Meer dan 78% van de lucht die we inademen, stikstof is het element dat het meest in zuivere vorm op aarde wordt aangetroffen. De reden voor de overvloed aan elementaire stikstof is de ongelooflijke stabiliteit en inertie van distikstof (N ₂ ), een molecuul bestaande uit twee stikstofatomen en de vorm waarin de meeste stikstof bestaat. Alleen in zeer ruwe omgevingen, zoals in de ionosfeer, kan stikstof worden geassembleerd tot langere stikstofketens, het vormen van N ₄ ionen met een zeer korte levensduur.

Ondanks de traagheid van distikstof, de natuur kan het gebruiken als een belangrijke grondstof voor allerlei levende organismen. In biologische systemen, de zeer sterke stikstof-stikstofbinding in N ₂ kan worden gesplitst en ammoniak (NH ₃ ) kan worden geproduceerd, die vervolgens de bron van stikstof wordt voor de hele voedselketen op aarde.

Volledig nieuwe chemische reactie

De natuur imiteren, mensen gebruiken het uiterst belangrijke Haber-Bosch-proces om stikstof af te breken tot ammoniak, die vervolgens verder kunnen worden verwerkt tot meststoffen en om stikstof beschikbaar te maken voor de productie van pigmenten, brandstoffen, materialen, geneesmiddelen en daarbuiten. De productie van verbindingen die ketens van twee, drie of vier stikstofatomen - die met name van farmaceutisch belang zijn in vaatverwijdende geneesmiddelen, bijvoorbeeld - vereist de hermontage van mono-stikstofmoleculen zoals ammoniak, omdat er geen directe reactie bestaat die distikstofmoleculen direct kan verbinden.

Deze week, onderzoeksteams uit Duitsland, van Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) en de Goethe-universiteit in Frankfurt, rapporteer een volledig nieuwe chemische reactie in Wetenschap tijdschrift. Het nieuwe proces gebruikt boorbevattende moleculen om twee N .-moleculen direct te koppelen ₂ in een N ₄ ketting. Voor de eerste keer, ze zijn erin geslaagd om twee moleculen stikstof uit de lucht N . direct te koppelen ₂ met elkaar zonder eerst de distikstof in ammoniak te moeten splitsen, waardoor het Haber-Bosch-proces wordt omzeild. Deze nieuwe methode zou de directe vorming van langere stikstofketens mogelijk maken.

De weg openen naar nieuwe chemie

De nieuwe syntheseroute functioneert onder zeer milde omstandigheden:bij min 30 graden Celsius en onder een matige stikstofdruk (ongeveer vier atmosfeer). Het vereist ook geen overgangsmetaalkatalysator, in tegenstelling tot bijna alle biologische en industriële reacties van stikstof.

"Dit opent de weg naar een chemie waarmee volledig nieuwe ketenvormige stikstofmoleculen kunnen worden gesynthetiseerd, " zegt JMU chemieprofessor Holger Braunschweig. Voor de eerste keer, Ook stikstofketens met daarin een speciale variant van stikstof (15N isotoop) zijn eenvoudig te maken.

Deze wetenschappelijke doorbraak is gebaseerd op het experimentele werk van JMU-postdoc dr. Marc-André Légaré en promovendus Maximilian Rang.

Theoretisch inzicht van de Goethe-universiteit

Promovenda Julia Schweizer en professor Max Holthausen van de Goethe-universiteit Frankfurt waren verantwoordelijk voor het theoretische deel van het werk. Ze behandelden de vraag hoe de vier stikstofatomen chemisch met elkaar verbonden zijn.

"Met behulp van complexe computersimulaties, we waren in staat om de onverwacht gecompliceerde bindingsvoorwaarden in deze prachtige moleculen te begrijpen. Hierdoor kunnen we de toekomstige stabiliteit van dergelijke stikstofketens voorspellen en onze experimentele partners ondersteunen bij de verdere ontwikkeling van hun ontdekking, ", zegt de scheikundeprofessor uit Frankfurt.

Volgende stappen in het onderzoek

De onderzoeksteams hebben zich ten doel gesteld de nieuwe stikstofketenmoleculen te integreren in organische moleculen die relevant zijn voor de geneeskunde en farmacie, vooral de productie van hun 15N-analogen mogelijk maken.