Die Chemie des Stickstoffs, einem der häufigsten Elemente in der Erdatmosphäre, hat in den letzten Jahrzehnten immer wieder für Überraschungen gesorgt. Unter normalen Bedingungen ist molekularer Stickstoff (N2) das stabilste und häufigste Allotrop des Elements und bildet rund 78 Prozent der Luft. Seit langem gilt Stickstoff aufgrund seiner starken Dreifachbindung als chemisch inert und relativ unreaktiv. Dennoch fasziniert die wissenschaftliche Gemeinde die Suche nach neutralen Stickstoff-Allotropen jenseits von N2. Diese polynitrogenen Verbindungen versprechen eine revolutionäre Rolle in der Hochenergie-Chemie, insbesondere im Bereich der sauberen Energiespeicherung und potentieller neuer Sprengstoffe mit hoher Energiedichte.
Bis vor kurzem galt die Synthese eines neutralen Stickstoff-Mehrfachmoleküls als extrem schwierig, wenn nicht sogar unmöglich. Die jüngst publizierte Forschung im renommierten Fachjournal Nature von Weiyu Qian, Artur Mardyukov und Peter R. Schreiner schafft hier eine bedeutende Ausnahme. Sie präsentieren erstmals die kontrollierte, raumtemperaturbasierte Synthese eines neutralen Hexanitrogens mit der molekularen Formel C2h-N6. Das Interesse an neutralen polynitrogenen Molekülen rührt daher, dass diese ein hohes energetisches Potenzial besitzen.
Sie können große Mengen an Energie freisetzen und zerfallen dabei rückstandslos zu elementalem Säulenstickstoff (N2), einem ungiftigen und umweltfreundlichen Produkt. Demgegenüber sind viele derzeitige Energiespeichermaterialien oder Treibstoffe, etwa Wasserstoff, Ammoniak oder Hydrazin, mit Schwierigkeiten hinsichtlich Sicherheit, Lagerung und Umweltbelastung behaftet. Die Entwicklung neutraler polynitrogene Stoffe öffnet daher Türen für umweltfreundlichere und leistungsstärkere Energiespeicher. Die Herausforderung liegt jedoch in der extremen Instabilität dieser Mehrstickstoffmoleküle. Molekulare Verbindungen mit mehr als zwei Stickstoffatomen sind meist hoch reaktiv und neigen dazu, spontan in das stabile N2 zu zerfallen.
Dies machte bisher die Isolierung neutraler Allotrope jenseits des zweiatomigen Stickstoffs kaum möglich. Früher konnten lediglich radikalische Spezies wie das Azidradikal (•N3) und das Tetranitrogen (N4) unter speziellen gasphasenanalytischen Bedingungen nachgewiesen werden. Derartige molekulare Formen existieren jedoch meist nur kurzzeitig und in äußerst niedrigen Konzentrationen. Das in Nature vorgestellte Forschungsteam um Qian und Kollegen hat eine neuartige Methode entwickelt, um Hexanitrogen (N6) in gut definierter, neutraler Form herzustellen. Dabei reagierten Chlor- oder Bromgas mit Silberazid (AgN3) in der Gasphase bei Raumtemperatur.
Der entstehende gasförmige N6 wurde anschließend mithilfe einer Matrixisolationstechnik bei extrem tiefen Temperaturen von 10 Kelvin in Argon-Matrizen eingefroren und stabilisiert. Zusätzlich konnten die Wissenschaftler N6 als reines Film bei Flüssigstickstoff-Kälte (77 Kelvin) gewinnen und so dessen Stabilität unter relativ milden kryogenen Bedingungen bestätigen. Die molekulare Struktur des N6 wurde detailliert mithilfe von Infrarotspektroskopie, UV-Vis-Spektroskopie und Isotopenmarkierung mit ^15N-Nukliden charakterisiert. Diese experimentellen Daten stimmen hervorragend mit hochauflösenden quantenchemischen Berechnungen (ab initio) überein, welche Struktur, Bindungslängen und energetische Barrieren beschrieben. Das Hexanitrogen-Molekül besitzt eine C2h-Symmetrie und eine offene, acyclische Struktur, bei der zwei N3-Einheiten verbunden sind.
