Азот и его свойства

Явление конфигурационной устойчивости трехвалентного азота в немостиковых структурах

В органической химии известны своего рода левые и правые соединения атомов, при которых, казалось бы, и соединены атомы в одинаковой последовательности, и состав у веществ один, а свойства у них разные. Многие из таких соединений, скажем, на основе углерода, устойчивы, но есть и такие, как, например, производные аммиака, которые непрерывно переходят из левого в правое состояние и обратно, т. е. отличаются неустойчивостью конфигурации.

Перед наукой стояла задача выяснить, можно ли получить соединения трехвалентного азота с устойчивой конфигурацией, т. е. возможно ли выделить одну из форм соединения - правую или левую. Непреложным фактом считалось то, что в любых соединениях, содержащих трехвалентный азот, непременно происходит так называемое выворачивание молекулы. Речь идет о своеобразных ее колебаниях, достигающих фантастической частоты (именно на этом принципе основано действие особо точных молекулярных часов, заряженных аммиаком). Данное явление именуется инверсией азота. Объясняя его механизм, химики сравнивали наблюдаемый процесс с зонтом, который при сильном ветре то выворачивается наизнанку, то возвращается в раскрытое положение.

Группа ученых институтов химической физики АН СССР и органического синтеза АН Латвийской ССР, куда вошли академик АН Латвийской ССР С. А. Гиллер, доктор химических наук Р. Г. Костяновский, научный сотрудник А. В. Еремеев, кандидаты химических наук М. Ю. Лидак, В. А. Пестунович, О. А. Паньшин, 3. Е. Самойлова и И. И. Червин, открыла ранее неизвестное явление конфигурационной устойчивости трехвалентного азота.

"Открытие, - рассказывает С. А. Гиллер, - внесло существенные коррективы в общепринятое представление об этом явлении. Заменив атомы водорода в структуре молекулы аммиака различными химическими группами, ученые впервые "успокоили" ее. Практическим прекращением инверсии удалось опровергнуть существовавшую аксиому. Иными словами, найдены определенные условия, при которых молекулярные часы останавливаются.

Стало очевидно, что инверсия исследованных молекул, вызываемая их неустойчивостью, вовсе не является неизбежной. У соединений, включающих трехвалентный азот, впервые появились изомеры, в том числе оптически активные. Это своего рода двойники с одинаковой химической формулой, но с различным расположением молекул в пространстве. Изложенные факты сами по себе имеют фундаментальное значение.

Касаясь вопроса, в каких направлениях будут решаться прикладные задачи, вытекающие из этого открытия, можно предвидеть, что оно серьезно заинтересует биооргаников, химиков, физиков и других специалистов. На основе новых соединений могут быть созданы ионообменные смолы для разделения компонентов при получении синтетических продуктов питания. Открываются новые возможности в создании эффективных лекарств направленного действия и сверхактивных химических веществ, вызывающих изменения наследственных признаков".

Открытие зарегистрировано под № 110 с приоритетом от 30 июня 1965 г. в следующей формулировке:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее явление конфигурационной стабильности трехвалентного азота в немостиковых структурах на примере этилен-эминов, проявляющееся в существовании стабильных при нормальных условиях стерео- и оптических изомеров".

Фиксация молекулярного азота в мягких условиях

Как известно, молекулярный азот представляет собой чрезвычайно инертное в химическом отношении соединение. Большинство известных реакций азота связано с применением очень высоких температур и давлений или электрических разрядов.

Между тем ферментные системы живых организмов, как доказывают некоторые ученые, способны к фиксации атмосферного азота при обычных температурах и давлении (см. с. 632-638). Предполагается, что в этом биологическом процессе участвуют переходные металлы - молибден, железо и др. Роль переходных металлов, входящих в состав азотофиксирующих ферментов, по-видимому, заключается в образовании комплекса с NZ. В результате происходит активация азота для последующей реакции восстановления.

Доктор химических наук М. Е. Вольпин и научный сотрудник В. Б. Щур (Институт элементоорганических соединений АН СССР) экспериментально установили ранее неизвестное свойство молекулярного азота вступать в мягких условиях (при комнатной температуре и нормальном давлении) в реакции с системами, состоящими из солей или комплексов переходных металлов и восстановителя.

Так, например, азот легко вступает в реакцию с системами, образующимися при взаимодействии различных солей и комплексов переходных металлов с литий-, магний- и алюминийорганическими соединениями. В результате реакции молекула N₂ восстанавливается с образованием соединений со связями металл - азот, последующий гидролиз которых дает NH₃.

Полученные результаты подтверждены многочисленными экспериментами самих авторов, а также работами других исследователей в Советском Союзе и за рубежом. Открытие зарегистрировано под № 51 с приоритетом от 27 апреля 1964 г. Формула открытия следующая:

"Установлено неизвестное ранее свойство молекулярного азота, заключающееся в том, что он вступает в мягких условиях (в частности, при комнатной температуре и нормальном давлении) в реакции с системами, состоящими из солей или комплексов переходных металлов и доноров карбаниона (RLi, RMgX, R₃Al u др.) или гидрид-иона с образованием соединений со связью металл - азот".