Die Spaltung von molekularem Stickstoff (N2) z.B. durch Bakterien ist eine derfundamentalen chemischen Reaktionen des Lebens auf der Erde: die sog. Stickstofffixierung liefert einen der Grundbaustein für die Ernährung der Pflanzen, die wiederum Nahrungsgrundlage allen höheren Lebens sind. Anders ausgedrückt: vor hundert Jahren lebten knapp 1,6 Milliarden Menschen auf der Erde – und im wesentlichen durch die Erfindung von Kunstdünger (Stickstoffdünger auf der Basis von Ammoniak NH3) kam es zu enorm gesteigerten Ernteerträgen und dem heutigen rasanten Anstieg auf 7 Milliarden Menschen. Das technische Verfahren, die Ammoniaksynthese im sogenannten Haber-Bosch-Verfahren, funktioniert unter grossem Energieaufwand: Stickstoff wird unter sehr hohem Druck und bei sehr hoher Temperatur an der Oberfläche von speziellen Katalysatoren (z.B. modifizierten Eisenoxid-Flächen) gebunden und gespalten, die 'freien' Atome reagieren mit zugeführtem Wasserstoff (H2) zu Ammoniak (Jahresproduktion weltweit ca. 100 Mio. Tonnen).

Wissenschaftler beschäftigen sich daher seit langem mit Fragen, wie man die Stickstoffgewinnung z.B. bei Normaldruck durchführen oder in Richtung der natürlichen Systeme ändern könnte, welche Metalle sich am Besten als Katalysatoren eignen, in welchen Schritten der Prozess abläuft, und warum z.B. beim Einsatz der preisgünstigen Eisenoxidoberfläche in der technischen Ammoniaksynthese die Zugabe von Kalium-Ionen den Prozess beschleunigt.

Um die Stickstoffspaltung besser zu verstehen, untersuchen Chemiker und Physiker statt der schwer charakterisierbaren Oberflächen von Metalloxiden auch die Bindung und Spaltung von Stickstoff an „sauberen“ molekularen Koordinationsverbindungen mit einem oder mehreren zentralen Metallatomen. Gerade bei den so interessanten Eisenkomplexen war dies bislang nicht gerade erfolgreich: an einem Eisen-Atom wird Stickstoff nicht gespalten, und in Komplexen mit N2 als Brücke zwischen zwei Eisen-Atomen wird die enorm starke N≡N-Dreifachbindung zwar gelockert, aber nicht aufgebrochen.

Wissenschaftlern um Professor Patrick Holland an der Universität von Rochester (USA) ist es nun gelungen, eine Verbindung herzustellen, in der ein Stickstoffmolekül in einen „Käfig“ mit drei Eisenatomen gerät – und dabei aufgespalten wird! Sie konnten sogar mit Hilfe von Röntgenbeugungsaufnahmen die Molekülstruktur der höchst empfindlichen Verbindung aufklären und damit die N2-Spaltung bildhaft beweisen – dabei aber überraschenderweise z.B. auch die Anwesenheit von Kalium-Atomen erkennen. Das komplexe Molekül, das bei nachfolgender Reaktion mit Wasserstoff in der Tat auch Ammoniak erzeugt, stellt offenbar wie auf einer Blitzlichtaufnahme den wichtigsten Schritt der Gesamtreaktion dar, quasi werden alle Reaktionspartnern an Ort und Stelle 'ertappt'.

Allerdings, zur Klärung der wichtigen Frage, welche Rolle die einzelnen Eisen-Ionen spielen, muss man auch die sogenannte Elektronenstruktur der Verbindung kennen. Vereinfacht gefragt: wo sind die einzelnen Elektronen, die das Wesen der chemischen Bindungen ausmachen? Die geeigneten spektroskopischen und theoretischen Methoden für diese Analyse fanden sich am Max-Planck-Institut für Bioanorganische Chemie in Mülheim an der Ruhr. Hier hatte Dr. Eckhard Bill die Möglichkeit, mit den Techniken der Mössbauer-Spektroskopie und magnetischer Messungen mit einem SQUID Detektor (Superconducting QUantum Interference Device) bei sehr tiefen Temperaturen die Ladungen der Eisenatome zu erkennen, die Verteilung der Valenzelektronen zu bestimmen, und mit Hilfe der magnetischen Spins der Eisenatome ihre Wechselwirkung untereinander zuzuordnen. Erst so konnte verstanden werden, wie die drei Eisen-Atome, mit tatkräftiger Hilfe eines benachbarten vierten Eisen-Partners, die Stickstoffspaltung geschafft haben.

Strukturbild und weitere Details finden Sie in der Pressemitteilung vom 10.11.2011