Lavoro condotto dal gruppo di ricerca del professor Steve Liddle e pubblicato sulla prestigiosa rivista Chimica della natura ha riportato una molecola di diazoto di uranio che, secondo la teoria chimica di base, non dovrebbe esistere. La molecola che infrange le regole potrebbe avere implicazioni per l'attivazione del diazoto, che è una molecola essenziale per la produzione di fertilizzanti.

Ogni anno vengono prodotte circa 450 milioni di tonnellate di fertilizzante utilizzando l'ammoniaca ottenuta dal processo Haber Bosch, e questo è il fertilizzante che sta alla base della vita sulla Terra. In Haber Bosch, il diazoto si lega ai metalli sulla superficie del catalizzatore e viene scisso. Quindi reagisce con il diidrogeno per produrre l'ammoniaca.

Data la vasta scala su cui opera Haber Bosh, per molti anni c'è stato interesse su come il diazoto si lega ai metalli della tavola periodica nei complessi molecolari, poiché queste specie possono essere studiate in dettaglio atomico, perché questo ci informa sui passaggi chiave di legame e scissione in Haber Bosch. Ciò rappresenta la maggior parte delle richieste energetiche di questo processo.

Uno dei segreti meglio custoditi di Haber Bosch è che sebbene il ferro sia il catalizzatore preferito, l'uranio è infatti un catalizzatore superiore, e quindi c'è interesse nel modo in cui l'uranio si lega al diazoto.

Il diazoto è apparentemente una delle peggiori molecole da legare ai metalli. Infatti, è così inerte che viene solitamente utilizzato come atmosfera protettiva per sintesi chimiche, e negli imballaggi alimentari per evitare che il cibo si scarichi. Però, in determinate circostanze può essere incoraggiato il legame del diazoto con i metalli, e in questo modello il metallo deve essere in un basso stato di ossidazione e sufficientemente ricco di elettroni da partecipare al legame, per cui il diazoto dona densità elettronica al metallo e il metallo si scambia.

Ne consegue che uno stato di ossidazione elevato e un metallo povero di elettroni non dovrebbero essere in grado di impegnarsi in questo modello di legame perché non dovrebbe essere in grado di impegnarsi nella parte reciproca del legame.

La molecola riportata nello studio è un alto stato di ossidazione, metallo povero di elettroni, eppure si lega al diazoto, uno dei peggiori leganti possibili. Perciò, la molecola non dovrebbe esistere, eppure lo fa. L'ipotesi di lavoro sul motivo per cui la molecola può formarsi è che l'uranio sia legato a tre ligandi donatori estremamente forti, e nonostante il suo alto stato di ossidazione questi tre ligandi rendono l'uranio insolitamente ricco di elettroni nel complesso, e questo prevale sulle solite restrizioni sul modello di bonding.

Questo lavoro riscrive una regola fondamentale della chimica, e può avere implicazioni più ampie, perché molta chimica di attivazione del diazoto si basa sul presupposto che siano necessari metalli a basso stato di ossidazione. Però, questo studio ora mostra che i metalli ad alto stato di ossidazione, nelle giuste circostanze, potrebbe anche supportare una nuova chimica di attivazione del diazoto.

Questa conoscenza consentirà agli scienziati di pensare in modo diverso a come affrontare le sfide dell'attivazione del diazoto, e potrebbe persino influenzare gli studi sul processo Haber Bosch.