För första gången, två molekyler av atmosfäriskt kväve (blå, mitten) är kopplade direkt till varandra i forskning av kemister från Würzburg och Frankfurt. Kredit:Dr Rian Dewhurst / Dr Marc-André Légaré
utgör över 78 % av luften vi andas, kväve är det grundämne som finns oftast i sin rena form på jorden. Anledningen till överflöd av elementärt kväve är den otroliga stabiliteten och trögheten hos dikväve (N) 2 ), en molekyl som består av två kväveatomer och den form i vilken det finns mest kväve. Endast i mycket tuffa miljöer, som i jonosfären, kan dikväve sättas ihop till längre kvävekedjor, bildar N 4 joner med mycket kort livslängd.
Trots dikvävets tröghet, naturen kan använda den som en viktig råvara för alla typer av levande organismer. I biologiska system, den mycket starka kväve-kvävebindningen i N 2 kan klyvas och ammoniak (NH 3 ) kan produceras, som sedan blir kvävekällan för hela näringskedjan på jorden.
Helt ny kemisk reaktion
Imiterar naturen, människor använder den så viktiga Haber-Bosch-processen för att bryta ner kväve till ammoniak, som sedan kan vidarebearbetas för att producera gödningsmedel och för att göra kväve tillgängligt för framställning av pigment, bränslen, material, läkemedel och vidare. Produktionen av föreningar som innehåller kedjor av två, tre eller fyra kväveatomer – som är särskilt av farmaceutisk betydelse i vasodilaterande läkemedel, till exempel – kräver återmontering av monokvävemolekyler som ammoniak, eftersom det inte finns någon direkt reaktion som direkt kan koppla ihop molekyler av dikväve.
Denna vecka, forskarlag från Tyskland, från Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) och Goethe-universitetet i Frankfurt, rapportera en helt ny kemisk reaktion i Vetenskap tidskrift. Den nya processen använder borinnehållande molekyler för att direkt koppla två molekyler av N 2 in i ett N 4 kedja. För första gången, de har lyckats direkt koppla två molekyler av atmosfäriskt kväve N 2 med varandra utan att först behöva dela upp kvävet till ammoniak, därmed kringgå Haber-Bosch-processen. Denna nya metod skulle kunna möjliggöra direkt generering av längre kvävekedjor.
Öppnar vägen till ny kemi
Den nya syntesvägen fungerar under mycket milda förhållanden:vid minus 30 grader Celsius och under ett måttligt tryck av kväve (cirka fyra atmosfärer). Det kräver inte heller en övergångsmetallkatalysator, till skillnad från nästan alla biologiska och industriella reaktioner av kväve.
"Detta kommer att öppna vägen för en kemi med vilken helt nya kedjeformiga kvävemolekyler kan syntetiseras, " säger JMU kemiprofessor Holger Braunschweig. För första gången, kväve-kedjor som innehåller en speciell variant av kväve (15N isotop) kan också enkelt tillverkas.
Detta vetenskapliga genombrott är baserat på det experimentella arbetet av JMU postdoc Dr Marc-André Légaré och doktorand Maximilian Rang.
Teoretisk insikt från Goethe-universitetet
Doktorand Julia Schweizer och professor Max Holthausen vid Goethe-universitetet i Frankfurt ansvarade för den teoretiska delen av arbetet. De behandlade frågan om hur de fyra kväveatomerna är kemiskt förbundna.
"Med hjälp av komplexa datorsimuleringar, vi kunde förstå de oväntat komplicerade bindningsförhållandena i dessa vackra molekyler. Detta kommer att göra det möjligt för oss att förutsäga den framtida stabiliteten för sådana kvävekedjor och stödja våra experimentella partners i den fortsatta utvecklingen av deras upptäckt, säger kemiprofessorn i Frankfurt.
Nästa steg i forskningen
Forskarteamen har strävat efter att integrera de nya kvävekedjans molekyler i organiska molekyler som är relevanta för medicin och farmaci, särskilt möjliggör produktion av deras 15N-analoger.
