Ammoniac, l'ingrédient principal des engrais azotés, a aidé à nourrir le monde depuis la Première Guerre mondiale. Mais fabriquer de l'ammoniac à l'échelle industrielle demande beaucoup d'énergie, et il représente plus d'un pour cent des émissions mondiales totales de carbone liées à l'énergie.

Dans la nature, l'enzyme nitrogénase produit de l'ammoniac d'une manière beaucoup plus inoffensive pour l'environnement. Les chercheurs cherchent à mieux comprendre comment la nitrogénase agit comme catalyseur pour décomposer l'azote. Ce qu'ils apprennent pourrait conduire à de nouvelles conceptions bio-inspirées qui améliorent la façon dont les engrais sont fabriqués.

Une découverte récente par une équipe de recherche du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) et de plusieurs universités franchit un énorme obstacle vers cet objectif. Ils ont identifié, pour la première fois, la structure moléculaire insaisissable à l'intérieur de la nitrogénase qui décompose l'azote pour produire de l'ammoniac. Cette structure, appelé intermédiaire Janus, représente le tournant dans le cheminement de la nitrogénase vers l'ammoniac.

Les recherches de l'équipe sont décrites dans un article de recherche publié dans le Journal de l'American Chemical Society .

Simone Raugei, un chimiste théoricien et l'un des auteurs correspondants de l'étude, a déclaré que la structure de l'intermédiaire Janus - en particulier les relations spatiales de ses électrons et de ses protons - est importante car elle met en lumière la façon dont la nitrogénase peut stocker quatre électrons dans un très petit amas d'atomes pour permettre la rupture de la forte liaison chimique de l'azote gazeux. Les électrons veulent naturellement se repousser, il est donc difficile de les faire pivoter dans un espace confiné.

« Comprendre comment garer quatre électrons supplémentaires dans une région déjà très riche en électrons est un véritable défi pour les chimistes de synthèse, ", a déclaré Raugei.

Pour résoudre la structure de l'intermédiaire de Janus, l'équipe de recherche a utilisé des simulations informatiques couplées à une technique d'analyse par résonance magnétique pour expliquer la structure moléculaire et électronique des électrons non appariés. Le résultat était simple, modèle analytique pourtant robuste capable de reproduire les éléments clés de l'interaction entre les noyaux et le nuage d'électrons dans l'intermédiaire de Janus. Ce modèle a permis de distinguer sans ambiguïté une structure parmi tous les candidats structuraux possibles capables de reproduire les données expérimentales. Dans ce modèle, deux hydrogènes chargés négativement (appelés hydrures) forment des ponts avec deux ions fer pour accueillir les électrons supplémentaires.

Ces résultats représentent un formidable pas en avant dans la recherche d'une meilleure façon de synthétiser l'ammoniac. La prochaine étape consistera à comprendre comment aborder la façon dont les électrons stockés dans les hydrures de pontage s'écoulent dans la molécule d'azote et comment sa forte triple liaison est déchirée.

L'équipe de recherche complète comprenait Simone Raugei du PNNL; Lance C. Seefeldt de l'Université d'État de l'Utah et du PNNL; Veronika Hoeke et Brian M. Hoffman de l'Université Northwestern; Laura Tociu de l'Université de Chicago; et David A. Case de l'Université Rutgers. Le travail a été soutenu par le ministère de l'Énergie (DOE), les instituts nationaux de la santé, et la Fondation nationale des sciences.