不一样的元素故事:生死看氮|《自然-化学》专栏

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本文是《自然-化学》元素故事系列的第29篇文章:生死看氮

原文作者:Michael A. Tarselli,美国Biomedisyn公司研发人员

虽然在一开始,化学家眼中的氮只显现出其讨厌或毫无生气的一面,但后来在大量的生与死的过程中都发现了氮的身影。在本文中,Michael Tarselli深入地介绍了氮的这种出乎意料的特性。

在十八世纪的科学巨人们——舍勒、普利斯特里和拉瓦锡——的眼中,不能助燃也不能维生的氮气是“讨厌”甚至“死气沉沉”的。然而在接下来的三百年里,第7号元素的经历完全称得上举世无双:参与有机合成,制造爆炸物,发电,污染食物,以及解明DNA的结构。

氮位于第七主族的顶部,这一族也被贴切地称为“窒素”(pnictides),得名于希腊语的“使窒息”一词。这一族的其他成员也同样是生死之道的高手:砷同时是剧毒和良药;磷可以使人求死不能,但同时也是DNA骨架的组成部分。

这些元素在p电子价层都有着三个未成对电子,同时也能以其s电子成键,所以一般来说它们会希望形成三到五根键。在单质状态,氮会形成双原子分子N2——这是我们呼吸的空气中超过七成的组分。

氮倾向于形成三根共价键,同时还保留一对孤对电子“以备他用”,这为氮原子带来了极多的催化及生化用途。在脯氨酸和尿素——后者是人类合成出的第一种有机物(弗雷德里希·维勒,1828年)——这两种含氮前体的基础上,我们制备了大量活性小分子;这些小分子正是蓬勃发展的有机催化领域的基石。

而在自然中,血色素蛋白及叶绿素中的卟啉-聚吡咯大环则配合着中心的过渡金属离子,为生命活动提供了最基础的功能:光合作用,运输氧,以及清除血液毒素。几种重金属(包括钼、钒和铁)能支持豆科植物根部中的土壤菌类的固氮能力,使得植物能将氮气转化为可以利用的生物质。

来源: © ALEX WING

DNA的每个碱基中都含有氮原子:生命正是如此精妙地与氮彼此相连。Meselson和Stahl通过使用氮的重同位素N15进行标记,证明了DNA单链即可作为自我复制的模版。有志于摆弄生命密码的化学家们已经设计出了碱基的“扩展包”,这些新碱基也能像普通的DNA一样复制并配对。

胎儿在母亲腹中的发育要大大地归功于又一种含氮化合物,叶酸(维生素B9);与此相对,三聚氰胺C3H6N6则在最近登上了沉重的头条新闻。食物里的氮元素一般存在于蛋白质中,所以氮分析一直被用来作为蛋白质含量的标杆。正是为了人工增加表观蛋白质含量,不法分子在婴儿配方奶粉和宠物食品中添加了三聚氰胺,于是人和宠物就得病了。

氮也在可再生能源的发展中扮演了举足轻重的角色。Nocera发明的“hangman”结构能将水分解为可用于为燃料电池供能的氢气和氧气;其结构包括一个八氟corrole骨架,这一骨架通过四个氮原子与钴配合。

想要安全地运输氢燃料,一种可能的方式便是通过氨-硼烷配合物(H2N–BH3)。新型的太阳能电池同样依靠含有金属-氮键的染料来捕捉环境光,这让我们能够制成柔韧、高效并且价廉物美的设备。

战争可以说彻底依赖着氮化合物的支持:哈勃法(由氮气和氢气工业催化合成氨气的方法)是在第一次世界大战时发展起来的;在此之前,炸药的制备原料则是鸟粪石中高浓度的硝酸盐。氮的高爆倾向同样延伸到了TNT,硝酸铵,硝化甘油和三碘化氮上——最后一位会在羽毛碰触之下就解体,作为演出道具来说相当震撼人心。

就算知道叠氮化合物和四唑类化合物等等具有高氮/碳比的分子一般会具有爆炸性,化学家们仍然把持不住自己。Klapötke及其同事在最近合成了一个具有十个氮原子链的分子,这种化合物的稳定性低得几乎无法完成分析,炸碎了好几件玻璃器皿。

氮的这种生死两面性贯穿了整个医药史。氮往往与恶臭和死亡联系在一起:哪怕空气中仅有极微量的尸胺和腐胺——死亡的生物组织会散发出这两种挥发性的胺类——我们也能闻到。古人就了解的毒剂,氰化物,里面有含氮的C≡N官能团。

觉得头晕了吗?能使人恢复清醒的“嗅盐”中往往也含有碳酸铵。苯胺类染料虽然一开始被认为是煤焦油中的无用废料,后来却表现出了强大的生物活性,推动了现代制药业的发展。

想想氮具有的侵蚀、催化、养育和摧毁的能力,氮证明了自己“了无生气”的恶名实在是错得离谱。


原文以Life and death with nitrogen为标题

发布在2012年7月24日的《自然-化学》In Your Element上

nchem|doi:10.1038/nchem.1419

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