在具有各種各樣功能的醫藥、農藥、材料等中，八成以上都是含氮有機化合物（含有氮-碳化學鍵）；另一方面，氮氣占空氣成分的近八成，是最豐富的氮源，也是絕大部分含氮化合物中氮的唯一來源。但是氮氣分子極其穩定，其活化和轉化極具挑戰性。

工業合成氨（NH3）是人類直接利用空氣中氮氣的最成功案例，而幾乎所有的人工合成含氮有機化合物都是以氨為基礎原料制備的。傳統的合成氨過程條件極其苛刻，還存在著許多重大科學和技術問題需要解決。因此，不經過氨，直接從氮氣和合適的碳源出發，在溫和條件下高效合成含氮有機化合物具有重要意義，可能成為人類直接利用氮氣的又一個重要途徑。

如何利用空氣中豐富的氮氣資源，直接合成含氮有機化合物？（圖源pixabay）

從氮氣直接合成含氮有機化合物的研究挑戰巨大、進展緩慢，但是在過去的半個多世紀里，一直有零零星星的報道和進展。近日，北京大學席振峰院士負責的國家自然科學基金委員會“空氣主份轉化化學”基礎科學中心研究團隊在《國家科學評論》（National Science Review, NSR）上發表綜述，全面總結了從氮氣直接合成含氮有機化合物的研究進展，并提出了未來研究的機遇與挑戰。

文章指出，目前絕大多數從氮氣直接合成含氮有機化合物的研究均是通過金屬-氮氣配合物與含碳試劑反應實現的。同時，光化學、電化學、表面催化等促進或參與的研究方法在近些年也取得了重要進展。

在文中，作者首先討論了不同配位模式（側基配位、端基配位、側基-端基配位等）的金屬-氮氣參與的氮-碳鍵形成的不同反應模式，包括：烷基化、酰基化，插入、環加成等。

已知不同配位模式的金屬-氮氣配合物及其形成氮-碳鍵的反應類型。

（√）表示有文獻報道，（X）表示還沒有文獻報道。

其次，作者指出，盡管目前部分從氮氣合成含氮有機化合物的反應已經可以完成合成循環，但相應的催化過程尚未實現。

在綜述的最后，作者對該領域存在的挑戰和未來研究方向進行了展望。作者認為，金屬-氮氣配合物的新反應模式、多金屬體系和主族金屬促進的氮氣活化與轉化的新機制、光/電驅動的合成反應及多相催化過程，以及不同方法的協同作用是該領域未來研究的重點。