我国学者在固氮酶铁钼辅酶团簇化学合成方面取得进展

　　

图 固氮酶铁钼辅酶团簇（左）和研究团队合成的模拟团簇的结构（右）

　　在国家自然科学基金项目（批准号：92361303，92261107，22071110，21671104，22388102，22033005，22250710677）等资助下，南京师范大学陈旭东课题组与清华大学李隽课题组合作，在固氮酶铁钼辅酶团簇的化学合成研究方面取得进展。相关研究成果以“固氮酶铁钼辅酶的合成模型（Synthetic models of the nitrogenase femo-cofactor）”为题，于2025年6月12日在线发表于《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）期刊上，论文链接：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2419655122。

　　氨对于生命体系和现代工农业都至关重要。基于Haber-Bosch工艺的工业合成氨的路线能耗巨大且碳排放惊人；而自然界则可通过固氮微生物中的固氮酶实现温和条件下从氮气到氨的转化，因此仿生固氮研究具有重要的意义。铁钼辅酶（FeMoco）是固氮酶实现氮气活化的关键，对其结构和功能的深入认知和理解，是仿生固氮研究的重要基础。然而，FeMoco活性中心复杂的[MoFe₆(μ₆-C)S₉Fe]团簇结构使其合成面临巨大的挑战，至今尚未实现。

　　针对这一挑战，陈旭东课题组借鉴全合成的思路和策略，对FeMoco团簇进行了逆合成分析，设计了多步骤分步合成路线，有效解决了传统铁硫团簇合成化学中自组装策略可控性差的问题，实现了与FeMoco团簇结构高度相似的模拟团簇的合成。该研究不但实现了六桥连单原子μ₆-C配体在钼铁硫团簇中的嵌入，还同时合成了含有六桥连单原子μ₆-N配体的模拟团簇作为理想的对比研究模型。李隽课题组对上述两个模拟团簇进行了系统地量子化学理论分析和计算研究，结果表明其基态同FeMoco团簇极为相似，铁中心之间具有最大化的反铁磁耦合，六桥连单原子μ₆-X对团簇的稳定性发挥了重要作用。两个模拟团簇中金属的形式氧化态分别为：[(W³⁺)₂(Fe^2.5+)₄(Fe²⁺)₂(C^4?)]¹⁶⁺和[(Mo³⁺)₂(Fe^2.5+)₂(Fe²⁺)₄(N^3?)]¹⁶⁺。该研究工作为更多高度相似FeMoco模拟团簇的合成以及铁钼辅酶的最终全合成奠定了基础。