211service.com
En ny måde at bryde ultrastærke kemiske bindinger
Et grundlæggende fremskridt i laboratoriet har gjort det muligt ved stuetemperatur og -tryk at bryde to af de stærkeste typer kemiske bindinger for at lave almindelige industrielle forbindelser. Derved har forskere ved Cornell University taget et vigtigt første skridt mod mindre energikrævende processer til fremstilling af nitrogenholdige organiske forbindelser.
Nitrogen-carbon-bindingen er rygraden i næsten alle de bedst sælgende lægemidler, siger Paul Chirik , professor i kemi ved Cornell. Nitrogen-carbon-bindinger findes i nylon, gødning, insekticid og i alle proteiner. At bringe kulstof og nitrogen sammen kræver dog typisk store mængder energi, fordi kemikere bruger ammoniak som nitrogenkilde. Chirik har udviklet en ny reaktion, der bruger kulilte og molekylært nitrogen til at lave disse bindinger. En sådan reaktion kræver også typisk store mængder energi. Dette arbejde er beskrevet i denne uge i journalen Naturkemi .
I sin naturligt forekommende form er molekylært nitrogen, som består af to nitrogenatomer, der holdes sammen af en tredobbelt binding, et af de mest stabile molekyler, der findes. Det har ingen negative eller positive ender, så det er meget svært at få det til at reagere, siger Chirik. Andre kemikere arbejder på at efterligne biologiske enzymer, der fikserer molekylært nitrogen til at lave ammoniak, der kan bruges som råmateriale til organiske kemikalier. Chiriks laboratorium er derimod ved at udvikle en reaktion for at bryde nitrogenbindingen ikke for at lave ammoniak, men for at lave organiske nitrogenforbindelser direkte.
Nøglen til Cornell-reaktionen, som tager to trin for at bryde nitrogenbindingerne, er et kompleks, der indeholder metallet hafnium. I det første trin omgiver to metalkomplekser hvert nitrogenmolekyle, der lukker det ind. Hafniumkomplekserne reagerer med nitrogenet, bryder to af bindingerne og danner et mellemmolekyle. Derefter tilsættes kulilte til blandingen. Kulilte er også en meget stabil forbindelse og vil ikke reagere med molekylært nitrogen. Men kulilte vil reagere med nitrogen-hafnium-mellemproduktet og bryde den endelige nitrogenbinding for at danne et organisk molekyle kaldet oxamid, der frigives fra hafniumkomplekset ved tilsætning af syre.
Folk, der producerer organiske nitrogenforbindelser i dag, skal først lave ammoniak, siger Christopher Cummins, professor i kemi ved MIT. Det gode ved den nye Cornell-teknik, siger han, er, at de udvikler reaktioner, der gør nitrogen direkte til organiske nitrogener. Cummins påpeger, at det eneste firma, der gjorde dette industrielt, American Cyanamid, brugte vandkraft produceret af Niagara Falls til at lave en elektrisk lysbue kraftig nok til at drive reaktionen.
Cornell-kemien er endnu ikke klar til industriel brug. Indtil videre er den reaktion, de har udviklet, ikke katalytisk og er derfor ikke praktisk. Hafniumkomplekset gør det muligt for reaktionen at forløbe under omgivende forhold, men det bliver brugt op under reaktionen. Chirik arbejder på, hvordan man får stykkerne af metallet, så det kan genbruges. Cornell-forskerne forsøger også at bestemme, hvor generel reaktionen er. De har brugt det til at lave en gødning; yderligere arbejde vil vise, om denne type reaktion vil fungere for et utal af organiske nitrogenforbindelser. Chirik siger, at han også forsøger at afgøre, om andre metaller kan bruges til at fremskynde reaktionen. Hafnium er effektivt, men det er sjældent.
Dette er et vindue til noget for fremtiden, siger Cummins. Den grundlæggende reaktionskemi af simple molekyler som nitrogen og carbonmonoxid er stadig ved at blive afdækket.