大家知道，蛋白質(zhì)在生命過(guò)程中起著決定性作用，而氮是蛋白質(zhì)的主要組成元素。一切動(dòng)植物的生長(zhǎng)都離不開(kāi)氮。大氣中雖然含有80%左右的氮?dú)?，可是它不能被絕大多數(shù)的生物直接利用。只有當(dāng)?shù)獨(dú)獗?ldquo;固定”住了，就是當(dāng)大氣中的氮?dú)夂退械臍湓鼗虼髿庵械难鯕饨Y(jié)合成一種可溶性的含氮化合物之后，它才能被生物吸收。

目前，工業(yè)合成氨是以空氣等物質(zhì)為原料，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的加工得到純凈的氮?dú)夂蜌錃?，然后讓它通過(guò)合成氨催化劑，在高溫高壓的相當(dāng)苛刻的條件下制成氮肥的主要原料氨。這種方法要求龐大的設(shè)備和復(fù)雜的工藝，還要消耗大量的能源。然而自然界中卻存在著一類叫做固氮菌的微生物，豆科植物上面寄生的根瘤菌就是這樣一種固氮菌。它通過(guò)體內(nèi)的一種具有特殊催化功能的蛋白質(zhì)一一固氮酶的作用，能夠把不能被植物所直接利用的空氣中的氮?dú)猓D(zhuǎn)化成可以直接利用的氨態(tài)氮，這就是通常說(shuō)的生物固氮。

經(jīng)過(guò)科學(xué)家們研究，固氮酶和化學(xué)催化劑一樣，是通過(guò)某些催化活性中心起著固氮作用的。那么，我們能不能用化學(xué)方法模仿固氮酶來(lái)進(jìn)行固氮作用呢？固氮酶的活性中心具有什么樣的結(jié)構(gòu)呢？能不能用化學(xué)方法合成這種活性中心的模型物呢？目前，世界上許多優(yōu)秀的科學(xué)家都在研究和探索著回答這些問(wèn)題。

氮?dú)夥肿邮欠浅２换顫姷?。可是為什么它卻能在固氮菌這樣微生物的作用下，以足夠高的速率和效應(yīng)被還原成氨態(tài)氮呢？固氮菌的這種超人本領(lǐng)，使需要高溫高壓那樣苛刻條件的合成氨工業(yè)，相形之下顯得非常遜色，這里的關(guān)鍵又是什么呢？所有固氮菌都含有固氮酶，不同固氮菌中所含的固氮酶在組成和結(jié)構(gòu)上必然存在著一些差別，但本質(zhì)上的差別肯定很小。反過(guò)來(lái)，不能生成固氮酶的生物無(wú)論如何是不能直接固氮的。因此，了解固氮酶的結(jié)構(gòu)，探討它是怎樣起作用的，要怎樣做才能模仿它。，這就是化學(xué)模擬生物固氮的任務(wù)，也就是要以化學(xué)的方法來(lái)模仿固氮酶這樣一種生物化學(xué)催化劑的固氮本領(lǐng)，把仿生學(xué)的研究滲進(jìn)化學(xué)領(lǐng)域去。

化學(xué)模擬生物固氮的研究是從兩個(gè)方面進(jìn)行的。第一是生物化學(xué)家們從生物固氮酶入手，分離出它的有效成分，測(cè)定它的組成以及它的固氮活性中心的結(jié)構(gòu)。1960年，美國(guó)杜邦公司的卡納漢從巴氏核菌中首次分離出具有固氮活性的無(wú)細(xì)胞提取液，并且成功地實(shí)現(xiàn)了利用它把氮?dú)膺€原成氨的試驗(yàn)，使固氮的生物化學(xué)研究推進(jìn)到細(xì)胞內(nèi)提取液的水平（這里我們不妨順便指出，我國(guó)是1962年從棕色固氮菌制備出無(wú)細(xì)胞抽提液，當(dāng)時(shí)相差不過(guò)兩年左右）。1966年莫頓森和布倫等分別從巴氏核菌和棕色固氮菌的提取液中分離出固氮酶的兩種單純化的酶蛋白，通稱鉬鐵蛋白和鐵蛋白。這就標(biāo)志著固氮的生物化學(xué)研究又從非細(xì)胞提取液水平進(jìn)入了分子水平的研究階段。1970年，伯恩斯等首次獲得了鉬鐵蛋白的針狀結(jié)晶，之后固氮酶的生物化學(xué)研究進(jìn)展相當(dāng)迅速，對(duì)固氮酶的結(jié)構(gòu)提供了許多基本信息。

1977年，威斯康辛大學(xué)從鉬鐵蛋白分離出一個(gè)分子量只有一兩個(gè)的鐵鉬輔基，并加以純化。經(jīng)過(guò)許多生物化學(xué)家的努力，我們有理由相信這個(gè)鐵鉬輔基分子是固氮活性中心的核心部分。不過(guò)，固氮酶的固氮活性中心結(jié)構(gòu)到現(xiàn)在還未能完全搞清楚，對(duì)氮?dú)夥肿拥恼麄€(gè)還原過(guò)程也還得不到真正的了解。

