# Образование азанона и гидроксиламина в электрическом разряде: молекулярный механизм связывания атмосферного азота водной плазмой

Roman M Balabin, Huanwen Chen, Konstantin Chingin

► To cite this version:

Roman M Balabin, Huanwen Chen, Konstantin Chingin. Образование азанона и гидроксиламина в электрическом разряде: молекулярный механизм связывания атмосферного азота водной плазмой. Moscow Institute of Physics and Technology, pp.48, 2024, 9785900451626. ⟨hal-05089090⟩

HAL Id: hal-05089090

https://hal.science/hal-05089090v1

Submitted on 28 May 2025

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L'archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d'enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

<figure><img src="image_1.png" /></figure>

Distributed under a Creative Commons Attribution - ShareAlike 4.0 International License
Р.М. Балабин Х.В. Чэн К.С. Чингин

# ОБРАЗОВАНИЕ АЗАНОНА И ГИДРОКСИЛАМИНА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РАЗРЯДЕ

## МОЛЕКУЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ СВЯЗЫВАНИЯ АТМОСФЕРНОГО АЗОТА ВОДНОЙ ПЛАЗМОЙ

<figure><img src="image_2.png" /></figure>
МФТИ

Series «Physical Chemistry of Water Plasma»

Серия «Физическая химия водной плазмы»
R. M. Balabin, H. W. Chen, K. S. Chingin

# FORMATION OF AZANONE AND HYDROXYLAMINE IN AN ELECTRICAL DISCHARGE

A MOLECULAR MECHANISM FOR THE FIXATION OF ATMOSPHERIC NITROGEN BY WATER PLASMA
Р. М. Балабин, Х. В. Чэн, К. С. Чингин

# ОБРАЗОВАНИЕ АЗАНОНА И
ГИДРОКСИЛАМИНА В
ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РАЗРЯДЕ

## МОЛЕКУЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ
СВЯЗЫВАНИЯ АТМОСФЕРНОГО АЗОТА
ВОДНОЙ ПЛАЗМОЙ
Балабин, Роман Михайлович (1985-).

Б20 Образование азанона и гидроксиламина в электрическом разряде: молекулярный механизм связывания атмосферного азота водной плазмой / Р. М. Балабин, Х. В. Чэн, К. С. Чингин; Московский физико-технический институт. – М.: МФТИ, Простор, 2024. – 48 с. – (Физическая химия водной плазмы)

ISBN 978-5-900451-62-6

Рост и устойчивое развитие человечества в значительной степени зависят от прогресса в области фиксации молекулярного азота (N₂) из окружающей нас атмосферы Земли. В этом исследовании мы обнаружили возможность диспропорционирования N₂ в водной плазме без применения катализаторов. Процесс происходит в нормальных условиях через весьма необычный промежуточный продукт вида HONH-HNOH** с последующим получением экономически ценных финальных продуктов: азанон (нитроксил, HNO) и гидроксиламина (NH₂OH). Реакция может быть представлена в краткой формальной записи как: N₂ + (H₂O)₂** = HONH-HNOH** = NH₂OH** + HNO.

Квантово-химические расчеты показывают, что реакция вызвана координацией электронно-возбужденного диазота с катион-радикалом димера воды (КРАДВ), в его двухцентровой-трехэлектронной конфигурации. Продукты реакции нам удалось обнаружить не только в масс-спектрометрической ячейке, но и в специальном игольчатом разрядном реакторе, собранном для данного проекта. Выход продуктов составил 1,14 мкг см⁻² ч⁻¹ для гидроксиламина и 0,37 мкг см⁻² ч⁻¹ для азанона. Здесь мы также продемонстрировали потенциальные применения данных соединений для получения аммиака, а также – для химического преобразованием одной из аминокислот, цистеина. Кроме того, азанон может быть использован как нейропротекторный агент.

Превращение молекулярного азота с помощью водной плазмы может обеспечить экономическую эффективность и, одновременно, сокращение загрязняющих выбросов. Использование электрического разряда способно дать новый толчок решению проблемы «зеленой» фиксации молекулярного азота.
Оглавление

<table><tr><td>Предисловие</td><td>6</td></tr><tr><td>Аннотация</td><td>7</td></tr><tr><td>Введение</td><td>8</td></tr><tr><td>Результаты и обсуждение:</td><td>10</td></tr><tr><td>Реакция диспропорционирование N<sub>2</sub> с (H<sub>2</sub>O)<sub>2</sub><sup>**</sup></td><td>10</td></tr><tr><td>Механизм реакции</td><td>13</td></tr><tr><td>Масштабирование реакции</td><td>15</td></tr><tr><td>Применение продуктов реакции</td><td>18</td></tr><tr><td>Характеристики реакции диспропорционирования</td><td>20</td></tr><tr><td>Заключение</td><td>24</td></tr><tr><td>Экспериментальные методы</td><td>26</td></tr><tr><td>Теоретические расчёты: выбор метода</td><td>35</td></tr><tr><td>Литература</td><td>40</td></tr><tr><td>Abstract and contents</td><td>47</td></tr></table>
Предисловие

Данная брошюра представляет собой переработанную и дополненную версию нашей статьи «Эффективная фиксация молекулярного азота катионами радикалов воды без катализатора в нормальных условиях» (англ. *Efficient catalyst-free N<sub>2</sub> fixation by water radical cations under ambient conditions*), вышедшей в конце февраля 2024 года в журнале «Nature Communications»<sup>70</sup>. Нашими соавторами в этом исследовании, опубликованном под свободной лицензией, были Сяопин Чжан, Руй Су, Цзинлин Ли, Липин Хуан, Вэньвэнь Ян, Цзинцзин Ван, Синлэй Чжан, Вэйфэн Чжу, Кеке Хуан и Шоухуа Фэн. Всем им мы выражаем нашу самую искреннюю признательность.

Первая версия статьи была опубликована 20 марта 2023 года на архивном сервере препринтов по химии ChemRxiv от Американского химического общества (ACS) под заголовком «Фиксация азота в условиях окружающей среды без катализатора с помощью димера воды» (англ. *Ambient catalyst-free nitrogen fixation with water dimer*). Обновление основного текста манускрипта и сопутствующих ему изображений происходило 15 и 29 мая 2023 года.

В статье мы продемонстрировали возможность связывания атмосферного азота в водной плазме. Основные достоинства нового метода заключаются в «мягких» условиях реакции, в отсутствии катализатора, в очевидной масштабируемости процесса и в синтезе высокоценных продуктов. В результате, уже на данном – самом начальном – этапе наш простой лабораторный реактор обладает заметной экономической эффективностью. Нам также удалось дать теоретическое описание всего плазменного процесса с использованием современного аппарата квантовой химии.

В связи со значительным интересом со стороны русскоязычного научного сообщества и прессы к нашим результатам<sup>71-74</sup> – а также в целях укрепления сотрудничества между китайским и российским академическими сообществами – мы сочли своим долгом опубликовать их полную версию и на русском языке. Мы надеемся, что таким образом укрепим сотрудничество между китайским и российским научными коллективами. Мы также рассчитываем, что представленные данные вызовут интерес и у инженерных кадров, занятых на мировых азотных производствах.

– к.т.н. Роман Балабин, Хуаньвэнь Чэн и Константин Чингин
декабрь 2024 г.
## Аннотация

Рост и устойчивое развитие человечества в значительной степени зависят от прогресса в области фиксации молекулярного азота ($N_2$) из окружающей нас атмосферы Земли. В этом исследовании мы обнаружили возможность диспропорционирования $N_2$ в водной плазме без применения катализаторов. Процесс происходит в нормальных условиях через характерный промежуточный продукт вида HONH-HNOH** с последующим получением экономически ценных финальных продуктов: азанона (нитроксила, HNO) и гидроксиламина ($NH_2OH$).

$$N_2 + (H_2O)_2^{**} \rightarrow NH_2OH^{**} + HNO$$

Расчеты показывают, что реакция вызвана координацией электронно-возбужденного $N_2$ с катион-радикалом димера воды ($H_2O)_2^{**}$, далее обозначаемым как КРАДВ, в его двухцентровой-трехэлектронной конфигурации. Продукты реакции можно обнаружить не только в масс-спектрометрической ячейке, но и в специальном 76-игольчатом разрядном реакторе, собранном для данного проекта. Выход продуктов составляет 1,14 мкг см⁻² ч⁻¹ для $NH_2OH$ и 0,37 мкг см⁻² ч⁻¹ для HNO. В соответствии с текущими рыночными ценами, стоимость $NH_2OH$ превышает 1,5 $\$$ за массу продукта, производимого при расходе всего 1 кВт·ч электроэнергии (≤0,2 $\$$). Аналогичная цифра для HNO превышает 7000 $\$$. Здесь мы также демонстрируем потенциальные применения данных соединений для получения аммиака (в случае с $NH_2OH$), а также – для химического преобразованием аминокислоты, цистеина, и в качестве нейропротекторного агента (для HNO).

Превращение молекулярного азота в HNO и $NH_2OH$ с помощью водной плазмы может обеспечить экономическую эффективность и, одновременно, сокращение загрязняющих выбросов. Использование водной плазмы способно дать новый толчок решению проблемы «зеленой» фиксации молекулярного азота.
# 1. Введение

Азот является необходимым элементом для всех живых организмов на нашей планете. Молекулярный азот ($N_2$) составляет более 99% общемирового запаса данного элемента¹, но эта молекула химически стабильна: энергия связи $N \equiv N$ около 9,5 эВ. Таким образом, молекулярный азот не может быть напрямую использован организмами, если он не «фиксирован» (путем изменения его степени окисления) в биодоступные формы². Проблема фиксации $N_2$ является одной из самых важных для устойчивого развития промышленной химии. В настоящее время $N_2$ в основном фиксируется посредством геохимических процессов, таких как молнии, биологически (нитрогеназами) и в промышленности – посредством процесса Габера-Боша (ГБ)³.

Хотя ГБ-процесс в настоящее время является основным промышленным процессом фиксации $N_2$ в аммиак ($NH_3$), он связан с интенсивными условиями реакции (около 100 бар и 500 °С), сильным загрязнением окружающей среды (>1% от общемировых выбросов углерода) и высоким потреблением ископаемого топлива (1%–2% от мирового потребления энергии). Эти проблемы становятся все более важными для глобального устойчивого развития, призывая исследователей к поиску альтернативных стратегиях фиксации $N_2$ в мягких условиях⁴,⁵. Сегодня в мире проводятся обширные исследования по поиску таких альтернатив, включая электрокаталитические⁶,⁷, фотокаталитические⁸, биологические⁹ и плазменные¹⁰ методы. Но ни один из ныне разработанных методов пока не смог соперничать с общей производительностью процесса ГБ в отношении экономической эффективности, масштабируемости и селективности азотфиксации²⁶,¹¹,¹².

Недавние исследования показывают, что связь $N \equiv N$ может быть заметно ослаблена путем принятия электронов со связующих орбиталей диазота на антисвязывающие орбитали и/или передачи электронов¹³,¹⁴. Ослабление тройной связи $N \equiv N$ может быть дополнительно усилено путем возбуждения $N_2$ в его триплетное состояние. Этого можно добиться, например, путем электронной или столкновительной активации с молекулами или ионами¹⁵,¹⁶.

Недавно мы обнаружили, что радикальные катионы кластеров воды, особенно в форме димера ($H_2O_2$)²⁺, могут быть получены в большом количестве путем отрыва электронов от нейтральных молекул воды в сильном электрическом поле при атмосферном давлении¹⁷. Полученные таким образом радикальные катионы воды показали высокую реакционную способность по отношению к широкому спектру летучих молекул, таких как бензол, углеродуглеродная двойная связь, ацетон, этилацетат и диметилдисульфид, обнаружив богатую химию с ионными и радикальными свойствами¹⁷⁻²¹,⁶⁹.
В этой работе мы обнаружили, что благодаря своей особой конфигурации с двумя центрами и тремя электронами (2с-3е) ($Н_2О)_2^{++}$ может специфически активировать $N_2$ через образование промежуточного продукта HONH-HNOH++ для селективного диспропорционирования последнего в два продукта: гидроксиламина ($Н_2ОН$) и азанона ($HNO$). Примечательно, что образование продуктов происходит в мягких условиях окружающей среды и без участия какого-либо катализатора или инициатора процесса. Эти продукты обычно не наблюдаются при фиксации азота другими методами.

Они оба имеют высокую ценность как для промышленной химии, так и для биохимии. $Н_2ОН$ широко используется в медицине, текстильной промышленности, электронике, химическом синтезе, ядерной промышленности и других областях²². Азанон, в свою очередь, является ценным материалом для медицинских и биологических приложений. В частности, он применим для биологической модификации тиолов и металлопротеинов в борьбе с раком²³. Тут важно отметить, что $HNO$ известен своими кардиопротекторными и нейропротекторными эффектами; азанон также устойчив к супероксидному захвату и развитию толерантности²⁴.

Несколько лет назад было показано, что $HNO$ необратимо подавляет активность фермента глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы (ГАФД, GAPDH). Это делает $HNO$ возможным противораковым средством, поскольку большинство солидных (негемопоэтических) опухолей используют гликолиз в качестве основного источника энергии. Кроме того, недавние исследования показывают, что клетки рака молочной железы подвержены влиянию азанона через их взаимодействие с ингибитором поли(АДФ-рибоза)-полимеразы (PARP). В дополнение к данным биологическим и медицинским эффектам, азанон (нитроксил) также влияет на рост *Mycobacterium tuberculosis* (МБТ), способных вызывать туберкулёз у человека.

