Rzadki związek kompleksowy metalu z podtlenkiem azotu stabilny nawet w temperaturze pokojowej
Podtlenek azotu znajduje zastosowanie jako istotny środek przeciwbólowy, ale jest też utleniaczem wtryskiwanym do silników wyścigowych oraz gazem pędnym do aerozoli, co sprawia, że ma dla nas niebagatelne znaczenie. Jednocześnie jest szkodliwym gazem cieplarnianym, który powstaje głównie w wyniku działań związanych z rolnictwem. Mimo że N2O występuje w atmosferze w znacznie mniejszych stężeniach niż CO2, jego zdolność do wiązania ciepła jest 300-krotnie wyższa niż w przypadku CO2, co sprawia, że wpływ N2O na zmiany klimatyczne jest znacznie wyraźniejszy. Wszystko to sprawia, że naukowcy od jakiegoś czasu poszukują metod zmniejszenia emisji N2O i badają jego rozkład katalityczny w obecności metali. Przeprowadzone niedawno przy wsparciu z finansowanego ze środków UE projektu SMAC-MC badanie dowiodło, że istnieje sposób wiązania N2O z metalami w podobny sposób, jak robi się to z CO2, a powstałe w ten sposób wiązania mogą być mocniejsze lub co najmniej tak samo mocne, jak w przypadku CO2. Dzięki temu możliwe stanie się zastosowanie N2O w chemii syntetycznej oraz rozkład tego związku na substancje nieszkodliwe dla atmosfery. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie naukowym „Angewandte Chemie International Edition”. Stosując odpowiednie katalityczne kompleksy metali, można odtworzyć w laboratorium naturalny proces przekształcania N2O w N2 i wodę, jednak w przeciwieństwie do przypadku CO2 niewiele znanych jest metali przejściowych tworzących dobrze zdefiniowane związki kompleksowe z N2O. Powodem tego stanu rzeczy może być fakt, że cząsteczki N2O są znacznie gorszymi niż CO2 ligandami (cząsteczkami, które łączą się z atomem lub jonem metalu). Aby odkryć tego przyczynę, zespół badawczy przeprowadził syntezę porównywalnych kompleksów metali z N2O i CO2, a następnie zbadał oddziaływania metal–ligand.
Demonstracja zdolności N2O do tworzenia mocnych wiązań
Wyniki tego badania były nieoczekiwane. Uczeni wykazali, że zdolność N2O do łączenia się z metalem jest w rzeczywistości tak samo dobra, a czasami nawet lepsza niż w przypadku CO2. Współautor pracy oraz główny badacz projektu SMAC-MC prof. Heikki M. Tuononen z Uniwersytetu w Jyväskylä w opublikowanym w portalu internetowym „EurekAlert!” komunikacie prasowym informuje: „Wydaje się, że za tak nieliczne powstawanie kompleksów metalu z tym ligandem odpowiada głównie, a może wręcz w całości, utleniający charakter N2O”. Kolejny ze współautorów, dr Chris Gendy z Uniwersytetu w Jyväskylä, wyjaśnia w tym samym komunikacie: „Gdy udało się nam już znaleźć odpowiedni metal, który mógł się łączyć z cząsteczką N2O, okazało się, że powstałe wiązanie było wystarczająco mocne, by pozwolić na wyizolowanie i scharakteryzowanie związku kompleksowego z wiązaniem bocznym nawet w temperaturze pokojowej”. Prace badawcze pokazują, że możliwe jest zaprojektowanie bardziej stabilnych kompleksów N2O, co otwiera drogę do stosowania N2O w chemii syntetycznej. Prof. Tuononen zauważa: „N2O to pod wieloma względami doskonały utleniacz. Jest stabilny termodynamicznie, stosunkowo tani, a jedynym produktem ubocznym jego stosowania jest N2”. Współautor badania, prof. Roland Roesler z Uniwersytetu w Calgary dodaje: „Z pewnością dobrze byłoby widzieć N2O w większej liczbie zastosowań jako utleniacz w reakcjach z metalicznym katalizatorem. No i pamiętajmy o roli, jaką związek ten odgrywa w atmosferze”. W tym samym komunikacie prasowym naukowcy podsumowują swoje odkrycie następująco: „Natura znalazła eleganckie szlaki enzymatyczne pozwalające przekształcać N2O na nieszkodliwe dla atmosfery produkty. Powinniśmy brać z niej przykład, gdy chodzi o emisję generowaną przy okazji działalności człowieka, i korzystać z innowacyjnych katalizatorów”. Osiągnięcie zespołu sprzyja realizacji celów projektu SMAC-MC (Small Molecule Activation by Main-Group Compounds) polegających na promocji przełomowych działań w zakresie projektowania nowych związków pierwiastków grup głównych do aktywacji małych cząsteczek. Więcej informacji: projekt SMAC-MC
Słowa kluczowe
SMAC-MC, podtlenek azotu, N2O, CO2, kompleks metalu, utleniacz, atmosfera