂ O. Processen kan efterlignes i et laboratoriemiljø ved hjælp af katalytiske metalkomplekser. Overraskende nok, veldefinerede komplekser af N ₂ O med overgangsmetaller er yderst sjældne, selvom CO ₂ har rig og veldokumenteret koordinationskemi. Den vidt forskellige opførsel af disse to relaterede små molekyler er blevet tilskrevet de dårlige ligandkarakteristika af N ₂ O i forhold til CO ₂ , men oprindelsen og detaljerne i denne begrundelse er svære at spore.

"Jo mere information vi forsøgte at finde om emnet, jo tættere vi kom på cirkulært ræsonnement, " siger Dr. Heikki M. Tuononen fra Jyväskylä Universitet, Finland. "I mange tilfælde, en del af N ₂ O blev fremhævet, men de er næsten alle karakteristiske for CO ₂ såvel, " fortsætter han.

"Dette puslespil var en af ​​grundene til, under Dr. Tuononens besøg i Calgary som Killam Scholar, vores forskerhold besluttede at forene kræfterne og syntetisere analoge metalkomplekser af N ₂ O og CO ₂ , og studere metal-ligand-interaktionen i detaljer, " fortæller Dr. Roland Roesler fra University of Calgary, Canada.

Et sjældent metalkompleks af N ₂ O stabil selv ved stuetemperatur

Resultaterne af den toårige undersøgelse viste, at i modsætning til den almindelige opfattelse, metalbindingsevnen hos N ₂ O er lige så god eller endda bedre end CO ₂ .

"Det ser ud til, at den oxiderende karakter af N ₂ O er for det meste, hvis ikke helt, ansvarlig for knapheden af ​​metalkomplekser, der anvender denne ligand, " siger Dr. Tuononen.

"Engang havde vi den rigtige metalpartner til N ₂ Åh, deres binding var stærk nok til at et sjældent side-on-bundet kompleks kunne isoleres og karakteriseres selv ved stuetemperatur, " fortsætter Dr. Chris Gendy, en tidligere ph.d. studerende ved University of Calgary, som var delvist ansvarlig for det syntetiske arbejde.

Ud over at vise, at N ₂ O har bedre iboende evne til at binde sig til metaller end hidtil anerkendt, arbejdet i de to forskerhold tillader det rationelle design af N ₂ O komplekser, der er endnu mere stabile end de hidtil karakteriserede. Dette kunne, på tur, åbne nye muligheder for at bruge N ₂ O i syntetisk kemi.

"N ₂ O er på mange måder en fantastisk oxidant. Det er termodynamisk stærkt, relativt billigt, og giver N ₂ som det eneste biprodukt, " forklarer Dr. Tuononen.

"Det ville bestemt være fantastisk at se mere udbredt brug af N ₂ O som oxidant i metalkatalyserede reaktioner. På samme tid, vi bør ikke glemme den rolle, det spiller i atmosfæren, " tilføjer Dr. Roesler.

"Naturen har fundet elegante enzymatiske veje til at omdanne N ₂ O til produkter, der er uskadelige for atmosfæren. Vi bør sigte efter det samme med vores menneskeskabte emissioner ved hjælp af nye katalysatorer, " konkluderer forskerholdene.