В целом, данное исследование представляет, по нашему мнению, интересный новый взгляд на фиксацию $N_2$ с точки зрения как самого подхода, так и конечных продуктов.
## 2. Результаты и обсуждение

### 2.1. Реакция диспропорционирования $N_2$ с $(H_2O)_2^{+*}$

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>**Рис. 1.** Реакция диспропорционирования $N_2$ с катион-радикалом димера воды (КРАДВ). (а) Экспериментальная установка для изучения взаимодействия $N_2$ с плазмой водяного пара. В качестве электрода использовалась игла из нержавеющей стали. DC: постоянный ток. Рисунок адаптирован с разрешения из 18,20,21. (b) Масс-спектр ионных продуктов. Звездочки (*) и красный цвет соответствуют продуктам, специфичным для реакции между плазмой водяного пара и $N_2$. (c) Реактор с ионной ловушкой, примененный для изучения реакции между $N_2$ и изолированным $(H_2O)_2^{+*}$ в водкуме. (d) Соответствующий масс-спектр ионных продуктов. Звездочки соответствуют продуктам, специфичным для реакции между плазмой водяного пара и $N_2$. (e) Ионные фрагменты промежуточного продукта реакции (m/z 64), вызванные столкновительной активацией внутри ионной ловушки. (f) Масс-спектр ионных видов, наблюдаемых при взаимодействии плазмы водяного пара и $^{15}$N$_2$: газ $^{15}$N$_2$ вместо обычного $^{14}$N$_2$ в как на (а). Звездочки соответствуют продуктам, характерным для $^{15}$N$_2$.</figcaption></figure>

В нашем первом эксперименте водная плазма была получена путем разряда смеси паров воды и аргона (доп. рис. S1, с. 30). Основные ионные виды, наблюдаемые с помощью масс-спектрометрии (МС) в реальном времени, включали протонированные кластеры воды, $(H_2O)_2H^+$ (m/z 37) и $(H_2O)_3H^+$ (m/z 55), а также – основной сигнал от катион-радикала димера воды, $(H_2O)_2^{+*}$ (КРАДВ, m/z 36). Это полностью соответствовало предыдущим отчетам и публикациям 17-20,25,26.
Примечательно, что, когда нейтральный $N_2$ был введен для пересечения с водной плазмой приблизительно на расстоянии 1 см от области разряда, наблюдались обильные сигналы от ионов с m/z 32, m/z 33 и m/z 64. Это наблюдение указывает на то, что сигналы m/z 32, m/z 33 и m/z 64 соответствуют видам, образованным в результате взаимодействия плазмы воды и нейтрального $N_2$. Когда $N_2$ напрямую направлялся в область разряда вместе с водяным паром через тот же канал (рис. 1а), наблюдались те же ионы-продукты с m/z 32, m/z 33 и m/z 64 с примерно в два раза большей интенсивностью (рис. 1б). Более высокая интенсивность ионов-продуктов в одноканальной конфигурации, вероятно, связана с более высокой плотностью плазмы воды и $N_2$ на конце электрода. Это приводит к более высокой частоте столкновений между $N_2$ и частицами плазмы. Поэтому именно одноканальная конфигурация была применена в последующих экспериментах по масштабированию для получения высоких выходов продуктов.

Мы предварительно присвоили обозначения $HNO^+$ (m/z 32), $NH_2OH^{**}$ (m/z 33) и $HONH-HNO^{**}$ (m/z 64) полученным сигналам. Мы предположили, что эти ионные соединения могли быть получены посредством реакции между КРАДВ и $N_2$. Чтобы проверить это предположение, ионы ($H_2O)_2^{**}$, образованные в водной плазме, были селективно изолированы в ионной ловушке радиочастотным (РЧ) полем с пиковым напряжением ~100 В в присутствии нейтрального молекулярного азота, который был непосредственно введен в ионную ловушку (рис. 1с). Такая конструкция эксперимента позволила нам исследовать реактивность диазота по отношению к ($H_2O)_2^{**}$ в вакууме – без какого-либо химического вмешательства со стороны иных частиц плазмы.

В результате вакуумного эксперимента, когда захваченные ионы ($H_2O)_2^{**}$ активировались радиочастотным полем, однозначно наблюдались следующие сигналы продуктов:

(i) m/z 18: элиминирование $H_2O$ из КРАДВа,

(ii) m/z 19: элиминирование $O^+$ из КРАДВа,

(iii) m/z 33: $NH_2OH^{**}$,

(iv) m/z 51: кластер $NH_2OH^{**}$ плюс $H_2O$,

(v) m/z 55: ($H_2O)_3H^+$ и

(vi) m/z 64: $HONH-HNO^{**}$.

Данные результаты показаны на рис. 1d. Они доказывают принципиальную возможность прямой реакции между ($H_2O)_2^{**}$ и $N_2$.

Любопытно, что сигнал $HNO^+$, обильно фиксирующийся при взаимодействии водной плазмы и $N_2$ (m/z 32), был практически необнаружим, когда ($H_2O)_2^{**}$ активировался в ионной ловушке. Вероятно, это связано с тем, что
HNO изначально образуется как нейтральное соединение. Во время взаимодействия водной плазмы и N₂ нейтральный HNO может легко протонироваться другими ионными видами – такими как (H₂O)₂H⁺ – давая протонированный сигнал при m/z 32 (рис. 1b). Тогда как при образовании в ионной ловушке нейтральный HNO будет мгновенно откачиваться из неё: ловушка поддерживается при высоком вакууме в 10⁻⁵ Торр.

Сигнал при m/z 64 был отнесен нами к промежуточному соединению вида HONH-HNOH⁺, полученному в ходе изучаемой реакции. Подобное отнесение было подтверждено данными диссоциации, вызванной столкновениями (CID). Рис. 1е показывает характерный фрагмент при m/z 33, соответствующий удалению HNO, а также фрагменты меньшей интенсивности при m/z 46 и m/z 47 (также различимыми в спектрах рис. 1b), соответствующими удалению («отлёту») нейтральных частиц, H₂О и ОН⁺. Путь диссоциации, показанный на дополнительном рис. S1е. Предполагаемая структура была дополнительно подтверждена экспериментами с изотопными заместителями как показано на рис. 1f – см. также доп. рис. S1.

Так, когда обычная вода в наших экспериментах была заменена дейте- рированной водой, D₂О, наблюдались обильные сигналы при m/z 33, m/z 34 и m/z 35 (доп. рис. S1), что указывает на образование HNOD⁺, DNOD⁺/NH₂OD⁺ и NHDOD⁺ соответственно. Аналогично, когда N₂ был заменен на ¹⁵N₂, были обнаружены сигналы при m/z 33 и m/z 34 (рис. 1f), что указывает на образование H¹⁵NOH⁺ и ¹⁵NH₂OH⁺ соответственно. Интересно, что промежуточный продукт типа HONH-HNOH⁺ также был обнаружен в экспериментах с изотопными заменителями: как DOND-DNOD⁺ (m/z 68) и как HO¹⁵NH-H¹⁵NOH⁺ (m/z 66) для эксперимента с ¹⁵N₂. Можно также обратить внимание и на то, что промежуточные продукты, образованные разными изотопами, показали иден- тичный путь фрагментации.

Дальнейшие контрольные эксперименты, проведенные в нашей лаборатории, показали, что наблюдаемое диспропорционирование азота произошло именно в результате реакции между нейтральным N₂ и (H₂O)₂⁺. Так никаких продуктов не удалось обнаружить, когда изолированный N₂⁺ подвергался воздействию нейтральных паров воды в ионной ловушке (доп. рис. S1). Обобщая, можно заключить, что масс-спектрометрические данные, полученные во всех вышеупомянутых экспериментах, убедительно указывают на то, что наблюдаемые продукты соответствуют реакции диспропорционирования N₂ с (H₂O)₂⁺.
## 2.2. Механизм реакции

В этом разделе мы обсудим механизм реакции, выведенный нами из экспериментальных наблюдений и теоретических расчетов. Общая схема возможного пути реакции для диспропорционирования $N_2$ с КРАДВ предлагается на рис. 2а. На первом этапе нейтральная $H_2O$ ионизируется с образованием видов $(H_2O)_2^{++}$. Данный шаг подробно обсуждался в исследовательской литературе¹⁷⁻²⁰.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>**Рис. 2.** (а) Схематическая диаграмма, обобщающая возможный механизм реакции $N_2$ с КРАДВ. (б) Геометрии и энергии (в эВ при 298 К и давлении 1 ат) возможных молекулярных и ионных видов, участвующих в реакции диспропорционирования $N_2 + (H_2O)_2^{++} \rightarrow NH_2OH^{++} + HNO$, рассчитанные с помощью метода CCSD(T). Наша ожидаемая точность составляет 0,04 эВ, за исключением структуры переходного состояния (TS, серая линия). См. также раздел «Теоретические расчеты». Вертикальные стрелки соответствуют процессу электронного возбуждения/релаксации. Структуры: а, $[H_2O \cdots OH_2]^{++}$; p1, $NH_2OH^{++}$ и p2, $HNO$.</figcaption></figure>

Однако уже следующий шаг реакции вызывает сложности. Так наши расчеты показывают, что диспропорционирование $N_2$ с $(H_2O)_2^{++}$ термодинамически не допускается. Изменение энергии (ΔΕ) при этом положительно и составляет примерно +3,8 эВ. Однако это верно, только когда $N_2$ присутствует в своем основном синглетном ($X^{1}\Sigma_{g}^{+}$) состоянии.

Та же реакция может происходить (ΔΕ ≈ -2,9 эВ), когда $N_2$ присутствует в своем более активном триплетном ($A^{3}\Sigma_{u}^{+}$) состоянии. Для простоты мы обозначим его как $N_2^+$ (рис. 2b). Из физико-химической и спектроскопической литературы с 1960-х годов хорошо известно, что $N_2$ эффективно переносится из своего синглетного состояния в триплетное посредством столкновений с
электронами – например, в газовых лазерах. Тот же процесс наблюдается и при столкновении молекулы азота с другими ионами или молекулами¹⁵. Кроме того, уже было показано, что благодаря своей высокой молекулярной симметрии $N_2^*$ проявляет высокую стабильность и существует более одной секунды (до 1,3 с)²⁷. Это позволяет ему участвовать в химических реакциях, таких как вышеупомянутое диспропорционирование.

Когда диспропорционирование $N_2$ осуществляется в водной плазме, синглетный $N_2$ может быть легко активирован в триплетный $N_2^*$ посредством столкновений как с высокоэнергетическими ($H_2O)_2^{++}$, так и с другимичастицами водной плазмы. Когда же реакция между $N_2$ и КРАДВ осуществляется внутри ионной ловушки, синглетный $N_2$ может быть активирован в триплет исключительно посредством столкновений с ($H_2O)_2^{++}$, активированными радиочастотным полем (рис. 1с). Как и ожидалось от подобного механизма, никаких продуктов реакции не наблюдалось, когда ионы ($H_2O)_2^{++}$ взаимодействовали с $N_2$ без их активации – т. е. без их разгона до нескольких эВ. Также следует отметить, что, будучи электронным переходом, активация $N_2$ в $N_2^*$ происходит гораздо быстрее, чем перестройка атомов в молекуле. Поэтому два события: активация $N_2$ в $N_2^*$ и последующая ассоциация между $N_2^*$ и ($H_2O)_2^{++}$ – могут произойти в течение одного столкновения между $N_2$ и КРАДВ.

Следующим вопросом теоретической части данного исследования стала проблема конформационного равновесия в КРАДВ. В соответствии с предыдущими теоретическими и экспериментальными данными, наши расчеты указывают на сосуществование двух конфигураций ($H_2O)_2^{++}$, т. е. на одновременное присутствие в системе водород-связанной [Н₃О⁺•••ОН⁺] и неводородсвязанной [H₂O•••ОН₂]⁺ (+0,3 эВ) конформаций¹⁷.

Несмотря на то, что конфигурация [Н₃О⁺•••ОН⁺] является глобальным минимумом энергии для ($H_2O)_2^{++}$, мы не смогли подобрать стабильную промежуточную структуру для её связывания с $N_2^*$. Напротив, мы смогли легко найти стабильную промежуточную структуру для связывания $N_2^*$ с симметричной конфигурацией [H₂O•••ОН₂]⁺. Ассоциация конфигурации [H₂O•••ОН₂]⁺ с $N_2^*$ происходит из-за стабилизации положительного заряда совместно $N_2$ и двумя фрагментами Н₂О (INT1*, рис. 2b). Структура INT1* затем преобразуется в возбужденное промежуточное состояние HONH-HNOH⁺⁺ (INT3*, ДЕ = -1,4 эВ) путем прямого переноса двух протонов через структуру возбужденного переходного состояния (TS*).

Промежуточное состояние HONH-HNOH⁺⁺ спонтанно и необратимо диссоциирует на нейтральный ННО и катионный NH₂ОН⁺⁺ (ДЕ = -1,6 эВ). В дополнение к указанному каналу диссоциации, HONH-HNOH⁺⁺ также может
релаксировать в свое основное электронное состояние, HONH-HNOH⁺ (INT3, ΔE = -2,8 эВ), без диссоциации. Вероятно, именно через этот последний канал стабильный сигнал HONH-HNOH⁺ обнаруживается в наших экспериментах. Структура HONH-HNOH⁺ могла бы диссоциировать на HNO и NH₂OH⁺ путем столкновительной активации (ΔE = 1,2 эВ), что и наблюдалось в экспериментах с ионной ловушкой (рис. 1d). После окончания цикла превращений, продукт NH₂OH⁺ может быть нейтрализован до незаряженного гидроксиламина (NH₂OH) путем переноса электронов из окружающей среды.

В целом, фиксация N₂ посредством (H₂O)₂⁺ через промежуточный продукт HONH-HNOH⁺ механистически отличается от всех ранее описанных процессов каталитической фиксации азота. Последние происходят с участием молекулярного водорода (радикалов Н⁺) и на гетерогенной поверхности²⁸. При этом восстановление азота на металлическом катализаторе обычно происходит через промежуточные продукты типа N₂Hₓ (0 ≤ x ≤ 2).

Таким образом, в этой брошюре представлен весьма своеобразный, если не уникальный, механизм фиксации N₂.

## 2.3. Масштабирование реакции

Реакция диспропорционирования N₂ с КРАДВ была масштабирована «в условиях окружающей среды» (без вакуума или повышенного давления) с использованием установки, схематично показанной на рисунке За. Установка состояла из массива в 76 игольчатых электродов («игл»), равномерно распределенных на вольфрамовой пластине размером ≈3,5×5,5 см². На ней могли быть получены заметные количества (H₂O)₂⁺; она же обеспечивала возможность для полноценного сбора продуктов.

