Voor het eerst is het gelukt om nitridylradicalen daadwerkelijk in handen te krijgen. Het begin van een geheel nieuwe manier om chemie te bedrijven met stikstof uit de lucht, voorspellen UvA-hoogleraar Bas de Bruin en collega’s van het Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS) in Angewandte Chemie.

Tot nu toe kun je met die luchtstikstof (N2) eigenlijk alleen iets aanvangen via het Haber-Boschproces, waarbij je het met waterstof laat reageren tot ammoniak. Dat ‘stikstofbindingsproces’ vormt al honderd jaar de basis van de wereldkunstmestproductie, en al die tijd vreet het al enorm veel energie.

Twee jaar geleden verraste de groep van De Bruin de chemische wereld al met de eerste officieel bevestigde waarneming van nitridylradicalen. Zo’n nitridylradicaal (•N2-) is min of meer de helft van N2, en normaal gesproken zo reactief dat het letterljk weg is voor je het weet. Door het een complex te laten vormen met een iridium-ion en een organisch ligand dat het geheel afschermt voor de buitenwereld, lukte het om zo’n radicaal lang genoeg te laten overleven om er metingen aan te doen en te bewijzen dat het heel eventjes bestond.

Nu is dus de volgende stap gezet: zorgen dat het uit zichzelf niet meer doorreageert. Dat lukte door het klem te zetten tussen twee rhodiumionen, elk met zo’n beschermend ligand er aan. Eigenlijk ligt rhodium niet voor de hand omdat de elektronenconfiguratie het nitridylradicaal nog reactiever zou moeten maken dan het al is. Maar in dit geval lijkt het een voordeel: het radicaal wordt tóch nog gestabiliseerd terwijl het wel een aantoonbaar ‘nitridylkarakter’ blijft vertonen.

Dat karakter komt boven wanneer je nóg iets reactiefs toevoegt zoals koolstofmonoxide: dan laat eerst één rhodiumligand los, waarna twee vrijkomende radicalen reageren tot één N2.

Aangezien elke chemische reactie omkeerbaar is, moet je dus ook van die ene N2 rechtstreeks twee nitridylradicalen kunnen maken. Per definitie kost dat nog steeds energie, maar het gaat waarschijnlijk wel veel efficiënter dan het Haber-Boschproces.

De Bruin ziet de kunstmestindustrie nog niet snel overschakelen; de kapitaalvernietiging zou te groot zijn. Maar hij ziet wel aankomen dat je via deze nieuwe route N2 uit de atmosfeer zou kunnen gebruiken als stikstofbron voor de wat meer kleinschalige organische syntheses. “Je zou dan licht kunnen gebruiken als energiebron, en de liganden kunnen inzetten als katalysatoren”, licht hij toe.

Dat rhodium een tamelijk schaars metaal is had hij zich ook al gerealiseerd: “Uiteindelijk zullen we naar andere metalen moeten. Kobalt, of nog liever ijzer. Het is nog nooit gedaan maar ik zie geen duidelijke reden waarom het met ijzer niet zou kunnen.”

Waar hij aan toevoegt dat zijn collega Frank Neese, van het Max-Planck-instituut in Mülheim an der Ruhr, onlangs ook al in Angewandte stond met iets dat aardig in de richting kwam.

bron: UvA (met dank aan Bas de Bruin)

Onderwerpen