Химики впервые собрали стабильный пятиугольник из азота

Химики из Нанкинского и Ляонинского научно-технологических университетов впервые синтезировали стабильную соль незамещенного пентазола — химического соединения, в котором пять атомов азота объединены в пятиугольный цикл. Подобные пентазолу соединения интересны огромным количеством энергии, которое они запасают — на их основе может быть разработано топливо для космических кораблей, также они интересны с точки зрения военных применений.  Исследование опубликовано в журнале Science.

В химии известно немного частиц, полностью состоящих только из атомов азота, но при этом устойчивых при обычных условиях. Это нейтральный азот (N₂) и заряженные частицы: азиды (N₃^-) и пентазиний (N₅⁺). Интерес к подобным соединениям вызван тем, что согласно теоретическим расчетам, их производные могут оказаться хорошими взрывчатыми или просто высокоэнергетическими соединениями. Поэтому химики пытаются расширить список этих частиц, синтезируя и стабилизируя новые азотистые кластеры.

Один из объектов этого поиска — пентазолы, пятиатомные циклические молекулы, состоящие из  атомов азота и одного атома водорода (HN₅). Почти во всех известных стабильных производных пентазолов атом водорода замещен на бензольное кольцо (или другие ароматические ядра). Существовали предположения, что соль, образованная анионом незамещенного пентазола и N₅⁺ может оказаться термодинамически устойчивой. В таком случае у азота появилась бы первая ионная аллотропная модификация состава N₁₀.

Однако долгое время получить незамещенный пентазол не удавалось. Лишь в 2002 году частица наблюдалась в газовой фазе. Для синтеза исследователи селективно разрывали связь между пентазолом и стабилизирующим его бензольным ядром в условиях электроспрей масс-спектрометрии. Получить же твердые пентазолы не удавалось до сих пор.

Авторы новой работы использовали для синтеза соли пентазолат-аниона аналогичный подход. Химики синтезировали замещенный фенилпентазол и использовали для разрыва связи между двумя циклами реакцию окисления. В роли окислителя ученые выбрали мета-хлорпербензойную кислоту — это вещество содержит в своей структуре пероксидный фрагмент. В результате химики кристаллизовали устойчивую при комнатной температуре соль строения (N₅)₆(H₃O)₃(NH₄)₄Cl.

Ученые отмечают, что неожиданно высокая устойчивость (соединение начинает разлагаться лишь при нагреве до 117 градусов Цельсия) связана с кристаллической структурой соли. В ней пентазольный фрагмент соединен водородными связями с катионами аммония и гидроксония. При удалении хлорид-аниона (равно как и при удалении аммония) происходит разложение полиазотистого ядра.

Интересно, что два месяца назад, в декабре 2016 года, вышла другая статья, посвященная синтезу пентазолата цезия. Однако это вещество оказалось стабильным лишь при высоких давлениях. В ней пентазолаты были синтезированы прямой реакцией между азидом цезия (CsN₃) и жидким аммиаком при давлении 600 тысяч атмосфер.

Пентазолаты относятся к другому редкому классу веществ — неорганических ароматических ионов. Эти вещества обладают ароматичностью, присущей, например, бензолу. Его изоэлектронным аналогом является циклопентадиенил-анион. Ранее мы сообщали синтезе других неорганических ароматических соединений: дифосфатриазолат-аниона и аналога бензола из кремния и мышьяка.