2023 लेखक: Bryan Walter | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2023-05-21 22:25
अमेरिकी रसायनज्ञों ने लोहे, मोलिब्डेनम और सल्फर के परमाणुओं के एक समूह को संश्लेषित किया है, जो एक नाइट्रोजन अणु को बांधता है और इसे एक और कमी प्रतिक्रिया के लिए तैयार करता है - जैसे सायनोबैक्टीरिया में एंजाइम नाइट्रोजन। क्लस्टर के चारों ओर लिगैंड्स से स्थानिक सुरक्षा ने ओलिगोमेराइजेशन को रोकने और नाइट्रोजन परमाणुओं के बीच बंधन को कमजोर करने में मदद की, वैज्ञानिक नेचर केमिस्ट्री में लिखते हैं।
नाइट्रोजन अणु N2 में परमाणु एक बहुत मजबूत ट्रिपल बॉन्ड से जुड़े होते हैं, इसलिए यह अणु काफी निष्क्रिय है: इसे अन्य पदार्थों (उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन) के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए मजबूर करने के लिए, कठोर परिस्थितियों का निर्माण किया जाना चाहिए। इसलिए, २०वीं शताब्दी की शुरुआत में, हाइड्रोजन के साथ नाइट्रोजन की कमी की सीधी प्रतिक्रिया हैबर प्रक्रिया का उपयोग करके की गई थी - उच्च दबाव पर एक गर्म उत्प्रेरक पर संश्लेषण। आधुनिक उत्प्रेरक (उदाहरण के लिए, रूथेनियम, लैंथेनम नाइट्राइड, या बोरॉन के साथ ऑर्गोमेटेलिक कॉम्प्लेक्स) इस प्रक्रिया को मामूली परिस्थितियों में करने की अनुमति देते हैं।
वे नाइट्रोजन और अधिकांश जीवित जीवों को बांधने और बहाल करने में असमर्थ हैं। अपवाद सायनोबैक्टीरिया और आर्किया हैं, जिनके पास इसके लिए एक विशेष एंजाइम है - नाइट्रोजन। यह पर्यावरण से एक गैस अणु को पकड़ता है, इसे ठीक करता है, नाइट्रोजन परमाणुओं के बीच के बंधन को कमजोर करता है, और फिर नाइट्रोजन को पुनर्स्थापित करता है, जो अब पड़ोसी परमाणु से इतनी मजबूती से बंधा नहीं है। एंजाइम में कई भाग होते हैं, Fe-Mo कॉफ़ेक्टर इसमें नाइट्रोजन के बंधन के लिए जिम्मेदार होता है - Fe7MoS9C संरचना का एक समूह, जिसमें कार्बन के चारों ओर एक मोलिब्डेनम परमाणु के साथ लोहे और सल्फर परमाणुओं का एक नेटवर्क बनाया जाता है।
उन्होंने प्रयोगशाला में नाइट्रोजन को पकड़ने और बांधने के लिए एक समान आणविक क्लस्टर को संश्लेषित करने की कोशिश की, लेकिन पहले ओलिगोमेराइजेशन की साइड रिएक्शन के कारण इस यौगिक को काम करना संभव नहीं था: नाइट्रोजन में शामिल होने के बजाय, समूहों के सक्रिय केंद्र पसंद करते हैं एक दूसरे के साथ बातचीत करने के लिए। मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के अमेरिकी रसायनज्ञ एलेक्स मैकस्किमिंग और डैनियल एलएम सूस ने इस समस्या को हल किया है। वैज्ञानिकों ने नाइट्रोजन के एक कृत्रिम एनालॉग को संश्लेषित किया है - सल्फर, लोहा और मोलिब्डेनम परमाणुओं का एक परिसर [MoFe3S4], जो नाइट्रोजन अणु को भी बांधता है और इसे और कमी के लिए उपयुक्त बनाता है। प्राकृतिक Fe-Mo कॉफ़ेक्टर के विपरीत, कॉम्प्लेक्स में कार्बन परमाणु शामिल नहीं होता है, और परमाणु, जिसे तब नाइट्रोजन द्वारा प्रतिस्थापित किया जाना चाहिए, सल्फर नहीं, बल्कि क्लोरीन है। सही समय पर, क्लोरीन अलग हो जाता है और नाइट्रोजन के साथ बाँधने के लिए आवश्यक लोहे के परमाणु को मुक्त कर देता है।
