精细化工国家重点实验室曲景平教授应美国化学协会Accounts of Chemical Research杂志主编Cynthia J. Burrows教授的邀请，撰写了题为“硫桥联双铁N_xH_y固氮酶模型配合物的构筑与功能”“Construction and Function of Thiolate-Bridged Diiron N_xH_y Nitrogenase Model Complexes”的综述文章(Acc. Chem. Res. 2024, 57, 1761)，系统总结了该研究组自2004年成立以来，在仿生化学模拟固氮酶研究领域深耕20年，所取得的一系列重要研究进展。论文作者为大连理工大学化工学院杨大伟副教授，王保民教授和曲景平教授。

生物固氮酶能够在常温常压条件下催化氮气还原转化为氨。因此，系统开展仿生化学模拟固氮酶的研究，实现温和条件下的高效、绿色合成氨，对确保人类社会可持续发展意义重大，是化学领域极具挑战性的研究课题。然而有关氮气在固氮酶铁钼辅基(FeMo−cofactor)活性中心的结合位点和还原转化模式，存在许多悬而未决的关键科学问题，使其被喻为生物酶中的“珠穆朗玛峰”。

“学习生物，超越生物”。针对这极具挑战性的科学难题，曲景平等率先明确提出了铁钼辅基“腰部”双铁中心，可能是氮气活化的反应位点。通过采取自下而上的仿生化学固氮研究策略，自主设计合成了一系列新型硫桥联双铁固氮酶模拟物。通过双铁之间的协同活化效应，硫乙基桥联双铁固氮模拟物不仅能够实现高效催化肼的N−N键还原切割生成氨(J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 15250)，还可以捕获不稳定的二氮烯(NH=NH)物种，合成首例具有顺式μ-η¹:η¹-NH=NH结构单元的双铁固氮酶模拟物(J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 1147)。进一步将桥联硫配体调变为氧化还原非保守性的邻苯二硫酚时，双铁能够协同介导由二氮烯逐步还原转化为氨的全过程(NH=NH → [NH₂‒NH]^‒ → [NH]^2‒(+NH₃) → [NH₂]^‒ → NH₃) (Nature Chem. 2013, 5, 320)。

近期该研究组又成功分离并详细表征了首例结构明确的硫桥联双铁氮桥固氮酶模型配合物。该氮化物不仅能够在电子/水存在的仿生条件下，通过连续的质子耦合电子转移(PCET)过程实现高效还原放氨，甚至还可以在温和条件下直接活化H₂实现高效还原放氨，结合实验化学与计算化学，证实了包括配体片段能够协同激活 H₂ 并充当 H⁺ 穿梭机的重要性，双铁胺化物是该氮化物高效氢化还原放氨过程的关键中间体(Nature Chem. 2022, 14, 46)。上述研究结果为从分子水平模拟和阐释生物固氮酶作用机制具有十分重要的科学意义(Marc D. Walter, News & Views, Ammonia formation revisited, Nature Chem. 2022, 14, 12)。

基于上述研究结果，提出了氮气在固氮酶“腰部”双铁活性中心上可能的两个还原转化路径：交替路径(N₂ → NH=NH → [NH₂−NH]⁻ → [NH]²⁻(+NH₃) → [NH₂]⁻ → NH₃)；末端路径(N₂ → N³⁻(+NH₃) → [NH]²⁻ → [NH₂]⁻ → NH₃)。值得强调的是，不同于传统的单金属活性中心介导氮气的两个转化路径，双铁协同活化的两个路径的交汇点为亚胺化物([NH]²⁻)，而不是胺化物([NH₂]⁻)。

在深入系统开展硫桥联双铁配合物仿生化学固氮研究的同时，该研究组还进一步拓展该体系的其他仿生功能，例如亚硝基苯的四电子还原(J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 17374)。同时，通过采取金属调变策略，将铁调变为钼和钴，成功构建了全新的硫桥联铁钼和双钴等功能体系(Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202203121; J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 20578; J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 10.1021/jacs.4c01691)。

以上工作得到了国家自然科学基金委员会和精细化工国家重点实验室等的大力支持。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.4c00068