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Ein neuer Weg, um ultrastarke chemische Bindungen zu brechen
Ein grundlegender Fortschritt im Labor hat es ermöglicht, bei Raumtemperatur und Druck zwei der stärksten Arten chemischer Bindungen zu brechen, um gängige industrielle Verbindungen herzustellen. Forscher der Cornell University haben damit einen wichtigen ersten Schritt in Richtung weniger energieintensiver Verfahren zur Herstellung stickstoffhaltiger organischer Verbindungen getan.
Die Stickstoff-Kohlenstoff-Bindung ist das Rückgrat fast aller meistverkauften Arzneimittel, sagt Paul Chirik , Professor für Chemie in Cornell. Stickstoff-Kohlenstoff-Bindungen finden sich in Nylon, Düngemitteln, Insektiziden und in jedem Protein. Das Zusammenbringen von Kohlenstoff und Stickstoff erfordert jedoch normalerweise viel Energie, da Chemiker Ammoniak als Stickstoffquelle verwenden. Chirik hat eine neue Reaktion entwickelt, die Kohlenmonoxid und molekularen Stickstoff verwendet, um diese Bindungen herzustellen. Eine solche Reaktion erfordert auch typischerweise große Mengen an Energie. Diese Arbeit wird diese Woche im Journal beschrieben Naturchemie .
In seiner natürlich vorkommenden Form ist molekularer Stickstoff, der aus zwei Stickstoffatomen besteht, die durch eine Dreifachbindung zusammengehalten werden, eines der stabilsten Moleküle, die es gibt. Es hat keine negativen oder positiven Enden, daher ist es sehr schwer, es zu reagieren, sagt Chirik. Andere Chemiker arbeiten daran, biologische Enzyme nachzuahmen, die molekularen Stickstoff fixieren, um Ammoniak herzustellen, das als Ausgangsstoff für organische Chemikalien verwendet werden könnte. Im Gegensatz dazu entwickelt Chiriks Labor eine Reaktion zum Aufbrechen der Stickstoffbindung, um nicht Ammoniak, sondern direkt organische Stickstoffverbindungen herzustellen.
Der Schlüssel zur Cornell-Reaktion, bei der die Stickstoffbindungen in zwei Schritten gespalten werden, ist ein Komplex, der das Metall Hafnium enthält. Im ersten Schritt umgeben zwei Metallkomplexe jedes Stickstoffmolekül und schließen es ein. Die Hafniumkomplexe reagieren mit dem Stickstoff, brechen zwei der Bindungen und bilden ein Zwischenmolekül. Dann wird Kohlenmonoxid zu der Mischung hinzugefügt. Kohlenmonoxid ist auch eine sehr stabile Verbindung und würde nicht mit molekularem Stickstoff reagieren. Kohlenmonoxid reagiert jedoch mit dem Stickstoff-Hafnium-Zwischenprodukt und bricht die letzte Stickstoffbindung, um ein organisches Molekül namens Oxamid zu bilden, das durch Zugabe von Säure aus dem Hafniumkomplex freigesetzt wird.
Menschen, die heute Organo-Stickstoff-Verbindungen herstellen, müssen zuerst Ammoniak herstellen, sagt Christopher Cummins, Professor für Chemie am MIT. Das Schöne an der neuen Cornell-Technik sei, sagt er, dass sie Reaktionen entwickeln, um Stickstoff direkt in Organo-Stickstoffe umzuwandeln. Cummins weist darauf hin, dass das einzige Unternehmen, das dies industriell durchführte, American Cyanamid, die von den Niagarafällen produzierte Wasserkraft nutzte, um einen Lichtbogen zu erzeugen, der stark genug war, um die Reaktion anzutreiben.
Die Cornell-Chemie ist noch nicht industrietauglich. Bisher ist die von ihnen entwickelte Reaktion nicht katalytisch und daher nicht praktikabel. Der Hafniumkomplex ermöglicht die Reaktion unter Umgebungsbedingungen, wird jedoch während der Reaktion aufgebraucht. Chirik arbeitet daran, die Teile vom Metall zu lösen, damit es wiederverwendet werden kann. Die Cornell-Forscher versuchen auch herauszufinden, wie allgemein die Reaktion ist. Sie haben es verwendet, um einen Dünger herzustellen; weitere Arbeiten werden zeigen, ob diese Art von Reaktion bei einer Vielzahl von Organo-Stickstoff-Verbindungen funktioniert. Chirik sagt, er versuche auch herauszufinden, ob andere Metalle verwendet werden können, um die Reaktion zu beschleunigen. Hafnium ist wirksam, aber es ist selten.
Dies ist ein Fenster in die Zukunft, sagt Cummins. Die grundlegende Reaktionschemie einfacher Moleküle wie Stickstoff und Kohlenmonoxid wird noch erforscht.