Only Perception: 破壞某些最強化學鍵的新方法

2010-01-11

破壞某些最強化學鍵的新方法

New way to break some of the strongest chemical bonds
http://www.physorg.com/news180170164.html

By Lin Edwards, December 16, 2009

(PhysOrg.com) -- 美國 Cornell 大學的科學家發現一種在室溫、室內壓力中破壞二種最強化學鍵的方法，而這項突破能導致以低能製程製造含氮有機化合物。

化學系教授 Paul Chirik 開發出利用分子氮與一氧化碳製造氮-碳鍵的新方法，這種反應通常需要許多能量。N-C 鍵通常以氨水作為氮的來源，但這種反應也需要許多能量。Chirik 教授表示，氮與碳之間的鍵結可在絕大多數熱門藥物、肥料、殺蟲劑、尼龍以及每一個蛋白質中發現。

工業製程之所以使用氨水，因為要破壞分子氮中的三重鍵非常困難。氨水透過 Haber-Bosch 法製成，那在高溫、高壓下發生，而且所用的氫通常來自石化燃料。

二個氮原子被一個三重鍵結合在一起構成了分子氮（二氮，dinitrogen），那是目前最穩定的分子之一，因為它沒有帶正電或負電的末端，且原子間的鍵結強到難以破壞，另外 Chirik 表示 "要使它起反應很難。" 一氧化碳也因為強健的鍵結而超穩定，且不會與氮直接起反應。

在自然界中，分子氮由生物的酵素所「固定」，而其他化學家正在研究如何模仿此過程以製造氨水，那接著能提供有機化合物所需要的氮。Chirik 的反應繞過（bypasses）氨水這個過程，並使有機化合物能直接包含氮。

這個反應有二個步驟。第一個步驟使用一種金屬錯合物（hafnocene，鉿(hafnium) 的戊二烯化合物）與氮分子反應，破壞三鍵中的二鍵並形成一種中間化學物質，其組成為 N2 錯合在二個 hafnocenes 之間。在第二個步驟中，加入一氧化碳，並與這種中間複合物反應，破壞第三個 N-N 鍵，並形成新的 C-N 與 C-C 鍵。結果產生一種有機分子，草酸銨（oxamide，C2H4N2O2），那在添加酸後，從鉿錯合物中釋出。草酸銨是一種重要的緩效型肥料（緩釋肥料）。如果一氧化碳的數量發生變化，就會產生草酸銨之外的化合物。

此康乃爾反應並非催化反應，每劈開一個 N2 分子就會用掉一個 hafnocene 錯合物，且所創造的草酸銨數量仍不敷使用，故這種反應看起來仍不適合工業使用。 Chirik 表示他們正在研究 "如何去掉一些金屬"，讓 hafnocene 能夠重複使用。他們也嘗試理解同樣反應是否也能用來產生其他氮-有機化合物，以及錯合物能否使用鉿這種稀有金屬以外的金屬。

如果 Cornell 法在工業應用中變得可以實行，需求將十分龐大，不僅因為氮相當豐富，佔地球大氣的 78%，也因為 Chirik 的反應可在室溫與一般壓力中進行。

Chirik 的論文發表在 12/13 當期的 Nature Chemistry 期刊上。

※ 相關報導：

＊ Dinitrogen cleavage and functionalization by carbon monoxide promoted by a hafnium complex
http://www.nature.com/nchem/journal/v2/n1/full/nchem.477.html