Российские химики расшифровали структуру гидроксиламина: прорыв в производстве нейлона, капрона и лекарств

Российские ученые из Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН совершили прорыв в фундаментальной химии, определив точную кристаллическую структуру гидроксиламина — ключевого компонента для производства нейлона, капрона и лекарств. Кроме того, им впервые в мире удалось экспериментально зафиксировать ранее неизвестную скрытую форму этого соединения, говорится на сайте Десятилетия науки и технологий в России.

Гидроксиламин был синтезирован еще в 1865 году, однако его точная структура оставалась загадкой более 70 лет. Единственная серьезная попытка расшифровать ее была предпринята в 1955 году под руководством нобелевского лауреата Уильяма Липскома, но технологии того времени не позволили «увидеть» атомы водорода. Для этого вещества это критически важно, так как от положения протона (иона водорода) зависит, будет ли молекула нейтральной или нести одновременно положительный и отрицательный заряды (цвиттер-ион).

Работа с гидроксиламином сопряжена с огромным риском: вещество взрывоопасно и мгновенно впитывает воду из воздуха. Чтобы вырастить пригодные для анализа кристаллы длиной до 1,5 сантиметров, химикам пришлось работать при температуре −15 °C под защитным слоем перфторированного масла.

Ученые зафиксировали на видео экстремальную нестабильность полученных образцов. В отличие от большинства веществ, которые разрушаются с краев, эти кристаллы буквально рассыпались изнутри — от центра к периферии — при малейшем повышении температуры до комнатной.

Чтобы определить положение атомов водорода, исследователи использовали рентгеноструктурный анализ, подкрепленный квантовохимическими расчетами. Выяснилось, что в твердой фазе гидроксиламин существует в нейтральной форме. Но главным открытием стало обнаружение циклического димера — формы, где две молекулы соединяются водородными связями. Ученые смогли «поймать» эту скрытую конфигурацию, используя молекулярный «капкан». Для описания таких структур авторы ввели новый термин — «гидроксиламиносольваты».

Также выяснилось, что внутри кристалла молекулы сплетены в бесконечные трехмерные цепи. Их геометрия напоминает конструкцию механического подъемника, который может складываться и раскладываться. Проанализировав сотни известных структур из Кембриджского банка данных, команда вывела универсальное правило. Теперь для определения формы гидроксиламина достаточно одного замера длины связи между азотом и кислородом: если связь длиннее 1,43 Å — форма нейтральная, а если короче или равна — цвиттер-ионная.

«Разработанный нами критерий открывает путь к целенаправленному синтезу новых стабильных кристаллических материалов на основе гидроксиламина. В дальнейшем мы планируем использовать этот подход для дизайна соединений с заданными свойствами — для медицины, энергетики и химической промышленности», — заключил руководитель проекта Мгер Навасардян, кандидат химических наук, старший научный сотрудник ИОНХ РАН.

Ранее химики впервые создали ароматический кремний. Рассказали, зачем он нужен.