Stickstoff ist das wohl bekannteste Element in der Erdatmosphäre, das in Form von molekularem Stickstoff (N2) vorliegt. Bislang war N2 das einzige stabile, neutrale Stickstoffallotrop, das in der Natur existiert und intensiv erforscht wird. Die Herausforderung, andere neutrale Stickstoffallotrope jenseits von N2 zu synthetisieren, galt in der Chemie lange Zeit als nahezu unmöglich, da höhere polynitrogene Moleküle als extrem instabil gelten und schnell in Stickstoffmoleküle zerfallen. Doch die jüngste Synthese des neutralen Hexanitrogens C2h-N6 setzt dieser Vorstellung ein Ende und sorgt für Aufsehen in der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Dieser Fortschritt könnte weitreichende Auswirkungen auf zukünftige Energiespeichertechnologien und grüne Chemie haben.
Die Idee von polynitrogenen Stoffen als energiereiche Materialien basiert auf der Tatsache, dass bei der Zersetzung großer Stickstoffmoleküle in das sehr stabile N2 erhebliche Energiemengen freigesetzt werden. Diese Energieausbeute kann deutlich höher sein als die von heute gängigen Energieträgern wie Wasserstoff, Ammoniak oder gar Hydrazin. Zudem ist das Endprodukt der Zersetzung, nämlich molekularer Stickstoff, ungiftig, nicht brennbar und umweltfreundlich. Dennoch war die praktische Erforschung dieser Moleküle lange durch deren geringe Stabilität eingeschränkt. Das neuartige Hexanitrogen-Spezies C2h-N6 widerlegt dieses Bild, da es unter kontrollierten Bedingungen stabil genug ist, um nicht nur nachgewiesen, sondern auch isoliert zu werden.
Die Synthese von Hexanitrogen erfolgt durch die kontrollierte Reaktion von gasförmigem Chlor oder Brom mit Silberazid (AgN3) bei Raumtemperatur unter reduziertem Druck. Anschließend wird das entstehende N6-Molekül bei sehr niedrigen Temperaturen in Argonmatrizen bei 10 Kelvin eingefroren, um die hochreaktiven Spezies einzufangen und zu stabilisieren. Eine weitere Variante ist die Herstellung eines reinen N6-Films bei 77 Kelvin – der Temperatur von flüssigem Stickstoff – der die Stabilität des Moleküls unter noch weniger extremen Bedingungen demonstriert. Diese Methode ist bemerkenswert, weil sie eine Möglichkeit aufzeigt, äußerst instabile Moleküle unter behutsamen Bedingungen greifbar zu machen. Die Struktur des C2h-N6 Allotrops unterscheidet sich stark von einfachen N2-Molekülen.
Es handelt sich um ein neutrales Molekül mit sechs Stickstoffatomen, die in einer linearen, trans-konfigurierten Form mit einer C2h-Symmetrie verbunden sind. Dabei besitzen die N3-Gruppen eher Doppelbindungscharakter, während die zentrale N–N-Bindung eher einer Einfachbindung entspricht. Diese Anordnung führt zu einer unerwartet hohen kinetischen Stabilität trotz der inhärenten Energie und potentiellen Zerfallswege. Computergestützte Untersuchungen, unter anderem auf den Stufen CCSD(T)/cc-pVTZ, bestätigen nicht nur die Existenz des Moleküls als lokale Energie-Minimumstruktur, sondern zeigen auch, dass der Zerfallsübergangszustand zu molekularem Stickstoff relativ hohe Aktivierungsbarrieren aufweist. Dies bedeutet, dass das Hexanitrogen bei Raumtemperatur mit einer ausreichend langen Lebensdauer existieren kann, um experimentell beobachtet zu werden.
Spektralanalytische Techniken wie Infrarotspektroskopie und UV-Vis-Spektroskopie lieferten stichhaltige Beweise für die Existenz von N6. Die charakteristischen Schwingungsbänder, insbesondere im Bereich der asymmetrischen Streckschwingungen der Azid-Einheiten, wurden bei 2076,6 cm−1 sowie weiteren spezifischen Wellenzahlen nachgewiesen. Diese Signale verschwinden bei Bestrahlung mit 436 nm Licht, was auf die Zersetzung des Moleküls hinweist. Isotopenkennzeichnungen mit 15N erlaubten eine präzise Bestätigung der Molekülstruktur. Die UV-Vis-Spektren zeigten Übergänge, die exakt mit den theoretischen Berechnungen für N6 übereinstimmen, was den experimentellen Nachweis zusätzlich stärkte.