Мы обнаружили, что NH₂OH наиболее эффективно собирался на катодном электроде, в то время как HNO эффективнее собирался через нейтральную выходную линию. Эти наблюдения дополнительно подтверждают вывод о том, что NH₂OH в реакции образовывался в катионной форме, в то время как HNO образовывался в нейтральной форме. Кроме того, эти наблюдения позволили разработать специальную экспериментальную конструкцию, в которой продукты HNO и NH₂OH⁺ могли быть пространственно разделены при сборе. Так положительно заряженный гидроксиламин перемещается электрическим полем к пластине сбора на катоде, в то время как нейтральный HNO переносится потоком непрореагировавшего N₂ в ёмкость на верхнем выходе из игольчатого реактора.
Эта экспериментальная конструкция эффективно препятствует обратной реакции между HNO и NH₂ОН с образованием молекулярного азота и воды. Стоит также отметить, что, согласно нашим теоретическим расчетам, обратная реакция между продуктами HNO и NH₂ОН в газовой фазе (например, in situ вблизи области разряда) затруднена довольно значительным энергетическим барьером. Он имеет порядок величины около 1,4 эВ – т. е. он труднопреодолим для частиц при комнатной температуре.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>**Рис. 3.** (а) Схематическое изображение реактора для масштабируемой реакции и сбора продуктов диспропорционирования N₂. Аноды массива (76 электродов) были подключены к общему положительному выводу источника постоянного тока высокого напряжения. (b) Спектры индооксина, образованного в результате онлайн-реакции собранного NH₂ОН с зондом 8-хинолинола между N₂ и (H₂O)₂». (c) Инфракрасные спектры собранного образца (красный) и стандарта NH₂ОН•HCl (черный). (d) Рамановские спектры собранного образца (красный) и стандарта NH₂ОН•HCl (черный). (e) Спектры флуоресценции 7-гидроксикумарина, образованного в результате онлайн-реакции HNO с зондом Р-СМ. (f) Масс-спектры раствора Р-СМ до и после сбора реакционной смеси, показывающие образование аза-илида Р-СМ (Р-СМ-NH) и оксида Р-СМ (Р-СМ-О) в результате реакции между Р-СМ и ННО. Р-СМ: специально синтезированный флуоресцентный зонд на основе кумарина.</figcaption></figure>

В итоге, при оптимизированных экспериментальных условиях установка смогла обеспечить производство 18,5 мкМ NH₂ОН и 17,7 мкМ HNO за десять минут. Концентрации при этом могли быть количественно определены стандартными спектрофотометрическими методами. Конкретнее, собранный NH₂ОН реагировал с оптическим зондом 8-хинолинолом с образованием
индооксина, который может быть количественно определен с помощью ви-
димой спектроскопии²⁹. При этом интенсивность сигнала показала четкую
корреляцию со временем реакции. Образование индооксина из-за реакции
между NH₂ОН и 8-хинолинолом было подтверждено тандемными МС-экспе-
риментами посредством сравнения со стандартом индооксина.

Чтобы окончательно исключить возможность экспериментальной ошибки идентификации собранных продуктов, образование NH₂ОН в результате реакции диспропорционирования между N₂ и (H₂O)₂⁺ было дополнительно подтверждено инфракрасной и рамановской спектроскопией (СКР; рис. 3с, д) собранных образцов.

Аналогичным образом было подтверждён и синтез азанона (нитрок-
сила). Для этого собранный HNO был отправлен на реакцию с флуоресцент-
ным зондом на основе кумарина, называемым Р-СМ. Реакция шла с образов-
анием 7-гидроксикумарина, который может быть количественно определен
с помощью флуоресцентной спектроскопии. Интенсивность сигнала показ
зала четкую корреляцию со временем реакции между N₂ и (H₂O)₂⁺ (рис. 3е).
Наличие реакции между Р-СМ и ННО было дополнительно подтверждено об-
наружением других продуктов реакции: аза-илида Р-СМ и оксида Р-СМ, что
хорошо согласуется с литературными данными³⁰. Обратите внимание, что
приготовление и характеристика относительно нестандартного «проба» Р-СМ
описаны дополнительно ниже в разделе «Методы».

Серия дополнительных контрольных экспериментов подтвердила иден-
тификацию конечного продукта как NH₂ОН и его образование путем фикса-
ции N₂. В частности, сигнал от гидроксиламина не был обнаружен ни в кон-
трольном эксперименте без воды и азота, ни в опыте в атмосфере агрона, ко-
гда N₂ был заменен на Аг. В то время как четкий сигнал от NH₂ОН был обнару-
жен как в атмосфере синтетического воздуха, так и в атмосфере чистого N₂.
Эффективность образования гидроксиламина в синтетическом воздухе со-
ставила около 50% от таковой в чистом N₂, что может быть связано с более
низким содержанием азота в синтетическом воздухе. Нельзя полностью ис-
ключить и влияние кислорода (O₂) на ход воздушной реакции.

Кроме того, спектр протонного ядерного магнитного резонанса (¹H ЯМР) от собранного конденсата, показал чёткий пик при 10 ppm. Это совпадает с пиком в стандартном образце NH₂ОН•HCl. Эксперименты с ¹⁵N₂ вместо ¹⁴N₂ показали характерный пик для группы ¹⁵NH₂.
## 2.4. Применение продуктов реакции

<figure><img src="image_6.png" /></figure>

<figure><img src="image_7.png" /></figure>

<figure><img src="image_8.png" /></figure>

<figure><img src="image_9.png" /></figure>

<figure><img src="image_10.png" /></figure>

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>**Рис. 4.** (а) Электролитическое восстановление NH₂OH в NH₃. (б) Кинетика электролитического восстановления при различных напряжениях. (с) Превращение цистеина (m/z 122) в цистин (m/z 241) посредством реакции с азаноном (нитроксилом, HNO). (d) Кинетика превращения цистеина в цистин (~25 мкМ HNO). (е) Влияние различных концентраций HNO на восстановительную способность клеток HT22. (f) Защитные функции HNO для клеток HT22.</figcaption></figure>

Оба продукта обнаруженной нами реакции диспропорционирования между N₂ и (H₂O)₂⁺ являются весьма ценными химическими веществами. Как NH₂OH, так и HNO заметно превосходят в цене аммиак – NH₃, обычный продукт промышленной азотфиксации по Габеру. Они оба имеют ряд уникальных характеристик, полезных как в синтетической, так и в биологической химии.
Кроме того, используя недорогую самодельную установку, работающую от солнечной батареи в 1,5 В в нашей лаборатории, мы смогли легко восстановить полученный $NH_2OH$ до $NH_3$ со степенью конверсии почти в 100% в течение примерно 30 минут (рис. 4а,b). Простота нашей экспериментальной установки для синтеза гидроксиламина, не имеющей никаких подвижных частей, предполагает, что она могла бы использоваться напрямую на сельскохозяйственных производствах («на полях»). При необходимости её можно было бы модифицировать и в качестве источника аммиака. Как показывают наши данные, солнечной энергии вполне достаточно для этих целей³¹.

Мы также показали, что продукт HNO может быть использован для прямого преобразования цистеина в цистин со степенью преобразования почти в 100% в указанных условиях в течение приблизительно часа (рис. 4с,d). Данное наблюдение указывает, что азанон может быть использован для специфической химической модификации тиолов непосредственно в белках.

В модельных экспериментах мы также продемонстрировали потенциальную полезность собранного HNO в содействии пролиферации клеток $HT22$ и защите их от окислительного стресса, вызванного $H_2O_2$ (рис. 4е,f). В то время как низкая доза HNO (0,008–1 мкМ) значительно увеличила способность клеток восстанавливаться – как было измерено с помощью набора для подсчета клеток Cell Counting Kit-8, ССК-8 – было также обнаружено, что высокая доза HNO (1–32 мкМ) ингибирует способность клеток к восстановлению. Эти наблюдения предполагают важную роль HNO в регуляции роста клеток³². Ранее уже сообщалось, что HNO может взаимодействовать и модифицировать несколько белковых мишеней, таких как тиоловые белки, стимулируя пролиферацию клеток³³. В дополнение к этому, посредством реакции с дегидрогеназой и солями тетразолия, HNO также может преобразовываться в монооксид азота (нитрозил-радикал, NO⁺), который дополнительно регулирует рост клеток. Действительно, окись азота NO⁺ была классифицирована как мощный модулятор пролиферации клеток. Та же окись являлась и модулятором клеточного цикла, включая как стимулирующие, так и ингибирующие эффекты³⁴,³⁵. Мы предполагаем, что наблюдаемое двухфазное воздействие HNO на способность клеток к восстановлению может быть отнесено к сложному сигнальному пути с участием нитрозил-радикала. Для выяснения деталей влияния HNO на способность клеток к «постстрессовому» восстановлению требуются дальнейшие исследования. Повышение доступности азанона может способствовать ускорению исследований.
## 2.5. Характеристики реакции диспропорционирования

Используя общую площадь поверхности металлической пластины ($\approx 3,5 \times 5,5 \text{ см}^2$) в качестве активной площади поверхности нашего 76-электродного устройства (рис. За), мы оценили фарадеевскую эффективность (FE/ФЭ) в 64% с выходом продукта в приблизительно $1,14 \text{ мкг см}^{-2}$ ч$^{-1}$ для гидроксиламина. Аналогичная величина для ННО составила 20% с выходом данного продукта в $0,37 \text{ мкг см}^{-2}$ ч$^{-1}$. Оптимизация параметров процесса приведена на дополнительном рисунке S2. Обратите внимание, что максимальный выход можно рассчитать и на основе эффективной площади поверхности 76-ти кончиков «игл», поскольку плазма активируется только на поверхности около них. В это случае выход был на три порядка больше: он составил $5,10 \times 10^3 \text{ мкг см}^{-2}$ ч$^{-1}$ для $\text{НН}_2\text{ОН}$ и $1,53 \times 10^3 \text{ мкг см}^{-2}$ ч$^{-1}$ для ННО.

Более низкий выход и FE для ННО по сравнению с $\text{НН}_2\text{ОН}$, вероятно, вызваны более высокой реакционной способностью первого. Это приводит к частичному преобразованию ННО как водой, так и другими химическими веществами, присутствующими в реакционной зоне и собранном растворе. В подтверждение этого, МС-данные, ионная хроматография и УФ-видимая абсорбционная спектроскопия показали такие продукты как $\text{NO}_3^-$, $\text{NO}_2^-$ и перекись водорода ($\text{H}_2\text{O}_2$), которые, вероятно, были получены путем дальнейшего преобразования азанона. Содержание $\text{NO}_3^-$, $\text{NO}_2^-$ и $\text{H}_2\text{O}_2$, полученных по истечении десяти минут, было оценено примерно в 0,007 мМ, 0,004 мМ и 0,03 мМ соответственно. Интересно, что данные ионной хроматографии и спектроскопии ЯМР $^1\text{Н}$ также указали на образование амоний-катиона $(\text{NH}_4^+)$. Протонированный аммиак образовался в реакционной смеси в количестве около 0,02 мМ за те же 10 мин. Логично предположить, что он синтезировался за счет восстановления $\text{НН}_2\text{ОН}$. Простота восстановления гидроксиламина до аммиака уже обсуждалась нами выше.

Происхождение $\text{НН}_3$ из $\text{N}_2$ и водной плазмы было дополнительно подтверждено отдельными экспериментами с азотными изотопами. Интегрируя рассчитанные выходы продуктов, содержащих связанный азот, скорость превращения $\text{N}_2$ в оптимальных условиях была оценена как приблизительно 0,001%. Это выше, чем в других плазменных методах³⁶.
<table><caption>**Таблица 1.** Сравнение диспропорционирования в водной плазме (данная работа) с каталитическими методами азотфикации, проводимыми в «мягких» условиях.</caption><thead><tr><th>Метод</th><th>Катализатор</th><th>Прод.</th><th>Условия</th><th>Выход</th><th>ЭЭ, 10<sup>-6</sup> $</th><th>ФЭ, %</th></tr></thead><tbody><tr><td>Электрокат.<sup>44</sup></td><td>MoS<sub>2</sub></td><td>NH<sub>3</sub></td><td>RT, атм.</td><td>5.39</td><td>0.3234</td><td>1.17</td></tr><tr><td>Электрокат.<sup>45</sup></td><td>PEBCD/C</td><td>NH<sub>3</sub></td><td>RT, атм.</td><td>1.58</td><td>0.0948</td><td>2.85</td></tr><tr><td>Электрокат.<sup>46</sup></td><td>Au: наностержни</td><td>NH<sub>3</sub></td><td>RT, атм.</td><td>1.65</td><td>0.099</td><td>3.88</td></tr><tr><td>Электрокат.<sup>47</sup></td><td>Ru/C</td><td>NH<sub>3</sub></td><td>20 °C, атм.</td><td>0.21</td><td>0.0126</td><td>0.28</td></tr><tr><td>Электрокат.<sup>48</sup></td><td>Pt/C</td><td>NH<sub>3</sub></td><td>RT, атм.</td><td>69.77</td><td>4.19</td><td>0.52</td></tr><tr><td>Электрокат.<sup>49</sup></td><td>Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/УНТ</td><td>NH<sub>3</sub></td><td>20 °C, атм.</td><td>0.22</td><td>0.0132</td><td>0.15</td></tr><tr><td>Электрокат.<sup>50</sup></td><td>Au: полые наноклетки</td><td>NH<sub>3</sub></td><td>RT, атм.</td><td>3.90</td><td>0.234</td><td>30.2</td></tr><tr><td>Электрокат.<sup>51</sup></td><td>В-графен</td><td>NH<sub>3</sub></td><td>RT, атм.</td><td>9.80</td><td>0.588</td><td>10.8</td></tr><tr><td>Фотокат.<sup>52</sup></td><td>P3MeT/TiO<sub>2</sub></td><td>NH<sub>3</sub></td><td>20 °C</td><td>0.03</td><td>0.0018</td><td>-</td></tr><tr><td>Фотокат.<sup>53</sup></td><td>Au/чёрный Si/Cr</td><td>NH<sub>3</sub></td><td>-</td><td>1.33</td><td>0.0798</td><td>-</td></tr><tr><td>Фотокат.<sup>54</sup></td><td>TiO<sub>2</sub>/Au/a-TiO<sub>2</sub></td><td>NH<sub>3</sub></td><td>RT</td><td>0.23</td><td>0.0138</td><td>-</td></tr><tr><td>Фотокат.<sup>55</sup></td><td>Au NPs/Nb-SrTiO<sub>3</sub>/Zr/ZrO<sub>x</sub></td><td>NH<sub>3</sub></td><td>RT</td><td>0.01</td><td>0.0006</td><td>-</td></tr><tr><td>Биологич.<sup>56</sup></td><td>ферменты</td><td>NH<sub>3</sub></td><td>Антарктида</td><td>0.005</td><td>-</td><td>-</td></tr><tr><td rowspan="5">Данная работа</td><td rowspan="5">-</td><td>NH<sub>2</sub>-OH</td><td rowspan="5">RT, атм.</td><td>1.14</td><td>11.4</td><td>64.0</td></tr><tr><td>HNO</td><td>0.37</td><td>55500</td><td>18.0</td></tr><tr><td>NH<sub>3</sub></td><td>0.63</td><td>6.3</td><td>55.0</td></tr><tr><td>NO<sub>2</sub><sup>-</sup></td><td>0.34</td><td>0.07</td><td>33.0</td></tr><tr><td>NO<sub>3</sub><sup>-</sup></td><td>0.81</td><td>0.17</td><td>96.0</td></tr></tbody></table>

