Uranchemie: Komplex knackt stabile Uran-Verbindung

Schottische Wissenschaftler konnten das in der Umwelt am häufigste gelöst vorliegende Uran-Molekül mit Hilfe einer maßgeschneiderten Komplexverbindung binden und chemisch modifizieren. Das Uranyloxid UO₂²⁺ gilt als potenziell bedenkliche umweltverunreinigende Form des radioaktiven Elements. Es fällt etwa bei der Produktion von Kernbrennstoff sowie der Bearbeitung von Uran-Erzen an, galt aber wegen der hohen Stabilität seiner Uran-Sauerstoff-Doppelbindungen bislang als nur schwer gezielt chemisch veränder- und recycelbar.

Komplex destabilisiert Uranylkation | Reduktion und selektive Silylation des Uranylkations an einer Sauerstoff-Gruppe: Der "Pac-Man"-ähnlich gebaute Komplex destabilisiert dabei zunächst (hier von rechts unten her) mit exakt sterisch platzierten Kalium-Ionen durch Elektronenzug die langgestreckte Uranyldioxid-Gruppe (rot-grün-rot) von einer Seite. Das hier links oben dargestellte Sauerstoff-Atom (rot) reagiert dann mit Silizium-Trimethylgruppe (gelbgrau); die Doppelbindung wird aufgelöst.

Polly Arnold und ihre Kollegen von der Universität Edinburgh nahmen das Uranyloxid nun mit einer großen Komplexverbindung in die Zange. Dabei sorgen exakt räumlich platzierte Kalium-Liganden an der Basis des Komplexes für eine Destabilisierung einer der beiden Doppelbindungen zwischen dem zentralen Uran und einem der beiden Sauerstoff-Atome. Dadurch wird an der entgegengesetzten Uranseite hängende zweite Sauerstoff des UO₂²⁺ chemisch angreifbar. Schließlich bindet dort eine Silizium-Gruppe und löst die Doppelbindung. Das derart modifizierte Uranoxid kann dann aus dem Komplex entlassen werden und steht weiteren Umbauten zur Verfügung.

Die Forscher hoffen, dass der beschriebene Reaktionsweg bei der Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen eine Rolle spielen könnte. Sie wollen in Zukunft untersuchen, ob die Reaktion prinzipiell nicht nur – wie in ihrem Versuch – in organischen Lösungsmitteln, sondern auch in Wasser funktioniert. Zudem hoffen sie, analog auch hochreaktive Plutonium- und Neptunium-Oxide umsetzen zu können, die in Atommüll anfallen. Wie auch das Uranyloxid sind die Verbindungen chemisch kaum abbaubar.

Das Element Uran erreicht im häufigen UO₂²⁺ seine stabile Edelgaskonfiguration durch die Abgabe von sechs Elektronen. Anders als bei den meisten Elementen tragen bei Uran auch Elektronen der unter der äußersten Elektronenschale liegenden Atomhülle zu Molekülbindungen bei. Dies ermöglicht die ungewöhnlich stabilen O=U=O-Doppelbindungen des Uranyloxidkations.

UO₂²⁺ ist sehr giftig wegen seiner hohen Wasserlöslichkeit, der damit einhergehenden Mobilität und der Neigung des Zentralatoms, im Organismus mit Phosphaten und Kalzium Komplexe zu bilden. (jo)