仿生化學固氮體系的構築及功能

《仿生化學固氮體系的構築及功能》是依託大連理工大學,由曲景平擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：仿生化學固氮體系的構築及功能
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：曲景平

項目摘要

合成氨工藝在奠定了現代農業基礎的同時，也消耗了大量的能源。通過仿生化學固氮體系的構築，開發新型高活性、低能耗的催化體系，實現溫和條件下固氮反應，是極具重大意義的研究課題。本項目選擇具有優異催化肼類化合物N-N鍵斷裂活性的雙（多）核金屬簇化合物作為重要的固氮酶模擬物，通過調控其端配體和橋配體的配位結構、電子結構、氧化還原電位等，考察和探索影響氮氣活化、轉化功能的因素。將所合成的固氮酶模型鐵硫簇化合物與具有特定環境的籠狀大分子結合，組裝成同時具有鐵硫簇核心和特定空間、電子和疏水性環境的超分子體系，研究其對氮氣活化，以及催化氮氣轉化制氨或其它含氮小分子中各步反應的性能。通過仿生化學固氮體系與光、電、電漿、微波等外場耦合，開發不同能源利用方式下，低能耗的合成氨新途徑。

結題摘要

本項目以仿生化學固氮研究為重點，以利用廉價易得的雙核鐵硫簇開展仿生化學固氮為策略，設計併合成了多種新型硫橋聯雙鐵配合物，全方位地構築了仿生化學固氮新的功能體系。首先，基於對固氮酶活性中心鐵鉬輔基的結構特徵的不斷認識，借鑑國內外化學仿生固氮研究取得的重要階段性研究成果，成功構築了多個以雙核鐵硫簇為活性中心的仿生化學固氮體系。其次，通過這些分子體系建立了N2相關的NxHy物種在雙鐵中心上的配位活化模型，提出了全新的雙鐵N2活化轉化成NH3的作用機制。再次，通過新型多齒配體的設計合成或者引入籠狀大分子構築超分子體系來模擬固氮酶活性中心周圍的微環境，成功捕捉到了重要的固氮過程中間體雙鐵氮化物，並且在溫和條件下，該雙鐵氮化物能夠與氫氣作用釋放氨氣。另外，通過金屬之間的協同效應實現了N2相關底物的配位活化和催化轉化。最後，通過耦合光、電等外場清潔能源，開展了仿生化學固氮體系及超分子體系的催化質子還原放氫功能研究。通過本項目的實施，重新開啟了我國化學模擬生物固氮研究的新熱潮，為推動我國化學學科前沿領域的自主創新和化學工業的可持續發展做出了應有的貢獻。