Выход приведён в мкг см<sup>-2</sup> ч<sup>-1</sup>; ЭЭ = Экономическая эффективность, 10<sup>-6</sup> $ см<sup>-2</sup> ч<sup>-1</sup>; ФЭ = Фарадеевская эффективность; УНТ = Углеродные нанотрубки; В-графен = Графен, легированный бором; RT = комнатная температура.
<table><caption>**Таблица 2.** Сравнение диспропорционирования в водной плазме (данная работа) с известными плазменными методами азотфикации.</caption><thead><tr><th>Метод</th><th>Катализатор</th><th>Прод.</th><th>ЭЭ, МДж</th><th>Выход, г кВт<sup>-1</sup></th><th>ЭЭ, $ кВт<sup>-1</sup></th></tr></thead><tbody><tr><td>Плазма ДБР<sup>57</sup></td><td>Си-проводока</td><td>NH<sub>3</sub></td><td>18.5</td><td>3.3</td><td>0.1985</td></tr><tr><td>Плазма ДБР<sup>58</sup></td><td>Оксид алюминия</td><td>NH<sub>3</sub></td><td>33.4</td><td>1.8</td><td>0.1099</td></tr><tr><td>Плазма ДБР<sup>59</sup></td><td>Сегнетоэлектрик</td><td>NH<sub>3</sub></td><td>68.0</td><td>0.9</td><td>0.0540</td></tr><tr><td>Плазма ДБР<sup>60</sup></td><td>Ru/Mg/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub></td><td>NH<sub>3</sub></td><td>1.7</td><td>35.8</td><td>2.15</td></tr><tr><td>Плазма ДБР<sup>61</sup></td><td>Ru/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub></td><td>NH<sub>3</sub></td><td>32.4</td><td>1.9</td><td>0.1133</td></tr><tr><td>Нетермическая плазма<sup>62</sup></td><td>Ru/Cs/УНТ</td><td>NH<sub>3</sub></td><td>26.6</td><td>2.3</td><td>0.1380</td></tr><tr><td>Неравновесная плазма<sup>36</sup></td><td>–</td><td>NH<sub>3</sub></td><td>95</td><td>0.6</td><td>0.0387</td></tr><tr><td>Плазма-водяная катля<sup>63</sup></td><td>–</td><td>NH<sub>3</sub></td><td>9500</td><td>0.006</td><td>0.0004</td></tr><tr><td>Плазмоактивированная<sup>10</sup> фикс. N<sub>2</sub></td><td>–</td><td>NH<sub>3</sub></td><td>0.61</td><td>100.3</td><td>6.02</td></tr><tr><td>УФ-плазма<sup>64</sup></td><td>–</td><td>NH<sub>3</sub></td><td>988</td><td>0.062</td><td>0.0037</td></tr><tr><td>Плазменно-электролитический<sup>65</sup></td><td>–</td><td>NH<sub>3</sub></td><td>139</td><td>0.440</td><td>0.0264</td></tr><tr><td rowspan="2">Электролиз с исп. DC-плазмы<sup>66</sup></td><td>–</td><td>NH<sub>3</sub></td><td rowspan="2">100</td><td>0.612</td><td>0.0367</td></tr><tr><td>NO<sub>3</sub><sup>-</sup></td><td>2.232</td><td>0.0134</td></tr><tr><td>Плазма ДБР<sup>67</sup></td><td>–</td><td>NO<sub>3</sub><sup>-</sup></td><td>8</td><td>27.90</td><td>0.1674</td></tr><tr><td>Плазма ДБР<sup>68</sup></td><td>–</td><td>NO<sub>2</sub><sup>-</sup></td><td>1175</td><td>0.141</td><td>0.0008</td></tr><tr><td rowspan="5">Данная работа</td><td rowspan="5">–</td><td>NH<sub>2</sub>OH</td><td>770</td><td>0.154</td><td>1.54</td></tr><tr><td>HNO</td><td>2290</td><td>0.049</td><td>7310.0</td></tr><tr><td>NH<sub>3</sub></td><td>504</td><td>0.121</td><td>0.007</td></tr><tr><td>NO<sub>2</sub><sup>-</sup></td><td>2535</td><td>0.065</td><td>0.01</td></tr><tr><td>NO<sub>3</sub><sup>-</sup></td><td>1488</td><td>0.155</td><td>0.03</td></tr></tbody></table>

ЭЭ = энергозатраты на моль продукта; ЭЭ = Экономическая эффективность; ДБР = Диэлектрический барьерный разряд.

Мы считаем, что более высокая конверсия в нашем методе в основном обусловлена образованием многочисленных катионов (H₂O)₂⁺, которые действуют как эффективные активаторы молекулы диазота. Поскольку NH₂OH может быть преобразован в NH₃ с эффективностью, близкой к стопроцентной, мы можем рассчитать и эффективность азотфикации в рассчёте на аммиак – прежде всего, для сравнения с другими методами.
Расчетная скорость производства НH₃ в оптимальных условиях составила
около 1,8 мкг см⁻² ч⁻¹.

По сравнению с процессом Габера-Боша и другими методами фиксации N₂, включая каталитические и плазменные методы, наш метод обеспечивает значительно более высокую экономическую эффективность: 1,54 $ кВт⁻¹ ч⁻¹ для НH₂ОН и 7310 $ кВт⁻¹ ч⁻¹ для ННО (см. таблицы 1 и 2). Это обусловлено высокой стоимостью гидроксиламина и, в особенности, азанона (нитроксила) – по сравнению с аммиаком.

Однако, с точки зрения стоимости энергии (г кВт⁻¹ ч⁻¹), наш метод в настоящее время на три порядка менее эффективен, чем ГБ. Он также примерно на один-два порядка менее эффективен, чем плазменные методы фиксации N₂, о которых сообщалось ранее: 0,154 г кВт⁻¹ ч⁻¹ для НH₂ОН и 0,149 г кВт⁻¹ ч⁻¹ для ННО. Более высокая энергоёмкость в представленном методе в основном обусловлена отсутствием катализатора, высоких давлений и/или высоких температур. Ожидается, что энергоёмкость будет постепенно снижаться – по мере дальнейшей модернизации нашей реакторной установки.

Более корректным будет сравнение представленной технологии с другими методами, работающими при комнатной температуре и атмосферном давлении. По сравнению с несколькими каталитическими методами фиксации N₂ в подобных «мягких» условиях, о которых сообщалось ранее, наш метод обеспечивает аналогичный выход N-содержащих продуктов. Так полученный нами выход НH₂ОН был примерно в два раза выше, чем выход аммиака при использовании дисульфида молибдена в качестве катализатора.

У представленного здесь метода есть пространство для оптимизации. Так полученный нами выход ННО был примерно в три раза ниже, чем интегральный выход таких продуктов как NO₃⁻ и NO₂⁻. Как уже обсуждалось выше, более низкий выход азанона (нитроксила) по сравнению с данными анионами, вероятно, отражает его высокую реакционную способность. Таким образом очевидной задачей для дальнейшей оптимизации параметров реактора является исключение (минимизация) потери нитроксила. Обеспечение его улавливания до окисления способно сделать экономическую эффективность нашей установки ещё более привлекательной для масштабного промышленного внедрения.
### 3. Заключение

В целом, основные достоинства нашего метода заключаются в следующих шести пунктах:

(i) мягкие условия – которые, в свою очередь, приводят к низкой стоимости и простоте внедрения метода;

(ii) не требуется катализатор – т. е. проблема отравления и спекания катализатора не возникает как таковая;

(iii) не задействованы горючие полезные ископаемые;

(iv) очевидная масштабируемость – как минимум до полноценного лабораторного реактора, способного производить граммы продуктов в час;

(v) высокоценные продукты – в соответствии с текущим рынком, цена NH₂OH составляет около 1,5 $ за массу продукта, производимого при расходе всего 1 кВт·ч электроэнергии (≤0,2 $); аналогичная цифра для HNO составляет 7310 $;

(vi) высокая атомная экономичность – окисление одного атома азота в N₂ до HNO естественным образом сочетается с одновременным восстановлением другого атома азота в той же молекуле до NH₂OH.

Подводя итог, мы продемонстрировали, что атмосферный азот может быть химически преобразован при помощи (Н₂О)₂⁺ в нормальных условиях окружающей среды. При этом при комнатной температуре получаются такие экономически ценные продукты как NH₂ОН и HNO. Представленный метод является реальной альтернативой текущей необходимости фиксации N₂ через аммиак. Сочетание таких базовых для (био)химии атомов как N, O и H в полученных продуктах значительно увеличивает широту потенциальных химических превращений – по сравнению с НH₃.

Наши экспериментальные и теоретические исследования показывают, что триплетное состояние N₂ активируется (Н₂О)₂⁺ с образованием промежуточного соединения HONH-HNOH⁺, которое далее разлагается с образованием NH₂ОН⁺ и HNO. При этом механизм фиксации N₂ структурой КРАДВ с трёхэлектронной двухцентровой связью принципиально отличается от ранее предложенных методов. Двухпротонный перенос в возбужденном электронном состоянии также весьма специфичен: он перспективен для управления реакциями как в фотохимическом синтезе, так и для разработки молекулярных переключателей. Примечательно, что образование продуктов NH₂ОН и HNO происходит в газовой фазе, что открывает возможности для их прямого
применения in situ – без необходимости сбора продуктов. Весьма вероятно,
что сегодня мы стоим на пороге реальной «зеленой» фиксации азота в про-
мышленных масштабах.

***

**Доступность данных.** Все данные, полученные в этом исследовании, были размещены в 2024 году в базе данных «Figshare» по постоянному адресуª. Исходные данные предоставлены вместе с журнальной статьей и доступны по постоянному адресуᵇ. Авторы также заявляют об отсутствии у них конфликта интересов.

**Благодарности.** Авторы выражают благодарность доктору Лили Сан за предварительные расчеты. Авторы также выражают благодарность г-же Сюэцзяо Чэнь и г-ну Юань Чжуну за помощь в проведении масспектрометрических экспериментов. Авторы особенно признательны за корректуру рукописи профессору Иньцюань Вану. Работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (21520102007, 22104014, 223°64002, 22164002), Фондом естественных наук провинции Цзянси (20232BAB213047), Проектом международного сотрудничества провинции Цзянси (20203BDH80W010, 20232BBH80012) и Программой развития научно-технологической инновационной группы на уровне школы Университета китайской традиционной медицины Цзянси (CXTD22005, 2004-5252300403).

<footnote>ª Статический URL: https://doi.org/10.6084/m9.fishare.25028042.</footnote>

<footnote>ᵇ URL: https://static-content.springer.com/esm/art%3A10.1038%2Fs41467-024-45832-9/MediaObjects/41467_2024_45832_MOESM6_ESM.xlsx.</footnote>
### 4. Экспериментальные методы

**Химические вещества и материалы.** NH₂OH•HCl, 8-хинолинол и 2-(дифенилфосфино)бензойная кислота были приобретены у компании «Shanghai Sun Chemical Technology» (Китай) с чистотой >99%. Дейтерированная вода (D₂O) была приобретена у компании «Cambridge Isotope Laboratories» (США) с чистотой >99%. Оксогипонитрит натрия (соль Анджели), используемая в экспериментах по количественной флуоресценции, была приобретена в «Cayman Chemical» и хранилась при температуре -20 °С с чистотой >99%. Сверхчистый азот (>99,999%), сверхчистый гелий (>99,999%), сверхчистый аргон (>99,999%) и сверхчистый ¹⁵N₂ (>99%) были получены от «Jiangxi Guoteng Gas» (Наньчан, Китай). Вода, используемая во всех экспериментах, была очищена с помощью системы Milli-Q от «Millipore».

Фетальная бычья сыворотка (FBS) была приобретена у компании «Zhejiang Sorfa Life Science» (Чжэцзян, Китай). Пероксид водорода (H₂O₂, 30%) был приобретен у фирмы «Xilong Scientific» (Гуандун, Китай). Набор для анализа ССК-8 был получен от «Biosharp Life Sciences» (Аньхой, Китай). Микропланшетный ридер был приобретен у гонконгской компании «Gene Company Limited». CO₂-инкубатор для клеточных исследований был получен от японской фирмы SANYO (Осака). В основных (био)исследованиях был использован германский инвертированный микроскоп от «Leica».

Флуоресцентный зонд на основе кумарина, Р-СМ, был синтезирован в нашей лаборатории в соответствии с методом, описанным Таном и др.³⁰, с молдикацией. Финальная чистота зонда превышала 99%. Подробнее: 2-(дифенилфосфино)бензойная кислота (306 мг, 1 ммоль) растворялась в 50 мл безводного CH₂Cl₂ в инертной атмосфере; затем добавлялись 4-(диметиламино)пиридин (6,1 мг, 0,05 ммоль) и гидрохлорид 1-этил-3-(3-диметиламинопропил)карбодиимида (191,7 мг, 1 ммоль); реакционная смесь перемешивалась при комнатной температуре в течение получаса; затем к смеси добавлялся 7-гидроксикумарин (194,6 мг, 1,2 ммоль), и полученный раствор перемешивалась при комнатной температуре; реакционная смесь концентрировалась при пониженном давлении, а остаток очищался с помощью хроматографии на силикагеле (этилацетат/петролейный эфир = 1:2 об.) с получением продукта, Р-СМ, в виде слабо-желтого твердого вещества (423 мг, 0,93 ммоль). ¹Н ЯМР (CDCl₃, 500 МГц) δ (м.д.): 8,278–8,245 (м, 1Н), 7,681–7,657 (д, J = 9,6 Гц, 1Н), 7,502–7,474 (м, 2Н), 7,440–7,418 (м, 1Н), 7,377–7,277 (м, 10Н), 7,022–6,989 (м, 1Н), 6,930–6,902 (м, 2Н), 6,396–6,372 (д, J = 9,6 Гц, 1Н). Массспектрометрия (MS ESI): m/z 451,0 [M+H]⁺.
<figure><img src="image_12.png" /></figure>

<figure><img src="image_13.png" /></figure>

<figure><img src="image_14.png" /></figure>

<figure><img src="image_15.png" /></figure>

<figure><img src="image_16.png" /></figure>

<figure><img src="image_17.png" /></figure>

Доп. рис. S1. Контрольные эксперименты для реакции между водной плазмой и N₂. Основные данные показаны на рис. 1. Схема распада промежуточного соединения с массой в 64 Да приведена на панели (c). Отсутствие реакции между катионом азота и нейтральной водой можно проследить по МС-данным, представленным на панели (f).

