# Kohlenstoffnitride

Kohlenstoffnitride sind chemische Verbindungen zwischen Kohlenstoff und Stickstoff.

## Geschichte

Die erste Publikation über Kohlenstoffnitride mit der Zusammensetzung C$_3$N$_4$ stammt von Justus Liebig und ist im Jahr 1834 erschienen. Er stellte kein heteroatomfreies Kohlenstoffnitrid her, sondern ein wasserstoffhaltiges Polymer, das er Melon nannte. Später veröffentlichte Edward C. Franklin eine theoretische Abhandlung über die „Ammonocarbonsäuren“. Hierbei handelt es sich um die Kondensationsreaktionen des Tetraamidomethans über Cyanamid und Melamin bis zu C$_3$N$_4$. In den 1980er Jahren lösten theoretische Ergebnisse die für C$_3$N$_4$ eine extrem hohe Härte voraussagten eine umfangreiche Forschung aus.

## Kohlenstoffnitride abgeleitet vom Cyan

Kohlenstoff bildet mit Stickstoff eine Reihe von Nitriden der Zusammensetzung (CN)$_n$ (n = 1, 2, x), von denen das Cyan (CN) nur bei hohen Temperaturen stabil ist. Neben Dicyan NCCN, existieren auch Cyanisocyan CNCN und Diisocyan CNNC. Durch Polymerisation von Dicyan (CN)$_2$ bildet sich Paracyan (CN)$_x$. Ferner existieren kohlenstoffreichere Nitride C$_n$(CN)$_{2n+m}$, die sich von den Kohlenwasserstoffen C$_n$H$_{2n+m}$ durch vollständige Substitution der Wasserstoffatome gegen CN-Gruppen ableiten. Beispiele sind Tetracyanoethylen und Dicyanoethin.
Wird Graphit in Gegenwart von Dicyan verdampft, erhält man Dicyanopolyine, d. h. stabförmige Moleküle, deren Kettenenden mit Cyanogruppen besetzt sind. Isoliert wurden die Verbindungen NC–C$_{2n}$–CN mit n=3–8, z. B. C$_{18}$N$_2$.

## Polymere Kohlenstoffnitride

Daneben existieren polymere Kohlenstoffnitride, die durch Pyrolyse organischer Stickstoffverbindungen wie Guanidin oder durch CVD-Methoden erhalten werden, deren Zusammensetzung schwankt und etwa C$_3$N$_4$ entspricht.
Das besondere Interesse an der Substanzklasse der auch Carbonitride genannten Verbindungen wurde 1984 bzw. 1989 geweckt, als Sung et al. bzw. Cohen et al., auf die hohe Härte der kristallinen Verbindung C$_3$N$_4$ hinwiesen, die nach den Berechnungen der Autoren die des Diamanten übertreffen sollten. Seit 1989 wurden seitens der Theorie ständig neue Strukturvorschläge für das C$_3$N$_4$ entwickelt. Bislang haben fünf Strukturkandidaten Bedeutung erlangt, die soweit auch akzeptiert sind, wobei allen gemeinsam ist, dass sie (bestenfalls) metastabil sind.
Graphitisches Kohlenstoffnitrid (g-C$_3$N$_4$) ist ein vielversprechendes zweidimensionales konjugiertes Polymer, das als kostengünstiger, robuster, metallfreier und im sichtbaren Spektralbereich aktiver Photokatalysator für die Umwandlung von Sonnenenergie verwendet werden kann.
Bei den Si$_3$N$_4$-analogen Kohlenstoffnitridformen α-C$_3$N$_4$ und β-C$_3$N$_4$ sind die Kohlenstoffatome tetraedrisch von Stickstoff umgeben. Die eckenverknüpften Tetraeder bilden ein 3D-kovalentes Netzwerk aus. Bei der pseudo-kubischen bzw. defekt-ZnS-analogen C$_3$N$_4$-Form entsteht durch Entfernung von ¼ der Zinkatome aus der Zinkblende-Struktur eine Struktur vom α-CdIn$_2$Se$_4$-Typ. Das kubische bzw. Willemit-II-analoge C$_3$N$_4$ hat den höchsten Kompressionsmodul (496 GPa, also deutlich höher als Diamant) aller C$_3$N$_4$ und das Spinell-analoge C$_3$N$_4$ besitzt eine Struktur mit oktaedrisch koordiniertem Kohlenstoff.

## Kohlenstoffnitride mit Fullerenstruktur

Azafullerene sind Fullerene, bei denen Kohlenstoffatome im Fullerenkäfig durch Stickstoff ersetzt wurden. Als besonders geeignet für die Synthese von Azafullerenen haben sich die Epi-Iminofullerene und Ketolactame mit geöffnetem Fullerenkäfig erwiesen. Cyanofullerene sind eine Klasse modifizierter Fullerene, bei denen Cyanogruppen an ein Fullerenskelett gebunden sind. Diese haben die Formel C$_{60}$(CN)$_{2n}$, wobei n die Werte 1 bis 9 annimmt.