Fijación de nitrógeno

El nitrógeno molecular (dinitrógeno, N = N) constituye aproximadamente el 78 por ciento de la atmósfera. Es la especie diatómica menos reactiva conocida. Curiosamente, sin embargo, el nitrógeno es necesario para toda la vida; se usa para construir proteínas y ADN. Por lo tanto, el dinitrógeno debe convertirse en una molécula que las plantas puedan asimilar fácilmente. Esa molécula es amoniaco, NH3.

Antes de la Primera Guerra Mundial, se descubrió el proceso Haber-Bosch catalizado con hierro para la síntesis de amoníaco a altas temperaturas (350 a 550 ° C) y presiones (150 a 350 atmósferas) a partir de dinitrógeno y dihidrógeno (H2). Es quizás el proceso industrial más importante jamás desarrollado y responsable de un aumento dramático en la población de la tierra durante el siglo XX, porque proporciona una fuente confiable de nitrógeno para fertilizantes. Pero debido a que el proceso de Haber-Bosch requiere altas temperaturas y presiones, consume enormes cantidades de energía; se estima que hasta el 1 por ciento del consumo total de energía del mundo se dedica al proceso.

Esta historia fue parte de nuestro número de mayo de 2006

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La naturaleza también reduce el dinitrógeno usando metaloenzimas en bacterias y algas verdiazules, pero a una sola atmósfera de presión y temperaturas suaves. Las metaloenzimas, llamadas nitrogenasas, contienen hierro y generalmente molibdeno. Desde su descubrimiento hace más de 40 años, los químicos han especulado acerca de cómo se produce la reducción de dinitrógeno y si se podría desarrollar una nitrogenasa artificial que condujera a un proceso más eficiente energéticamente que Haber-Bosch. Quizás se han gastado mil años-hombre y miles de millones de dólares estudiando cómo funcionan las nitrogenasas y tratando de hacer artificiales.

En 2003, mi grupo demostró que es posible producir amoníaco catalíticamente a partir de dinitrógeno, protones y electrones. Esto se logra en un único centro de metal de molibdeno. En presencia de protones y electrones en un medio no acuoso, el dinitrógeno se reduce a amoníaco con una eficiencia en electrones de alrededor del 65 por ciento; los electrones restantes se utilizan para producir dihidrógeno, que en este contexto es un producto indeseable y derrochador. Nuestro catalizador no es genial, pero es un comienzo.

Nature ha desarrollado una versión altamente optimizada del proceso de reducción de nitrógeno durante un período de unos pocos miles de millones de años. La nuestra es una nitrogenasa artificial que apenas es catalítica. Estamos tratando de identificar el problema clave o los problemas que impiden que funcione bien. Quizás entonces podamos mejorar su eficiencia.

¿Podemos diseñar catalizadores que sean tan eficientes como las nitrogenasas naturales? Posiblemente. ¿El proceso Haber-Bosch será reemplazado alguna vez por catalizadores que no operen a altas presiones y temperaturas? Desconocido. Solo el tiempo, el dinero y el ingenio revelarán la respuesta.

Richard R. Schrock, profesor Frederick G. Keyes de Química en el MIT, ganó el Premio Nobel de Química en 2005.

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