In der Welt der chemischen Elemente und ihrer vielfältigen Erscheinungsformen nimmt Stickstoff eine ganz besondere Stellung ein. Mit knapp 78 Prozent Anteil in der Erdatmosphäre ist molekularer Stickstoff (N2) lebenswichtig und zugleich nahezu reaktionsträge, was auf seine starke Dreifachbindung zurückzuführen ist. Dennoch stellt die Suche nach höher organisierten, neutralen Stickstoffverbindungen – sogenannten Allotropen – eine der faszinierendsten Herausforderungen der modernen Chemie dar. Die Synthese und Stabilisierung solcher polynitrogenhaltiger Moleküle verspricht nicht nur neue wissenschaftliche Erkenntnisse, sondern auch die Entwicklung hocheffizienter und umweltverträglicher Energiespeichermaterialien. In diesem Kontext steht die bahnbrechende Herstellung von Hexanitrogen C2h-N6, einem neutralen Stickstoffallotrop jenseits des stabilen Di-Stickstoffs, im Fokus der Forschung und der öffentlichen Aufmerksamkeit.
Bislang waren neutrale Stickstoff-Allotrope mit einer Molekülgröße größer als N2 extrem instabil und konnten weder isoliert noch detailliert charakterisiert werden. Dies lag insbesondere an ihrer hohen Reaktionsfreudigkeit und kurzen Lebensdauer, was sie für praktische Anwendungen unzugänglich machte. Die nun im Jahr 2025 erstmals erfolgreich synthetisierte Molekülform Hexanitrogen mit der charakteristischen C2h-Symmetrie, kurz N6 genannt, widerlegt jedoch diese Annahmen und stellt ein Beispiel für eine neutrale polynitrogene Spezies dar, die selbst bei Raumtemperatur hergestellt und bei tiefen Temperaturen, beispielsweise im Argon-Matrix-Isolationsverfahren bei zehn Kelvin, stabil gehalten werden kann. Die Fähigkeit, N6 als reines Filmmaterial bei flüssigem Stickstoff (-196 °C) herzustellen, belegt seine bemerkenswerte Stabilität und eröffnet Perspektiven für künftige technische Anwendungen. Die Synthese von N6 basiert auf einer innovativen Gasphasenreaktion zwischen Halogenen (Chlor oder Brom) mit Silberazid (AgN3) unter vermindertem Druck.
Silberazid gilt als hervorragender Reagenzträger für Azide und konnte in dieser Reaktion als Ausgangspunkt für die Erzeugung von größeren Stickstoffmolekülen genutzt werden. Das experimentelle Vorgehen ermöglichte die Bildung der Hexanitrogen-Moleküle, die durch direkte Abscheidung in kryogenen Argonmatrizen eingefangen und anschließend mittels Infrarot- und UV-Vis-Spektroskopie untersucht wurden. Die charakteristischen Schwingungsbanden zeigten deutlich die Präsenz von N6 und konnten durch Isotopenmarkierungsexperimente mit ^15N zusätzlich verifiziert werden, was den Nachweis zweifelsfrei bestätigte. Die spektroskopische Auswertung offenbart spezifische Vibrationen des Moleküls, welche durch moderne theoretische Berechnungsmethoden unterstützt werden. Durch Kombination von Dichtefunktionaltheorie (DFT) und hochpräzisen ab initio Methoden wie CCSD(T) konnten die experimentellen Daten mit simulierten Schwingungsspektren nahezu perfekt in Einklang gebracht werden.
Besonders auffällig sind die langen Bindungslängen in den N3-Fragmenten des Moleküls, die auf Doppelbindungscharakter schließen lassen – ein für Stickstoff ungewöhnliches Phänomen, das zur Stabilität des Gesamtsystems beiträgt. Darüber hinaus wurde durch detaillierte Analyse der Elektronendichteverteilung und der elektronischen Struktur mittels Natural Bond Orbital (NBO) und Elektron-Lokalisierungsfunktion (ELF) festgestellt, dass das Hexanitrogen-Molekül keine stark polarisierte Ladungsverteilung aufweist. Die Ladungen an den einzelnen Atomen liegen in einem neutralen Bereich, was zu einer geringeren Reaktivität des Moleküls führt. Dieses Ergebnis erklärt auch, warum N6 im Gegensatz zu bisherigen Annahmen eine ausreichende kinetische Stabilität besitzt, um bei Raumtemperatur hergestellt und eingefangen zu werden. Auf energetischer Ebene trennt N6 zwischen thermodynamischer und kinetischer Stabilität.
