Per la prima volta, due molecole di azoto atmosferico (blu, al centro) sono accoppiati direttamente tra loro nella ricerca di chimici di Würzburg e Francoforte. Credito:Dr. Rian Dewhurst / Dr. Marc-André Légaré
Costituendo oltre il 78% dell'aria che respiriamo, l'azoto è l'elemento che si trova più spesso nella sua forma pura sulla terra. La ragione dell'abbondanza di azoto elementare è l'incredibile stabilità e inerzia del diazoto (N 2 ), una molecola comprendente due atomi di azoto e la forma in cui esiste la maggior parte dell'azoto. Solo in ambienti molto difficili, come nella ionosfera, il diazoto può essere assemblato in catene di azoto più lunghe, formando N 4 ioni con tempi di vita molto brevi.
Nonostante l'inerzia del diazoto, la natura è in grado di utilizzarlo come materia prima importante per tutti i tipi di organismi viventi. Nei sistemi biologici, il legame molto forte azoto-azoto in N 2 può essere scisso e ammoniaca (NH 3 ) può essere prodotto, che poi diventa la fonte di azoto per l'intera catena alimentare sulla Terra.
Reazione chimica completamente nuova
Imitando la natura, gli esseri umani utilizzano l'importantissimo processo Haber-Bosch per scomporre l'azoto in ammoniaca, che possono poi essere ulteriormente lavorati per produrre fertilizzanti e per rendere disponibile l'azoto per la produzione di pigmenti, combustibili, materiali, farmaceutici e non solo. La produzione di composti che contengono catene di due, tre o quattro atomi di azoto, che sono di notevole importanza farmaceutica nei farmaci vasodilatatori, per esempio, richiede il riassemblaggio di molecole di mono-azoto come ammoniaca, perché non esiste una reazione diretta che possa collegare direttamente molecole di diazoto.
Questa settimana, gruppi di ricerca dalla Germania, dalla Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) e dalla Goethe University di Francoforte, segnalare una reazione chimica completamente nuova in Scienza rivista. Il nuovo processo utilizza molecole contenenti boro per accoppiare direttamente due molecole di N 2 in un N 4 catena. Per la prima volta, sono riusciti ad accoppiare direttamente due molecole di azoto atmosferico N 2 tra loro senza dover prima scindere il diazoto in ammoniaca, aggirando così il processo Haber-Bosch. Questo nuovo metodo potrebbe consentire la generazione diretta di catene di azoto più lunghe.
Aprendo la strada a una nuova chimica
La nuova via di sintesi funziona in condizioni molto miti:a meno 30 gradi Celsius e sotto una moderata pressione di azoto (circa quattro atmosfere). Inoltre non richiede un catalizzatore di metalli di transizione, a differenza di quasi tutte le reazioni biologiche e industriali dell'azoto.
"Questo aprirà la strada a una chimica con la quale possono essere sintetizzate molecole di azoto a catena completamente nuove, ", afferma il professore di chimica JMU Holger Braunschweig. Per la prima volta, anche catene di azoto contenenti una variante speciale di azoto (isotopo 15N) possono essere facilmente prodotte.
Questa scoperta scientifica si basa sul lavoro sperimentale del dottor Marc-André Légaré postdoc della JMU e del dottorando Maximilian Rang.
Approfondimenti teorici forniti dalla Goethe University
La parte teorica del lavoro è stata affidata alla dottoranda Julia Schweizer e al professor Max Holthausen della Goethe University di Francoforte. Hanno affrontato la questione di come i quattro atomi di azoto sono collegati chimicamente.
"Con l'aiuto di complesse simulazioni al computer, siamo stati in grado di comprendere le condizioni di legame inaspettatamente complicate in queste bellissime molecole. Ciò ci consentirà di prevedere la futura stabilità di tali catene di azoto e sosterrà i nostri partner sperimentali nell'ulteriore sviluppo della loro scoperta, " dice il professore di chimica di Francoforte.
I prossimi passi della ricerca
I team di ricerca hanno preso l'obiettivo di incorporare le nuove molecole della catena dell'azoto in molecole organiche rilevanti per la medicina e la farmacia, consentendo in particolare la produzione dei loro analoghi 15N.
