Заглянем в будущее

Следует отметить, что реакция получения гидразина из молекулярного азота и воды сильно эндотермична; она требует затраты более 120 ккал на грамм-моль гидразина. Откуда же восполняется такой большой дефицит энергии? Оказывается, что источником этой энергии является переход ванадия из двухвалентного в трехвалентное состояние — из V(OH)₂ в V(ОН)₃.

В самом деле, для получения одной молекулы гидразина четыре атома ванадия переходят в трехвалентное состояние, и таким образом на каждый акт реакции выделяется энергии в несколько раз больше, чем это необходимо для образования гидразина из азота и воды. Удивительным оказалось то, что энергия активации реакции в целом очень мала — порядка 10 больших калорий на грамм-моль, что и являлось причиной больших скоростей реакции при температурах, даже близких к нулю.

Специальными опытами с помощью инфракрасного спектрометра Шилову удалось установить строение первичных комплексов переходных металлов с азотом в неводных растворах. Для случая ванадия это, по-видимому:

(OH)₂V…N:::N…V(OH)₂.

Иначе говоря, в присутствии двух ионов ванадия ни первая, ни вторая связи в азоте не рвутся, но ослабляются, зато устанавливается достаточно сильное взаимодействие между каждым атомом ванадия и атомом азота. После этого наступает стадия, по-видимому, одновременного протекания реакций, которые суммарно могут быть записаны в виде:

(OH)₂V…N:::N…V(OH)₂ + (OH)₂V…

…V(OH)₂ + 4Н₂O → H₂N ― NH₂ + 4V(ОН)₃.

На опыте оказалось, что на каждую образовавшуюся молекулу гидразина расходуется четыре молекулы V(ОН)₂, переходящие в V(OH)₃.

Механизм реакции получения гидразина еще не вполне выяснен. Скорее всего ионы магния и ионы ванадия образуют сложный каталитический комплекс, содержащий молекулы воды в качестве лигандов этого сложного комплексного соединения. Мы уже говорили, что молекулярный азот способен вытеснять воду из комплексных соединений металлов переменной валентности. Очевидно, и в данном случае на место одной или двух молекул воды встает молекула азота, внедряясь таким образом в сферу комплексного соединения ванадия. Как всегда в такого рода комплексах, все составляющие их молекулы лежат очень тесно друг к другу. При этом все валентные электроны различных молекул, входящих в сферу комплексного поля, достаточно обобщены. Поэтому достаточно небольшого «теплового» толчка (измеряемого в данном случае калориями на моль), чтобы возникли одновременно цепи реакции, которая и приведет к указанному выше процессу образования гидразина.

Такой процесс, по-видимому, будет имитировать процесс в живом организме (азотобактеры). Но насколько же он будет проще! Уже на сегодняшнем этапе видно, что такую невероятно сложную реакцию можно проводить просто и легко. Здесь уже не требуется сложных ферментов, они заменены активной группой ферментов — ионами ванадия. Это подтверждает высказанный ранее тезис, что сложность биологических процессов связана с многофункциональными задачами ферментов в живом взаимосвязанном организме. Когда же мы переходим к реакции вне организма, от катализатора требуется лишь одна функция — проводить реакцию, а для этого, оказывается, достаточно иметь лишь активные центры фермента.

Да ведь, в сущности, иначе вообще не могла бы возникнуть жизнь на Земле. Действительно, живое могло возникнуть только из неживого. Значит, еще в доорганической природе в примитивной форме, но со значительной интенсивностью должны были протекать те реакции, которые бы обеспечивали необходимые условия для зарождения жизни, то есть реакции получения свободного кислорода в атмосфере различных органических веществ и аммиака. Из последних двух веществ могла возникнуть вся гамма азотсодержащих соединений вплоть до белков. Таким образом, реакции первичного фотосинтеза вне организма, приводящие к образованию кислорода и органических соединений из углекислого газа и воды, и реакции образования аммиака из азота и воды должны были протекать еще до возникновения жизни на Земле. Во время зарождения жизни температура на поверхности суши и океанов не могла быть слишком высокой. Следовательно, рассматриваемые реакции могли протекать лишь каталитическим путем. Именно эти катализаторы в дальнейшем уже путем биологической эволюции превратились в ферментные системы, сохранив, однако, предшествующие им катализаторы в виде активных групп ферментов. Такими первичными катализаторами в доорганическом периоде были, вероятно, в основном ионы металлов переменной валентности. Представляется, что эти соображения в значительной мере подтверждают высказанный здесь тезис.

Сейчас это проверяется на разных других удивительных реакциях, осуществляющихся в организмах.

Но попробуем разобраться, есть ли в реакции фиксации азота промышленная перспектива.