第二方面的工作是，化學(xué)家和生物化學(xué)家們根據(jù)固氮酶研究所提供的基本化學(xué)組成、生物化學(xué)性質(zhì)、催化固氮活性以及結(jié)構(gòu)信息，設(shè)法用化學(xué)的方法加以模擬。他們逐步深入地提出了固氮酶活性中心的結(jié)構(gòu)模型，并且設(shè)法進(jìn)行模型化合物的試探合成，或者設(shè)計(jì)出模擬體系，進(jìn)行固氮活性中心的模擬研究。1973年，由蔡啟瑞教授領(lǐng)導(dǎo)的廈門大學(xué)固氮研究組和由我領(lǐng)導(dǎo)的中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所固氮研究組，分別從絡(luò)合催化和結(jié)構(gòu)化學(xué)的角度，先后分析了生物固氮化學(xué)過(guò)程的絡(luò)合活性催化作用，這都是國(guó)際上提得最早的鉬鐵硫類立方烷型原子簇結(jié)構(gòu)模型，即廈門模型Ⅰ和福州模型Ⅰ。后者形狀有點(diǎn)象像我國(guó)土產(chǎn)的網(wǎng)兜，因此我們稱它為網(wǎng)兜狀結(jié)構(gòu)模型。前者本質(zhì)上也是網(wǎng)兜狀的。應(yīng)該說(shuō)，這兩個(gè)模型都能相當(dāng)圓滿地解釋固氮酶的主要還原反應(yīng)，因此不妨認(rèn)為提得相當(dāng)完整，也能描述得相當(dāng)細(xì)致的。1978年，我們兩個(gè)固氮研究組又根據(jù)國(guó)外新取得的固氮酶研究結(jié)果對(duì)原提模型加以發(fā)展，福州模型Ⅰ就這樣成為福州模型Ⅱ。總的說(shuō)來(lái)，我們提出的兩個(gè)福州模型都含有一種基本結(jié)構(gòu)單元即網(wǎng)兜狀一鉬三鐵三硫原子簇結(jié)構(gòu)單元；這樣的結(jié)構(gòu)單元，不僅得到外延X射線吸收譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相當(dāng)有力的支持，而且從其它活性測(cè)試結(jié)果得到了旁證。

當(dāng)然，一個(gè)理論模型是否正確，還必須通過(guò)實(shí)踐來(lái)驗(yàn)證。莫頓森已經(jīng)從好幾種固氮菌結(jié)晶出鉬鐵蛋白，得到可供晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定用的單晶，相信再過(guò)五年左右能將鉬鐵蛋白的全結(jié)構(gòu)測(cè)定出來(lái)。這樣就可以用來(lái)對(duì)比驗(yàn)證了。但是福州模型是一種多核原子簇結(jié)構(gòu)，它的合成規(guī)律尚未被人們充分掌握，可以說(shuō)它的合成本身就是一個(gè)要費(fèi)大力氣的研究課題。在國(guó)內(nèi)，廈門大學(xué)、吉林大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所等單位都已開(kāi)展了這方面的研究工作，分別合成了若干系列具有一定活性的化合物。其中我們福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所一方面與蘭州大學(xué)化學(xué)系黃文魁教授協(xié)作，合成出一系列所謂G系的模型物（這里G指甘肅蘭州）；另一方面又自己組織力量合成出另一系列所謂F系的模型物（這里F指福建福州）。文獻(xiàn)上還未見(jiàn)到其它報(bào)道，反映出我國(guó)化學(xué)模擬生物固氮的研究工作在某些方面還是處于前列的。近年來(lái)，我們福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所又對(duì)模型物的活性成因以及它和活性體分子結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系進(jìn)行了分析研究。根據(jù)G系模型物晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定結(jié)構(gòu)果的啟示，可以相當(dāng)肯定它們的活性體在晶體中并不一定直接存在；相反地，在晶體里可能只存在著幾種比較簡(jiǎn)單的雙核原子簇化合物作為活性結(jié)構(gòu)的“元件”，它們?cè)诨钚詼y(cè)試的實(shí)驗(yàn)條件下組裝成活性體的機(jī)會(huì)。這樣的元件設(shè)想已經(jīng)得到一些實(shí)驗(yàn)的初步考驗(yàn)，進(jìn)一步的工作尚在進(jìn)行中。

在當(dāng)前世界性能源短缺的情況下，為了適應(yīng)生產(chǎn)迅速發(fā)展的要求，尋求新的農(nóng)業(yè)氮源是一項(xiàng)十分迫切的任務(wù)，因而化學(xué)模擬生物固氮的研究有著非常明確的意義。如果化學(xué)工作者能和生物化學(xué)工作者一道徹底弄清生物固氮作用的機(jī)理，模仿合成出具有夠高固氮活性的準(zhǔn)生物化學(xué)催化劑，就有可能做到，在相當(dāng)溫和的溫度壓力條件甚至是常溫常壓下，從一端輸入氮?dú)夂退约氨匾碾娮庸w，從另一端得到源源不斷地輸出的氨。要做到這一點(diǎn)，還要走漫長(zhǎng)的道路，克服重重的困難；但是只要通過(guò)我們科學(xué)技術(shù)工作者的辛勤探索，化學(xué)模擬生物固氮這個(gè)美妙的科學(xué)幻想一定會(huì)成為真正的科學(xué)現(xiàn)實(shí)。