Ein weiterer entscheidender Aspekt der Forschung ist die Untersuchung der Detonationseigenschaften von N6. Relative Berechnungen der Dichte und der möglichen Energieausbeute legen nahe, dass N6 eine energiereiche Verbindung mit einer detonationstechnischen Leistung aufweist, die jene von TNT um das 2,2-fache übertrifft. Dadurch wird N6 zu einem potenziell äußerst leistungsfähigen Energieträger oder Sprengstoff, wobei der Vorteil darin liegt, dass die Zersetzung rein zu umweltfreundlichem Stickstoff erfolgt. Aufgrund der hohen Aktivierungsbarrieren bleibt das Molekül jedoch unter geeigneten Bedingungen ausreichend stabil, sodass es kontrolliert eingesetzt werden könnte. Die Herstellung von N6 erfordert sehr strenge Sicherheitsvorkehrungen, da sowohl Silberazid als auch halogenierte Azide extrem sensitiv und explosiv sind.
Die Reaktionen werden in kleinen Mengen und unter Schutzmaßnahmen gegen Explosionsgefahren durchgeführt. Das Handling erfolgt bevorzugt in Glasapparaturen mit reduzierter Füllmenge und kontrollierten Temperatur- sowie Druckbedingungen. Die anschließende Einfrierung in Argonmatrizen ermöglicht das beobachtbare Verweilen der Spezies, die sonst bei Raumtemperatur zu kurzlebig wäre. Diese bahnbrechende Synthese hat weitreichende Konsequenzen für mehrere Gebiete der chemischen Forschung und Materialwissenschaft. Die Entdeckung und Charakterisierung neutraler Stickstoffallotrope können unserer grundlegenden Kenntnis von chemischen Bindungsarten und molekularen Stabilitätsprinzipien neue Impulse verleihen.
Zudem eröffnet die Forschungsmethode neue Wege, instabile, hochreaktive Moleküle durch Matrixisolation in Kombination mit modernsten spektroskopischen Methoden greifbar zu machen. Für die Energiespeicherung und Entwicklung umweltfreundlicher Antriebe stellt N6 eine zukunftsweisende Verbindung dar. Da bei der Bindungsaufspaltung enorme Energiemengen freigesetzt werden, sind solche Stickstoff-allotropen als saubere Energiespeicher von großem Interesse. Die Tatsache, dass das Abbauprodukt ausschließlich aus harmlosem N2 besteht, macht diese Materialien besonders attraktiv im Vergleich zu fossilen Brennstoffen oder anderen chemischen Energiespeichern, die Schadstoffe freisetzen. Auch für zukünftige Hochleistungsanwendungen, wie in der Raketentechnologie oder im Bereich der Pyrotechnik, könnten solche polynitrogenen Verbindungen von großer Bedeutung sein.
Ihre hohe Energiedichte verbunden mit Umweltfreundlichkeit könnte die Art und Weise revolutionieren, wie wir Energie speichern und freisetzen. Neben den potenziellen praktischen Anwendungen stellt die Erforschung des neutralen Hexanitrogens C2h-N6 einen wichtigen wissenschaftlichen Durchbruch dar, mit dessen Hilfe langjährige theoretische Vorhersagen bestätigt und neue Hypothesen entwickelt werden können. Das Molekül ist das erste Beispiel eines neutralen, stabilen Stickstoffallotrops über N2 hinaus, dessen Existenz experimentell bewiesen wurde. Dies läutet möglicherweise eine neue Ära in der Chemie der polynitrogenen Verbindungen ein, die in den kommenden Jahren intensiv ergänzt und erforscht werden wird. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die erfolgreiche Synthese und Charakterisierung des Hexanitrogen C2h-N6 die Tür öffnet zu weitreichenden neuen Erkenntnissen und Anwendungen.
Das Molekül vereint hohe Energiedichte mit Umweltverträglichkeit und bietet neue Perspektiven für Energiespeichertechnologien und das Verständnis chemischer Stabilität. Angesichts der enormen Bedeutung von Stickstoff in natürlichen und technischen Prozessen ist diese Entdeckung ein Meilenstein, der weit über die Grenzen der akademischen Chemie hinaus Wirkung entfalten wird.