**МС в реальном времени.** Экспериментальная установка для изучения продуктов реакции между N₂ и (H₂O)₂⁺ в реальном времени показана на рис. 1а. Для получения (H₂O)₂⁺ нейтральный газ (аргон) барботировался (продавливался) через жидкую воду со скоростью потока 10~100 мл мин⁻¹, а полученные пары H₂O/Ag направлялись в специальный источник ионов (коронный разряд) через тефлоновую трубку с внутренним диаметром в 750 мкм. Для создания источника ионов использовалась острая игла из нержавеющей стали с внешним диаметром в 150 мкм (радиус закругления конца ~30 мкм). Она использовалась в качестве разрядного электрода для плазмы.
Игла была коаксиально вставлена в кварцевый капилляр с внутренним диаметром в 250 мкм (внешний – 400 мкм). Она была зафиксирована коаксиально с помощью кварцевого наконечника. Расстояние от входа капилляра масс-спектрометра до кончика источника ионов составляло 20 мм. Постоянное напряжение (DC) в +2,0 кВ было приложено к игле из нержавеющей стали для создания коронного разряда. Поток нейтрального азота в 100 мл мин⁻¹ вводился через отдельный канал для взаимодействия с полученным (H₂O)₂⁺. В контрольном эксперименте диазот был заменен на аргон.

**Реактор.** Экспериментальная установка для масштабируемой реакции диспропорционирования между азотом и КРАДВ со сбором продуктов реакции представлена на рис. За. Высокочистый N₂ (99,999 %), контролируемый регулятором массового расхода, барботировался через жидкую воду и затем переносился через разрядный реактор в кварцевом корпусе к выпускной трубке, соединенной с ёмкостью для сбора. Сам реактор представлял собой разрядную матрицу из семидесяти шести (76) вольфрамовых «игл» под постоянным напряжением (анод) и плоского заземленного электрода (катод). Расстояние между кончиками двух соседних игл было установлено в 5 мм.

Все аноды матрицы были подключены к одному и тому же положительному выводу постоянного тока высокого напряжения. Катионный продукт реакции NH₂OH⁺ собирали стеклянной ёмкостью с покрытием из оксида индия и олова (ITO), заполненной раствором зонда 8-хинолинола (6 мл), который помещался на поверхность катода. Нейтральный продукт реакции HNO откачивали через выходную линию в ёмкость, заполненную раствором зонда Р-СМ (2 мл). Количество электрического заряда, нейтрализованного на катодной пластине, определяли с помощью электрохимической рабочей станции CHI660E от компании «Shanghai Chenhua Instrument».

**Настройки МС.** МС-детектирование проводили с использованием масс-спектрометра с ионной ловушкой LTQ-XL от калифорнийской фирмы «Thermo Scientific». Температура капилляра переноса ионов составляла 150 °С, напряжение капилляра составляло один вольт, а напряжение линзы трубки составляло 30 В. Давление в ионной ловушке было установлено в 10⁻⁵edd. В качестве газа для столкновений в ионной ловушке использовался гелий высокой чистоты (99,999%). Эксперименты CID-MS проводились путем подачи возбуждающего переменного тока на торцевые крышки ионной ловушки для индуцирования столкновений изолированных в ней ионов. Спекты CID-MS были получены путем активации ионов-предшественников при нормализованной энергии столкновения, варьируемой от 0% до 50%.
Детектирование проводилось в режиме положительных ионов. Другие параметры эксперимента в ионной ловушке оптимизировались системой LTQ-XL.

Количественное определение NH₂ОН. Концентрация собранного гидроксиламина определялась модифицированным методом «цветного теста» с помощью 8-хинолинола²⁹. Подробнее: 1,2 мл фосфатного буфера (0,05 М, pH 6,8), 0,24 мл раствора трихлоруксусной кислоты и 1,2 мл раствора карбоната натрия (1,0 М) смешивали в пробирке; затем мы добавляли 1,2 мл этанольного раствора 8-хинолинола (10 мг/мл); наконец, в пробирку добавляли чистую воду, доводя объем раствора до 6 мл. Приготовленный таким образом раствор реагента помещали на верхнюю часть катодной пластины. Затем мы начинали реакцию диспропорционирования азота.

Спектры поглощения раствора в УФ-видимом диапазоне измеряли при различном времени реакции на спектрофотометре UV-1900i от «Shimadzu» (Япония). Мы выбрали интервалы в 0, 5, 10, 20, 30 и 40 мин. Образование индооксина в результате реакции между NH₂ОН и 8-хинолинолом было очевидно по характерной полосе поглощения с максимумом в видимой области, при 705 нм. Для калибровки были собраны спектры УФ-видимого диапазона для серии пустых – нулевое время реакции диспропорционирования – растворов реагентов с добавлением различных концентраций NH₂ОН. Мы выбрали концентрации в 10, 50, 100, 200 и 250 мкМ, который показали хорошую линейную корреляцию поглощения индооксина с концентрацией гидроксиламина при усреднении по трем независимым измерениям. Также было проведено снятие фона, при котором NH₂ОН не добавлялся в систему.

Вибрационная спектроскопия. Собранные образцы и стандарт в виде соли NH₂ОН•HCl были проанализированы на инфракрасном спектрографе с Фурье-преобразованием iS™5 FT-IR от «Thermo Nicolet». Детально: образцы бромида калия (КBr) были измельчены в порошок и равномерно распределены на поверхности катодной пластины. Затем реакция диспропорционирования азота проводилась в течение суток. Образец, собранный на катодной пластине, анализировался с помощью инфракрасной спектроскопии, а образец чистого NH₂ОН•HCl в бромиде калия измерялся для сравнения.

Собранные образцы и стандарт NH₂ОН•HCl также анализировались с помощью лазерной рамановской спектроскопии (СКР) на приборе Via RM2000 от британской компания «Renishaw». Время интегрирования рамановского сигнала было установлено в 10 с, а спектральный диапазон был выбран как 400–4000 см⁻¹. Излучение непрерывного лазера с длиной волны в 532 нм фокусировалось через объектив (50Х) для возбуждения образцов. Детионизированная вода для сбора гидроксиламина помещалась на
поверхность катодной пластины. Реакция диспропорционирования азота проводилась в течение двух суток. Продукт, собранный на катодной пластине, и анализировался с помощью СКР. Аутентичный раствор анализировался для непосредственного контроля.

**Количественное определение ННО.** Количество собранного ННО оценивали с помощью метода, описанного Таном с коллегами³⁰. Так зонд Р-СМ (см. выше) был растворен в *N*,*N*-диметилформамиде для получения 1 мМ свежеприготовленного исходного раствора, который был разбавлен до 10 мкМ с помощью 100 мМ буфера PBS (pH 7,4). Приготовленные растворы Р-СМ (10 мкМ, общий объем в 2 мл) были подключены к выходной линии реактора, как показано на рис. За. Реакция проводилась при комнатной температуре при той же длительности, что и в случае с гидроксиламином.

Флуоресценция от 7-гидроксикумарина, образованного в результате реакции ННО с зондом Р-СМ, возбуждалась при 370 нм и измерялась при 450 нм. Флуоресценция от пустого раствора Р-СМ (10 мкМ), не прореагировавшего с азаноном, измерялась в качестве контроля. Выходы ННО рассчитывались по стандартной кривой с использованием соли оксогипонитрита натрия в качестве источника азанона. Так исходный раствор оксогипонитрита натрия (2 мкМ) готовился в 1 М растворе гидроксида натрия (NaOH) и хранился в морозилке при температуре –20 °С.

Затем 20 мкл стандартных растворов оксогипонитрита натрия с различными концентрациями отдельно добавлялись в 10 мкМ раствора Р-СМ для доведения объема до 2 мл. Нами были выбраны концентрации в 10, 250, 1000, 2000 и 5000 нМ. С помощью растворов при этих концентрациях мы регистрировали стандартные спектры флуоресценции. Калибровочная кривая показала хорошую линейность между интенсивностью флуоресценции при 450 нм и концентрацией ННО по трем независимым измерениям.

Примечательно, что хотя известно, что азанон димеризуется при высоких концентрациях³⁷, собранные растворы ННО показали значительную стабильность в течение периода не менее двух дней. Стабильность продукта ННО обусловлена его относительно низкой концентрацией (менее мМ), что предотвращает значительную димеризацию в собранном растворе. Наши наблюдения согласуются с недавними отчетами о долгосрочной стабильности ННО в водных растворах в физиологически значимых условиях³⁸,³⁹.

**Ионная хроматография.** Количество NH₃, NO₃⁻ и NO₂⁻, образованных при взаимодействии водной плазмы и азотом, оценивались с помощью ионной хроматографии на интегрированной системе DIONEXICS-1100 от «Thermo Fisher». Процедура нашего хроматографического эксперимента полностью
соответствовала стандартной рабочей процедуре, предоставленной поставщиком оборудования. Вкратце, 25 мкл полученного продукта вводили в клему для разделения; скорость подачи составляла 4 мл мин⁻¹, а пик, элюированный при времени удерживания в 9 мин, был отнесен к NH₄⁺. Количество аммония оценивалось с помощью калибровочной кривой по стандартным растворам. Пики, элюированные при времени удерживания в 5 и 8 мин, были отнесены к NO₂⁻ и NO₃⁻. Количество нитрит и нитрат анионов также оценилось с помощью серии стандартных растворов.

**Количественное определение H₂O₂.** Количество пероксида водорода измерялось с помощью абсорбционной спектроскопии в УФ-видимом диапазоне на UV-1900i. Согласно литературным данным⁴⁰, перманганат калия восстанавливался перекисью водорода в серной кислоте с максимальным пиком поглощения при 525 нм. Количество перекиси водорода было получено классическим методом: из расчёта количества потребленного перманганата (MnO₄⁻) в калибровке из серийей стандартных растворов.

**Эксперименты на клетках НТ22.** В исследовательской литературе ранее сообщалось, что воздействие H₂O₂ через модификацию тиола может приводить к радикально-опосредованному клеточному повреждению – т. е. к перекисному окислению липидов, образованию карбонила белка и т. д. Подобные процессы возникают преимущественно из-за реакции Фентона³³. Напротив, HNO уже демонстрировал свою способность обеспечивать нейропротекцию – способность ингибировать вредную радикальную цепную реакцию, окислительный стресс и окисление липидов перевисью⁴¹. Таким образом, HNO может взаимодействовать с тиолами, тем самым снижая токсический эффект H₂O₂. Чтобы изучить возможность использования азанона для защиты клеток от токсичности перекиси водорода, мы инкубировали клетки НТ22 с HNO, а затем обработали их перекисью.

В данных экспериментах мы создали модели окислительного стресса, вызванного H₂O₂, в клетках НТ22, чтобы исследовать, оказывает ли HNO антиоксидантный стресс и нейропротекторные эффекты. Азанон был получен с использованием реакции диспропорционирования азота с КРАДВ в нормальных условиях. Клетки НТ22 были приобретены у компании «Procell Life Science & Technology Co., Ltd.» и культивированы в DMEM с добавлением 10% об. FBS и 1% пенициллина/стрептомицина при температуре в 37 °С в атмосфере 5% CO₂. Чтобы специально вызвать повреждение клеток, в клеточную культуру на один час добавлялся пероксид.
<figure><img src="image_18.png" /></figure>

<figure><img src="image_19.png" /></figure>

<figure><img src="image_20.png" /></figure>

<figure><img src="image_21.png" /></figure>

<figure><img src="image_22.png" /></figure>

<figure><img src="image_23.png" /></figure>

<figure><img src="image_24.png" /></figure>

<figure><img src="image_25.png" /></figure>

Доп. рис. S2. Зависимость выхода $НН_2ОН$ (a-d) и ННО (e-h) от экспериментальных параметров реактора. (a,e) Напряжение, подаваемое на игольчатый реактор. (b,f) Расстояние от кончика «иглы» до катодной пластины. (c,g) Суммарный расход азота. (d,h) Температура воды при барботаже.

Клетки НТ22 высевали в 96-луночные планшеты в количестве $0,8×10^5$ клеток на лунку и инкубировали с различными концентрациями ННО в
течение суток с последующей обработкой H₂O₂. Способность клеток к восстановлению была исследована с помощью набора для анализа ССК-8 (см. детали выше). Поглощение образцов мы измеряли при длине волны в 450 нм с помощью микропланшетного ридера (фотометра), а коэффициент выживаемости клеток выражался как процент от контроля.

Все статистические анализы выполняли с помощью программного обеспечения SPSS Statistics v21.0. Все экспериментальные данные выражались как среднее значение плюс-минус одно стандартное отклонение. Сравнение между двумя группами оценивалось с помощью непарного t-критерия Стьюдента, тогда как сравнение между несколькими группами данных мы оценивали с помощью однофакторного дисперсионного анализа. При этом значение параметра *p* менее 0,05 считалось нами статистически значимым.

<figure><img src="image_26.png" /></figure>

<figure><img src="image_27.png" /><figcaption>Доп. рис. S3. Влияние приложенного напряжения на относительный выход и фарадевескую эффективность реакции диспропорционирования N₂ с помощью (H₂O)₂**: (a) NH₂OH. (b) HNO.</figcaption></figure>

**Расчет эффективности Фарадея и выхода.** Для экспериментальной установки, показанной на рис. За, выходы NH₂ОН и HNO были рассчитаны с использованием стандартных уравнений. На доп. рис. S3 показаны данные, для получения которых мы использовали алгебраические формулы, уже приводившиеся другими авторами в более ранней литературе по теме⁴².