Die Bindungslängen deuten auf Doppelbindungen an, was zu einer höheren Stabilität beiträgt. Die mittlere Bindung zwischen den beiden N3-Moiten ist dabei eine schwache Einfachbindung, deren Bruch eine hohe Aktivierungsenergie benötigt. Die Computermodelle zeigten, dass der Zerfall von N6 in drei molekulare N2 sehr exotherm ist und dabei enorme Energie freisetzt. Die Aktivierungsbarriere für diesen Zerfall liegt jedoch bei rund 14,8 kcal/mol, was N6 eine kinetische Stabilität verleiht. Quantenmechanische Tunnelprozesse, die bei ähnlichen polynitrogenen Strukturen oft zu einer schnellen Zersetzung führen, spielen bei N6 eine untergeordnete Rolle, was zu einer bemerkenswerten Lebensdauer auch bei höheren Temperaturen führt.
Die Halbwertszeit des Moleküls beträgt selbst bei 77 Kelvin über hundert Jahre, bei Raumtemperatur noch Millisekunden, genügend Zeit zur Isolation und Analyse. Neben den strukturellen und spektroskopischen Untersuchungen haben die Wissenschaftler auch die energetischen Eigenschaften von N6 evaluiert. Die Dichte des hypothetischen kristallinen N6-Materials wurde anhand computergestützter Methoden geschätzt und in Relation zu bekannten Sprengstoffen wie TNT oder HMX gesetzt. Trotz einer etwas geringeren Dichte als TNT zeigt N6 aufgrund seiner hohen Zersetzungsenthalpie eine überlegene Detonationsleistung, was es zu einem vielversprechenden Hochenergie-Material macht. Für die praktische Synthese wurde Silberazid als Ausgangsstoff ausgewählt, da es als zuverlässige Quelle für Azidkomponenten dient.
Die Reaktion des gasförmigen Halogens (Cl2 oder Br2) mit festem AgN3 unter vermindertem Druck führte zur Bildung verschiedener Stickstoffhalogenverbindungen und daneben auch zum gesuchten neutralen N6 Molekül. Durch Matrixisolationsmethoden in argonreichen Umgebungen konnte N6 in situ beobachtet und untersucht werden. Die dabei entstehenden Spektren weisen charakteristische Banden auf, die mit theoretischen Berechnungen korrespondieren und von den Autoren detailliert interpretiert wurden. Die Bedeutung dieser Entdeckung ist vielschichtig. Zum einen stellt die erstmalige Herstellung eines neutralen Stickstoff-Allotropen eng verwandt zum Hexanitrogengerüst einen paradigmatischen Fortschritt in der anorganischen Chemie dar.
Sie entkräftet langjährige Annahmen über die Unmöglichkeit oder extreme Kurzlebigkeit solcher Moleküle. Zum anderen eröffnet die Arbeit neue Möglichkeiten für die Entwicklung sicherer, leistungsstarker und umweltfreundlicher Energiespeicher und -träger. Zudem liefert sie ein wertvolles Modell für das Verständnis von Bindungsstrukturen und Reaktivitäten in polynitrogenreichen Verbindungen. Darüber hinaus regt die Forschung zur Synthese neutraler Stickstoffallotrope das Feld an, weiter nach noch größeren polynitrogenen Molekülen zu suchen und diese gezielt herzustellen. Die Kombination von moderner Gasphasenchemie, fraktionierter Photolyse, Matrixisolationsmethodik und hochpräziser quantenchemischer Analyse bietet einen erfolgreichen Ansatz, der auch auf andere schwierige Systeme übertragbar ist.
In Hinblick auf die praktischen Anwendungen bedarf es allerdings noch weiterer Untersuchungen zur Skalierbarkeit der Synthesemethode sowie zur Stabilität und Handhabung der Materialien unter realen Bedingungen. Die Autoren weisen ausdrücklich auf die Gefahren hin, die mit der Handhabung von Silberazid und Halogenaziden verbunden sind, da diese Substanzen äußerst explosiv und empfindlich gegenüber Reibung und Licht sind. Daher bleiben Sicherheit und Vorsicht zentrale Aspekte bei der Weiterentwicklung solcher Hochenergie-Verbindungen. Die Erforschung und Herstellung des neutralen Hexanitrogens C2h-N6 ist damit ein Meilenstein für Energiechemie, Materialwissenschaft und theoretische Chemie. Sie verbindet experimentelle Brillanz mit rechnerischer Präzision und öffnet neue Horizonte, um die vielfältigen Potenziale des Elements Stickstoff jenseits seiner stabilsten bekannten Form N2 zu entfalten.
Dies markiert den Beginn einer neuen Ära, in der Stickstoff-Allotrope als leistungsfähige, nachhaltige Alternativen in Energiespeichern, Raketentreibstoffen und Hochleistungsmaterialien betrachtet werden können.
