Der chemische Bolzenschneider

US-Forscher haben eine neue Methode entwickelt, organische Stickstoffverbindungen zu erzeugen.

Chemikern an der Cornell University im amerikanischen Ithaca ist ein wichtiger Durchbruch im Labor geglückt: Ihnen gelang es, einige der stärksten chemischen Verbindungen bei Zimmertemperatur und unter herkömmlichen Druckverhältnissen zu knacken. Damit könnte es bald möglich werden, wichtige Stickstoff-haltige organische Verbindungen mit wesentlich weniger Energieaufwand herzustellen, als dies bislang durchführbar ist. "Stickstoff-Kohlenstoff-Verbindungen sind das Rückgrat fast aller wichtiger Medikamente", sagt Cornell-Chemieprofessor Paul Chirik. Diese Chemie stecke in Nylon, in Dünger oder Insektiziden.

Damit Kohlenstoff und Stickstoff zusammenkommen, wird üblicherweise viel Energie benötigt, weil die Chemiker Ammoniak als Stickstoffquelle nutzen müssen. Chirik hat nun eine neuartige Reaktion entwickelt, bei der Kohlenstoffmonoxid und molekularer Stickstoff verwendet werden, um diese Verbindungen zu schaffen – und zwar im Gegensatz zu früheren Methoden energiesparend.

In seiner natürlichen Form ist molekularer Stickstoff, der aus zwei Stickstoff-Atomen, die von einer Dreifach-Bindung zusammengehalten werden, besteht, eines der stabilsten Moleküle auf der Erde. "Es gibt keine negativen oder positiven Enden, so dass er nur sehr schwer reagiert", sagt Chirik. Andere Chemiker arbeiten daran, biologische Enzyme nachzuahmen, die molekularen Stickstoff umbauen, um Ammoniak herzustellen, der dann der organischen Chemie als Ausgangsmaterial dienen kann. Chiriks Labor entwickelt dagegen eine Reaktion, bei der Stickstoff aufgebrochen wird, um organische Stickstoff-Verbindungen in einem Aufwasch zu erzeugen.

Zentrales Element der neuen Reaktion, die die Stickstoffverbindungen in zwei Schritten knackt, ist ein Komplex, der das Metall Hafnium enthält. Im ersten Schritt umgeben dabei zwei Metallkomplexe jedes Stickstoffmolekül und schließen es ein. Die Hafnium-Komplexe reagieren mit dem Stickstoff, brechen zwei der Bindungen auf und schaffen daraus ein Zwischenmolekül. Dann kommt Kohlenstoffmonoxid hinzu. Auch der stellt eine sehr stabile Verbindung dar und würde normalerweise nicht mit molekularem Stickstoff reagieren. Mit dem Stickstoff-Hafnium-Zwischenmolkül arbeitet er dagegen schon – so wird auch die letzte Stickstoff-Bindung geknackt. Ergebnis ist ein organisches Molekül namens Oxamid, das von dem Hafnium-Komplex durch die Beigabe von Säure freigegeben wird.

"Wer heute organische Stickstoffverbindungen schaffen will, muss normalerweise erst Ammoniak produzieren", sagt Christopher Cummins, Professor für Chemie am MIT. Das schöne an der neuen Cornell-Technik sei, dass die Reaktion so direkt verlaufe. Die einzige Firma, die dies bislang industriell schon beherrsche sei American Cyanamid – und die benötige die Wasserkraft der Niagarafälle, um einen Lichtbogen zu produzieren, der stark genug ist, die Reaktion zu starten.

Noch ist Chiriks Prozess nicht industrietauglich. So ist er bislang nicht katalytisch und deshalb praktisch kaum einsetzbar. Der Hafnium-Komplex erlaubt es zwar, die Reaktion unter normalen Umgebungsbedingungen durchzuführen, doch wird er während der Reaktion verbraucht. "Wir arbeiten daran, Teile aus dem Metall zu ziehen, damit wir es wiederverwenden können." Noch ist außerdem unklar, wie breit verwendbar Chiriks Methode wäre. Dünger ließe sich so bereits herstellen, doch muss erst bewiesen werden, dass der Ansatz auch für die vielen anderen organischen Stickstoffverbindungen taugt. Chirik untersucht außerdem andere Metalle, um die Reaktion zu beschleunigen. Hafnium funktioniere zwar gut, komme auf der Erde aber zu selten vor.

MIT-Chemieprofessor Cummins hält die Arbeit unterdessen für "ein Fenster zur Zukunft". Die grundlegende Reaktionschemie von einfachen Molekülen wie Stickstoff oder Kohlenmonoxid werde noch immer erforscht. (bsc)