Ammoniaca, l'ingrediente principale nei fertilizzanti a base di azoto, ha contribuito a sfamare il mondo dalla prima guerra mondiale. Ma produrre ammoniaca su scala industriale richiede molta energia, e rappresenta più dell'uno per cento delle emissioni totali di carbonio legate all'energia del mondo.

In natura, l'enzima nitrogenasi produce ammoniaca in un modo molto più rispettoso dell'ambiente. I ricercatori stanno cercando di capire meglio come la nitrogenasi agisce come catalizzatore per abbattere l'azoto. Ciò che apprendono potrebbe portare a nuovi progetti di ispirazione biologica che migliorano il modo in cui vengono prodotti i fertilizzanti.

Una recente scoperta da parte di un gruppo di ricerca del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) e di diverse università supera un enorme ostacolo verso tale obiettivo. hanno identificato, per la prima volta, la sfuggente struttura molecolare all'interno della nitrogenasi che scompone l'azoto per produrre ammoniaca. Questa struttura, indicato come Janus intermedio, rappresenta il punto di svolta nel percorso della nitrogenasi verso l'ammoniaca.

La ricerca del team è descritta in un articolo di ricerca pubblicato su Giornale della Società Chimica Americana .

Simone Raugei, un chimico teorico e uno degli autori corrispondenti dello studio, ha detto che la struttura dell'intermedio Janus, in particolare le relazioni spaziali dei suoi elettroni e protoni, è importante perché fa luce su come la nitrogenasi può immagazzinare quattro elettroni in un piccolissimo ammasso di atomi per rendere possibile la rottura del forte legame chimico del gas azoto. Gli elettroni vogliono naturalmente respingersi a vicenda, quindi ruotarli in uno spazio ristretto è difficile.

"Capire come parcheggiare quattro elettroni aggiuntivi in ​​una regione già molto ricca di elettroni è una vera sfida per i chimici di sintesi, " disse Raugei.

Per risolvere la struttura dell'intermedio di Giano, il team di ricerca ha utilizzato simulazioni al computer abbinate a una tecnica analitica di risonanza magnetica per spiegare la struttura molecolare ed elettronica degli elettroni spaiati. Il risultato è stato un semplice, ma robusto modello analitico in grado di riprodurre gli elementi chiave dell'interazione tra i nuclei e la nuvola di elettroni nell'intermedio di Giano. Questo modello è stato in grado di individuare in modo univoco una struttura tra tutti i possibili candidati strutturali in grado di riprodurre i dati sperimentali. In quel modello, due idrogeni con carica negativa (chiamati idruri) formano ponti con due ioni di ferro per accogliere gli elettroni in più.

Questi risultati rappresentano un enorme passo avanti nella ricerca di un modo migliore per sintetizzare l'ammoniaca. Il prossimo passo sarà capire come affrontare il modo in cui gli elettroni immagazzinati negli idruri a ponte fluiscono nella molecola di azoto e come viene strappato il suo forte triplo legame.

Il team di ricerca completo comprendeva Simone Raugei del PNNL; Lance C. Seefeldt della Utah State University e del PNNL; Veronika Hoeke e Brian M. Hoffman della Northwestern University; Laura Tociu dell'Università di Chicago; e David A. Case della Rutgers University. Il lavoro è stato sostenuto dal Dipartimento dell'Energia (DOE), gli Istituti Nazionali di Sanità, e la Fondazione Nazionale della Scienza.