Arbete som leds av forskargruppen till professor Steve Liddle och publiceras i den prestigefyllda tidskriften Naturkemi har rapporterat en urandinitrogenmolekyl som, enligt grundläggande kemisk teori, borde inte finnas. Den regelbrytande molekylen kan ha konsekvenser för aktiveringen av dinitrogen, som är en väsentlig molekyl för att producera gödningsmedel.

Cirka 450 miljoner ton gödsel produceras varje år med ammoniak från Haber Bosch -processen, och detta är gödselmedel som underbygger livet på jorden. I Haber Bosch, dinitrogen binder till metaller på katalysatorytan och delas. Den reagerar sedan med dihydrogen för att göra ammoniaken.

Med tanke på den stora omfattning som Haber Bosh verkar på, i många år har det funnits intresse för hur dinitrogen binder till metaller från runt det periodiska systemet i molekylära komplex - eftersom dessa arter kan studeras i atomdetaljer - eftersom detta informerar oss om de viktiga bindnings- och klyvningsstegen i Haber Bosch. Detta står för de flesta energikraven för denna process.

En av de bäst bevarade hemligheterna hos Haber Bosch är att även om järn är den valda katalysatorn, uran är faktiskt en överlägsen katalysator - och så finns det intresse för hur uran binder till dinitrogen.

Dinitrogen är uppenbarligen en av de värsta molekylerna att binda till metaller. Verkligen, det är så inert att det vanligtvis används som en skyddande atmosfär för kemiska synteser, och i livsmedelsförpackningar för att förhindra att maten går av. Dock, under vissa omständigheter kan dinitrogenbindning till metaller uppmuntras, och i denna modell måste metallen vara i ett lågt oxidationstillstånd och vara tillräckligt elektronrik för att delta i bindning, varigenom dinitrogen donerar elektrontäthet till metallen och metallen fram och tillbaka.

Av detta följer att ett högt oxidationstillstånd och elektronfattig metall inte borde kunna delta i denna bindningsmodell eftersom den inte borde kunna engagera sig i den ömsesidiga delen av bindningen.

Molekylen som rapporterades i studien är ett högt oxidationstillstånd, elektronfattig metall, men det binder till dinitrogen, en av de sämsta möjliga liganderna. Därför, molekylen ska inte finnas, men det gör det. Arbetshypotesen om varför molekylen kan bildas är att uranet är bundet till tre extremt starka givarligander, och trots dess höga oxidationstillstånd gör dessa tre ligander uran ovanligt elektronrik totalt sett, och detta åsidosätter de vanliga begränsningarna för bindningsmodellen.

Detta arbete skriver om en grundläggande regel för kemi, och kan få konsekvenser mer allmänt, eftersom mycket dinitrogenaktiveringskemi är baserat på antagandet att metaller med lågt oxidationstillstånd behövs. Dock, denna studie visar nu att metaller med hög oxidationstillstånd, under rätt omständigheter, kan också stödja ny dinitrogenaktiveringskemi.

Denna kunskap gör det möjligt för forskare att tänka annorlunda om hur de ska hantera utmaningarna med dinitrogenaktivering, och kan till och med påverka studier av Haber Bosch -processen.