Stickstoff ist als Hauptbestandteil der Erdatmosphäre allgegenwärtig und in seiner molekularen Form N2 äußerst stabil und inert. Trotz seiner natürlichen Häufigkeit und einfachen Struktur ist N2 das einzige bekannte stabile Stickstoff-Allotrop in neutralsichtiger Form. Die Suche nach höheren neutralen Stickstoffmolekülen, sogenannten polynitrogenen Allotropen, ist seit Jahrzehnten eine Herausforderung für Chemiker und Materialwissenschaftler. Die enorm hohe gespeicherte Energie in polynitrogenen Verbindungen macht sie zu vielversprechenden Kandidaten für die Energiespeicherung der Zukunft, da sie bei der Zersetzung ausschließlich ungefährlichen molekularen Stickstoff freisetzen. Dennoch war bis vor Kurzem kein neutrales Stickstoffmolekül größer als N2 experimentell nachgewiesen worden, da ihre Synthese durch extreme Instabilität erschwert wird.
Die nun veröffentlichte Forschung zur Synthese von Hexanitrogen mit der Struktur C2h-N6 stellt daher einen bedeutenden Meilenstein dar und eröffnet spannende neue Möglichkeiten für die Chemie und Technik. Die Synthese von Neutralem Hexanitrogen C2h-N6 Die Studie aus dem Institut für Organische Chemie der Justus-Liebig-Universität Gießen zeigt eine bahnbrechende Methode zur Herstellung und Stabilisierung eines neutralen Stickstoffmoleküls mit sechs Atomen. Das Molekül wird durch eine Reaktion von Chlor- beziehungsweise Bromgas mit Silberazid (AgN3) bei Raumtemperatur erzeugt. Dabei reagieren die Halogene mit dem Azid, um eine Hexanitrogen-Verbindung zu bilden, die anschließend in einer Argon-Matrix bei extrem niedrigen Temperaturen von 10 Kelvin eingefangen und analysiert wird. Alternativ gelingt auch die Herstellung einer dünnen reinen N6-Filmform bei 77 Kelvin – der Temperatur von flüssigem Stickstoff –, was auf eine überraschende Stabilität trotz der delicaten molekularen Struktur hinweist.
Die Identifikation des Moleküls erfolgte mittels Infrarot- und UV-Vis-Spektroskopie kombiniert mit Isotopenmarkierung mit ^15N, welche das Verständnis der molekularen Schwingungen und elektronischen Übergänge vertieft. Computergestützte ab initio-Berechnungen stützen die experimentellen Befunde und bestätigen die Existenz und Struktur des C2h-symmetrischen Hexanitrogens. Auffallend ist die deutliche Differenzierung der einzelnen Stickstoffatome in zwei N3-Gruppen, verbunden durch eine zentrale Einfachbindung, was sich auch in den Schwingungsspektren widerspiegelt. Struktur und Chemische Eigenschaften Hexanitrogen C2h-N6 weist eine acyclische Struktur auf, bestehend aus zwei verbundenen Azidomolekülen. Diese Anordnung unterscheidet sich fundamental vom einfachen N2-Molekül und ist eine der wenigen theoretisch stabilen neutralen Stickstoff-Allotrope.
Die Längen der N–N-Bindungen lassen auf Doppelbindungscharakter schließen, während die zentrale Bindung zwischen den beiden N3-Einheiten länger und schwächer ist. Die elektronische Verteilung zeigt eine geringe Ladungstrennung, wodurch das Molekül insgesamt neutral bleibt und eine gewisse kinetische Stabilität aufweist. Computergestützte Analysen, insbesondere die Betrachtung des Elektronendichte-Laplacians und der Elektron-Positionsfunktion, zeigen, dass die Schwachstellen für eine Dissoziation im Bereich der zentralen Bindungen liegen. Dennoch ist die energetische Barriere für die Zersetzung in drei molekulare N2 ausreichend hoch (rund 14,8 kcal/mol), sodass das Molekül bei tiefen Temperaturen stabil genug existiert und sogar kurzfristig bei Raumtemperatur gefangen werden kann. Energetisches Potenzial und Bedeutung für Energiespeicherung Die enorme Energiedichte von Hexanitrogen rührt von der starken Exothermie bei der Zersetzung in molekulares Stickstoff her.