Fe-Mo cofactor (बाएं) और MoFe3S4 क्लस्टर (दाएं) की संरचना। ठोस रेखाएँ सहसंयोजक और समन्वय बंध दोनों को दर्शाती हैं।
पिछले कार्यों से समान समूहों का ओलिगोमेराइजेशन। ठोस रेखाएँ सहसंयोजक और समन्वय बंध दोनों को दर्शाती हैं।
क्लस्टर ओलिगोमेराइजेशन के बिना नाइट्रोजन अणुओं का कब्जा। ठोस रेखाएं सहसंयोजक और समन्वय बंधन दोनों को दर्शाती हैं।
यह पता चला है कि यदि [MoFe3S4] क्लस्टर लिगैंड्स के सुरक्षात्मक वातावरण में एम्बेडेड है, तो ओलिगोमेराइजेशन से बचा जा सकता है। इस तरह के एक स्थानिक संरक्षण के रूप में, रसायनज्ञों ने बड़े लिगैंड का उपयोग करने का सुझाव दिया: एक मोलिब्डेनम परमाणु में तीन समन्वय केंद्र और दो लोहे के परमाणुओं में दो बड़े।
रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी और एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफिक विश्लेषण के आंकड़ों से पता चला है कि जब यह नाइट्रोजन अणु के साथ प्रतिक्रिया करता है, तो यह दो सल्फाइड समूहों से जुड़ जाता है, जो उनके बीच एक डायटोमिक पुल में बदल जाता है। इस मामले में, परिसरों में शामिल होने के बाद, नाइट्रोजन परमाणुओं के बीच बंधन की लंबाई 0.1095 से बढ़कर 0.1145 नैनोमीटर हो जाती है, अर्थात यह काफी कमजोर हो जाता है।काम के लेखकों के अनुसार, यह कॉम्प्लेक्स आयरन-सल्फाइड कॉम्प्लेक्स के लिए असामान्य है, क्योंकि इस क्लस्टर में धातुओं में उच्च औपचारिक ऑक्सीकरण अवस्था होती है। हालांकि, प्रतिक्रिया के दौरान, धातु और सल्फर परमाणुओं के बीच के बंधन थोड़े छोटे हो जाते हैं, यही कारण है कि इलेक्ट्रॉन घनत्व लोहे के परमाणुओं से नाइट्रोजन अणु तक खींच लिया जाता है, जो बहुत स्थिर ट्रिपल बॉन्ड की ताकत को प्रभावित करता है। यह सहसंयोजक अंतःक्रियाएं हैं जो जटिल को नाइट्रोजन के साथ स्थिर बनाती हैं, और इसके विपरीत, अणु के अंदर का बंधन कमजोर होता है।
वैज्ञानिक ध्यान दें कि कार्बाइड लिगैंड प्रस्तावित तंत्र के अनुसार बंधन में शामिल नहीं हैं, अर्थात्, उन्हें पहले प्राकृतिक नाइट्रोजनेज कॉफ़ैक्टर्स में नाइट्रोजन बंधन के प्रमुख तत्वों में से एक माना जाता था। भविष्य में, वैज्ञानिकों ने अभी तक इस प्रक्रिया में मोलिब्डेनम की भूमिका को स्पष्ट नहीं किया है (आखिरकार, नाइट्रोजन हमेशा एक लोहे के परमाणु से बंधता है) - इससे यह समझने में मदद मिलेगी कि प्राचीन बैक्टीरिया में नाइट्रोजन को बहाल करने के लिए प्रोटीन कैसे विकसित हुए, और संभवतः, बनाने ऐसी प्रतिक्रियाओं के लिए प्रभावी कृत्रिम उत्प्रेरक।
दिलचस्प बात यह है कि 2017 में, स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय के रसायनज्ञ अवायवीय बैक्टीरिया से प्रेरित थे जो विपरीत प्रतिक्रिया करते हैं - अमोनिया ऑक्सीकरण। इन जीवाणुओं के फॉस्फोलिपिड्स ने लैडरन को संश्लेषित करने के लिए पॉलीलाडर्न में यांत्रिक रूप से बंधनों को तोड़ने के विचार के साथ आने में मदद की।
