211service.com
Ett nytt sätt att bryta ultrastarka kemiska bindningar
Ett grundläggande framsteg i laboratoriet har gjort det möjligt att vid rumstemperatur och tryck bryta två av de starkaste typerna av kemiska bindningar för att göra vanliga industriella föreningar. Därmed har forskare vid Cornell University tagit ett viktigt första steg mot mindre energikrävande processer för att göra kvävehaltiga organiska föreningar.
Kväve-kolbindningen är ryggraden i nästan alla mest sålda läkemedel, säger Paul Chirik , professor i kemi vid Cornell. Kväve-kolbindningar finns i nylon, gödningsmedel, insekticider och i varje protein. Att föra samman kol och kväve kräver dock vanligtvis stora mängder energi eftersom kemister använder ammoniak som kvävekälla. Chirik har utvecklat en ny reaktion som använder kolmonoxid och molekylärt kväve för att göra dessa bindningar. En sådan reaktion kräver också vanligtvis stora mängder energi. Detta arbete beskrivs denna vecka i tidskriften Naturkemi .
I sin naturligt förekommande form är molekylärt kväve, som består av två kväveatomer som hålls samman av en trippelbindning, en av de mest stabila molekylerna som finns. Det har inga negativa eller positiva slut, så det är väldigt svårt att få det att reagera, säger Chirik. Andra kemister arbetar på att efterlikna biologiska enzymer som fixerar molekylärt kväve för att göra ammoniak som kan användas som råvara för organiska kemikalier. Chiriks labb, däremot, utvecklar en reaktion för att bryta kvävebindningen inte för att göra ammoniak utan för att göra organiska kväveföreningar direkt.
Nyckeln till Cornell-reaktionen, som tar två steg för att bryta kvävebindningarna, är ett komplex som innehåller metallen hafnium. I det första steget omger två metallkomplex varje kvävemolekyl och håller in den. Hafniumkomplexen reagerar med kvävet, bryter två av bindningarna och skapar en mellanliggande molekyl. Därefter tillsätts kolmonoxid till blandningen. Kolmonoxid är också en mycket stabil förening och skulle inte reagera med molekylärt kväve. Men kolmonoxid kommer att reagera med kväve-hafnium-mellanprodukten och bryter den slutliga kvävebindningen för att bilda en organisk molekyl som kallas oxamid som frigörs från hafniumkomplexet genom tillsats av syra.
Människor som producerar organiska kväveföreningar i dag måste göra ammoniak först, säger Christopher Cummins, professor i kemi vid MIT. Det fina med den nya Cornell-tekniken, säger han, är att de utvecklar reaktioner för att direkt omvandla kväve till organiska kväve. Cummins påpekar att det enda företaget som gjorde detta industriellt, American Cyanamid, använde vattenkraft producerad av Niagara Falls för att göra en elektrisk ljusbåge kraftfull nog att driva reaktionen.
Cornell-kemin är inte redo för industriell användning än. Hittills är reaktionen de har utvecklat inte katalytisk och därför inte praktisk. Hafniumkomplexet gör det möjligt för reaktionen att fortgå under omgivande förhållanden, men det förbrukas under reaktionen. Chirik jobbar på hur man får bort bitarna från metallen så att den kan återanvändas. Cornell-forskarna försöker också fastställa hur allmän reaktionen är. De har använt det för att göra ett gödningsmedel; ytterligare arbete kommer att visa om denna typ av reaktion kommer att fungera för en myriad av organiska kväveföreningar. Chirik säger att han också försöker avgöra om andra metaller kan användas för att påskynda reaktionen. Hafnium är effektivt, men det är sällsynt.
Det här är ett fönster in i något för framtiden, säger Cummins. Den grundläggande reaktionskemin för enkla molekyler som kväve och kolmonoxid avslöjas fortfarande.