Chemisch betrachtet ist dieser gasförmige Stickstoff ein ziemlich toter Hund. Man muss viel Energie reinstecken, damit man die sehr stabile Dreifachbindung zwischen den Stickstoffatomen knacken kann. So etwa beim Haber-Bosch-Verfahren, bei dem Stickstoff und Wasserstoff mit Hilfe eines Katalysators in Ammoniak umgewandelt werden. Mehr zum Stickstoff gibt es in diesem Beitrag hier auf Faszination Chemie.

Während beim Phosphor, einem anderen Element der Stickstoffgruppe, zahlreiche Modifikationen (Allotrope) wie weißer, schwarzer, roter oder violetter Phosphor bekannt sind, wurde bei Stickstoff bislang vergeblich nach weiteren Modifikationen gesucht. Bis jetzt.

„Das freut mich sehr, weil die Chemie oft ganz schlecht in der Öffentlichkeit dargestellt wird. Dass die Öffentlichkeit natürlich auf Überschriften wie ‚stärkster nichtnuklearer Sprengstoff‘ abfährt, ist in der heutigen militärisch geprägten Zeit leider ein notwendiges Übel. Unsere Entdeckung hat aber eine Tür aufgemacht, um weiterzudenken, was man mit Stickstoff noch machen könnte“, sagt der Leibniz-Preisträger von 2024 und nennt zwei sinnvolle Anwendungen: „Wenn wir Hexastickstoff sicher handhabbar machen und hochskalieren können, dann ist das die beste Energiespeichermöglichkeit, die wir uns vorstellen können. Es kann darüber hinaus auch ein fantastischer Raketentreibstoff sein.“

Über den zeitlichen Horizont macht sich der 59-jährige Wissenschaftler keine Illusionen: „Wir haben einen Forschungshorizont von drei bis fünf Jahren vor uns, wo wir die grundsätzlichen Charakteristika dieses neuen Stoffs so bestimmen können, dass wir sehen können, welche Anwendungen tatsächlich möglich sind.“

Prof. Peter R. Schreiner ist von Hause aus eigentlich der organischen Chemie zugewandt und gilt als ein Vorreiter bei der „grünen“ Chemie. Er gehört zu den Pionieren der Organokatalyse, bei der metallhaltige durch umweltschonende organische Katalysatoren ersetzt werden. „Als Organiker muss man natürlich ein bisschen in sich selbst hineinlachen, wenn man etwas publiziert, das toll ankommt in der Welt und das weder Kohlenstoff noch Wasserstoff enthält. Und dass unsere Erfindung sicherlich Eingang in die Bibel der Anorganik, dem Hollemann-Wiberg finden wird, ist auch etwas Besonderes“, schmunzelt Prof. Schreiner, der schon immer forschender Chemiker werden wollten. „Die Chemie ist sozusagen zu mir gekommen, nicht ich zu ihr. Ich bin der klassische Chemie-Kasten-Set-Chemiker und hatte einen extrem guten Chemielehrer. Die Chemie war immer ein sehr zugängliches Fach für mich. Als Chemiker habe ich mich aber nie in der chemischen Industrie gesehen, sondern wollte immer frei forschen.“

Peter Schreiner sieht die Herstellung von N₆ nicht als Entdeckung, vielmehr als Erfindung. Entsprechend sind die Struktur selbst, der Darstellungsweg und die Anwendung patentiert. Und vielleicht bedurfte es erst eines „fachfremden“ Chemikers mit physikalisch-organischen Hintergrund, um eines der größten Rätsel der anorganischen Chemie zu lösen. Die erfolgreiche Synthese der neuen Stickstoff-Modifikation verbindet Schreiner daher auch mit einer wichtigen Kernbotschaft: „Unsere Hauptgruppenforschung zeigt: Es gibt noch ganz viel Grundlegendes zu entdecken. In der Chemie gibt es viele kleine Moleküle, deren Eigenschaften noch nicht ausreichend erforscht sind. Wir haben ganz grundsätzlich eine Tür aufgestoßen. Die war vorher fest versperrt. Da sind viele Leute vorher dagegen gerannt und haben sich eine blutige Nase geholt.“

Der Grund könnte aus seiner Sicht vor allem an der falschen Herangehensweise liegen: „Ich versuche immer, konzeptionell über Moleküle nachzudenken. Nicht über ein spezielles Molekül, sondern eher über Regeln, wie Moleküle sich verhalten. Ich habe mir die Frage gestellt, warum es bisher nicht gelungen ist, N₆ zu machen oder ein Stichstoffallotrop jenseits des N₂.“ Seine Antwort darauf ist: „Alle haben sich leiten lassen von der Symmetrie und der Schönheit der Moleküle. Man hat bei N₄ gedacht, das müsse ein Quadrat oder ein Tetraeder sein. Bei N₆ sagten alle, das müsse zyklisch sein wie Benzol. 

