Constituem mais de 78% do ar que respiramos, o nitrogênio é o elemento encontrado com mais frequência em sua forma pura na Terra. A razão para a abundância de nitrogênio elementar é a incrível estabilidade e inércia do dinitrogênio (N ₂ ), uma molécula que compreende dois átomos de nitrogênio e a forma na qual existe a maior parte do nitrogênio. Apenas em ambientes muito hostis, como na ionosfera, o dinitrogênio pode ser montado em cadeias de nitrogênio mais longas, formando N ₄ íons com tempos de vida muito curtos.

Apesar da inércia do dinitrogênio, a natureza é capaz de usá-lo como uma importante matéria-prima para todos os tipos de organismos vivos. Em sistemas biológicos, a ligação nitrogênio-nitrogênio muito forte em N ₂ pode ser clivado e amônia (NH ₃ ) podem ser produzidos, que então se torna a fonte de nitrogênio para toda a cadeia alimentar na Terra.

Reação química completamente nova

Imitando a natureza, humanos usam o importante processo Haber-Bosch para quebrar o nitrogênio em amônia, que pode então ser processado para produzir fertilizantes e disponibilizar nitrogênio para a produção de pigmentos, combustíveis, materiais, produtos farmacêuticos e além. A produção de compostos que contêm cadeias de dois, três ou quatro átomos de nitrogênio - que são notavelmente de importância farmacêutica em drogas vasodilatadoras, por exemplo, requer a remontagem de moléculas de mono-nitrogênio, como amônia, porque não existe nenhuma reação direta que possa conectar moléculas de dinitrogênio diretamente.

Esta semana, equipes de pesquisa da Alemanha, da Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) e da Goethe University em Frankfurt, relatar uma reação química completamente nova em Ciência revista. O novo processo usa moléculas contendo boro para acoplar diretamente duas moléculas de N ₂ em um N ₄ cadeia. Pela primeira vez, eles conseguiram acoplar diretamente duas moléculas de nitrogênio atmosférico N ₂ uns com os outros sem primeiro ter que dividir o dinitrogênio em amônia, contornando assim o processo Haber-Bosch. Este novo método pode permitir a geração direta de cadeias de nitrogênio mais longas.

Abrindo o caminho para uma nova química

A nova via de síntese funciona sob condições muito suaves:a menos 30 graus Celsius e sob uma pressão moderada de nitrogênio (cerca de quatro atmosferas). Também não requer um catalisador de metal de transição, ao contrário de quase todas as reações biológicas e industriais de nitrogênio.

"Isso abrirá o caminho para uma química com a qual moléculas de nitrogênio em cadeia completamente novas podem ser sintetizadas, "diz o professor de química da JMU Holger Braunschweig. Pela primeira vez, cadeias de nitrogênio contendo uma variante especial de nitrogênio (isótopo 15N) também podem ser facilmente produzidas.

Este avanço científico é baseado no trabalho experimental do pós-doutorado do JMU Dr. Marc-André Légaré e do doutorando Maximilian Rang.

Visão teórica fornecida pela Universidade Goethe

A doutoranda Julia Schweizer e o professor Max Holthausen da Goethe University Frankfurt foram responsáveis ​​pela parte teórica do trabalho. Eles lidaram com a questão de como os quatro átomos de nitrogênio estão quimicamente conectados.

"Com a ajuda de complexas simulações de computador, fomos capazes de compreender as condições de ligação inesperadamente complicadas nessas belas moléculas. Isso nos permitirá prever a estabilidade futura de tais cadeias de nitrogênio e apoiar nossos parceiros experimentais no desenvolvimento de sua descoberta, "diz o professor de química de Frankfurt.

Próximas etapas da pesquisa

As equipes de pesquisa têm como objetivo incorporar as novas moléculas da cadeia de nitrogênio em moléculas orgânicas que são relevantes para a medicina e a farmácia, especialmente permitindo a produção de seus análogos 15N.