Seine Zerfallsreaktion in drei Moleküle N2 ist thermodynamisch stark begünstigt und setzt eine enorme Energiemenge frei – mit berechneten Enthalpiewerten von etwa 185 kcal/mol exotherm. Dies entspricht einer etwa doppelt so hohen Energiefreisetzung pro Gewichtseinheit wie bei klassischem TNT, einem der bekanntesten konventionellen Explosivstoffe. Übertroffen wird dieser Wert kaum von anderen bekannten Stickstoffverbindungen, was N6 zu einem potenziellen Super-Energiematerial macht. Gleichzeitig liegt die Aktivierungsbarriere für den Zerfall bei circa 14,8 kcal/mol, was eine messbare Lebensdauer des Moleküls erlaubt. Mithilfe quantenmechanischer Tunnel-Effekt-Berechnungen wurde bestätigt, dass der Zerfall durch mikroskopische Tunnelprozesse kaum beschleunigt wird, sodass N6 auch bei tiefen Temperaturen signifikant stabil bleibt.
Bei 77 Kelvin, der Temperatur von flüssigem Stickstoff, kann N6 eine Halbwertszeit von Jahren erreichen und bei Raumtemperatur immerhin Millisekunden, ausreichend für die praktische Detektion und Nachweis im Experiment. Die Bedeutung dieser Entdeckung ist vielfältig. Zum einen wird die lange bestehende Annahme, dass neutrale Stickstoffpolymere über N2 hinaus nicht stabil isolierbar seien, widerlegt. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, weitere Stickstoff-Allotrope mit potenziell neuen physikalischen und chemischen Eigenschaften zu erkunden. Zum anderen bietet N6 durch seine hohe Energiemenge bei der Zersetzung eine Perspektive für die Entwicklung sauberer Hochleistungsenergiematerialien ohne schädliche Abbauprodukte.
Die Zerlegung erfolgt ausschließlich zu molekularem Stickstoff, einem umweltfreundlichen und ungefährlichen Gas. Die Herstellung des neutralen Hexanitrogenmoleküls ist auch ein Meilenstein hinsichtlich der präparativen Chemie. Die Möglichkeit, polynitrogene Spezies in reiner Form und ohne jegliche Ladung darzustellen, öffnet Wege für neue Synthesestrategien und die systematische Untersuchung von deren Reaktivitäten und Bindungsstrukturen. Zudem ermöglichen die optischen und spektralen Eigenschaften tiefere Einblicke in die elektronischen Übergänge solcher ungewöhnlicher Moleküle. Neben den experimentellen Erkenntnissen wurden umfangreiche Berechnungen zum Kristallbau von N6 durchgeführt, um weitere Eigenschaften wie Dichte und detonationsrelevante Parameter abzuschätzen.
Die errechneten Werte zeigen, dass N6 eine vergleichbare Dichte von etwa 1,5 g/cm³ besitzt, was gerade im Bereich von bekannten Explosivstoffen liegt. Kamlet-Jacobs-Formeln prognostizieren Detonationsgeschwindigkeiten von über 8900 m/s und Drücke von rund 31,7 GPa, was dessen Potenzial als hocheffizienter Energiespender unterstreicht. Die Synthese und der Nachweis von N6 sind nicht nur ein Triumph der chemischen Experimentierkunst, sondern besitzen auch wegweisende technologische Bedeutung. Angesichts der weltweiten Suche nach nachhaltigen Energiequellen, die hohe Energiedichten aufweisen und gleichzeitig umweltverträglich sind, könnte das neue Stickstoffallotrop zukünftig als Energiespeicher oder Hochleistungsmaterial in Raketentechnologie, Sprengstoffen oder Energiespeicherung Anwendung finden. Nicht zuletzt stellt die Arbeit an N6 auch einen Paradigmenwechsel im Verständnis von molekularer Stickstoffchemie dar.
Sie zeigt, dass trotz der inhärenten Instabilität von mehratomigen Stickstoffverbindungen neue Verbindungen mit ausreichender kinetischer Stabilität realisierbar sind. Die Forschung legt nahe, dass durch kluge molekulare Designs und die Berücksichtigung quantummechanischer Effekte neue Klassen von Verbindungen möglich sind, die bisher für unmöglich gehalten wurden. Zukünftige Forschungsrichtungen könnten sich darauf konzentrieren, größere Stickstoffpolymere oder zyklische Allotrope mit noch komplexeren Eigenschaften zu synthetisieren und deren Potenzial in Technologie und Wissenschaft besser zu verstehen. Die Kombination von experimentellen Techniken wie Matrix-Isolationsspektroskopie mit fortgeschrittenen theoretischen Modellen bietet dabei eine leistungsfähige Plattform. Die Entdeckung von C2h-N6 hebt auch die Bedeutung von reinem Stickstoff als vielseitiges Element hervor.
