Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

Durchbruch in der Stickstoffchemie

Direkte Verkettung von Stickstoffmolekülen gelungen

26.03.2019

Dr. Rian Dewhurst / Dr. Marc-André Légaré / Universität Würzburg

Erstmals wurden zwei Moleküle Luftstickstoff (blau, Mitte) von Chemikern aus Würzburg und Frankfurt direkt miteinander gekoppelt.

Zwei Moleküle Stickstoff macht über 78 Prozent der Atemluft aus. Er ist das Element, das auf der Erde am häufigsten in seiner reinen Form vorkommt. Der Grund für diese Fülle an elementarem Stickstoff ist die unglaubliche Stabilität des Moleküls N2, das aus zwei Stickstoffatomen besteht. In dieser Form kommt der meiste Stickstoff auf der Erde vor. Nur in extremen Umgebungen, etwa in der Ionosphäre, kann N2 zu längeren Stickstoffketten zusammengefügt werden, die N4-Ionen mit sehr kurzer Lebensdauer bilden.

Trotz seiner Trägheit kann die Natur den Luftstickstoff als wichtigen Rohstoff nutzen. In biologischen Systemen kann die sehr starke Stickstoff-Stickstoff-Bindung in N2 gespalten und Ammoniak (NH3) erzeugt werden. Letzteres wird dann zur Stickstoffquelle für die gesamte Nahrungskette auf der Erde.

Völlig neue chemische Reaktion 

Der Mensch nutzt das Haber-Bosch-Verfahren, um Stickstoff zu Ammoniak zu zerlegen. Dieses wird dann zu Düngemitteln weiterverarbeitet. Oder es liefert Stickstoff unter anderem für die Herstellung von Pigmenten, Kraftstoffen oder Pharmazeutika. Die Herstellung von Verbindungen, die Ketten aus zwei, drei oder vier Stickstoffatomen enthalten – solche sind beispielsweise für blutgefäßerweiternde Medikamente von Bedeutung – erfordert den Zusammenbau von Monostickstoffmolekülen wie Ammoniak, da keine direkte Reaktion existiert, die Distickstoffmoleküle direkt verbinden kann.

Forschungsteams von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) und der Goethe-Universität Frankfurt stellen nun im Journal „Science“ eine völlig neue chemische Reaktion vor. Das neue Verfahren nutzt borhaltige Moleküle, um zwei Moleküle N2 direkt zu einer N4-Kette zu koppeln. Erstmals ist es ihnen gelungen, zwei Moleküle N2 direkt miteinander zu koppeln, ohne sie vorher in Ammoniak aufspalten zu müssen. Diese neue Methode könnte die direkte Erzeugung längerer Stickstoffketten ermöglichen.

Weg zu einer neuen Chemie 

Der neue Syntheseweg funktioniert unter sehr milden Bedingungen: bei minus 30 Grad Celsius und unter einem moderaten Stickstoffdruck von rund vier Bar. Er erfordert zudem keinen Übergangsmetallkatalysator, im Gegensatz zu fast allen biologischen und industriellen Reaktionen von Stickstoff. 

„Damit wird der Weg frei für eine Chemie, mit der völlig neue, kettenförmige Stickstoffmoleküle synthetisiert werden können“, sagt JMU-Chemieprofessor Holger Braunschweig. Erstmals könnten nun auch Stickstoffketten, die eine spezielle Variante von Stickstoff (15N-Isotope) enthalten, problemlos hergestellt werden. Dieser wissenschaftliche Durchbruch basiert auf der experimentellen Arbeit von JMU-Postdoc Dr. Marc-André Légaré und Doktorand Maximilian Rang.

Theoretische Erkenntnisse der Goethe-Universität 

Doktorandin Julia Schweizer und Professor Max Holthausen von der Goethe-Universität Frankfurt waren für den theoretischen Teil der Arbeit zuständig. Sie beschäftigten sich mit der Frage, wie die vier Stickstoffatome chemisch verbunden sind. „Mithilfe aufwändiger Computersimulationen gelang es uns, die unerwartet komplizierten Bindungsverhältnisse in diesen wunderschönen Molekülen zu verstehen. Damit können wir zukünftig Prognosen zur Stabilität solcher Stickstoffketten aufstellen und unsere experimentellen Partner bei der Weiterentwicklung ihrer Entdeckung unterstützen“, sagt der Frankfurter Chemieprofessor. Das nächste Ziel der Forschungsteams ist es, die neuen Stickstoffketten in organische Moleküle zu integrieren, die für Medizin und Pharmazie relevant sind und insbesondere die Herstellung ihrer 15N-Analoga ermöglichen.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über Uni Frankfurt am Main
  • News

    Erstes maschinengeneriertes Chemie-Buch publiziert

    Das erste maschinengenerierte Buch, das bei Springer Nature erscheint, entstand mithilfe eines Algorithmus, der von Wissenschaftlern der Goethe-Universität entwickelt wurde. Obwohl schon lange zu diesem Thema geforscht wird, betreten der Verlag und die Informatiker damit Neuland, denn es is ... mehr

    Bild oder Spiegelbild? Laserlicht entscheidet über Händigkeit von Molekülen

    Sieben der zehn häufigsten Medikamente enthalten chirale Wirkstoffe. Das sind Moleküle, die in rechts- oder linkshändiger Form auftreten. Bei der chemischen Synthese entstehen beide Formen meist zu gleichen Teilen und müssen anschließend getrennt werden, weil Händigkeit über die Wirkung im ... mehr