Das Problem ist, dass in diesen Strukturen instabile N₂-Einheiten sitzen. Ich brauche diese nur durch eine symmetrische, zentrische Streckung ein bisschen auseinanderziehen und das Molekül zersetzt sich sofort. Mein Gedanke war, dass alle Verbindungen mit erkennbaren Stickstoffpaaren einfach nicht stabil genug sein würden und schnell wieder zerfallen, weil der Stickstoff in seine Lieblingsform zurückwill. Deshalb wurde bislang auch noch kein N₄ hergestellt. Im N₆ aber arrangieren sich die Stickstoffatome linear in zwei Dreiergruppen – stabil genug, um nachweisbar zu sein.“

Die Herstellung des Supermoleküls klingt zunächst relativ einfach. Sie erfolgt durch eine Gasreaktion von Silberazid (AgN3 ) mit Halogenen wie Chlor oder Brom bei Raumtemperatur. „Die Synthese erfordert aber eine präzise Steuerung der Reaktionsbedingungen, insbesondere die Kontrolle der Temperatur und des Drucks, um die Bildung von N₆ zu ermöglichen und seine Zerbrechlichkeit zu minimieren. Dabei ist darauf zu achten, die Reaktion in einer kontrollierten Umgebung durchzuführen und die entstehende Verbindung sofort in bei sehr niedrigen Temperaturen, etwa bei minus 269 °C, einzufangen“, beschreibt Prof. Schreiner. 

Vor der Veröffentlichung musste das Team, zu dem außer Schreiner noch Dr. Artur Mardyukov und Weiyu Qian vom Institut für Organische Chemie der JLU gehören, nachweisen, dass es sich wirklich um Hexastickstoff und nicht etwa um einen Messfehler handelt. Das Team konnte das Molekül mit verschiedenen Methoden nachweisen. 

Zur Messung der Lichtabsorption nutzten die Chemiker eine Kombination von Infrarot- und UV/Vis-Spektroskopie. „Wir wussten natürlich, das ist kein Dreck. Zum Beweis mussten wir aber Isotopen-markiertes Silberazid selber herstellen und das ist wirklich anstrengend. Das Isotopenmuster hat im Infrarot aber perfekt mit der Berechnung übereingestimmt“, erinnert sich Prof. Schreiner mit Stolz an den Moment des endgültigen Nachweises von Hexastickstoff.

Für den Forscher ist diese Synthese ein wichtiger Meilenstein für die Hauptgruppenelement-Forschung: „Die Hauptgruppenchemie ist doch nicht ganz so gut erforscht wie gedacht. Aber da nun auch andere Arbeitsgruppen unseren Syntheseweg nachmachen können, dürfte relativ viel Neues passieren in nächster Zeit. Konkurrenz ist in der Grundlagenforschung unglaublich wichtig. Es ist immer toll zu sehen, wenn andere Ideen reinkommen, und man sich sagt, warum hast du da nicht selber dran gedacht? Das finde ich wahnsinnig befruchtend“, ist Prof. Peter Schreiner sehr gespannt auf weitere Forschungsergebnisse.

Der vielfach ausgezeichnete Wissensvermittler will daher auch die junge Generation ermutigen, Naturwissenschaften zu studieren. „Wenn ich daran interessiert bin, zu verstehen, wie die Natur funktioniert, dann muss ich die Naturwissenschaften studieren. Allen voran diejenige, die die molekulare Ebene betrachtet, die Chemie. Und alle Probleme, die wir heute betrachten, können nur mit, nicht ohne oder gar gegen die Chemie gelöst werden: Klimawandel, Ernährung, Medizin. Das sind die großen Herausforderungen. Und das geht nur mit Chemie. Ich finde es furchtbar, dass viele Leute nicht verstehen, wie unglaublich wichtig unser Fach ist. Und ich sage denen immer, die Chemie ist so lange schlecht, bis man in die Apotheke rennt und dann froh ist, dass es irgendwas gibt, was einem hilft.“

Für den Gießener Chemieprofessor und ehemaligen GDCh-Präsidenten ist entscheidend, die Erkenntnisse aus den Naturwissenschaften zum Wohl der Menschen einzusetzen und dabei in der Forschung Wege zu gehen und Möglichkeiten auszuloten, an die bisher noch niemand gedacht hat. „Für mich geht es am Ende der Wissenschaft immer darum, wie Neues in die Welt kommt. Wie kann ich mich zwingen, so zu denken, wie kein anderer gedacht hat. Ich kenne viele Leute, die über viele Themen sehr viel wissen und dann trotzdem keine großen Entdeckungen machen. Weil sie sagen, das hat schon vor 30 Jahren jemand probiert und das ging nicht. Das ist total abwegig. Wir wussten bei Hexastickstoff gerade genug, dass wir eins und eins zusammenzählen konnten und am Ende gesagt haben, jetzt probieren wir das einfach. Ich glaube, es ist wichtig, dass man immer wieder an den Rändern des eigenen Fachs schaut und mutig mit produktivem Halbwissen Versuche durchführt, die manchmal erfolgreich sind.“