**Восстановление NH₂ОН до аммиака.** Для количественной оценки количества гидроксиламина, собранного во время реакции диспропорционирования N₂, продукт реакции собирался в стеклянную ёмкость с покрытием из оксида индия и олова (ІТО), заполненную раствором зонда 8-хинолинола в течение получаса. Концентрация индооксина, полученного в результате реакции между NH₂ОН и 8-хинолинолом, была количественно определена с помощью экспериментов в УФ-видимом диапазоне (см. выше). Затем, при
точно таких же условиях, гидроксиламин из реакции диспропорционирования был собран в стеклянную ёмкость с покрытием ІТО, наполненную деонизированной водой без 8-хинолинола.

Раствор, содержащий $NH_2OH$, был перенесен в ячейку для электрохимического восстановления, которая питалась от солнечной батареи 1,5 В. Положительный и отрицательный электроды диаметром в 500 мкм, подключенные к батарее, были погружены на 35 мин в исходный раствор на глубину в один сантиметр. Образование аммиака было подтверждено масс-спектрометрическим анализом. Концентрация полученного $NH_3$ была определена спектрофотометрически с использованием метода, основанного на образовании индофенолового синего⁴³. Подробно: 1 мл раствора из ёмкости для электрохимического восстановления был перенесен в центрифужную пробирку объемом 15 мл; затем в пробирку были добавлены 9 мл водного раствора серной кислоты (5 мМ), 0,5 мл раствора салициловой кислоты (50 г л⁻¹), содержащего 50 г л⁻¹ цитрата натрия и 2 М $NaOH$, 0,1 мл $NaClO$ (50 мМ) и 0,1 мл соли $Na_2[Fe(NO)(CN)_5]·2H_2O$ (10 г л⁻¹); вся смесь была перемешана. Через 1 час спектр поглощения измерялись с помощью UV-Vis спектрофотометра: образование продукта – индофенолового синего – определяли путем измерения поглощения при 705 нм.

Калибровка метода достигалась с использованием в качестве стандартов серии свежеприготовленных растворов хлорида аммония известной концентрации. Концентрация аммиака в эксперименте была получена непосредственно из калибровочной кривой.

**Реакция ННО с цистеином.** Реакция ННО с цистеином исследовалась с использованием нашей стандартной установки, показанной на рис. 3а. Эксперимент проводился в тех же условиях, что и ранее, за исключением того, что раствор зонда Р-СМ в ёмкости для сбора был заменен раствором цистеина в различных концентрациях от 1 до 50 мкМ. Цистин, полученный в результате реакции между азаноном (нитроксилом) и цистеинов, был обнаружен с помощью масс-спектрометрического анализа – наряду с непрореагировавшим цистеином (рис. 4с).
## 5. Теоретические расчёты: выбор метода и электронная структура TS

Кратко о DFT расчётах. Теоретические расчеты были выполнены с использованием программ Gaussian и ORCA. Геометрии реагентов, промежуточных соединений и продуктов были оптимизированы с помощью функционала электронной плотности B2GP-PLYP с четыре-дзета базисным набором. Тот же функционал использовался для колебательного анализа и оценки свободной энергии Гиббса при 298 К. Указанный метод теории функционала плотности, зависящий от виртуальных орбиталей, был выбран на основе его эффективности, показанной на наборе небольших родственных молекул с доступными экспериментальными или высокоуровневыми данными об электронной структуре. Прежде всего, речь идёт о $N_2$, $NO^+$, $(H_2O)_2^{**}$ и $HNO$.

Конечные электронные энергии были рассчитаны на уровне CCSD(T)/CBS с ожидаемой точностью лучше, чем 1 ккал моль⁻¹ (0,04 эВ). Многоконфигурационный характер предлагаемого состояния TS (рис. 2b), подтвержденный анализом электронной плотности, взвешенной по дробному числу заполнения, не позволяет нам сделать точный вывод о положении данного состояния на энергетической диаграмме. Мы также подтвердили результаты, опубликованные в многочисленных недавних сравнительных исследованиях, в которых наблюдалась разница в ≈0,10 эВ между данными CCSD(T)/CBS и B2GP-PLYP/aug-cc-pVQZ. Ожидаемым исключением стали конформации $(H_2O)_2^{**}$. Подробности и ссылки смотри далее.

Программы и параметры. Большинство теоретических расчетов были выполнены нами с использованием пакета программ для расчёта электронной структуры Gaussian 16. Пакет программ квантовой химии ORCA в версии v5.0.4 использовался для анализа электронной плотности с взвешенным дробным числом заполнения (англ. *Fractional Occupation Number Weighted Density*, FOD).

Геометрии реагентов, промежуточных соединений и продуктов были оптимизированы на уровне теории функционала плотности с поправкой на дисперсию (DFT-D) с виртуальными орбитальными зависимостями с закрытой и открытой оболочкой. Основой стал метод, введенный Гриммом как B2PLYP (обычно называемый B2-PLYP), который использует более половины точной обменной энергии⁷⁵,⁷⁶. Мы использовали модификацию данного функционала, проведённую Мартиным и известную как B2GP-PLYP. Ожидается, что данная модификация способна обеспечить точность термохимии лучше, чем
в 2 ккал моль⁻¹. Она также является устойчивой к нединамической электронной корреляции⁷⁷. Чтобы оценить практическую погрешность наших различий в электронной энергии, мы также использовали пересмотренную версию функционала DSD-PBEP86 с эмпирической дисперсионной поправкой Гримма (GD3BJ): во время этого сравнения наблюдались относительные различия в энергии около 0,12 эВ.

Комплексные корреляционно-согласованные базисные наборы Даннинга «тройного» и «четверного» качества использовались для построения молекулярных орбиталей. Один из «календарных» три-дзета базисных наборов Трухлара (may-cc-pVTZ) был применен для предварительной оптимизации, в то время как модификация Вайгенда для четыре-дзета базисного набора от Алрихса и коллег (def2-QZVPP) была использована для окончательной оптимизации геометрии и колебательного анализа. Полностью дополненный корреляционно-согласованный четыре-дзета базисный набор Даннинга (aug-cc-pVQZ) также использовался для оптимизации геометрии, чтобы проверить, был ли практически достигнут предел базисного набора (CBS/BSL). Нами наблюдались незначительные различия в геометриях.

Силовые константы и колебательные частоты были получены при «очень плотно» входящихся геометриях с пороговым значением силы (RMS) 10⁻⁶ Хартри Бор⁻¹. Для всех расчетов использовались обрезанные «сверхтонкие» сетки с 99 радиальными оболочками и 590 угловыми точками на оболочку. Колебательные частоты всех ключевых систем рассчитывались на одном и том же уровне теории для получения поправок свободной энергии Гиббса к их электронным энергиям при 298,15 К в приближении жесткого ротора и гармонического осциллятора (RRHO). Окончательные электронные энергии геометрий B2GP-PLYP рассчитывались на уровне CCSD(T)/CBS. Анализ Шефера⁷⁸⁻⁸⁰ применялся для достижения полного предела базисного набора: энергии Хартри-Фока (HF) экстраполировались в BSL с помощью экспонentiальной формулы, в то время как двухпараметрическая полиномиальная формула (X⁻³) использовалась для экстраполяции поправок электронной корреляции δCCSD(T). Как и ожидалось из многочисленных недавних сравнительных исследований, разница ≈0,10 эВ наблюдалась между данными CCSD(T)/CBS и B2GP-PLYP/aug-cc-pVQZ, за исключением конформаций КРАДВ (см. о проблеме ниже).

**Электронная структура TS.** Поскольку наши системы включали только элементы второго периода, сдвиги корреляции ядра и релятивистские поправки были оценены как незначительные⁷⁸,⁸⁰. То же самое нельзя сказать о мультиреферентном (многоконфигурационном) характере наших систем, где
TS является наиболее проблемным случаем. Целый набор методов был использован для детекции данной особенности: спиновое загрязнение на уровне UHF, оцененное по относительному отклонению от ожидаемого значения $\langle S2 \rangle$; низкая скорость сходимости SCF; T1-диагностика ($>0,035$) для расчётов связанных кластеров и анализ $FOD^{81}$ с различными функционалами электронной плотности. Все они подтвердили наше предположение, что структура TS для двойного переноса протонов имеет большой вклад от статической (нединамической) электронной корреляции – как это регулярно происходит с бирадикалами или определенными классами комплексов переходных металлов.

<figure><img src="image_28.png" /></figure>

**Доп. рис. S4.** Дробная плотность электронов, взвешенная по числу заполнения ($FOD^{81}$, которая отображена как изоповерхность при $\sigma = 0,005$ электронов Бор$^{3}$. Данные расчёта TPSS/def2TZVP при 5000 К показывают «горячие» (сильно коррелированные) области электронной плотности, делокализованные в предлагаемой TS-системе с общим $N^{FOD} > 0,65$. Иные методы и температуры не меняют картину в целом.

Таким образом, для TS ожидается появление многих одинаково важных детерминант в электронных волновых функциях. В то время как CCSD(T) с большим базисным набором обычно обеспечивает надежные энергии реакции (с точностью лучше, чем одна ккал на моль) для молекул с одноконфигурационным характером, мы не можем обоснованно предполагать такую же точность для этой конкретной молекулярной системы$^{77}$. Это не позволяет нам сделать точный вывод о положении TS на энергетической диаграмме. Высокопараметризованный глобальный гибридный функционал из Миннесоты от Трулара с 54% обменной энергии (M06-2X) и т-depending метаградиентно-скорректированный (мета-GGA) функционал от Tao, Пердью, Староверова и Скусерии (TPSS, часто называемый TPSSTPSS) использовались для дальнейшей оценки неопределенности квантово-химических расчетов.
Также была протестирована модификация функционала плотности РВЕО (известного также под аббревиатурой РВЕ1PBE) путём изменения его ключевого параметра: установки его точной обменной энергии на 7,5%.

**Выбор основного метода.** Наш выбор теоретического метода был определен путем сравнения его результатов с имеющимися в литературе экспериментальными данными⁷⁹. Диазот ($N_2$) представляет собой пример сложной электронной системы с большой статической электронной корреляцией – подобные молекулы также известны как «сильно коррелированные системы». Поэтому популярные DFT-функционалы – такие как B3LYP, PBE0, TPSS и wB97X – неприменимы к $N_2$, в то время как B2PLYP и его аналоги способны весьма точно воспроизводить экспериментальные данные.

Например, длина связи и гармоническая частота ($\omega_e$) основного синхрета $N_2$ ($X^{1}\Sigma_g^+$), рассчитанные B2PLYP, составляют 109,78 пм и 2346 см⁻¹ соответственно. Эти числа хорошо согласуются с экспериментальными значениями 109,77 пм и 2359 см⁻¹. Для сравнения, те же результаты для функционала B3LYP менее точны: 109,01 пм и 2448 см⁻¹. В целом весьма удачный функционал с поправкой на дисперсию от Хед-Гордона ($wB97XD/wB97XD$) в нашем случае ещё менее точен: 108,72 пм и 2490 см⁻¹. Тот же вывод справедлив для триплетного $N_2$ (состояния А $^3\Sigma_u^+$ и В $^3\Pi_g$), а также для основного дублетного состояния катиона диазота, $N_2^+$ ($X^{2}\Sigma_g^+$).

Для дальнейшей проверки нашего выбора квантово-химической методологии мы сравнили наши результаты для HNO ($X^{1}\text{A}'$) с последними из опубликованных (лучшими) оценками, полученными в рамках теории волновой функции (WFT) с одним референтным состоянием. Из-за низкой стабильности молекул HNO экспериментальные данные не настолько надежны, как необходимо для прямого сравнения. Была подтверждена та же тенденция, что и в случае с диазотом ($N_2$).

В то время как геометрии B2GP-PLYP/DSD-PBEP86 оказались почти неотличимы ($0,1-0,4$ пм, $12-15$ см⁻¹) от структур CCSD(T)/cc-pCVQZ, полученных Шефером, геометрии B3LYP/PBE0/M06-2X были далеко не такими точными ($1,0-1,3$ пм, $56-64$ см⁻¹). Тот же вывод справедлив для триплетного состояния HNO (а~$^3\text{A}'$), а также – для дублетного состояния NO ($X^{2}\text{П}$). В последнем случае возможно сравнение с точными экспериментальными данными.

**Катион-радикал димера воды и его энергетика.** Катион-радикал димера воды также изучался на уровне CCSD(T)/aug-cc-pVQZ Шефером и коллегами. Мы использовали эти значения в качестве точки отсчёта в нашем сравнении. В случае полусвязанной структуры ($H_2O)_2^{**}$ только расстояние между двумя кислородами (О..О) оказалось чувствительным к выбору функционала
плотности. Так функционалы, зависящие от виртуальных орбиталей, показывали отклонение в 2,6–3,2 пм от WFT-значений, в то время как геометрии, оптимизированные на уровне B3LYP/PBE0 или wB97XD/PW6B95D3/M06-2X увеличивали данную дистанцию на 6,0–9,4 пм. Другие геометрические параметры были едва различимы для всех протестированных нами методов и, одновременно, близки к WFT-параметрам.

К сожалению, включение виртуальных орбиталей в парадигму DFT не помогает воспроизвести относительные энергии различных конформаций КРАДВ, полученные на уровне CCSD(T). Значение для B2GP-PLYP/def2-QZVPP в 0,64 эВ для разницы энергий между полусвязанными и водородно-связанными структурами, полученное нами, едва ли сопоставимо с 0,33 эВ на уровне CCSD(T)/CBS, также полученное нами, или 0,31 эВ – как описано Шефером и его соавторами. Таким образом, на сегодняшний день использование для описания реакции диспропорционирования азота в водной плазме только теории функционала плотности остаётся невозможным. Даже при включении в расчёт соответствующей поправки от виртуальных орбиталей.

Можно надеяться, что прогресс в разработке новых функционалов позволит решить данную прикладную проблему уже в ближайшем будущем. Так в 2022 году новый функционал B22plus от Бекке достиг самой низкой ошибки для гибридного функционала плотности при тестировании на общей химической базе данных термохимии, кинетики и нековалентных взаимодействий, состоящей из молекул из основных групп (GMTKN55). Экстраполяционные и интерполяционные проблемы являются ключевые для оценки надёжности метода. Результаты от декабря 2023 года подтверждали, что новый подход (функционал) являлся надёжным за пределами своего обучающего набора.

