上世纪60年代国际石油危机在国外催生了化学模拟生物固氮的研究，中科院生物学部在70年代初就看到了这一课题的战略意义。虽说卢嘉锡刚被“解放”，他就以只争朝夕的精神与吉林大学唐敖庆和厦门大学蔡启瑞汇合组织了在我国化学史上少有的交叉学科大会战。此项研究后来列为“七五”国家重大科技攻关课题，有生物学和农学方面的力量协作配合。

 

自然界有两大循环过程与人类在地球上的生存与发展相关，一是如叶绿素等的光合作用勤勤恳恳地把碳固定，或者说把大气中的CO2利用起来，另一个是如根瘤菌等的固氮作用默默无闻地把氮固定，或者说把大气里的N2转变为可用的氮肥。前者因一种膜蛋白光合作用的活性中心晶体结构以及反应机理被成功诠释使三位科学家荣获1988年诺贝尔化学奖

 

与上不同，在生物固氮的活性中心结构或明或暗的情况下，人们只能采取生物无机化学中的所谓“模型法”取得突破。不能完全说是在“盲人摸象”。基于酶促反应和不需要单晶的EXAFS谱等等信息，从1973年起, 按结构化学和催化理论与量化计算就开始独立提出厦门和福州的活性中心模型，这些成果在1978年美国召开的第3届国际固氮大会上一炮打响。

 

1980年在澳大利亚召开的第4届到2003年北京的14届国际固氮大会上，我国科学家的有关研究一直受到重视和好评。80年代初在加拿大访问谈及我国正在开展化学模拟固氮研究时，他们说中国真了不起而加拿大还主要寄托于生物固氮研究。在提及日后回国可能做模型物的单晶结构工作时，加国际开发署（CIDA）同意全额资助我提出两名学生赴加深造。

 

1992年美国发表了棕色固氮菌的固氮酶2.8埃单晶结构分析报告，化学模拟从此进入一个新阶段。随着分辨率2.2和1.6埃的结构发表，铁钼辅基FeMoCo活性中心可表示如下： 

    原来人们早就看重的唯一的Mo原子竟不在中心位置，这确实让人匪夷所思！从Mo看过去，是3S层与3Fe层相间的一个大笼子，这就为N2分子如何被拆开还原形成NH3提供了好大的一个空间。可是在这个空腔中还有一个神秘的X原子，究竟是C, N, 或O直到今天仍然没有指认出来。这个X就不折不扣的成为人们奔向斯德哥尔摩道路上的一块绊脚石。

 

 回顾过去，我国的化学模拟生物固氮研究的特色是在极其艰苦的条件下启动的，此基础研究一下子把我国的化学研究推向学科前沿，并且和南京大学和厦门大学等的高温高压工业合成氨铁催化剂机理的对照研究并进。这些国际水平的成就可归功于卢嘉锡先生曾经提出过的三个“CO”：除了竞争Competition，还需要合作Cooperation，还需要协调Coordination。

 

当前，已过耄耊之年的蔡启瑞先生仍在研究FeMoCo的固氮机理，但总体的研究力量正日渐试微，昔日的辉煌不再。我从未直接参与研究，因唯有他在提出模型时考虑到放H2的方式，曾要核对H原子的范德华半径1.2埃是否太长，这使得我从本世纪初就进入范氏半径的研究。一个好课题在培养合成和结构化学人才和激励人们攀登等各方面都有积极作用。

 

中科院物构所在过渡金属原子簇化学领域取得巨大成就正是化学模拟生物固氮研究的孪生兄弟。如果说像青蒿素和胰岛素这类研究只是索取的话，生物固氮化学模拟则是向大自然母亲学习，探究固氮酶如何在常温常压下把氮变成人们孜孜以求的氮肥。现在的国家的力量强大了，我们能否继续三个CO精神，把三位老海归在40年前开创的宏伟事业进行到底？

 

 应当指出，FeMoCo难以合成且极不稳定。不过从仿生的角度开展模拟并得到有催化活性的原子簇合物不无可能，如获成功我认为其价值丝毫不在追逐的诺贝尔奖之下。1918年诺贝尔化学奖授予工业合成氨的发明家F.Harber, 回顾近百年来工业合成氨给人类带来的巨大能耗和环境污染与其贡献真不好比较，无论如何对化学模拟固氮继续给予支持确是值得！

 

参考文献：  固氮—2000.pdf

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自胡盛志科学网博客。
链接地址：https://blog.sciencenet.cn/blog-267444-324988.html

上一篇：有心栽花花不发：抗肿瘤活性锑络合物结构化学研究的回顾
下一篇：你曾有被斥责为”胡说八道”吗?