Erstes isoliertes Nitren: Revolutionäre Entdeckung an der Universität Bremen

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(vl.) Emanuel Hupf, Marvin Janssen und Jens Beckmann | Quelle: Annemarie Popp | Copyright: Universität Bremen | Download

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(vl.) Emanuel Hupf und Jens Beckmann und Marvin Janssen im Chemielabor der Universität Bremen im Gespräch über deren neuste Entdeckung, das erste isolierte Nitren. | Quelle: Annemarie Popp | Copyright: Universität Bremen | Download

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„Unsere Entdeckung ist ein großer Erfolg für die Grundlagenforschung. Die Lehrbücher der Chemie müssen umgeschrieben werden“, erklärt Professor Jens Beckmann, Leiter des Forschungsteams. „Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, diese hochreaktiven Verbindungen im Labor zu zähmen. Dies wird nicht nur unser Verständnis der Chemie verbessern, sondern hat auch das Potenzial, neue innovative Katalysatorsysteme zu entwickeln.“

Lebensdauer lag ursprünglich im Nanosekundenbereich

Die Isolation von Nitrenen war bisher nicht möglich, weil diese Verbindungen sehr schnell mit anderen Stoffen reagieren und normalerweise nur für winzige Bruchteile von Sekunden stabil bleiben. Der Durchbruch gelang, indem die Wissenschaftler eine Art Schutzschild um das reaktive Stickstoffatom bauten, das es vor anderen Stoffen in der Umgebung schützt. „Bildlich gesprochen, haben wir zwei Wände um das reaktive Stickstoff-Atom aufgebaut, die es abschirmen“, erklärt Professor Beckmann. Chemiker nennen diesen Schutzmechanismus kinetische Stabilisierung.

Um die genaue Struktur des isolierten Nitrens zu bestimmen, verwendeten die Forscher eine spezielle Methode namens Röntgenstrukturanalyse. Dabei stellte sich heraus, dass das Stickstoffatom in diesem Fall nur mit einem einzigen Kohlenstoffatom verbunden ist, während Stickstoff normalerweise drei Verbindungen eingeht. „Die Röntgenstrukturanalyse hat uns erstaunliche Einblicke gegeben“, so Beckmann. „Das Stickstoffatom in unserem Nitren ist nur an ein einziges Kohlenstoffatom gebunden, was äußerst ungewöhnlich ist und zu einem sogenannten elektronischen Triplett-Grundzustand führt. Diese einzigartige Struktur verleiht dem Nitren besondere magnetische Eigenschaften, die als Paramagnetismus bekannt sind.“

Entdeckung könnte zu neuen Entwicklungen in der Katalysatorforschung führen
Die Bedeutung dieser Entdeckung geht weit über die Grundlagenforschung hinaus. Stabile Nitrene könnten als neuartige Liganden in homogenen Katalysatoren, etwa in der chemischen Industrie, eingesetzt werden, um chemische Reaktionen effizienter zu gestalten und Energie zu sparen.

Der Schlüssel zum Erfolg war die interdisziplinäre Forschung an der Universität Bremen, wie Beckmann betont. „Der Ursprung liegt zwar in der Chemie, aber erst die Zusammenarbeit mit den Geo- und Materialwissenschaften hat es uns ermöglicht, die magnetischen Eigenschaften zu verstehen und letztendlich diese revolutionäre Entdeckung zu machen.“ Die Autoren der Studie sind neben Professor Beckmann: Marvin Janssen, Thomas Frederichs, Marian Olaru, Enno Lork, Emanuel Hupf.

Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Dr. Jens Beckmann, Universität Bremen, Fachbereich 02 Biologie / Chemie, Tel.: +49 421/218-63160, E-Mail: j.beckmann@uni-bremen.de

Originalpublikation:
https://doi.org/10.1126/science.adp4963