211service.com
Nowy sposób na zerwanie ultramocnych wiązań chemicznych
Fundamentalne postępy laboratoryjne umożliwiły rozerwanie w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem dwóch najsilniejszych typów wiązań chemicznych w celu wytworzenia powszechnych związków przemysłowych. W ten sposób naukowcy z Cornell University zrobili pierwszy ważny krok w kierunku mniej energochłonnych procesów wytwarzania związków organicznych zawierających azot.
Wiązanie azot-węgiel jest podstawą prawie wszystkich najlepiej sprzedających się farmaceutyków, mówi Paweł Chirik , profesor chemii w Cornell. Wiązania azot-węgiel znajdują się w nylonie, nawozie, insektycydzie iw każdym białku. Jednak połączenie węgla i azotu zazwyczaj wymaga dużych ilości energii, ponieważ chemicy używają amoniaku jako źródła azotu. Chirik opracował nową reakcję, w której do tworzenia tych wiązań wykorzystuje się tlenek węgla i azot cząsteczkowy. Taka reakcja również zazwyczaj wymaga dużej ilości energii. Ta praca jest opisana w tym tygodniu w czasopiśmie Chemia przyrody .
W swojej naturalnie występującej postaci azot cząsteczkowy, który składa się z dwóch atomów azotu połączonych potrójnym wiązaniem, jest jedną z najbardziej stabilnych cząsteczek, jakie istnieją. Nie ma negatywnych ani pozytywnych końców, więc bardzo trudno jest sprawić, by zareagował, mówi Chirik. Inni chemicy pracują nad naśladowaniem enzymów biologicznych, które wiążą azot cząsteczkowy w celu wytworzenia amoniaku, który mógłby zostać wykorzystany jako surowiec do organicznych chemikaliów. W przeciwieństwie do tego laboratorium Chirika opracowuje reakcję na zerwanie wiązania azotu nie w celu wytworzenia amoniaku, ale w celu bezpośredniego wytworzenia związków organicznych azotu.
Kluczem do reakcji Cornella, która polega na zerwaniu wiązań azotowych w dwóch etapach, jest kompleks zawierający metaliczny hafn. W pierwszym etapie dwie molekuły metalu otaczają każdą cząsteczkę azotu, zamykając ją w klatce. Kompleksy hafnu reagują z azotem, rozrywając dwa wiązania i tworząc cząsteczkę pośrednią. Następnie do mieszaniny dodaje się tlenek węgla. Tlenek węgla jest również bardzo stabilnym związkiem i nie reaguje z azotem cząsteczkowym. Ale tlenek węgla będzie reagował ze związkiem pośrednim azot-hafn, rozrywając końcowe wiązanie azotu, tworząc cząsteczkę organiczną zwaną oksamidem, która jest uwalniana z kompleksu hafnu przez dodanie kwasu.
Ludzie produkujący obecnie związki azotu organicznego muszą najpierw wyprodukować amoniak, mówi Christopher Cummins, profesor chemii na MIT. Fajną rzeczą w nowej technice Cornella, mówi, jest to, że rozwijają one reakcje, które bezpośrednio przekształcają azot w organiczne azoty. Cummins wskazuje, że jedyna firma zajmująca się tym przemysłowo, American Cyanamid, wykorzystała energię wodną wyprodukowaną przez Niagara Falls do wytworzenia łuku elektrycznego wystarczająco silnego, aby wywołać reakcję.
Chemia Cornell nie jest jeszcze gotowa do użytku przemysłowego. Jak dotąd reakcja, którą wypracowali, nie jest katalityczna, a zatem nie jest praktyczna. Kompleks hafnu umożliwia przebieg reakcji w warunkach otoczenia, ale w trakcie reakcji ulega zużyciu. Chirik pracuje nad tym, jak usunąć kawałki metalu, aby można je było ponownie wykorzystać. Naukowcy z Cornell próbują również określić, jak ogólna jest reakcja. Użyli go do zrobienia nawozu; dalsza praca pokaże, czy ten rodzaj reakcji zadziała w przypadku niezliczonych związków azotu organicznego. Chirik mówi, że próbuje również ustalić, czy inne metale można wykorzystać do przyspieszenia reakcji. Hafn jest skuteczny, ale rzadko.
To okno na przyszłość, mówi Cummins. Podstawowa chemia reakcji prostych cząsteczek, takich jak azot i tlenek węgla, jest wciąż odkrywana.