Neu ent­wi­ckel­tes Mole­kül bin­det Stickstoff

Che­mi­ker der Uni­ver­si­tät Würz­burg haben ein bor­hal­ti­ges Mole­kül her­ge­stellt, das ohne Betei­li­gung eines Über­gangs­me­talls Stick­stoff bin­den kann. Mög­li­cher­wei­se ist das ein aller­ers­ter Schritt zu einer ener­gie­spa­ren­de­ren Pro­duk­ti­on von Düngemitteln.
Egal ob Wei­zen, Hir­se, Reis oder Mais: Sie alle benö­ti­gen Stick­stoff, um zu wach­sen. Dün­ger ent­hält daher gro­ße Men­gen von Stick­stoff-Ver­bin­dun­gen. Die­se wer­den meist aus der Luft gewon­nen, und zwar im groß­tech­ni­schen Haber-Bosch-Ver­fah­ren, das nach sei­nen Erfin­dern benannt ist. Ohne die­ses Ver­fah­ren könn­te die Erde Berech­nun­gen zufol­ge nur halb so vie­le Men­schen ernähren.
Luft besteht zu fast 80 Pro­zent aus Stick­stoff, che­misch: N₂. Die­ser ist jedoch äußerst reak­ti­ons­trä­ge: Die Bin­dung zwi­schen den bei­den Stick­stoff-Ato­men ist extrem sta­bil. Im Haber-Bosch-Ver­fah­ren wird sie auf­ge­bro­chen und der Stick­stoff zu Ammo­ni­ak (NH₃) umge­wan­delt, denn sonst kann er von den Pflan­zen nicht ver­wer­tet wer­den. Das funk­tio­niert nur unter extre­mem Druck und hohen Tem­pe­ra­tu­ren. Ent­spre­chend ener­gie­auf­wän­dig ist die­ser Pro­zess: Man ver­mu­tet, dass das Haber-Bosch-Ver­fah­ren für ein Pro­zent des welt­wei­ten Pri­mär­ener­gie­ver­brauchs ver­ant­wort­lich ist.

Bak­te­ri­en machen vor, wie es geht

„Wir haben daher nach einer ener­ge­tisch güns­ti­ge­ren Mög­lich­keit gesucht, Stick­stoff zu spal­ten“, erklärt Pro­fes­sor Hol­ger Braun­schweig vom Insti­tut für Anor­ga­ni­sche Che­mie der Juli­us-Maxi­mi­li­ans-Uni­ver­si­tät (JMU) Würz­burg. Dass das tat­säch­lich geht, machen man­che Bak­te­ri­en vor: In ihnen fin­det die­ser Schritt unter nor­ma­lem Druck und Tem­pe­ra­tu­ren statt. Sie nut­zen dazu ein Enzym namens Nitro­ge­na­se, das die Reak­ti­on mit Hil­fe der Über­gangs­me­tal­le Eisen und Molyb­dän katalysiert.
„Bis­lang ist es noch nicht gelun­gen, eine Art Nitro­ge­na­se nach­zu­bau­en“, sagt Braun­schweig. „Wir haben daher nach einer Alter­na­ti­ve gesucht: einem Mole­kül, das die Spal­tung kata­ly­sie­ren kann und dabei nicht auf Über­gangs­me­tal­len basiert.“
Sei­ne Arbeits­grup­pe forscht seit vie­len Jah­ren an bestimm­ten Ver­bin­dun­gen des Ele­ments Bor, den so genann­ten Boryle­nen. Die­se gel­ten als mög­li­che Kan­di­da­ten für einen ent­spre­chen­den Kata­ly­sa­tor. Doch wie genau müss­te dazu das ent­spre­chen­de Borylen-Mole­kül auf­ge­baut sein?

Kan­di­da­ten müs­sen gut zu Stick­stoff passen

Vom Eisen und Molyb­dän in der Nitro­ge­na­se weiß man, dass sie an das Stick­stoff-Mole­kül Elek­tro­nen abge­ben – ein Vor­gang, der sich Reduk­ti­on nennt. Dadurch wird die Bin­dung zwi­schen den bei­den N‑Atomen gebro­chen. Das klappt aber nur, weil die Über­gangs­me­tal­le gut zu dem Stick­stoff-Mole­kül pas­sen: Ihre Orbi­ta­le – das sind die Orte, an denen sich die bei der Reduk­ti­on über­ge­be­nen Elek­tro­nen auf­hal­ten – über­lap­pen auf­grund ihrer räum­li­chen Anord­nung stark mit denen des Stickstoffs.
Dr. Marc-André Léga­ré vom Insti­tut für Anor­ga­ni­sche Che­mie hat – basie­rend auf quan­ten­che­mi­schen Vor­her­sa­gen – ein Borylen mit einer ähn­li­chen Orbi­tal-Anord­nung designt. Die Ergeb­nis­se sei­ner Über­le­gun­gen wur­den dann am Würz­bur­ger Insti­tut syn­the­ti­siert und getestet.
Mit Erfolg: Das so her­ge­stell­te Borylen war dazu in der Lage, Stick­stoff zu bin­den – und zwar schon bei Raum­tem­pe­ra­tur und nor­ma­lem Luft­druck. „Wir konn­ten so zum ers­ten Mal nach­wei­sen, dass auch nicht­me­tal­li­sche Ver­bin­dun­gen die­sen Schritt bewerk­stel­li­gen kön­nen“, betont Légaré.

Ledig­lich ein aller­ers­ter Schritt

Das heißt jedoch nicht, dass dem Haber-Bosch-Ver­fah­ren nun das bal­di­ge Aus droht. Zunächst ein­mal ist noch gar nicht gesagt, dass sich der redu­zier­te Stick­stoff pro­blem­los vom Borylen ablö­sen lässt, ohne es zu zer­stö­ren. Die­ser Schritt ist aber nötig, um den Kata­ly­sa­tor zu recy­clen, so dass er dann das nächs­te Stick­stoff-Mole­kül bin­den kann.
Ob am Ende ein ener­ge­tisch güns­ti­ge­res Ver­fah­ren zur Stick­stoff-Gewin­nung her­aus­kom­me, ste­he daher noch völ­lig in den Ster­nen, so Pro­fes­sor Braun­schweig. „Es han­delt sich auf dem Weg dahin ledig­lich um einen aller­ers­ten Schritt – aller­dings um einen sehr wichtigen.“
Die Ergeb­nis­se der Stu­die, die in Koope­ra­ti­on mit der Arbeits­grup­pe von Pro­fes­sor Bernd Engels aus dem Insti­tut für Phy­si­ka­li­sche und Theo­re­ti­sche Che­mie durch­ge­führt wur­de, sind in der renom­mier­ten Wis­sen­schafts­zeit­schrift Sci­ence publiziert.
Titel­bild: Ein Stick­stoff-Mole­kül (blau) hat an zwei Borylen-Mole­kü­le (grau) gebun­den. Die an der Bin­dung betei­lig­ten Bor-Ato­me des Borylens sind in der Dar­stel­lung grün ein­ge­färbt. (Quel­le: Dr. Rian Dewhurst, JMU)