Die Energiefreisetzung pro Masseeinheit übertrifft die bekannter Energieträger wie Wasserstoff, Ammoniak oder hydrazin deutlich. So kann ein Kilotonnen-Vorrat an N6 theoretisch mehr als doppelt so viel Energie wie eine vergleichbare Menge TNT freisetzen, was ihn zu einem vielversprechenden Kandidaten für zukünftige hocheffiziente Energiespeichersysteme macht. Neben der reinen Energiemenge zeigt N6 eine gute detonationstechnische Performance in Computermodellen. Die berechnete Detonationsgeschwindigkeit und der Detonationsdruck liegen im Bereich bekannter, aber leistungsfähiger Explosivstoffe, wobei die Umweltverträglichkeit durch die emissionsfreie Zersetzung zu molekularem Stickstoff ein großes Plus darstellt. Bedeutung für Grundlagenforschung und Technologische Anwendungen Die erfolgreiche Synthese und Stabilisierung von Hexanitrogen hebt die Grenzen des Verständnisses zu stabilen neutralen Stickstoffverbindungen weit hinaus und widerlegt die lange gefasste Annahme, dass solche polynitrogenen Allotrope mit geradzahliger elektronischer Besetzung unweigerlich extrem instabil sind.
Dies ebnet nicht nur den Weg für das gezielte Design neuer polynitrogener Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften, sondern kann auch das Verständnis von molekularer Bindung und Elektronendynamik in ungewöhnlichen Regimen stärken. Praktisch gesehen könnten auf N6 basierende Materialien als Hochleistungsenergiespeicher dienen, welche bei Umschaltung nur Stickstoffgas freisetzen und somit keine toxischen oder umweltschädlichen Rückstände hinterlassen. Dies ist vor allem in Zeiten der Energiewende und der Suche nach nachhaltigen Energiespeicherlösungen ein attraktives Merkmal. Ausblick und Herausforderungen Obwohl die ersten Erfolge beeindruckend sind, steht die Weiterentwicklung von N6 und verwandten polynitrogenen Verbindungen vor Herausforderungen. Die Handhabung der Ausgangsmaterialien ist aufgrund ihrer extremen Empfindlichkeit und Explosivität heikel, weshalb sorgfältige Sicherheitsmaßnahmen bei der Synthese unabdingbar sind.
Zudem bleibt die Stabilisierung bei höheren Temperaturen ein Forschungsziel, um den praktischen Einsatz zu ermöglichen. Weitere Untersuchungen zur Herstellung größerer und stabilerer Stickstoffallotrope, sowie die Integration in komplexe Materialien, könnten zukünftig neue Energiespeicherkonzepte, Treibstoffe oder Antriebssysteme ermöglichen. Die Kombination aus experimenteller Chemie, Spektroskopie und anspruchsvollen theoretischen Berechnungen bleibt dabei der Schlüssel zum Erfolg. Zusammengefasst stellt die Entdeckung von C2h-N6 einen bedeutenden Fortschritt in der Chemie der Elemente dar, der weit über das Verständnis von Stickstoff hinausgeht. Das neuartige Molekül bringt eine neue Dimension in die Entwicklung hochenergetischer Materialien ein, deren Umweltverträglichkeit und Energieeffizienz wegweisend sein können für eine nachhaltigere Zukunft.
Die intensive Forschung und Weiterentwicklung dieser Klasse von Molekülen verspricht, langfristig innovative Lösungen für globale Herausforderungen im Bereich der Energie- und Materialwissenschaften zu bieten.
