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Alternative zu Haber-Bosch-Verfahren?

Eine Kette aus Stickstoff: Luftstickstoff direkt gekoppelt

| Autor/ Redakteur: Robert Emmerich* / Dr. Ilka Ottleben

Stickstoff ist ein wichtiger Rohstoff: Für Düngemittel, Medikamente, Pigmente und mehr. Doch obwohl das Element über 78 Prozent der Atemluft ausmacht, ist seine industrielle Nutzbarmachung nicht einfach. Grund ist die unglaubliche Stabilität des N2-Moleküls. Der Mensch nutzt daher das enorm energieaufwändige Haber-Bosch-Verfahren, um Stickstoff zunächst zu Ammoniak zu zerlegen. Nun haben Forscher zwei Moleküle Luftstickstoff direkt miteinander gekoppelt. Wie ihnen dieses Kunststück gelang, beschreibt dieser Artikel.

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Chemiker aus Würzburg und Frankfurt haben zwei Moleküle Luftstickstoff (blau, Mitte) direkt miteinander gekoppelt. (Ausschnitt)
Chemiker aus Würzburg und Frankfurt haben zwei Moleküle Luftstickstoff (blau, Mitte) direkt miteinander gekoppelt. (Ausschnitt)
(Bild: Dr. Rian Dewhurst / Dr. Marc-André Légaré)

Würzburg – Stickstoff ist das Element, das auf der Erde am häufigsten in seiner reinen Form vorkommt. Der Grund für diese Fülle an elementarem Stickstoff ist die unglaubliche Stabilität des Moleküls N2, das aus zwei Stickstoffatomen besteht. In dieser Form kommt der meiste Stickstoff auf der Erde vor. Nur in extremen Umgebungen, etwa in der Ionosphäre, kann N2 zu längeren Stickstoffketten zusammengefügt werden, die N4-Ionen mit sehr kurzer Lebensdauer bilden.

Trotz seiner Trägheit kann die Natur den Luftstickstoff als wichtigen Rohstoff nutzen. In biologischen Systemen kann die sehr starke Stickstoff-Stickstoff-Bindung in N2 gespalten und Ammoniak (NH3) erzeugt werden. Letzteres wird dann zur Stickstoffquelle für die gesamte Nahrungskette auf der Erde.

Alternative zum Haber-Bosch-Verfahren?

Der Mensch nutzt das Haber-Bosch-Verfahren, um Stickstoff zu Ammoniak zu zerlegen. Dieses wird dann zu Düngemitteln weiterverarbeitet. Oder es liefert Stickstoff unter anderem für die Herstellung von Pigmenten, Kraftstoffen oder Pharmazeutika.

Die Herstellung von Verbindungen, die Ketten aus zwei, drei oder vier Stickstoffatomen enthalten – solche sind beispielsweise für blutgefäßerweiternde Medikamente von Bedeutung – erfordert den Zusammenbau von Monostickstoffmolekülen wie Ammoniak, da keine direkte Reaktion existiert, die Distickstoffmoleküle direkt verbinden kann.

Wie die industrielle Synthese von Ammoniak unter Nutzung des Haber-Bosch-Verfahrens funktioniert, zeigt dieses BASF-Video:

Forschungsteams von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) und der Goethe-Universität Frankfurt stellen nun im Journal „Science“ eine völlig neue chemische Reaktion vor. Das neue Verfahren nutzt borhaltige Moleküle, um zwei Moleküle N2 direkt zu einer N4-Kette zu koppeln. Erstmals ist es ihnen gelungen, zwei Moleküle N2 direkt miteinander zu koppeln, ohne sie vorher in Ammoniak aufspalten zu müssen. Diese neue Methode könnte die direkte Erzeugung längerer Stickstoffketten ermöglichen.

Völlig neue chemische Reaktion für neuen Weg in der Chemie

Der neue Syntheseweg funktioniert unter sehr milden Bedingungen: bei minus 30 Grad Celsius und unter einem moderaten Stickstoffdruck von rund vier Bar. Er erfordert zudem keinen Übergangsmetallkatalysator, im Gegensatz zu fast allen biologischen und industriellen Reaktionen von Stickstoff.

„Damit wird der Weg frei für eine Chemie, mit der völlig neue, kettenförmige Stickstoffmoleküle synthetisiert werden können“, sagt JMU-Chemieprofessor Holger Braunschweig. Erstmals könnten nun auch Stickstoffketten, die eine spezielle Variante von Stickstoff (15N-Isotope) enthalten, problemlos hergestellt werden.

Dieser wissenschaftliche Durchbruch basiert auf der experimentellen Arbeit von JMU-Postdoc Dr. Marc-André Légaré und Doktorand Maximilian Rang.

„Unerwartet komplizierte Bindungsverhältnisse“ verstanden

Doktorandin Julia Schweizer und Professor Max Holthausen von der Goethe-Universität Frankfurt waren für den theoretischen Teil der Arbeit zuständig. Sie beschäftigten sich mit der Frage, wie die vier Stickstoffatome chemisch verbunden sind.

„Mithilfe aufwändiger Computersimulationen gelang es uns, die unerwartet komplizierten Bindungsverhältnisse in diesen wunderschönen Molekülen zu verstehen. Damit können wir zukünftig Prognosen zur Stabilität solcher Stickstoffketten aufstellen und unsere experimentellen Partner bei der Weiterentwicklung ihrer Entdeckung unterstützen“, sagt der Frankfurter Chemieprofessor.

Neue Wirkstoffe mit neuen Stickstoffketten?

Das nächste Ziel der Forschungsteams ist es, die neuen Stickstoffketten in organische Moleküle zu integrieren, die für Medizin und Pharmazie relevant sind und insbesondere die Herstellung ihrer 15N-Analoga ermöglichen.

Diese Arbeiten über die Reaktionen von Stickstoff wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt. Die Teammitglieder Dr. Marc-André Légaré und Dr. Guillaume Bélanger-Chabot werden durch Postdoc-Stipendien des „Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada“ bzw. der Alexander-von-Humboldt-Stiftung gefördert.

Originalpublikation: Marc-André Légaré, Maximilian Rang, Guillaume Bélanger-Chabot, Julia I. Schweizer, Ivo Krummenacher, Rüdiger Bertermann, Merle Arrowsmith, Max C. Holthausen und Holger Braunschweig: The Reductive Coupling of Dinitrogen. Science, 22. März 2019, DOI: 10.1126/science.aav9593

* R. Emmerich: Julius-Maximilians-Universität Würzburg

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