Neuartige Stickstoff-Strukturen erzeugt

Überraschend vielseitig: Chemikern ist es gelungen, Stickstoffverbindungen mit ungewöhnlichen und neuartigen Strukturen zu erzeugen. Gemeinsam mit dem Seltenerdmetall Yttrium bildete das Element unter Hochdruck sternförmige Ringe sowie spiralförmige Ketten, die zusammen eine Doppelhelix bilden. Damit erweist sich Stickstoff unter Hochdruckbedingungen als ähnlich variabel in der Art seiner Bindungen wie das Element Kohlenstoff unter normalen Bedingungen – dies eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten.

In der Natur kommt Stickstoff nur in wenigen Bindungsvarianten vor. Dabei geht das Element bevorzugt Dreifachbindungen ein, die seine Außenschale komplettieren und daher energetisch günstig und besonders stabil sind. Typisches Beispiel dafür sind die in der Atmosphäre vorkommenden Stickstoffmoleküle (N₂), die nur schwer aufzubrechen sind. In Verbindungen wie Siliziumnitrid und Bornitrid bildet Stickstoff äußerst stabile, harte Feststoffe. Bornitrid ist sogar ähnlich hart wie Diamant.

Doch Stickstoff kann auch anders – wenn man ihn unter Hochdruck und Hitze dazu zwingt. Bereits im Jahr 2021 war es Chemikern gelungen, eine neuartige 2D-Struktur aus Stickstoff und Beryllium zu erzeugen.

Stickstoff und Yttrium unter Druck

Jetzt hat ein Team um Andrey Aslandukov von der Universität Bayreuth zwei weitere neuartige Verbindungsformen des Stickstoffs entdeckt. Für ihr Experiment setzten sie eine Mischung aus molekularem Stickstoff und dem Seltenerdmetall Yttrium in einer Diamant-Stempelzelle Drücken von bis zu 100 Gigapascal aus – dies ist ein rund eine Million Mal höherer Druck als in der Erdatmosphäre.
Gleichzeitig erhitzten sie die Proben auf rund 2.700 Grad Celsius.

Unter diesen Bedingungen kam es zu chemischen Reaktionen zwischen Yttrium- und Stickstoffatomen, die zu den Yttriumnitriden YN_₆ und Y_₂N_₁₁, führten. Mittels Einzelkristall-Röntgenbeugung stellten die Chemiker fest, dass diese Nitride eine ungewöhnliche molekulare Struktur zeigten. Dabei bildeten die Stickstoffatome untereinander kovalente Bindungen, zwischen die die Yttriumatome eingelagert waren.

Sternförmige Ringe und eine Doppelhelix

Das Überaschende jedoch: Die Stickstoffatome in den neuen Nitriden bilden ring- und spiralförmige Kristallstrukturen, die zuvor weder in Experimenten beobachtet noch in theoretischen Berechnungen vorhergesagt wurden. Im Yttriumitrid YN_₆ enthalten die Kristalle sternförmige Ringe aus Stickstoffatomenm, die auch als Makrozyklen bezeichnet werden. Dabei ist jeweils ein zentrales Yttriumatom von einem Ring aus 18 Stickstoffatomen umgeben.

Noch ungewöhnlicher ist die Struktur der neuartigen Y_₂N_₁₁-Kristalle: In ihnen bilden jeweils zwei spiralförmig gewundene Ketten von Stickstoffatomen zusammen eine Doppelhelix – eine Struktur ähnlich der unserer DNA. „Solche anorganischen Doppelhelices sind in der Chemie extrem selten“, erklären Aslandukov und seine Kollegen.

Potenzial für kohlenstoffähnliche Vielfalt

Die beiden Hochdruck-Nitride demonstrieren, dass Stickstoff vielseitigere Strukturen bilden kann als lange angenommen. Gleichzeitig ähneln die neuen Nitride vielen typischen Strukturen, die Kohlenstoff unter normalen Bedingungen bildet. „In der organischen Chemie sind ring- und spiralförmige Kohlenstoffverbindungen von zentraler Bedeutung“, erklärt Aslandukov. „Unsere Hochdrucksynthese von Y_₂N_₁₁ ist ein erneuter Beleg dafür, dass Stickstoff grundsätzlich das Potenzial hat, solche Struktureinheiten zu bilden.“

Die Entdeckung der neuartigen Polynitride könnte nun den Weg zu einer ganzen Klasse solcher ungewöhnlicher Stickstoffverbindungen ebnen. „Möglicherweise sind wir in der Hochdruckforschung nicht mehr weit davon entfernt, Polynitride zu synthetisieren, die eine heute noch ungeahnte strukturelle Vielfalt aufweisen“, sagt Seniorautorin Natalia Dubrovinskaia von der Universität Bayreuth. „Dies wäre der Beginn eines neuen Zweigs der Chemie: der organischen Stickstoffchemie unter hohen Drücken.“ (Angewandte Chemie International Edition, 2022; doi: 10.1002/anie.202207469)

Quelle: Universität Bayreuth