Amoníaco, el ingrediente principal de los fertilizantes nitrogenados, ha ayudado a alimentar al mundo desde la Primera Guerra Mundial. Pero producir amoníaco a escala industrial requiere mucha energía, y representa más del uno por ciento del total de emisiones de carbono relacionadas con la energía del mundo.

En naturaleza, la enzima nitrogenasa produce amoniaco de una forma mucho más benigna para el medio ambiente. Los investigadores buscan comprender mejor cómo actúa la nitrogenasa como catalizador para descomponer el nitrógeno. Lo que aprendan podría conducir a nuevos diseños de inspiración biológica que mejoren la forma en que se fabrican los fertilizantes.

Un descubrimiento reciente de un equipo de investigación del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) y varias universidades cruza un gran obstáculo hacia ese objetivo. Ellos identificaron, por primera vez, la elusiva estructura molecular dentro de la nitrogenasa que descompone el nitrógeno para producir amoníaco. Esta estructura, conocido como el intermedio de Janus, representa el punto de inflexión en la ruta de la nitrogenasa hacia el amoníaco.

La investigación del equipo se describe en un artículo de investigación publicado en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

Simone Raugei, un químico teórico y uno de los autores correspondientes del estudio, dijo que la estructura del intermedio de Janus, particularmente las relaciones espaciales de sus electrones y protones, es importante porque arroja luz sobre cómo la nitrogenasa puede almacenar cuatro electrones en un grupo muy pequeño de átomos para hacer posible la ruptura del fuerte enlace químico del gas nitrógeno. Los electrones naturalmente quieren repelerse entre sí, por lo que rotarlos en un espacio reducido es complicado.

"Entender cómo estacionar cuatro electrones adicionales en una región que ya es muy rica en electrones es un verdadero desafío para los químicos sintéticos, "dijo Raugei.

Para resolver la estructura del intermedio de Janus, El equipo de investigación utilizó simulaciones por computadora junto con una técnica analítica de resonancia magnética para explicar la estructura molecular y electrónica de los electrones no apareados. El resultado fue un simple, modelo analítico robusto capaz de reproducir los elementos clave de la interacción entre los núcleos y la nube de electrones en el intermedio de Janus. Este modelo fue capaz de destacar sin ambigüedades una estructura entre todos los posibles candidatos estructurales capaces de reproducir los datos experimentales. En ese modelo, dos hidrógenos cargados negativamente (llamados hidruros) forman puentes con dos iones de hierro para acomodar los electrones adicionales.

Estos resultados representan un tremendo paso adelante en la búsqueda de una mejor manera de sintetizar el amoníaco. El siguiente paso será descubrir cómo abordar cómo los electrones almacenados en los hidruros puente fluyen hacia la molécula de nitrógeno y cómo se rompe su fuerte triple enlace.

El equipo de investigación completo incluyó a Simone Raugei de PNNL; Lance C. Seefeldt de la Universidad Estatal de Utah y PNNL; Veronika Hoeke y Brian M. Hoffman de la Universidad Northwestern; Laura Tociu de la Universidad de Chicago; y David A. Case de la Universidad de Rutgers. El trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía (DOE), los Institutos Nacionales de Salud, y la Fundación Nacional de Ciencias.