Wybuchowy łańcuch

źródło: flickr; SiamEye (CC BY-NC-ND 2.0) ©2008

Azot, pośród wielu innych niezwykłych cech, charakteryzuje się tym, że w czystej formie, w której istnieje w cząsteczkach dwuatomowych, jest niezwykle stabilny. Wynika to z obecnego pomiędzy dwoma atomami azotu w takiej molekule potrójnego wiązania. Ta trwałość azotu w takiej formie oznacza, że w procesach rozpadu związków zawierających azot tworzenie azotu cząsteczkowego jest termodynamicznie preferowane – a w procesie tym uwalniane są też spore ilości ciepła. Nic dziwnego więc, że tak wiele spośród związków łatwo wybuchowych czy łatwopalnych zawiera azot: nitrogliceryna, nitroceluloza, TNT, proch, azotan (V) amonu (nawóz użyty do produkcji bomby, która obróciła w perzynę budynek FBI w Oklahomie w 1995 roku).

Niezwykle jednak efektywną metodą uzyskania wybuchowych związków byłoby stworzenie substancji, która zawiera wiele pojedynczych wiązań azot-azot. Takie związki mieć będą bowiem najbardziej korzystny bilans energetyczny, gdy szukamu substancji, która wyzwoli jak największe ilości ciepła w procesie rozpadu. Tworzenie związków z długimi łańcuchami azotowymi nie jest jednak proste i metody uzyskiwania ich nie są powszechnie znane, ani stosowane.

Dlatego tak wyjątkowym jest 1,1′-azobis(tetrazol), którego synteza została opisana niedawno w piśmie Inorganic Chemistry przez dwóch badaczy z uniwersytetu w Monachium. Jest to związek zbudowany niemal wyłącznie z azotu i posiadający w swej strukturze długi łańcuch 10 azotów.

W procesie syntezy niemieccy badacze wykorzystali reakcję sprzęgania soli diazoniowych. W reakcji tej dochodzi do sprzęgania (czy też po prostu łączenia) soli diazoniowych – związków aromatycznych z grupą N₂ – z innymi związkami aromatycznymi. W procesie tym związki ulegają sprzęgnięciu poprzez wiązanie -N=N-. Reakcja ta jest niezwykle ważna przy produkcji różnych barwników (np. czerwieni metylowej) oraz niektórych sulfonamidów…

W kontekście tej pracy, co ważniejsze, reakcja sprzęgania diazoniowego wykorzystywana jest też w syntezie azotetrazoli, azotriazoli i furazanów. W sierpniu ubiegłego roku grupa chemików z Pekińskiego Instytutu Technologicznego stosując także tę reakcją wyprodukowała 1,1′-azobis-1,2,3-triazol: związek bardzo zbliżony do tego uzyskanego przez Niemców, jednak zawierający łańcuch jedynie ośmiu azotów.

Co jest jednak bardziej zaskakujące, to to, że chiński związek był bardzo stabilny, zwłaszcza w porównaniu ze związkiem zsyntetyzowanym przez Niemców. Ten ostatni bowiem wybuchał w najmniej oczekiwanych momentach, jeśli tylko badacze nie obchodzili się z nim dość ostrożnie, niszcząc przy okazji różne elementy sprzetu laboratoryjnego. Aby uniknąć zniszczeń, naukowcy dokonywali wszystkich czynności nie mokrym związku, odparowując rozpuszczalnik już po umieszczeniu go w pojemniku, w którym na przykład miał być poddawany dalszej analizie.

Struktura związku uzyskanego przez Niemców na tle poniszczonego przez przypadkowe wybuchy szkła laboratoryjnego/ Za zgodą ACS: Klapoetke and Piercey, Inorg. Chem. 50(7): 2732 ©2011

Jeden z autorów udzielił na temat pracy wywiadu blogowi infiniflux. Na pytanie o najbardziej zwariowaną rzecz, która przytrafiła mu się w trakcie prac nad związkiem, odpowiedział (moje, dość swobodne tłumaczenie):

Pewnego razu tubka ramanowska [probówka, w której umieszcza się związek do analizy spektroskopią ramanowską-RM] była wypełniona suchym związkiem. Gdy odrobina substancji osunęła się po ściance tubki na dno, uderzając o spód uległa eksplozji. Bardziej jednak denerwujące było to, że pozostała część [oczyszczonego] związku, która znajdowała się 80 cm od miejsca wybuchu, musiała zostać uderzona jakimś odłamkiem i także wybuchła. Strasznie mnie to zirytowało; miałem już powoli dość powtarzania wciąż jednej i tej samej rzeczy. Przerzuciłem się więc na operowanie na mokrym związku i takie wypadki przestały się zdarzać.

Innymi słowy: uciekać, jeśli życie miłe. Urzekająca jednak jest odpowiedź na pytanie o to, co spowodowało, że zainteresował się badaniami nad związkami wybuchowymi. Język polski, obawiam się, nie oddaje uroku tej odpowiedzi:

Their inherent awesomeness…

Jak podkreślają jednak autorzy w publikacji, wątpliwe są sukcesy w syntezie związków o jeszcze dłuższych łańcuchach azotowych. Skoro przy przejściu od azotriazolu z 8 azotami do azotetrazolu z 10 azotami, przechodzi się od związku stabilnego do związku, który wybucha niemalże tylko od patrzenia na niego – przy dodaniu kolejnych dwóch atomów azotu możnaby oczekiwać substancji, która wybuchałaby od samego myślenia o niej. Innymi słowy, nawet jeśli istnieją metody pozwalające na syntezę takiego związku, marna szansa, żeby chemik syntetyk przeżył proces oczyszczania produktu (tu już kevlarowe rękawice ochronne mogą nie pomóc, jak w przypadku tetrazolu)…

Klapötke, T., & Piercey, D. (2011). 1,1′-Azobis(tetrazole): A Highly Energetic Nitrogen-Rich Compound with a N₁₀ Chain Inorganic Chemistry, 50 (7), 2732-2734 DOI: 10.1021/ic200071q