这种坚固的化学键，是如何被击破的？

氮（N），被许多科学家认为是地球上生命起源的关键成分，它是蛋白质、DNA和其他生物分子的重要组成部分，对所有活细胞来说都是必不可少的。当两个氮原子以三键结合时，会形成在常温常压下呈气态的氮气（N₂），这种气体约占地球大气的78%。

然而，N₂有很强的化学键，它们的化学性质非常稳定，化学家通常将氮气视为是种惰性分子。因此，这也导致大多数生物并不能直接利用这种形式的氮，而是只能利用被转化成氨（NH₃）的氮元素，细胞可以利用氨来制造出更复杂的含氮化合物。

氮气分子中的两个氮原子之间有着强健的N-N键。| 图片来源：WikimediaImages / Pixabay

如何将N₂转化为氨，是生命必须解决的一个难题。为了大规模地从大气中获取氮，地球上的早期微生物进化出了固氮酶，这是唯一一类能断开氮气分子中氮-氮（N-N）键的酶，它们通过固氮过程，将N₂转化为氨。虽然人类现在已经发展出了合成氨的工业过程，但在此之前，地球上几乎所有的氨，都是由固氮酶产生的。

所有的固氮酶都含有一簇铁（Fe）原子和硫（S）原子，其中有的还含有钼原子。科学家认为，正是因为N₂与这些原子簇的结合，才引发了由氮向氨的转化；但他们尚不清楚的是，这种相互作用背后的反应机制究竟为何。一直以来，科学家都无法能确定N₂与铁-硫（Fe-S）簇结合的特征。

现在，两名化学家Alex McSkimming和Daniel Suess在《自然化学》期刊上发表了一项研究，首次确定了当N₂与这些原子簇结合时会形成的一种化合物的结构。他们发现，这些原子簇能够在很大程度上削弱N-N键合。

在过去的一些研究中，化学家们为了了解固氮酶如何与N₂结合，尝试过设计出一些更为简单的铁硫簇，并试图用这些简易版本来模拟自然的铁硫簇。

有一种化学活性最强的固氮酶，它包含一个有着7个铁原子、9个硫原子、1个钼原子和1个碳原子的铁硫簇。在新研究中，研究人员通过实验创造出了这种固氮酶的简易版本，在这个简易版固氮酶中，包含了一个含有3个铁原子、4个硫原子、1个钼原子，以及0个碳的铁硫簇。

一直以来，当化学家试图模拟N₂与铁硫簇的自然结合时，面临的一个重大挑战就是当铁硫簇在溶液中时，它们可以与自己发生反应，而不是像期待的那样与N₂发生反应。为了解决这一问题，新研究采用了一种新方法，在铁硫簇周围创造了一个“保护环境”。

研究人员向铁硫簇的每个金属原子上都添加了一个被称为配体的化学基团，除了一个铁原子之外——这个铁原子被留下来与N₂结合。这些配体的存在阻止不必要的反应的发生，并使得N₂能够能进入簇中，与剩下的那个铁原子结合。一旦这种结合发生，研究人员就可以利用X射线晶体学和其他技术来确定化合物的结构。

化学家确定了氮气与铁硫簇结合时形成的复合物的结构，为微生物（黄色）如何使用固氮酶来打破氮-氮键（粉色和绿色）提供了线索。| 图片来源：Jose-Luis Olivares, MIT

他们发现，N₂中的两个氮原子之间的三键被削弱到令人惊讶的程度，这种削弱发生在当铁原子将它们的大部分电子密度转移到N-N键上时，它会导致N-N键变得更不稳定。

此外，他们还惊讶的发现，不仅仅是铁原子会与氮结合，铁硫簇中的所有金属原子都参与到了这种电子转移过程。这意味着这些铁硫簇可以通过电子间的“共同协作”，来激活氮与氮之间的惰性键。N-N键之所以能被铁原子削弱，是因为这些铁原子处在一个“集体”的簇中，这是“集体合作”的结果。

这一发现是铁硫簇化学的一个重要里程碑，它或许能启发科学家如何激活那些化学性质更加不活泼、有着更强键合的惰性分子。虽然，科学家早已知道固氮酶是由铁硫簇组成的，但他们一直以来都无法通过使用类似的合成物来获取N₂，因此，这项工作对于研究铁硫簇和生物无机化学的研究人员来说是一个重大进步。最重要的是，这项进展表明铁硫簇很可能具有丰富的化学反应等待被发现。

另外，新的发现也证实了铁硫簇的简化版也能有效地削弱N-N键。地球上最早进化出具有固氮能力的固氮酶的微生物，可能产生的就是与实验中的简化版相似的铁硫簇。接下来，Suess将带领他的团队研究更复杂的、更自然的铁硫簇，并观察它们将如何与N₂相互作用。

#创作团队：

原文：Anne Trafton

编译：小雨

#参考来源：

https://news.mit.edu/2021/metals-nitrogen-nitrogen-bonds-0527

https://www.nature.com/articles/s41557-021-00701-6

#图片来源：

Jose-Luis Olivares, MIT