Немецкие химики получили соединение, которое позволяет связывать атмосферный азот и осуществлять с ним химические превращения при комнатной температуре и атмосферном давлении. В отличие от традиционных катализаторов, предложенное соединение связывает молекулы азота с помощью атомов бора, а не переходных металлов, пишут ученые в Science.

Несмотря на то, что молекулярный азот — основной компонент атмосферы, и воздух состоит из него примерно на 80 процентов, эффективно использовать его для промышленных целей (например, для получения удобрений) довольно непросто. Связано это с химической инертностью молекулярного азота и сложностей при получении азота в восстановленной форме, в первую очередь в виде аммиака. Сейчас для восстановления атмосферного азота обычно применяют процесс Габера, который требует для связывания молекул N2 использования катализаторов на основе переходных металлов (в частности, железа или молибдена), а также довольно высоких температур и давлений. При этом приспособить эти катализаторы для работы при комнатной температуре и атмосферном давлении не удается.

Немецкие химики под руководством Хольгера Брауншвайга (Holger Braunschweig) из Вюрцбургского университета имени Юлиуса и Максимилиана обнаружили, что связывать молекулярный азот можно не только с помощью переходных металлов, но и с использованием молекул, содержащих бор. Известно, что бор может образовывать с азотом устойчивую химическую связь за счет того, что при этом образуются соединения, по своей электронной структуре аналогичные соединениям углерода. При этом это могут быть как кристаллические структуры (например, гексагональный или кубический нитрид бора), так и отдельные молекулы.

В данной работе ученые предложили использовать для связывания азота металлоорганические комплексные молекулы довольно сложной структуры, содержащие бориленовые группы. Бор в таких соединениях, подобно углероду в карбенах, кроме связи с органическим заместителем, имеет неподеленную электронную пару. За счет этого две органические молекулы, содержащие бориленовые группы, могут образовать связь с одной молекулой азота (аналогичный способ несколько лет назад был предложен для связывания молекулы CO). При этом происходит образование или устойчивых нейтральных димерных структур состава B2N2, или анионов [B2N2]2-.

Переход между различными химическими формами бор-азотных димеров может быть проведен внутри образованного комплекса с помощью окисления кислородом воздуха или восстановлением с использованием калий-содержащего комплекса KC8. Выход каждой из реакций превосходит 60 процентов, а для некоторых процессов достигает 80 процентов.
По словам исследователей, в данной работе впервые удалось для связывания азота использовать атомы неметаллов. Раньше считалось, что необходимой для этого структурой электронных оболочек обладают только переходные металлы. Что не менее важно, процесс связывания происходит при комнатной температуре и атмосферном давлении, чего для катализаторов на основе переходных металлов добиться не удавалось.

При этом авторы отмечают, что вопрос о том, можно ли использовать данное соединение в качестве катализатора, остается открытым. Это связано с тем, что пока непонятно, можно ли связанный азот затем использовать без разрушения структуры самой бор-содержащей молекулы. Если такой процесс осуществить в итоге удастся, то полученные соединения могут привести к значительному увеличению эффективности катализа для реакций с молекулярным азотом.

Отметим, что за счет ван-дер-ваальсовых связей инертный азот может образовывать соединения с другими химически инертными соединениями, даже с благородными газами. Так, недавно химики показали, что при давлении в 50 тысяч атмосфер и комнатной температуре можно получить соединение азота и ксенона состава Xe(N2)2.