Ammoniak, den primära ingrediensen i kvävebaserade gödselmedel, har hjälpt till att mata världen sedan första världskriget. Men att tillverka ammoniak i industriell skala kräver mycket energi, och det står för mer än en procent av världens totala energirelaterade koldioxidutsläpp.

I naturen, enzymet nitrogenas producerar ammoniak på ett mycket mer miljövänligt sätt. Forskare försöker bättre förstå hur nitrogenas fungerar som en katalysator för att bryta ner kväve. Det de lär sig kan leda till nya bioinspirerade design som förbättrar sättet att tillverka gödningsmedel.

En ny upptäckt av ett forskargrupp från Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) och flera universitet passerar ett stort hinder mot det målet. De identifierade, för första gången, den svårfångade molekylstrukturen inuti nitrogenas som bryter ner kväve för att producera ammoniak. Denna struktur, kallad Janus mellanliggande, representerar vändpunkten i nitrogenasvägen mot ammoniak.

Teamets forskning beskrivs i en forskningsartikel publicerad i Journal of the American Chemical Society .

Simone Raugei, en teoretisk kemist och en av studiens motsvarande författare, sade strukturen hos Janus -intermediären - särskilt de rumsliga förhållandena mellan dess elektroner och protoner - är viktig eftersom den belyser hur nitrogenas kan lagra fyra elektroner i ett mycket litet grupp av atomer för att göra det möjligt att bryta den starka kemiska bindningen av kvävgas. Elektroner vill naturligtvis avvisa varandra, så att rotera runt dem i ett trångt utrymme är knepigt.

"Att förstå hur man parkerar ytterligare fyra elektroner i en redan mycket elektronrik region är en sann utmaning för syntetiska kemister, sa Raugei.

För att lösa strukturen för Janus-mellanprodukten, forskargruppen använde datorsimuleringar i kombination med en magnetisk resonansanalysteknik för att förklara den molekylära och elektroniska strukturen hos de oparade elektronerna. Resultatet blev en enkel, ändå robust analytisk modell som kan reproducera nyckelelementen i interaktionen mellan kärnorna och elektronmolnet i Janus-mellanprodukten. Denna modell kunde entydigt peka ut en struktur bland alla möjliga strukturella kandidater som kunde reproducera experimentella data. I den modellen, två negativt laddade väten (kallade hydrider) bildar broar med två järnjoner för att rymma de extra elektronerna.

Dessa resultat representerar ett enormt steg framåt i jakten på ett bättre sätt att syntetisera ammoniak. Nästa steg blir att ta reda på hur man tacklar hur elektronerna lagrade i de överbryggande hydriderna strömmar in i kvävemolekylen och hur dess starka trippelbindning slits isär.

Hela forskargruppen inkluderade Simone Raugei från PNNL; Lance C. Seefeldt från Utah State University och PNNL; Veronika Hoeke och Brian M. Hoffman från Northwestern University; Laura Tociu från University of Chicago; och David A. Case från Rutgers University. Arbetet stöddes av Department of Energy (DOE), National Institutes of Health, och National Science Foundation.