金属如何协同作用削弱耐寒氮-氮键
氮是所有活细胞所必需的元素，占地球大气的78%。然而，大多数生物不能利用这种氮，直到它被转化为氨。在人类发明合成氨的工业过程之前，地球上几乎所有的氨都是由微生物用固氮酶产生的。固氮酶是唯一一种可以打破气态氮气(N2)中氮-氮键的酶。
这些酶含有金属和硫原子簇，这些簇有助于进行这一关键反应，但它们如何进行这一反应的机制尚不清楚。麻省理工学院(MIT)的化学家们现在首次确定了N2与这些团簇结合时形成的复合物的结构，他们发现这些团簇能够在很大程度上削弱氮-氮键。
“这项研究使我们获得洞察机制,允许你激活这真的惰性分子,具有很强的债券难以打破的,”丹尼尔•休斯表示的类48麻省理工学院职业发展化学助理教授和这项研究的资深作者。
前麻省理工学院博士后、现任杜兰大学助理教授的亚历克斯·麦克斯基明是这篇论文的主要作者，该论文最近发表在《自然化学》杂志上。
固氮作用
氮是蛋白质、DNA和其他生物分子的重要组成部分。为了从大气中提取氮，早期的微生物进化出了固氮酶，通过一个称为固氮的过程将氮气转化为氨(NH3)。细胞可以利用这种氨来制造更复杂的含氮化合物。
苏斯说:“大规模获取固定氮的能力有助于生命的增殖。”“氮有很强的化学键，不活泼，所以化学家基本上认为它是惰性分子。如何将这种惰性分子转化为有用的化学物质，这是生命必须解决的一个难题。”
所有的固氮酶都含有一簇铁原子和硫原子，其中一些还含有钼。据信，氮与这些团簇结合，引发氨的转化。然而，这种相互作用的性质尚不清楚，直到现在，科学家们还不能确定N2与铁硫团簇结合的特征。
为了阐明固氮酶是如何结合氮气的，化学家们设计了更简单的铁硫团簇，他们可以用它来模拟自然发生的团簇。最活跃的固氮酶使用一个铁硫簇，它有7个铁原子，9个硫原子，一个钼原子和一个碳原子。在这项研究中，麻省理工学院的研究小组创造了一个有三个铁原子，四个硫原子，一个钼原子，不含碳的原子。天富有信誉吗
模拟氮与铁硫团簇的自然结合的一个挑战是，当团簇在溶液中，它们可以与自己发生反应，而不是与像氮这样的底物发生反应。为了克服这一问题，Suess和他的学生们通过连接称为配体的化学基团，在簇周围创造了一个保护环境。
研究人员在每个金属原子上都配上了一个配体，除了一个铁原子(N2就是在铁原子上结合的)。这些配体阻止不必要的反应，并允许氮进入簇并与其中一个铁原子结合。一旦这种结合发生，研究人员就能够利用x射线晶体学和其他技术来确定复合物的结构。
他们还发现，N2中两个氮原子之间的三键被削弱到令人惊讶的程度。当铁原子将它们的大部分电子密度转移到氮-氮键上时，这种弱化就发生了，这使得键变得更不稳定。
集群合作
另一个令人惊讶的发现是，团簇中所有的金属原子都参与了电子转移，而不仅仅是与氮结合的铁原子。天富有信誉吗
“这表明这些团簇可以通过电子合作来激活这种惰性键，”Suess说。氮-氮键可以被铁原子削弱，否则不会削弱它。因为它们在一个集群中，它们可以合作。”
哈佛大学化学和化学生物系主任Theodore Betley没有参与这项研究，他说，这些发现代表了“铁硫团簇化学的一个重要里程碑”。
“虽然已知的固氮酶是由熔融的铁硫簇组成的，但合成化学家直到现在还不能证明使用合成类似物来吸收氮，”Betley说。“这项工作对于铁硫簇群落和生物无机化学家来说是一个重大的进步。
