…В химию я пришёл через олимпиады. И уже в седьмом классе (у нас было десятилетнее образование) мы чертили структурно-валентные формулы разных простеньких веществ. Именно тогда, готовясь к олимпиадам, я с удивлением узнал, что в оксиде азота (I), знаменитом веселящем газе, о существовании которого я вообще узнал из песни Гребенщикова (помните – «из кухонных кранов бьёт веселящий газ»…) – в общем, там – азот не одновалентный, как нас учили в школе. Еще и волшебное слово «резонансная структура» появилось в лексиконе у нас, восьмиклассников, что заметно помогло нам впоследствии справиться с ароматическими соединениями. Что же, давайте разберемся с этим интереснейшим соединением, которое совсем не так просто, как кажется из его брутто-формулы N2O.
Джозеф Пристли
Впервые человечество познакомил с нашим героем британский химик (впрочем, тогда было принято говорить «натурфилософ», первооткрыватель кислорода, Джозеф Пристли. В своей книге «Эксперименты и наблюдения за разными видами воздуха», вышедшей в 1775 году, он рассказал, как тремя годами ранее он получил «флогистинированный нитрозный воздух» нагреванием железных опилок, смоченных азотной кислотой. Кстати, тогда же он открыл и монооксид азота NO.
Его Пристли назвал «селитряным возухом». Впрочем, сейчас не о «старшем брате» нашего героя.
Книга Пристли
Названий у N2O – множество. Закись азота, оксид азота (I), веселящий газ, оксонитрид азота (I), оксид диазота… «Химия ваша обильна и богата, а порядку в ней нет». Что же представляло собой открытие Пристли? Газ, бесцветный, негорючий, сладковатый приятный запах и даже привкус… Очень небольшая разница между температурами кипения и замерзания – при — 88°С он еще веселящий газ, а при -91°С – это уже веселящий снег. Чуть больше двух градусов кельвина – интервал существования жидкой фазы!
Химическое оборудование Пристли
Практического применения нашему герою довелось ждать чуть более двух десятков лет. В 1794 году вышла книга одного из изобретателей паровой машины Джеймса Уатта и реформатора медицины Томаса Беддоу «Соображения о медицинском использовании и производстве искусственных воздухов» (именно так, тогда воздухов было много – как мы помним, оксиды азота Пристли называл воздухами).
Джеймс Уатт
В этой книге было два важных момента. Во-первых, Уатт в ней предложил «машину» для производства N2O, а также ингаляционный прибор для медицинского использования газов. А во-вторых, Беддоу представил новую теорию о том, что туберкулёз и другие легочные заболевания могут быть излечены ингаляциями «искусственных воздухов». Не сработало, конечно, зато способ употребления был найден.
Томас Беддоу
Прошло еще полвека, и Горацио Уэллс, американский стоматолог, провел первое в истории удаление зуба с анестезией веселящим газом. Впрочем, наркотический качества веселящего газа стали понятны еще в XVIII веке. С 1799 года и минимум до 1863 года источники отмечают новую забаву среди высшего света в Великобритании – «вечеринки веселящего газа», где салонная публика собиралась для того, чтобы надышаться закисью азота до явления короля Артура и всех рыцарей Круглого стола поочерёдно.
Горацио Уэллс
Интересно, что наркотический и обезболивающий эффекты оксида азота обеспечиваются двумя разными механизмами.
Первый — активацией эндогенной опиоидной системы и взаимодействии ее с нисходящей норадренергической системой.Второй – воздействием N2O на мезолимбический путь и выделение избыточного дофамина в зоне награды.
А ведь это не всё! Кроме этого, в исследованиях 1994 года было показано, что низкие дозы «веселящего газа» работают как противотревожное средство, и там – третий механизм, связанный с усилением активности ГАМК-рецепторов.
Такая маленькая молекула, а такое сложное действие!
Удаление зуба с анестезией веселящим газом Горацио Уэллсом
Любителям автотюнинга наш герой тоже добавляет веселья. А точнее – бодрости двигателю их автомобиля. Впрыск N2O в цилиндры снижает температуру всасываемого в цилиндры воздуха, увеличивая плотность смеси и повышает скорость сгорания топлива. Кстати, любопытно, что и это применение оксида азота – не ново, первым в двигателях его использовал еще пионер ракетного дела Роберт Годдард, в позапрошлом году исполнилось ровно век со дня начала зажигательной карьеры веселящего газа.
Но вернёмся, в завершение нашей статьи, к олимпиаде и структурным формулам. Так как же выглядит на самом деле молекула оксида азота? Неужели кажущаяся логичной структурная формула N-O-N – неправильна?
Совершенно верно. Молекула N2O cовсем не такая, и дело даже не в кратности связей. Даже топологически она устроена иначе – два атома азота соединены друг с другом, и к одному из них присоединён атом кислорода.
Строение_молекулы_оксида_азота(I)
Более того, одной структурной формулой тут не обойтись. Есть целых четыре структуры, которые описывают эту молекулу и вносят в ее настоящий вид каждая свой вклад (рис.) Здесь нет одинарных, двойных и тройных связей, если выражаться точно, то связь азот-азот имеет кратность 2,73, а связь азот-кислород -1,61. Так что можно только поражаться, сколько сложностей, тонкостей и неожиданностей могут прятаться всего в трёх атомах – или трёх знаках знакомой со школы формулы N2O.
А само вещество по-прежнему применяется в хирургии: кратковременный наркоз чаще всего по-прежнему это закись азота. Увидите серый десятилитровый баллон с надписью «для медицинского применения» – это наш герой.
Текст: Алексей Паевский
В сокращённом варианте опубликовано в журнале «Химия и жизнь»
