Kredit:CC0 Public Domain
Som den vanligaste beståndsdelen i jordens atmosfär, dikväve (N 2 ) är den huvudsakliga kvävekällan för N-innehållande föreningar i jorden. Därför, N 2 fixering och aktivering är väsentliga både för naturen och för människor. Ändå, den höga bindningsdissociationsenergin (942 kJ/mol) och det stora HOMO-LUMO-gapet (10,82 eV) gör N 2 uppvisar extremt låg reaktivitet och kan betraktas som en inert gas.
För närvarande, det N 2 aktivering och omvandling i natur och industri förlitar sig huvudsakligen på två vägar, i vilken ammoniak (NH 3 ) är produkten. I naturen, nitrogenasmetalloenzymer överför N 2 in i NH 3 vid omgivande temperatur och tryck. Inom industrin, mer än 170 miljoner ton NH 3 produceras från Haber-Bosch-processen årligen, där N 2 reagerar med diväte (H 2 ) under hårda förhållanden i närvaro av metallkatalysatorer. Detta NH 3 syntesprocessen förbrukar cirka 1-2 % av världens årliga energitillförsel tillsammans med den enorma CO 2 utsläpp.
Jämfört med NH 3 -baserad N 2 fixeringsprocess, en alternativ väg för N 2 fixering är den direkta omvandlingen av N 2 till N-innehållande organiska föreningar under milda tillstånd. Detta tillvägagångssätt är alltid målinriktat eftersom det ger den potentiella lösningen för att utveckla ett hållbart system med minskade behov av fossila bränslen.
I en ny recension publicerad i National Science Review , Zhenfeng Xi et al. sammanfatta de tidigare verken av övergångsmetallförmedlad direktkonvertering av N 2 till organiska föreningar via bildning av N-C-bindningar vid metallkvävekomplex. Granskningen organiseras av koordinationssätten för komplexen (end-on, sida vid sida, ände-på-sida-på, etc.) som är involverade i N-C-bindningsstegen, och varje del är ordnad i termer av reaktionstyper (N-alkylering, N-acylering, cykloaddition, införande, etc.) mellan metallkvävekomplex och kolbaserade substrat. Förutom, tidigare arbeten om enpotssyntes av organiska föreningar från N 2 via dåligt definierade intermediärer informeras också av författarna.
Förhållandet mellan koordinationssätt för dikvävekomplex och reaktionstyperna för bildning av N-C-bindningar. N-C-bindningsbildningen rapporteras (√) eller inte rapporteras (×). Kredit:©Science China Press
Förutom de homogena stökiometriska termokemiska reaktionssystemen, de sporadiskt rapporterade synteser som involverar fotokemiska, elektrokemiska, heterogena termokatalytiska reaktioner diskuteras också i denna översikt.
I recensionen, författarna påpekar att vissa syntetiska cykler om direkt omvandling av N 2 till organiska föreningar har också utvecklats under de senaste decennierna. Dock, alla dessa reaktioner är stökiometriska och det katalytiska systemet för direkt införande av N 2 i organiska föreningar har ännu inte realiserats. De viktigaste faktorerna som förhindrar dessa fullständiga syntetiska cykler från att bli en katalytisk process är de rigorösa reaktionsförhållandena för N-C-bindningsbildningen och N-innehållande organiska föreningar som frigör stegen i dessa cykler, som är oförenliga med beredningsstegen för metallkvävekomplex.
För att ge läsarna perspektiv på framtida forskning, särskilt i direkt katalytisk och effektiv omvandling av N 2 till N-innehållande organiska föreningar under milda förhållanden, författarna beskriver också de potentiella utvecklingsriktningarna. De förutspår att forskningsämnena "nya reaktionstyper och system för bildning av N-C-bindningar, ' 'polynukleära metallarter kooperativ N 2 klyvning och funktionalisering, ' 'huvudgruppselement främjade bildning av N-C-bindningar, ' 'fotokemi och elektrokemi involverade bildning av N-C-bindningar, ' 'heterogena katalyssystem för omvandling av N 2 i organiska föreningar' skulle få mer uppmärksamhet i framtiden.
