Chemie: Forschungsteam weist neuen Zustand des Eisens nach
Kaum ein Element ist auf der Erde sowie im Universum so oft vertreten wie Eisen. Es ist ein wesentlicher Bestandteil geochemischer Kreisläufe und spielt auch bei vielen biochemischen Prozessen im menschlichen Körper eine Rolle, unter anderem auch beim Transport von Sauerstoff im Blut. Das Metall sticht vor allem durch seine Fähigkeit hervor, Redoxreaktionen zu katalysieren. Forscher:innen konnten nun einen neuen Zustand des Eisens erzeugen, der extrem elektronenarm ist. Es handelt sich um einen bei Eisen noch nie nachgewiesenen Zustand, der sehr kurzlebig ist, aber dennoch das Potential hat, neue Anwendungen für Eisen zu erschließen.
Eisen in einer vorher nie dagewesenen Oxidationsstufe
Die Fähigkeit von Eisen, chemische Verbindungen aufzubrechen und andere Elemente an sich zu ziehen ist abhängig von seiner Oxidationsstufe. Je elektronenärmer Eisen ist, desto höher oxidiert es und wird entsprechend reaktiver. Bisher sind allerdings nur wenige chemische Verbindungen mit Eisen im hochoxidierten Zustand bekannt. Die bisher höchste Oxidationsstufe, die Eise erreichen kann, ist Eisen(VI). In dieser Form fehlen dem Metallatom sechs Elektronen.
Einem Team rund um Martin Keilwerth von der Universität Erlangen gelang es nun jedoch, einem Eisenatom noch ein siebtes Elektron zu entreißen. Im Experiment konnten die Forscher:innen zunächst eine organische Komplexverbindung erzeugen, in der ein Eisenatom mit Fluor und mehreren stickstoffhaltigen Kohlenwasserstoffringen oxidiert ist. Dieser Komplex enthält ein Eisenatom mit der Oxidationsstufe VI, was an und für sich schon selten ist. Dann ließen die Chemiker:innen diesen Eisenkomplex mit einem fluorhaltigen Oxidationsmittel reagieren.
„Für uns unerwartet lässt sich der stabile Eisen(VI)-Komplex sogar noch weiter oxidieren„, berichten die Chemiker:innen. Es entstand eine neue Komplexverbindung, in der das Eisen eine Oxidationsstufe von VII erreichte, ihm also sieben Elektronen fehlten. Es handelt sich um das erste Mal, dass es gelang, Eisen in einen solchen extrem elektronenarmen Zustand zu bringen.
Neue Anwendungsformen für Eisen denkbar
In diesem neuen Zustand ist das Eisen derart reaktionsfreudig, dass es nur bei extrem tiefen Temperaturen unter -50 Grad stabil bleiben soll. Wird die Komplexverbindung erwärmt, so bildet sie durch intramolekulare Umlagerungen eine neue Eisenverbindung, die nur noch fünfwertig ist.
Der neue Zustand des Eisens muss nun weiter erforscht werden. Hochoxidierte Verbindungen spielen in vielen Bereichen eine Schlüsselrolle, unter anderem auch in der nachhaltigen Energiewirtschaft.
„ In der Oxidationschemie, zum Beispiel zur Herstellung von Alkohol, könnte man sich einen Einsatz gut vorstellen, auch in der Batterietechnik, der Herstellung synthetischer Kraftstoffe und bei der Wasserspaltung„, so Dominik Munz von der Universität des Saarlandes, Koautor der Studie. Bisher wird dabei häufig das seltene und teure Element Iridium verwendet. Dieses könnte jedoch potentiell durch hochoxidiertes Eisen ersetzt werden.
