氮氣堅固的化學(xué)鍵，是如何被擊破的？

朱繼銀

氮（N），是地球上構(gòu)成生命的必需元素，當(dāng)兩個氮原子以三鍵結(jié)合時，會形成在常溫常壓下呈氣態(tài)的雙原子分子（N2）。氮分子中的N≡N鍵很牢固，導(dǎo)致它們的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，所以大多數(shù)生物并不能直接利用這種形式的氮。那么，如何擊破這種堅固的化學(xué)鍵，讓氮為我們所用呢？

“冒險小精靈”的穿梭之旅

氮就像是愛冒險的小精靈，“偽裝”成各種樣子穿梭在天地間，最終又重新回到氮的形式，完成它的使命。

在雷雨天氣時，氮氣和水中的氫會在雷電的作用下變成可以被植物（尤其是豆科類植物）利用的氨。這種氨被豆科類植物的根瘤菌吸收，然后轉(zhuǎn)化為豆科類植物生長所必需的氮。氮以這種形式進入植物后會在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)化成各種含氮有機物，其中最具代表性的就是蛋白質(zhì)。

人食用了含有蛋白質(zhì)的植物或者動物后，會將蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為氨基酸并吸收利用，氮元素和人就有了直接聯(lián)系。通過人體的消化、吸收、排泄等一系列過程，氮元素會重新回到自然界，繼續(xù)參與循環(huán)，這樣就完成了基本的人體與大氣之間的氮循環(huán)。

氮氮三鍵：緊緊拉著放不開

自然界中的氮多以氮氣的形式存在，但是氮氣實際上很難參與化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)家認為它是惰性分子。

氮氣化學(xué)性質(zhì)很不活潑，與它的分子結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。2個氮原子以三鍵的形式結(jié)合成為氮分子，三鍵的存在讓2個氮原子像磁鐵的兩極一樣緊緊地結(jié)合在一起，不愿與別的原子“做朋友”。

?固氮方式示意圖

氮氣也有“天敵”：固氮酶

要想利用氮氣，就需要將它轉(zhuǎn)化為氨氣（NH3），這個過程被稱為“固氮”。

固氮方式主要包括生物固氮、工業(yè)固氮、高能固氮（即通過雷電作用固氮，又叫作電離固氮）。其中高能固氮量很少，在氨合成工業(yè)技術(shù)出現(xiàn)之前，基本都是靠生物固氮，這就要用到能將氮氣轉(zhuǎn)化成氨的固氮酶。

固氮酶仿佛是氮氣分子的“天敵”，一旦遇到固氮酶，氮氣分子就會變成氨。固氮酶的構(gòu)成元素主要包括鐵（Fe）、硫（S）、鉬（Mo）和碳（C）。

近日，美國麻省理工學(xué)院的研究人員創(chuàng)造了一個有3個鐵原子、4個硫原子、一個鉬原子，沒有碳原子的團簇（由幾個乃至上千個原子、分子或離子通過物理或化學(xué)結(jié)合力組成的相對穩(wěn)定的微觀或亞微觀聚集體）。

氨氣與鐵硫團簇發(fā)生化學(xué)反應(yīng)示意圖

他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)獨馀c這些團簇相遇時，氮氮三鍵堅固的連結(jié)，就會被“斬斷”。

當(dāng)然，在模擬氮氣與鐵硫團簇的結(jié)合時，研究人員遇到了一些挑戰(zhàn)：當(dāng)團簇在溶液中時，它們首先會自身發(fā)生反應(yīng)，而不是與氮氣結(jié)合。為了解決這個問題，研究團隊利用一種配體為原子簇創(chuàng)造了一個保護性的環(huán)境。研究人員將配體連接到每個金屬原子上，留有一個鐵原子，這是氮氣與原子簇的結(jié)合位點。因為有這些配體的存在，就能防止不必要的反應(yīng)。

這一發(fā)現(xiàn)可謂是“鐵硫團簇化學(xué)中的一個重要里程碑”，對于研究鐵硫團簇的科學(xué)家和生物無機化學(xué)家來說是一次重大進展。更重要的是，這一進展表明，鐵硫團簇具有豐富的化學(xué)特性尚未被發(fā)現(xiàn)。這項研究使我們能夠更加深入了解激活這種真正的惰性分子的機制。

（責(zé)任編輯 / 高琳? 美術(shù)編輯 / 李子夜）