    Siliconbausteine nach Maß

    Das breit gefächerte Anwendungsspektrum der Silicone reicht von medizinischen Implantaten und Kosmetikartikeln über Hydraulik-Öle und Dichtmassen, bis hin zum Korrosionsschutz – ein entscheidendes Thema angesichts globaler Korrosionsschäden in Höhe von rund 3.3 Billionen US-Dollar pro Jahr. ... mehr

  • q&more Artikel

    Feiern und Hungern – für Bakterien kein Problem

    Bakterien sind wahre Überlebenskünstler. Im Laufe der Evolution haben sie zahlreiche Strategien entwickelt, sich an schnell veränderliche, unsichere Umweltbedingungen anzupassen. So ist ihr Stoffwechsel wesentlich ausgeklügelter als derjenige des Menschen. Sie können innerhalb von Minuten i ... mehr

    Warum Biosimilars und nicht Biogenerika?

    Bereits seit 2006 gibt es eine Gruppe gentechnisch hergestellter Medikamente, die unter der Bezeichnung „Biosimilars“ firmieren. Bis vor einem Jahr blieb diese Gruppe selbst in Fachkreisen eher unauffällig. Das ändert sich jedoch derzeit, da kürzlich ein erster Biosimilar-Antikörper zugelas ... mehr

    Paradigmen­wechsel

    Was wäre die Medizin ohne Arzneimittel? Aber werden Arzneimittel heute optimal ­eingesetzt? einesfalls, wie wir heute dank der Erkenntnisse aus der molekularen ­Medizin wissen. Denn beim Einsatz von Arzneimittel gilt es, zwei Aspekte zu beachten: ­die Krankheit und den Patienten. Erst langs ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Jörg Soppa

    Jörg Soppa, Jahrgang 1958, studierte Biochemie in Tübingen und promovierte anschließend am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried. Dort baute er ab 1990 eine eigene Forschungsgruppe auf und hielt Lehrveranstaltungen am Institut für Genetik und Mikrobiologie der Universität München ... mehr

    Prof. Dr. Heinfried H. Radeke

    Heinfried H. Radeke, Jg. 1955, studierte Medizin an der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH; Approbation 1985) und promovierte mit der wissenschaftlich besten Dissertation des Jahres 1986. Nach zwei Jahren als Assistenzarzt in der Universitätskinder­klinik Göttingen begann er 1987 an der ... mehr

    Prof. Dr. Theo Dingermann

    Theodor Dingermann, Jg. 1948, studierte Pharmazie in Erlangen und promovierte 1980 zum Dr. rer. nat. 1990 erhielt er einen Ruf auf die C4-Professur für pharmazeutische Biologie der Universität Frankfurt. Von 2000 bis 2004 war er Präsident der Deutschen Pharmazeutischen Gesellschaft. Ferner ... mehr

Mehr über Uni Würzburg
  • News

    Topologische Isolatoren: Elektronen halten Sicherheitsabstand

    Ein Team der Uni Würzburg hat die Eigenschaften von Bismuten untersucht, einem Topologischen Isolator. Erstmals wurde beobachtet, dass dort die Beweglichkeit von Elektronen durch kollektive Effekte eingeschränkt werden kann. Topologische Isolatoren sind Zwittermaterialien. Das bedeutet, das ... mehr

    Topologische Nanoelektronik

    Physikern der Universität Würzburg ist eine Weltpremiere gelungen: Sie haben ein grundlegendes nanoelektronisches Bauelement realisiert, das auf der in Würzburg entdeckten Materialklasse der topologischen Isolatoren beruht. Topologische Isolatoren sind Materialien mit erstaunlichen Eigensch ... mehr

    So fließt Energie im Nanobereich

    Wie effizient sich Energie auf kleinstem Raum ausbreitet, ist entscheidend für die Photovoltaik und andere technische Anwendungen. Mit neuen Verfahren lässt sich der Weg der Energie im Nanometer-Bereich nun genau verfolgen. Pflanzen und Bakterien machen es vor: Sie können die Energie des S ... mehr

  • q&more Artikel

    Multinationale Medikamente

    Während in den 90er-Jahren des letzten Jahrhunderts 80 % aller Wirkstoffe und Hilfsstoffe in Europa bzw. in den USA produziert wurden, werden heute nahezu alle Ausgangsstoffe zur Herstellung von Arzneimittel in China und Indien hergestellt. Dies gilt nicht nur für die einzelnen Stoffe, sond ... mehr

    Hightech im Bienenvolk

    Vitale Bienenvölker sind von höchster Relevanz für die Aufrechterhaltung der natürlichen Diversität von Blütenpflanzen und die globale pflanzliche Nahrungsmittelproduktion, die zu 35 % von Insektenbestäubern abhängt, unter denen die Honigbiene (Apis mellifera) die überragende Rolle spielt. ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Jürgen Tautz

    Jg. 1949, studierte Biologie, Geographie und Physik an der Universität Konstanz und promovierte dort über ein sinnesökologisches Thema. Nach Arbeiten zur Bioakustik von Insekten, Fischen und Fröschen gründete er 1994 die BEEgroup an der Universität Würzburg, die sich mit Grundlagenforschung ... mehr

    Prof. Dr. Ulrike Holzgrabe

    Ulrike Holzgrabe (Jg. 1956) studierte Chemie und Pharmazie in Marburg und Kiel. Nach Approbation und Promotion folgte die Habilitation für Pharmazeutische Chemie 1989 ­in Kiel. Sie hatte eine Professur in Bonn (1990-1999), lehnte C4-Rufe nach Tübingen und Münster ab und folgte dem Ruf nach ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.