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Stickstofffixierung unter Normalbedingungen

Marta Falcone/Marinella Mazzanti/EPFL

Die oxo-verbrückte Uranverbindung fängt Distickstoff ein und wandelt ihn und Kohlenmonoxid in Cyanamid um

13.11.2018: Stickstoff ist in der Natur reichlich vorhanden (78% der Luft, die wir atmen), wird selten in der industriellen Produktion von Chemikalien verwendet, wobei der wichtigste Prozess die Synthese von Ammoniak ist, das wiederum für die Herstellung von Düngemitteln in der Landwirtschaft verwendet wird.

Die Verwendung von Stickstoff als Rohstoff ("Feedstock") für die industrielle Nutzung erfolgt durch eine Reaktion, die als "Stickstofffixierung" bezeichnet wird. In dieser Reaktion wird molekularer Stickstoff (oder "Distickstoff"; N2) in zwei Stickstoffatome gespalten, die dann mit anderen Elementen wie Wasserstoff oder Kohlenstoff verbunden werden können, wodurch Stickstoff als Ammoniak gespeichert oder direkt in höherwertige Verbindungen umgewandelt werden kann.

Aber Ammoniak ist auf industrieller Ebene nicht einfach herzustellen; der wichtigste Prozess, der "Haber-Bosch-Verfahren" genannt wird, verwendet einen Katalysator auf Eisenbasis bei Temperaturen um 450°C und Drücken von 300 bar - fast das 300-fache des Drucks auf Meereshöhe. Um den Prozess kostengünstiger zu gestalten, haben sich Chemiker auf die Entwicklung neuer Systeme konzentriert, die Stickstoff unter milden Niedrigenergiebedingungen in nützliche Verbindungen umwandeln können.

Im Jahr 2017 konnte das Labor von Marinella Mazzanti an der EPFL molekularen Stickstoff unter Umgebungsbedingungen in Ammoniak umwandeln, indem es eine Verbindung synthetisierte, die zwei Uran(III)-Ionen und drei Kaliumzentren enthält, die von einer Nitridgruppe zusammengehalten werden.

Nun hat die Gruppe in Zusammenarbeit mit anderen EPFL-Gruppen gezeigt, dass sie durch den Austausch der Nitridbrücke im Uransystem durch eine Oxobrücke noch immer Stickstoff binden können. Darüber hinaus kann der gebundene Distickstoff unter Umgebungsbedingungen leicht durch Kohlenmonoxid gespalten werden, um Cyanamid herzustellen, eine Verbindung, die in der Landwirtschaft, in der Pharmazie und in verschiedenen organischen Verbindungen weit verbreitet ist.

Die Reaktivität des oxo-überbrückten Distickstoffkomplexes unterschied sich deutlich vom vorherigen Nitridkomplex und den wenigen anderen in der Praxis bekannten Stickstoffkomplexen. Computergestützte Studien erlaubten es den Wissenschaftlern dann, diese Unterschiede in der Reaktivität mit der Bindung in der Uran-Oxo-/Nitrid-Brücke in Verbindung zu bringen.

"Diese Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Struktur und Reaktivität, der sich auf Nitrid- und Oxidmaterialien erstrecken sollte", sagt Marinella Mazzanti. "Außerdem könnte die Implementierung dieser Verbindungen in Katalysatorsysteme letztendlich zu einem kostengünstigeren Zugang zu Düngemitteln führen."

Originalveröffentlichung:
Marta Falcone, Luciano Barluzzi, Julie Andrez, Farzaneh Fadaei Tirani, Ivica Zivkovic, Alberto Fabrizio, Clemence Corminboeuf, Kay Severin & Marinella Mazzanti; "The role of bridging ligands in dinitrogen reduction and functionalization by uranium multimetallic complexes"; Nature Chemistry; 2018

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