Eine kritische chemische Bindung kann mithilfe von Distickstoff (N2) hergestellt werden – einem Molekül, das in der Luft um uns herum frei verfügbar ist – wie Chemiker bei RIKEN in einem neuen Artikel zeigen. veröffentlicht In Natur.
Diese Demonstration birgt das Potenzial, die Synthese industriell wichtiger Verbindungen wie Polymere und Medikamente wesentlich energieeffizienter zu gestalten.
Distickstoff ist überall und macht fast 80 % der Luft aus, die wir atmen. Doch trotz seiner hohen Verfügbarkeit ist es eine Herausforderung, ihn direkt in chemischen Reaktionen zu verwenden. Das liegt daran, dass die starke Dreifachbindung des Moleküls aufgebrochen werden muss.
Für Anwendungen wie die Synthese von Alkylaminen zur Herstellung von Medikamenten und Polymeren wird Distickstoff in einem zusätzlichen Schritt, dem Haber-Bosch-Verfahren, zunächst in zwei Teile gespalten, um Ammoniak zu erzeugen. Die leicht zugängliche Alkenkomponente muss zudem vorab aktiviert werden, indem sie in einen Alkohol oder eine Carbonsäure umgewandelt wird. Diese zusätzlichen Schritte verlängern die Zeit und machen den Prozess ineffizienter.
Sie haben noch einen weiteren Nachteil. „Die Synthese dieser Stickstoff- und Kohlenstoffquellen verbraucht ebenfalls viel Energie“, bemerkt Takanori Shima vom RIKEN Center for Sustainable Resource Science.
Forscher suchen nach besseren Alternativen zu diesem Ansatz. „Es wäre besser, Distickstoff und Alkene direkt zu verwenden, um Alkylamine unter milden Bedingungen zu synthetisieren“, fügt er hinzu. „Aber eine solche Reaktion war unbekannt und dürfte eine große Herausforderung darstellen.“
Zuvor hatten Shima und seine Mitarbeiter einen Weg entdeckt, diese Herausforderungen mithilfe von Titanpolyhydriden zu überwinden. Dabei handelt es sich um chemische Komplexe aus Titanatomen, die durch Wasserstoffatome verbrückt sind.
„Wir haben festgestellt, dass Titanpolyhydrid eine extrem hohe Reaktivität gegenüber stabilen kleinen Molekülen wie Distickstoff und Benzol aufweist“, sagt Shima.
Nun haben Shima und sein Team gezeigt, dass die zahlreichen Titanhydrid-Einheiten im Titanpolyhydrid zusammenarbeiten können, um aus Distickstoff und Alkenen Alkylamine zu erzeugen.
„Als wir Alkene mit Titanpolyhydrid reagierten, wurden die Alkene aktiviert – aber viele Titanhydrid-Einheiten blieben nach der Reaktion übrig“, sagt Shima.
Als das Team anschließend Distickstoff hinzufügte, spalteten die freien Titanhydrid-Einheiten gemeinsam das Distickstoffmolekül und verknüpften anschließend die Aktivkohle und die Stickstoffspezies über eine neue Stickstoff-Kohlenstoff-Bindung miteinander, wodurch das Alkylamin entstand.
Eine Computeranalyse ergab, dass der Schlüssel zur Reaktion darin liegt, dass nach der Aktivierung beider Substrate die Bildung von Stickstoff-Kohlenstoff-Bindungen selektiv im Titanpolyhydrid-Gerüst erfolgt. Dies liegt daran, dass die Bildung von Stickstoff-Kohlenstoff-Bindungen energetisch viel günstiger ist als andere mögliche Wege, wie etwa die Bildung von Stickstoff-Wasserstoff- oder Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen.
Shima und sein Team erforschen nun Möglichkeiten, diese Umwandlung in einen katalytischen Prozess umzuwandeln.
Weitere Informationen:
Takanori Shima et al, Hydroaminierung von Alkenen mit Distickstoff und Titanpolyhydriden, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07694-5