L’ammoniaca, una delle sostanze chimiche più prodotte al mondo, potrebbe presto essere utilizzata in modo più efficiente e sostenibile grazie a una scoperta rivoluzionaria nel campo della catalisi. Ricercatori del KIT hanno sviluppato un sistema innovativo che utilizza elementi del gruppo principale per attivare e trasferire cataliticamente l’ammoniaca, aprendo nuove strade per la produzione di composti a base di azoto.
Il ruolo cruciale dell’ammoniaca
Un composto chimico fondamentale
L’ammoniaca (NH3), composta da azoto e idrogeno, è essenziale nella creazione di numerosi composti a base di azoto. La sua capacità di trasformarsi in ammine, derivati organici dell’ammoniaca, è particolarmente richiesta in vari settori.
Applicazioni delle ammine
Le ammine sono impiegate come blocchi fondamentali nella produzione di prodotti chimici agricoli e farmaceutici, nonché in sostanze detergenti, coloranti, lubrificanti e rivestimenti. Inoltre, sono utilizzate come catalizzatori nella produzione di poliuretani e nei sistemi di purificazione dei gas nelle raffinerie e nelle centrali elettriche.
La sfida dell’attivazione dell’ammoniaca
Rompere il legame azoto-idrogeno
Attivare l’ammoniaca, ovvero rompere il forte legame tra azoto e idrogeno, permetterebbe teoricamente di trasferirla ad altre molecole, come gli idrocarburi insaturi. Il trasferimento di ammoniaca all’etilene, per esempio, porterebbe alla formazione di etilammina, un processo noto come idroaminazione.
La catalisi senza metalli di transizione
Tuttavia, l’ammoniaca e l’etilene non reagiscono facilmente tra loro e per far avvenire la reazione è necessario un catalizzatore. I catalizzatori convenzionali, basati su metalli di transizione, reagiscono con l’ammoniaca diventando inattivi. Il team di ricerca del KIT, in collaborazione con l’Università di Paderborn e l’Università Complutense di Madrid, ha sviluppato un sistema che non si basa su metalli di transizione, ma su elementi del gruppo principale.
Un processo economico e sostenibile
Il processo di attivazione e trasferimento dell’ammoniaca ideato dai ricercatori non produce rifiuti, risultando particolarmente interessante in termini di sostenibilità. Il team ha creato una cosiddetta coppia di Lewis frustrata (FLP), composta da un acido come accettore di coppie di elettroni e una base come donatore. Normalmente, questi due reagirebbero tra loro formando un addotto, ma impedendo o limitando la formazione di questo addotto, si crea una situazione “frustrata” che rende la molecola pronta a reagire con piccole molecole, come l’ammoniaca.
Reversibilità e catalisi
È fondamentale moderare la reattività in modo che la reazione con piccole molecole sia reversibile. Solo in questo modo è possibile utilizzare una FLP in catalisi. I ricercatori sono stati i primi a raggiungere questo obiettivo con l’ammoniaca come substrato. La FLP ha dimostrato di reagire facilmente con l’ammoniaca non acquosa in modo termoneutro e di scindere reversibilmente il legame azoto-idrogeno dell’ammoniaca a temperatura ambiente.
Per la prima volta, vengono presentate reazioni di trasferimento di NH3 catalizzate da un catalizzatore basato su elementi del gruppo principale. Sebbene finora siano stati convertiti solo substrati attivati e non idrocarburi insaturi, questo rappresenta un passo significativo verso la “reazione dei sogni” dei chimici. Si prevede che questa prima prova di principio innescherà ulteriori ricerche sull’uso dell’ammoniaca attivata come fonte di azoto facilmente disponibile e sostenibile.
