211service.com
Een nieuwe manier om ultrasterke chemische bindingen te verbreken
Een fundamentele vooruitgang in het laboratorium heeft het mogelijk gemaakt om bij kamertemperatuur en druk twee van de sterkste soorten chemische bindingen te verbreken om gewone industriële verbindingen te maken. Hiermee hebben onderzoekers van Cornell University een belangrijke eerste stap gezet naar minder energie-intensieve processen voor het maken van stikstofhoudende organische verbindingen.
De stikstof-koolstofbinding is de ruggengraat van bijna alle best verkopende geneesmiddelen, zegt Paul Chirik , hoogleraar scheikunde aan de Cornell. Stikstof-koolstofbindingen worden gevonden in nylon, kunstmest, insecticide en in elk eiwit. Het samenbrengen van koolstof en stikstof vereist echter doorgaans grote hoeveelheden energie, omdat chemici ammoniak als stikstofbron gebruiken. Chirik heeft een nieuwe reactie ontwikkeld die koolmonoxide en moleculaire stikstof gebruikt om deze bindingen te maken. Een dergelijke reactie vereist ook typisch grote hoeveelheden energie. Dit werk wordt deze week beschreven in het journaal Natuurchemie .
In zijn natuurlijk voorkomende vorm is moleculaire stikstof, die bestaat uit twee stikstofatomen die bij elkaar worden gehouden door een drievoudige binding, een van de meest stabiele moleculen die er bestaat. Het heeft geen negatieve of positieve kanten, dus het is erg moeilijk om het te laten reageren, zegt Chirik. Andere chemici werken aan het nabootsen van biologische enzymen die moleculaire stikstof fixeren om ammoniak te maken dat kan worden gebruikt als grondstof voor organische chemicaliën. Het laboratorium van Chirik ontwikkelt daarentegen een reactie om de stikstofbinding te verbreken, niet om ammoniak te maken, maar om rechtstreeks organische stikstofverbindingen te maken.
De sleutel tot de Cornell-reactie, waarbij twee stappen nodig zijn om de stikstofbindingen te verbreken, is een complex dat het metaalhafnium bevat. In de eerste stap omringen twee metaalcomplexen elk stikstofmolecuul, waardoor het ingesloten wordt. De hafniumcomplexen reageren met de stikstof, verbreken twee van de bindingen en creëren een tussenmolecuul. Vervolgens wordt aan het mengsel koolmonoxide toegevoegd. Koolmonoxide is ook een zeer stabiele verbinding en zou niet reageren met moleculaire stikstof. Maar koolmonoxide zal reageren met het stikstof-hafnium-tussenproduct en de uiteindelijke stikstofbinding verbreken om een organisch molecuul te vormen, oxamide genaamd, dat vrijkomt uit het hafniumcomplex door de toevoeging van zuur.
Mensen die tegenwoordig organische stikstofverbindingen produceren, moeten eerst ammoniak maken, zegt Christopher Cummins, hoogleraar scheikunde aan het MIT. Het mooie van de nieuwe Cornell-techniek, zegt hij, is dat ze reacties ontwikkelen om stikstof direct om te zetten in organo-stikstof. Cummins wijst erop dat het enige bedrijf dat dit industrieel doet, American Cyanamid, waterkracht van de Niagara Falls heeft gebruikt om een elektrische boog te maken die krachtig genoeg is om de reactie aan te drijven.
De Cornell-chemie is nog niet klaar voor industrieel gebruik. Tot nu toe is de reactie die ze hebben ontwikkeld niet katalytisch en daarom niet praktisch. Het hafniumcomplex maakt het mogelijk dat de reactie onder omgevingsomstandigheden verloopt, maar raakt tijdens de reactie op. Chirik werkt aan hoe de stukken van het metaal te krijgen, zodat het opnieuw kan worden gebruikt. De Cornell-onderzoekers proberen ook vast te stellen hoe algemeen de reactie is. Ze hebben het gebruikt om een meststof te maken; verder werk zal uitwijzen of dit type reactie zal werken voor een groot aantal organo-stikstofverbindingen. Chirik zegt dat hij ook probeert te bepalen of andere metalen kunnen worden gebruikt om de reactie te versnellen. Hafnium is effectief, maar het is zeldzaam.
Dit is een venster op iets voor de toekomst, zegt Cummins. De fundamentele reactiechemie van eenvoudige moleculen zoals stikstof en koolmonoxide wordt nog steeds blootgelegd.