image: 已知不同配位模式的金属-氮气配合物及其形成氮-碳键的反应类型。 （√）表示有文献报道，（X）表示还没有文献报道。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
八成以上具有各种各样功能的医药、农药、材料等都是含氮有机化合物（含有氮-碳化学键），而这些化合物的绝大多数都需要人工化学合成才能得到；另一方面，氮气占空气成分的近八成，是最丰富的氮源，可谓取之不尽用之不竭，也是绝大部分含氮化合物中氮的唯一来源。但是氮气分子极其稳定，其活化和转化极具挑战性。因此实现温和条件下直接、高效利用氮气，使其成为最廉价的氮源，一直是人类的梦想之一，也是科学家尤其是化学家最重要的使命之一。
目前，人类直接利用空气中的氮气最成功的途径是工业合成氨（NH3），它是人类科技史上最伟大发明之一，极大地推动了现代文明的进步。但是，传统的合成氨过程条件极其苛刻，还存在着许多重大科学和技术问题需要解决。而另一方面，几乎所有的人工合成的含氮有机化合物都是以氨为基础原料制备的。因此，不经过氨，直接从氮气和合适的碳源在温和条件下高效合成含氮有机化合物具有重要意义，可能成为人类直接利用氮气的又一个重要途径，成为固氮化学研究的新高潮。
虽然从氮气直接合成含氮有机化合物的研究挑战巨大、进展缓慢，但是在过去的半个多世纪里一直有零零星星的报道。近日，北京大学席振峰院士负责的国家自然科学基金委员会“空气主份转化化学”基础科学中心研究团队在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）上发表综述，全面总结了从氮气直接合成含氮有机化合物的研究进展，并提出了未来研究的机遇与挑战。
文章指出，目前绝大多数从氮气直接合成含氮有机化合物的研究均是通过金属-氮气配合物与含碳试剂反应实现的。同时，光化学、电化学、表面催化等促进或参与的研究方法在近些年也取得了重要进展。
在文中，作者首先讨论了不同配位模式（侧基配位、端基配位、侧基-端基配位等）的金属-氮气参与的氮-碳键形成的不同反应模式，包括：烷基化、酰基化，插入、环加成等。其次，作者指出，尽管目前部分从氮气合成含氮有机化合物的反应已经可以完成合成循环，但相应的催化过程尚未实现。
在该综述的最后，作者对该领域存在的挑战和未来研究方向进行了展望。作者认为，金属-氮气配合物的新反应模式、多金属体系和主族金属促进的氮气活化与转化的新机制、光/电驱动的合成反应及多相催化过程、以及不同方法的协同作用是该领域未来研究的重点。
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文章信息：
Direct transformation of dinitrogen: synthesis of N-containing organic compounds via N−C bond formation
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa142
Journal
National Science Review