ISBN 5-900451-62-3
ISBN 5900451623
6. Литература

1. Yeung L. Y., Li Sh., et al. Extreme enrichment in atmospheric <sup>15</sup>N<sup>15</sup>N. // Science Adv. – 2017. – November (vol. 3, iss. 11). – P. eaao6741. – doi:10.1126/sciadv.aao6741.

2. Légaré M.-A., Bélanger-Chabot G., et al. Nitrogen fixation and reduction at boron. // Science. – 2018. – February (vol. 359, iss. 6378). – P. 896. – doi:10.1126/science.aaq1684.

3. Hoffman B. M., Lukoyanov D., Yang Z.-Y., Dean D. R., Seefeldt L. C. Mechanism of Nitrogen Fixation by Nitrogenase: The Next Stage. // Chemical Reviews. – 2014. – April (vol. 114, iss. 8). – P. 4041–4062. – ISSN 0009-2665. – doi:10.1021/cr400641x.

4. Chen G. J., Crooks R. M., et al. Beyond fossil fuel-driven nitrogen transformations. // Science. – 2018. – May (vol. 360, iss. 6391). – P. eaar6611. – doi:10.1126/science.aar6611.

5. Tanabe Y., Nishibayashi Y. Comprehensive insights into synthetic nitrogen fixation assisted by molecular catalysts under ambient or mild conditions. // Chemical Society Reviews. – 2021. – April (vol. 50, iss. 8). – P. 5201–5242. – doi:10.1039/D0CS01341B.

6. Li J., Guo X., et al. Fundamentals and Advances in Emerging Crystalline Porous Materials for Photocatalytic and Electrocatalytic Nitrogen Fixation. // ACS Applied Energy Materials. – 2022. – August (vol. 5, iss. 8). – P. 9241–9265. – doi:10.1021/acsaem.2c01346.

7. Fang Y., Xue Y., Li Y., et al. Graphdiyne Interface Engineering: Highly Active and Selective Ammonia Synthesis. // Angewandte Chemie International Edition. – 2020. – July (vol. 59, iss. 31). – P. 13021–13027. – ISSN 1521-3773. – doi:10.1002/anie.202004213.

8. Vu M.-H., Sakar M., Hassanzadeh-Tabrizi S. A., Do T.-O. Photo(electro)catalytic Nitrogen Fixation: Problems and Possibilities. // Advanced Materials Interfaces. – 2019. – June (vol. 6, iss. 12). – P. 1900091. – ISSN 2196-7350. – doi:10.1002/admi.201900091.

9. Soumare A., Diedhiou A. G., Thuita M., et al. Exploiting Biological Nitrogen Fixation: A Route Towards a Sustainable Agriculture. // Plants. – 2020. – August (vol. 9, iss. 8). – P. 1011. – ISSN 2223-7747. – doi:10.3390/plants9081011.

10. Winter L. R., Chen J. G. N<sub>2</sub> Fixation by Plasma-Activated Processes. // Joule. – 2021. – February (vol. 5, iss. 2). – P. 300–315. – ISSN 2542-4351. – doi:10.1016/j.joule.2020.11.009.

11. Martín A. J., Shinagawa T., Pérez-Ramírez J. Electrocatalytic Reduction of Nitrogen: From Haber-Bosch to Ammonia Artificial Leaf. // Chem. – 2019. – February (vol. 5, iss. 2). – P. 263–283. – ISSN 2451-9294. – doi:10.1016/j.chempr.2018.10.010.

12. Huang Z., Xiao A., Liu D., Lu X., Ostrikov K. Plasma-water-based nitrogen fixation: Status, mechanisms, and opportunities. // Plasma Processes and Polymers. – 2022. – April (vol. 19, iss. 4). – P. 2100198. – ISSN 1612-8869. – doi:10.1002/ppap.202100198.

13. Wang Q., et al. The impact of alkali and alkaline earth metals on green ammonia synthesis. // Chem. – 2021. – Vol. 7, iss. 12. – P. 3203. – doi:10.1016/j.chempr.2021.08.021.

14. Li L., Wu Z., Zhu H., et al. Reduction of Dinitrogen via 2,3'-Bipyridine-Mediated Tetraboration. // Journal of the American Chemical Society. – 2020. – April (vol. 142, iss. 13). – P. 6244–6250. – ISSN 0002-7863. – doi:10.1021/jacs.0c00409.

15. Kirkici H., Bruno D., Preiss J., Schaefer G. Charge-transfer collisions between He+2 ions and N2: Branching ratio into vibrational states. // Journal of Applied Physics. – 1990. – May (vol. 67, iss. 10). – P. 6041–6044. – ISSN 0021-8979. – doi:10.1063/1.345213.

16. Ristić M. M., Aoneas M. M., et al. Excitation of Electronic States of N2 in Radio-Frequency Electric Field by Electron Impact. // Plasma Chemistry and Plasma Processing. – 2017. – September (vol. 37, iss. 5). – P. 1431–1443. – doi:10.1007/s11090-017-9826-6.
17. Wang M., Gao X.-F., Su R., et al. Abundant Production of Reactive Water Radical Cations under Ambient Conditions. // CCS Chemistry. – 2022. – April (vol. 4, iss. 4). – P. 1224-1231. – ISSN 2096-5745. – doi:10.31635/ccschem.021.202101427.

18. Zhang X., Ren X., Zhong Y., Chingin K., Chen H. Rapid and sensitive detection of acetone in exhaled breath through the ambient reaction with water radical cations. // Analyst. – 2021. – August (vol. 146, iss. 16). – P. 5037-5044. – doi:10.1039/D1AN00402F.

19. Mi D., Mao Y., Wei B., Li Y.-C., Dong X., Chingin K. Generation of Phenol and Molec- ular Hydrogen through Catalyst-Free C–H Activation of Benzene by Water Radical Cations. // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. – 2022. – January (vol. 33, iss. 1). – P. 68-73. – ISSN 1044-0305. – doi:10.1021/jasms.1c00268.

20. Zhang X., Ren X., Chingin K., Xu J., Yan X., Chen H. Mass spectrometry distinguish- ing C=C location and cis/trans isomers: A strategy initiated by water radical cations. // ACA. – 2020. – December (vol. 1139). – P. 146-154. – doi:10.1016/j.aca.2020.09.027.

21. Yang W., Zhang X., Zhang J., et al. Determination of C=C Positions of Unsaturated Fatty Acids in Foods via Ambient Reactive Desorption Ionization with Water Dimer Radical Cations. // Journal of Agricultural and Food Chemistry. – 2024. – January (vol. 72, iss. 1). – P. 845-856. – ISSN 0021-8561. – doi:10.1021/acs.jafc.3c05585.

22. Xiang R., Wang S., Liao P., et al. Electrocatalytic Synthesis of Pyridine Oximes us- ing in Situ Generated NH₂OH from NO species on Nanofiber Membranes Derived from NH2- MIL-53(Al). // Angewandte Chemie International Edition. – 2023. – November (vol. 62, iss. 45). – P. e202312239. – ISSN 1433-7851. – doi:10.1002/anie.202312239.

23. Shoman M. E., Aly O. M. Nitroxyl (HNO): A Possible Strategy for Fighting Cancer. // Current Topics in Medicinal Chemistry. – 2016. – Vol. 16, iss. 22. – P. 2464-2470. – ISSN 1873-4294. – doi:10.2174/1568026616666160212123006.

24. Irvine J. C., Ritchie R. H., Favaloro J. L., et al. Nitroxyl (HNO): the Cinderella of the nitric oxide story. // Trends in Pharmacological Sciences. – 2008. – December (vol. 29, iss. 12). – P. 601-608. – doi:10.1016/j.tips.2008.08.005.

25. Xing D., Meng Y., Yuan X., et al. Capture of Hydroxyl Radicals by Hydronium Cati- ons in Water Microdroplets. // Angewandte Chemie International Edition. – 2022. – August (vol. 61, iss. 33). – P. e202207587. – ISSN 1521-3773. – doi:10.1002/anie.202207587.

26. Qiu L., Morato N. M., Huang K.-H., Cooks R. G. Spontaneous Water Radical Cation Oxidation at Double Bonds in Microdroplets. // Frontiers in Chemistry. – 2022. – April (vol. 10). – P. 903774. – ISSN 2296-2646. – doi:10.3389/fchem.2022.903774.

27. Sharpe S. W., Johnson P. M. Triplet Rydberg states in molecular nitrogen. // J Chem- ical Physics. – 1986. – November (vol. 85, iss. 9). – P. 4943-4948. – doi:10.1063/1.451732.

28. Yao Y., Wang H., Yuan X.-Z., Li H., Shao M. Electrochemical Nitrogen Reduction Reaction on Ruthenium. // ACS Energy Letters. – 2019. – June (vol. 4, iss. 6). – P. 1336-1341. – ISSN 2380-8195. – doi:10.1021/acsenergylett.9b00699.

29. Frear D. S., Burrell R. C. Spectrophotometric Method for Determining Hydroxyla- mine Reductase Activity in Higher Plants. // Analytical Chemistry. – 1955. – October (vol. 27, iss. 10). – P. 1664-1665. – ISSN 0003-2700. – doi:10.1021/ac60106a054.

30. Mao G.-J., Zhang X.-B., Shi X.-L., et al. A highly sensitive and reductant-resistant fluorescent probe for nitroxyl in aqueous solution and serum. // Chemical Communica- tions. – 2014. – May (vol. 50, iss. 43). – P. 5790-5792. – doi:10.1039/C4CC01440E.

31. Du Z., Denkenberger D., Pearce J. M. Solar photovoltaic powered on-site ammonia production for nitrogen fertilization. // Solar Energy. – 2015. – December (vol. 122). – P. 562- 568. – ISSN 0038-092X. – doi:10.1016/j.solener.2015.09.035.
32. Lv X., Chen K., Shi G., et al. Design and tuning of ionic liquid-based HNO donor through intramolecular hydrogen bond for efficient inhibition of tumor growth. // *Science Advances*. – 2020. – November (vol. 6, iss. 45). – P. eabb7788.

33. Bianco C. L., Toscano J. P., Bartberger M. D., Fukuto J. M. The chemical biology of HNO signaling. // *Archives of Biochemistry and Biophysics*. – 2017. – March (vol. 617). – P. 129–136. – ISSN 0003-9861. – doi:10.1016/j.abb.2016.08.014.

34. Sciorati C., Nisticò G., Meldolesi J., Clementi E. Nitric oxide effects on cell growth: GMP-dependent stimulation of the AP-1 transcription complex and cyclic GMP-independent slowing of cell cycling. // *British Journal of Pharmacology*. – 1997. – October (vol. 122, iss. 4). – P. 687–697. – ISSN 1476-5381. – doi:10.1038/sj.bjp.0701413.

35. Wingrove J. A., O'Farrell P. H. Nitric Oxide Contributes to Behavioral, Cellular, and Developmental Responses to Low Oxygen in Drosophila. // *Cell*. – 1999. – July (vol. 98, iss. 1). – P. 105–114. – ISSN 0092-8674. – doi:10.1016/S0092-8674(00)80610-8.

36. Gorbanev Yu., Vervloessem E., Nikiforov A., Bogaerts A. Nitrogen Fixation with Water Vapor by Nonequilibrium Plasma: toward Sustainable Ammonia Production. // *ACS Sustainable Chem Eng*. – 2020. – February (vol. 8, iss. 7). – P. 2996.

37. Bartberger M. D., Fukuto J. M., Houk K. N. On the acidity and reactivity of HNO in aqueous solution and biological systems. // *Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)*. – 2001. – February (vol. 98, iss. 5). – P. 2194–2198.

38. Fehling C., Friedrichs G. Dimerization of HNO in Aqueous Solution: An Interplay of Solvation Effects, Fast Acid-Base Equilibria, and Intramolecular Hydrogen Bonding? // *JACS*. – 2011. – November (vol. 133, iss. 44). – P. 17912–17922. – doi:10.1021/ja2075949.

39. Dobmeier K. P., Riccio D. A., Schoenfisch M. H. Xerogel Optical Sensor Films for Quantitative Detection of Nitroxyl. // *Analytical Chemistry*. – 2008. – February (vol. 80, iss. 4). – P. 1247–1254. – ISSN 0003-2700. – doi:10.1021/ac702024t.

40. Chen E., Bevilacqua M., Tavagnacco C., et al. High surface area N/O co-doped carbon materials: Selective electrocatalysts for O₂ reduction to H₂O₂. // *Catalysis Today*. – 2020. – October (vol. 356). – P. 132–140. – doi:10.1016/j.cattod.2019.06.034.

41. Lopez B. E., Shinyashiki M., Han T. H., Fukuto J. M. Antioxidant actions of nitroxyl (HNO). // *Free Radical Biology and Medicine*. – 2007. – February (vol. 42, iss. 4). – P. 482–491. – ISSN 0891-5849. – doi:10.1016/j.freeradbiomed.2006.11.015.

42. Wang X., Wang W., Qiao M., et al. Atomically dispersed Au1 catalyst towards efficient electrochemical synthesis of ammonia. // *Science Bulletin*. – 2018. – October (vol. 63, iss. 19). – P. 1246–1253. – ISSN 2095-9273. – doi:10.1016/j.scib.2018.07.005.

43. Zhu D., Zhang L., Ruther R. E., Hamers R. J. Photo-illuminated diamond as a solid-state source of solvated electrons in water for nitrogen reduction. // *Nature Materials*. – 2013. – September (vol. 12, iss. 9). – P. 836–841. – doi:10.1038/nmat3696.

44. Zhang L., Ji X., Ren X., et al. Electrochemical Ammonia Synthesis via Nitrogen Reduction Reaction on a MoS₂ Catalyst: Theoretical and Experimental Studies. // *Advanced Materials*. – 2018. – July (vol. 30, iss. 28). – P. 1800191. – doi:10.1002/adma.201800191.

45. Chen G.-F., Cao X., Wu Sh., et al. Ammonia Electrosynthesis with High Selectivity under Ambient Conditions via a Li⁺ Incorporation Strategy. // *Journal of the American Chemical Society*. – 2017. – July (vol. 139, iss. 29). – P. 9771–9774. – doi:10.1021/jacs.7b04393.

