Kredit:Monika Stolar och Chris Gendy
Som dess kemiska relativa koldioxid (CO 2 ), lustgas (N 2 O) är en viktig växthusgas och det dominerande ozonnedbrytande ämnet som släpps ut under 2000-talet. Följaktligen, strategier för att begränsa dess utsläpp och dess katalytiska nedbrytning med metaller håller på att utvecklas. En nyligen genomförd studie visar att dikväveoxid kan binda till metaller på samma sätt som koldioxid, som hjälper till att designa nya komplex med ännu starkare bindning. Detta kan möjliggöra användningen av dikväveoxid i syntetisk kemi eller bidra till att bryta ned den till ämnen som är ofarliga för atmosfären. Resultaten rapporterades i tidskriften Angewandte Chemie International Edition som ett mycket viktigt dokument den 17 februari 2021.
En omfattande analys av det globala N 2 O budget har visat att dess utsläpp har ökat under de senaste fyra decennierna, med jordbruksverksamhet som ansvarar för tillväxten. Även om N 2 O finns i atmosfären i en koncentration som är 1000 gånger mindre än CO 2 , den är ungefär 300 gånger mer potent som en växthusgas.
I naturen, N 2 O omvandlas av enzymer till N 2 och H 2 O. Processen kan efterliknas i en laboratoriemiljö med användning av katalytiska metallkomplex. Förvånande, väldefinierade komplex av N 2 O med övergångsmetaller är ytterst sällsynta, även om CO 2 har rik och väldokumenterad koordinationskemi. Det mycket olika beteendet hos dessa två relaterade små molekyler har tillskrivits de dåliga ligandegenskaperna hos N 2 O i jämförelse med CO 2 , men ursprunget och detaljerna i denna motivering är svåra att spåra.
"Ju mer information vi försökte hitta om ämnet, ju närmare vi kom cirkulärt resonemang, säger Dr Heikki M. Tuononen från Jyväskylä universitet, Finland. "I många fall, någon egendom hos N 2 O var markerad, men de är nästan alla karakteristiska för CO 2 också, " han fortsätter.
"Det här pusslet var en av anledningarna till att under Dr. Tuononens besök i Calgary som Killam Scholar, våra forskarteam beslutade att gå samman och syntetisera analoga metallkomplex av N 2 O och CO 2 , och studera metall-ligand-interaktionen i detalj, säger Dr. Roland Roesler från University of Calgary, Kanada.
Ett sällsynt metallkomplex av N 2 O stabil även vid rumstemperatur
Resultaten av den tvååriga utredningen visade att, i motsats till den allmänna uppfattningen, metallbindningsförmågan hos N 2 O är lika bra eller till och med bättre än CO 2 .
"Det verkar som om den oxiderande karaktären hos N 2 O är mest, om inte helt, ansvarig för bristen på metallkomplex som använder denna ligand, säger doktor Tuononen.
"När vi hade rätt metallpartner för N 2 O, deras bindning var tillräckligt stark för att ett sällsynt sida-på-bundet komplex skulle kunna isoleras och karakteriseras även vid rumstemperatur, " fortsätter Dr. Chris Gendy, en före detta Ph.D. student vid University of Calgary som var delvis ansvarig för det syntetiska arbetet.
Förutom att visa att N 2 O har bättre inneboende förmåga att binda till metaller än vad som hittills erkänts, arbetet i de två forskarlagen möjliggör en rationell design av N 2 O-komplex som är ännu mer stabila än de som hittills har karakteriserats. Det här skulle kunna, i tur och ordning, öppna nya vägar för att använda N 2 O i syntetisk kemi.
"N 2 O är på många sätt en stor oxidant. Den är termodynamiskt stark, relativt billigt, och ger N 2 som den enda biprodukten, " förklarar Dr. Tuononen.
"Det skulle verkligen vara fantastiskt att se en mer utbredd användning av N 2 O som oxidant i metallkatalyserade reaktioner. På samma gång, vi bör inte glömma den roll det spelar i atmosfären, " tillägger Dr Roesler.
"Naturen har hittat eleganta enzymatiska vägar för att omvandla N 2 O till produkter som är ofarliga för atmosfären. Vi bör sträva efter samma sak med våra konstgjorda utsläpp med hjälp av nya katalysatorer, " avslutar forskarteamen.
