Werk geleid door de onderzoeksgroep van professor Steve Liddle en gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Natuurchemie heeft melding gemaakt van een uraniumdistikstofmolecuul dat, volgens de fundamentele chemische theorie, zou niet moeten bestaan. Het regelbrekende molecuul kan gevolgen hebben voor de activering van distikstof, wat een essentieel molecuul is voor de productie van meststoffen.

Jaarlijks wordt ongeveer 450 miljoen ton kunstmest geproduceerd met ammoniak uit het Haber Bosch-proces, en dit is een meststof die het leven op aarde ondersteunt. In Haber Bosch, distikstof bindt aan metalen op het katalysatoroppervlak en wordt gesplitst. Het reageert dan met diwaterstof om de ammoniak te maken.

Gezien de enorme schaal waarop Haber Bosh opereert, al vele jaren is er belangstelling voor hoe distikstof zich bindt aan metalen van rond het periodiek systeem in moleculaire complexen - aangezien deze soorten in atomaire details kunnen worden bestudeerd - omdat dit ons informeert over de belangrijkste bindings- en splitsingsstappen in Haber Bosch. Dit is goed voor het grootste deel van de energiebehoefte van dit proces.

Een van de best bewaarde geheimen van Haber Bosch is dat, hoewel ijzer de favoriete katalysator is, uranium is in feite een superieure katalysator - en daarom is er interesse in hoe uranium zich bindt aan distikstof.

Distikstof is ogenschijnlijk een van de slechtste moleculen om aan metalen te binden. Inderdaad, het is zo inert dat het meestal wordt gebruikt als een beschermende atmosfeer voor chemische syntheses, en in voedselverpakkingen om te voorkomen dat voedsel bederft. Echter, onder bepaalde omstandigheden kan stikstofbinding aan metalen worden aangemoedigd, en in dit model moet het metaal in een lage oxidatietoestand zijn en elektronenrijk genoeg zijn om deel te nemen aan binding, waarbij de distikstof elektronendichtheid aan het metaal doneert en het metaal heen en weer beweegt.

Hieruit volgt dat een hoge oxidatietoestand en elektronenarm metaal niet in staat zouden moeten zijn om deel te nemen in dit bindingsmodel omdat het niet in staat zou moeten zijn om deel te nemen aan het wederzijdse deel van de binding.

Het molecuul dat in het onderzoek wordt gerapporteerd, is een hoge oxidatietoestand, elektronenarm metaal, toch bindt het zich aan distikstof, een van de slechtst mogelijke liganden. Daarom, het molecuul zou niet moeten bestaan, toch doet het dat. De werkhypothese waarom het molecuul zich kan vormen, is dat het uranium is gebonden aan drie extreem sterke donorliganden, en ondanks zijn hoge oxidatietoestand maken deze drie liganden het uranium in het algemeen ongewoon elektronenrijk, en dit heft de gebruikelijke beperkingen op het bindingsmodel op.

Dit werk herschrijft een fundamentele regel van de chemie, en kan gevolgen hebben in bredere zin, omdat veel distikstofactiveringschemie gebaseerd is op de veronderstelling dat metalen met een lage oxidatietoestand nodig zijn. Echter, deze studie toont nu aan dat metalen met een hoge oxidatietoestand, onder de juiste omstandigheden, zou ook nieuwe distikstofactiveringschemie kunnen ondersteunen.

Deze kennis zal wetenschappers in staat stellen om anders te denken over hoe ze de uitdagingen van distikstofactivering kunnen aanpakken, en zou zelfs studies van het Haber Bosch-proces kunnen beïnvloeden.