近日，南京師范大學(xué)化科院陳旭東教授課題組在固氮酶鐵鉬輔酶團(tuán)簇的化學(xué)合成領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展。相關(guān)成果以“Synthetic Models of the Nitrogenase FeMo-cofactor”為題在線發(fā)表在《PNAS》上。這是陳旭東課題組繼2018年在《PNAS》上報道鐵鉬輔酶團(tuán)簇半結(jié)構(gòu)合成之后，再一次在該前沿研究領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。

氨對于生命體系和現(xiàn)代工、農(nóng)業(yè)都具有至關(guān)重要的意義。基于Haber-Bosch工藝的工業(yè)合成氨能耗巨大且碳排放驚人；而自然界則通過固氮微生物中的固氮酶實(shí)現(xiàn)溫和條件下從氮?dú)獾桨钡霓D(zhuǎn)化。因此仿生固氮研究具有重要的意義。而鐵鉬輔酶是固氮酶實(shí)現(xiàn)氮?dú)饣罨年P(guān)鍵，關(guān)于其結(jié)構(gòu)和功能的深入認(rèn)知和理解，是仿生固氮研究的重要基礎(chǔ)。然而鐵鉬輔酶團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，具有共用C4-配體頂點(diǎn)和三個二橋連S2-配體的雙立方烷（[MoS3Fe3C]和[CFe3S3Fe]）結(jié)構(gòu)，另一方面該團(tuán)簇中心三棱柱狀[Fe6C]部分的正中是一個六橋連的C4-配體，這對于合成化學(xué)是巨大的挑戰(zhàn)，因此鐵鉬輔酶模擬團(tuán)簇的合成至今尚未實(shí)現(xiàn)，這也嚴(yán)重阻礙了仿生固氮的研究進(jìn)程。

針對這一挑戰(zhàn)，陳旭東教授課題組借鑒全合成的思路和策略，對鐵鉬輔酶團(tuán)簇進(jìn)行了逆合成分析，設(shè)計了多步驟分步合成路線，有效解決了傳統(tǒng)鐵硫團(tuán)簇合成化學(xué)中自組裝略可控性差的問題，實(shí)現(xiàn)了與鐵鉬輔酶團(tuán)簇結(jié)構(gòu)高度近似模擬團(tuán)簇的合成。

圖1. 固氮酶鐵鉬輔酶團(tuán)簇（A）和陳旭東等所合成的模擬團(tuán)簇（B、C）的結(jié)構(gòu)

該研究工作持續(xù)超過10年，主要由碩士研究生完成，前后有10余位博、碩士研究生均為本工作做出了重要貢獻(xiàn)，期間發(fā)展了一系列重要的可控合成策略、合成了多個重要的中間體、系統(tǒng)探索了配體效應(yīng)對團(tuán)簇反應(yīng)活性的影響。該研究不但實(shí)現(xiàn)了六橋連單原子C4-配體在鉬鐵硫團(tuán)簇中的嵌入，還同時合成了含有六橋連單原子N3-配體的模擬團(tuán)簇作為理想的對比研究對象。而與鐵鉬輔酶團(tuán)簇結(jié)構(gòu)高度相似，具有三棱柱狀[Fe6X] (X=C或N)核心的共用頂點(diǎn)雙立方烷結(jié)構(gòu)模擬團(tuán)簇的合成，是鐵硫團(tuán)簇可控合成化學(xué)的重要推進(jìn)，這為生物固氮的化學(xué)研究奠定了重要的基礎(chǔ)。清華大學(xué)李雋教授研究組對上述兩個模擬團(tuán)簇進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的理論分析和計算研究，結(jié)果表明其基態(tài)同F(xiàn)eMoco團(tuán)簇極為相似，鐵中心之間具有最大化的反鐵磁耦合，六橋連單原子m6-X對團(tuán)簇的穩(wěn)定性發(fā)揮了重要作用。兩個模擬團(tuán)簇中金屬的形式氧化態(tài)分別為：[(W3+)2(Fe2.5+)4(Fe2+)2(C4?)]16+和[(Mo3+)2(Fe2.5+)2(Fe2+)4(N3?)]16+。

該研究為更多高近似鐵鉬輔酶模擬團(tuán)簇的合成以及基于高近似模擬團(tuán)簇的氮?dú)饣罨芯康於嘶A(chǔ)。

南京師范大學(xué)2021級碩士研究生徐昀昱、2022級碩士研究生柴嘉璐、2020級碩士研究生邱淑娟是該論文的共同第一作者，陳旭東教授和清華大學(xué)李雋教授為共同通訊作者，南京師范大學(xué)為第一署名單位。