46. Bao D., Zhang Q., Meng F.-L., et al. Electrochemical Reduction of N₂ under Ambient Conditions for Artificial N₂ Fixation and Renewable Energy Storage Using N₂/NH₃ Cycle. // *Adv Mater*. – 2017. – January (vol. 29, iss. 3). – P. 1604799. – doi:10.1002/adma.201604799.
47. Kordali V., Kyriacou G., Lambrou Ch. Electrochemical synthesis of ammonia at atmospheric pressure and low temperature in a solid polymer electrolyte cell. // Chemical Communications. – 2000. – August (iss. 17). – P. 1673-1674. – doi:10.1039/B004885M.

48. Lan R., Irvine J. T. S., Tao Sh. Synthesis of ammonia directly from air and water at ambient temperature and pressure. // Scientific Reports. – 2013. – January (vol. 3, iss. 1). – P. 1145. – ISSN 2045-2322. – doi:10.1038/srep01145.

49. Chen Sh., Perathoner S., Ampelli C., et al. Electrocatalytic Synthesis of Ammonia at Room Temperature and Atmospheric Pressure from Water and Nitrogen on a Carbon-Nanotube-Based Electrocatalyst. // Angewandte Chemie International Edition. – 2017. – March (vol. 56, iss. 10). – P. 2699-2703. – ISSN 1433-7851. – doi:10.1002/anie.201609533.

50. Nazemi M., Panikkanvalappil S. R., El-Sayed M. A. Enhancing the rate of electrochemical nitrogen reduction reaction for ammonia synthesis under ambient conditions using hollow gold nanocages. // Nano Energy. – 2018. – July (vol. 49). – P. 316.

51. Yu X., Han P., Wei Z., et al. Boron-Doped Graphene for Electrocatalytic N2 Reduction. // Joule. – 2018. – August (vol. 2, iss. 8). – P. 1610-1622.

52. Hoshino K., Kuchii R., Ogawa T. Dinitrogen photofixation properties of different titanium oxides in conducting polymer/titanium oxide hybrid systems. // Applied Catalysis B: Environmental. – 2008. – February (vol. 79, iss. 1). – P. 81-88.

53. Ali M., Zhou F., Chen K., et al. Nanostructured photoelectrochemical solar cell for nitrogen reduction using plasmon-enhanced black silicon. // Nature Communications. – 2016. – April (vol. 7, iss. 1). – P. 11335. – ISSN 2041-1723. – doi:10.1038/ncomms11335.

54. Li Ch., Wang T., Zhao Z.-J., et al. Promoted Fixation of Molecular Nitrogen with Surface Oxygen Vacancies on Plasmon-Enhanced TiO₂ Photoelectrodes. // Angewandte Chemie International Edition. – 2018. – May (vol. 57, iss. 19). – P. 5278-5282.

55. Oshikiri T., Ueno K., Misawa H. Selective Dinitrogen Conversion to Ammonia Using Water and Visible Light through Plasmon-induced Charge Separation. // Angewandte Chemie International Edition. – 2016. – March (vol. 55, iss. 12). – P. 3942-3946.

56. Shiozaki T., Fujiwara A., Inomura K., Hirose Y., Hashihama F., Harada N. Biological nitrogen fixation detected under Antarctic sea ice. // Nature Geoscience. – 2020. – November (vol. 13, iss. 11). – P. 729-732. – ISSN 1752-0894. – doi:10.1038/s41561-020-00651-7.

57. Aihara K., Akiyama M., Deguchi T., Tanaka M., Hagiwara R., Iwamoto M. Remarkable catalysis of a wool-like copper electrode for NH₃ synthesis from N₂ and H₂ in non-thermal atmospheric plasma. // Chemical Communications. – 2016. – November (vol. 52, iss. 93). – P. 13560-13563. – ISSN 1364-548X. – doi:10.1039/C6CC06752B.

58. Bai M., Zhang Z., Bai X., Bai M., Ning W. Plasma synthesis of ammonia with a microgap dielectric barrier discharge at ambient pressure. // IEEE Transactions on Plasma Science. – 2003. – December (vol. 31, iss. 6). – P. 1285-1291. – doi:10.1109/TPS.2003.818761.

59. Gómez-Ramírez A., Cotrino J., Lambert R. M., González-Elipe A. R. Efficient synthesis of ammonia from N₂ and H₂ alone in a ferroelectric packed-bed DBD reactor. // PSST. – 2015. – November (vol. 24, iss. 6). – P. 065011. – doi:10.1088/0963-0252/24/6/065011.

60. Kim H.-H., Teramoto Y., Ogata A., Takagi H., Nanba T. Atmospheric-pressure non-thermal plasma synthesis of ammonia over ruthenium catalysts. // Plasma Processes and Polymers. – 2017. – June (vol. 14, iss. 6). – P. 1600157. – doi:10.1002/ppap.201600157.

61. Li S., van Raak T., Gallucci F. Investigating the operation parameters for ammonia synthesis in dielectric barrier discharge reactors. // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2020. – January (vol. 53, iss. 1). – P. 014008. – doi:10.1088/1361-6463/ab4b37.
62. Peng P., Li Y., Cheng Y., Deng Sh., Chen P., Ruan R. Atmospheric Pressure Ammonia Synthesis Using Non-thermal Plasma Assisted Catalysis. // Plasma Chemistry Plasma Processing. – 2016. – September (vol. 36, iss. 5). – P. 1201. – doi:10.1007/s11090-016-9713-6.

63. Toth J. R., Abuyazid N. H., Lacks D. J., et al. A Plasma-Water Droplet Reactor for Process-Intensified, Continuous Nitrogen Fixation at Atmospheric Pressure. // ACS Sustain Chem Eng. – 2020. – October (vol. 8, iss. 39). – P. 14845–14854.

64. Haruyama T., Namise T., Shimoshimizu N., et al. Non-catalyzed one-step synthesis of ammonia from atmospheric air and water. // Green Chemistry. – 2016. – August (vol. 18, iss. 16). – P. 4536–4541. – ISSN 1463-9262. – doi:10.1039/C6GC01560C.

65. Hawtof R., Ghosh S., Guarr E., et al. Catalyst-free, highly selective synthesis of ammonia from nitrogen and water by a plasma electrolytic system. // Science Advances. – 2019. – January (vol. 5, iss. 1). – P. eaat5778. – doi:10.1126/sciadv.aat5778.

66. Pattyn C., Maira N., Buddhadasa M., et al. Disproportionation of nitrogen induced by DC plasma-driven electrolysis in a nitrogen atmosphere. // Green Chemistry. – 2022. – September (vol. 24, iss. 18). – P. 7100–7112. – ISSN 1463-9270. – doi:10.1039/D2GC01013E.

67. Dinh D. K., Muzammil I., Kang W. S., Kim D. W., Lee D. H. Reducing energy cost of in situ nitrogen fixation in water using an arc-DBD combination. // Plasma Sources Science and Technology. – 2021. – May (vol. 30, iss. 5). – P. 055020. – doi:10.1088/1361-6595/abff72.

68. Ganesh Subramanian P. S., Ananthanarasimhan J., Leelesh P., et al. Plasma-activated water from DBD as a source of nitrogen for agriculture: Specific energy and stability studies. // Journal of Applied Physics. – 2021. – March (vol. 129, iss. 9). – P. 093303.

69. Zhang X., Hu P., Duan M., et al. Ambient catalyst-free oxidation reactions of aromatic amines using water radical cations. // Chemical Science. – 2024. – October (vol. 15, iss. 39). – P. 16125–16132. – ISSN 2041-6539. – doi:10.1039/D4SC04519J.

70. Zhang X., Su R., Li J., et al. Efficient catalyst-free N₂ fixation by water radical cations under ambient conditions. // Nature Communications. – 2024. – February (vol. 15, iss. 1). – P. 1535. – ISSN 2041-1723. – doi:10.1038/s41467-024-45832-9.

71. Бойм М. Молекулярный азот прореагировал с водяной плазмой: при этом образовались гидроксиламин и нитроксил. // N+1. – 2024. – 27 февраля.

72. Новиков А. Азот можно связать водой в плазме: российские и китайские учёные смогли превратить атмосферный азот в сырьё для лекарств и удобрений. // WellNews: газета. – 2024. – 21 февраля.

73. Жигулёвец стал соавтором нового метода связывания азота. // Независимое информационное агентство «Самара» / глав. ред. С. В. Дильдина. – 2024. – 22 февраля.

74. Балабин Р. М. Как вода связала азот. // Химия и жизнь. – 2024. – №6. – С. 2–6.

75. Grimme S. Semiempirical hybrid density functional with perturbative second-order correlation. // The Journal of Chemical Physics. – 2006. – January (vol. 124, iss. 3). – P. 034108. – ISSN 0021-9606. – doi:10.1063/1.2148954.

76. Becke A. D., Santra G., Martin J. M. L. A double-hybrid density functional based on good local physics with outstanding performance on the GMTKN55 database. // The Journal of Chemical Physics. – 2023. – April (vol. 158, iss. 15). – P. 151103. – doi:10.1063/5.0141238.

77. Karton A., et al. Highly Accurate First-Principles Benchmark Data Sets for the Parametrization and Validation of Density Functional and Other Approximate Methods. // J Phys Chem A. – 2008. – August (vol. 112, iss. 50). – P. 12868. – doi:10.1021/jp801805p.

78. Balabin R. M. Conformational equilibrium in alanine: Focal-point analysis and ab initio limit. // Computational and Theoretical Chemistry. – 2011. – April (vol. 965, iss. 1). – P. 15–21. – ISSN 2210-271X. – doi:10.1016/j.comptc.2011.01.008.
79. Bozkaya U., et al. The lowest-lying electronic singlet and triplet potential energy surfaces for the HNO–NOH system. // The Journal of Chemical Physics. – 2012. – April (vol. 136, iss. 16). – P. 164303. – ISSN 0021-9606. – doi:10.1063/1.4704895.

80. Balabin R. M. Enthalpy difference between conformations of normal alkanes: effects of basis set and chain length on intramolecular basis set superposition error. // Mol Phys. – 2011. – March (vol. 109, iss. 6). – P. 943–953. – doi:10.1080/00268976.2011.558858.

81. Grimme S., Hansen A. A Practicable Real-Space Measure and Visualization of Static Electron-Correlation Effects. // Angewandte Chemie International Edition. – 2015. – April (vol. 54, iss. 42). – P. 12308–12313. – ISSN 1433-7851. – doi:10.1002/anie.201501887.

## Избранная библиография авторов

1. Царев А. В., Балабин Р. М., Карпов С. А., Сюняев Р. З. Оптимизация эксплуатационных и экологических свойств спирто-бензиновых топлив под действием микроволновой обработки. // Альтернативная энергетика экологии. – 2007. – № 8. – С. 69.

2. Сафиева Р. З., Сюняев Р. З., Абанина Е. Н., Филатов В. М., Балабин Р. М. Экспресс-анализ состава и физико-химических свойств нефтяных систем методом БИК-спектроскопии. // Наука и технологии в промышленности. – 2011. – № 3. – С. 101–104.

3. Балабин Р. М. Создание экспресс-метода анализа показателей качества индустриального масла на основе многомерного анализа спектральных данных. // Достижения ученых XXI века: Тез. докладов меж-ной кон-ции, Тамбов, 2005. – С. 192–194.

4. Балабин Р. М. Возможности современных математических методов при обработке спектральных данных: бензиновые фракции. // Современные информационные технологии. – Пенза, 2005. – № 1. – С. 139–144.

5. Балабин Р. М. Возможности современных математических методов при обработке спектральных данных: линейные алилбензолсульфокислоты. // Современные информационные технологии. – Пенза, 2005. – № 1. – С. 147–151.

6. Токарева А. О., Чаговец В. В., Ван Ч., и др. Прямая масс-спектрометрия как метод экспресс-идентификации опухолевой ткани у больных раком молочной железы. // Акушерство и гинекология. – 2017. – № 4. – С. 119–125.

7. Chingin K., Balabin R. M., Barylyuk K., et al. Rhodamines in the gas phase: cations, neutrals, anions, and adducts with metal cations. // PCCP. – 2010. – Vol. 12. – P. 11710.

8. Balabin R. M. The identification of the two missing conformers of gas-phase alamine: a jet-cooled Raman spectroscopy study. // PCCP. – 2010. – Vol. 12. – P. 5980.

9. Chingin K., et al. Optical properties of protonated Rhodamine 19 isomers in solution and in the gas phase. // PCCP. – 2010. – Vol. 12, iss. 42. – P. 14121–14127.

10. Barylyuk K. V., Chingin K., Balabin R. M., Zenobi R. Fragmentation of benzylpyridinium “thermometer” ions and its effect on the accuracy of internal energy calibration. // JASMS. – 2010. – Vol. 21, iss. 1. – P. 172–177.

11. Chingin K., Frankevich V., Balabin R. M., et al. Direct Access to Isolated Biomolecules under Ambient Conditions. // Angew Chem Int Ed. – 2010. – Vol. 49. – P. 2358.

12. Zhu L., Hu Z., Gamez G., et al. Simultaneous sampling of volatile and non-volatile analytes in beer for fast fingerprinting by extractive electrospray ionization mass spectrometry. // Analytical and Bioanalytical Chemistry. – 2010. – Vol. 398, iss. 1. – P. 405.

13. Chingin K., Balabin R. M., et al. Absorption of the green fluorescent protein chromophore anion in the gas phase studied by a combination of FTICR mass spectrometry with laser-induced photodissociation spectroscopy. // IJMS. – 2011. – Vol. 306. – P. 241.
14. Syunyaev R. Z., Balabin R. M. Frequency Dependence of Oil Conductivity at High Pressure. // J Dispersion Science Technology. – 2007. – Vol. 28, iss. 3. – P. 419.

15. Syunyaev R. Z., Balabin R. M. Polarization of Fluorescence of Asphaltene Containing Systems. // J Dispersion Science Technology. – 2008. – Vol. 29, iss. 10. – P. 1505.

16. Likhatsky V. V., Balabin R. M., Syunyaev R. Z. Calculation of Dipole Moment of Fractal Asphaltene Cluster. // J Dispersion Science Technology. – 2011. – Vol. 32. – P. 1502.

17. Balabin R. M., Lomakina E. I., Safieva R. Z. Neural network (ANN) approach to biodiesel analysis: Analysis of biodiesel density, kinematic viscosity, methanol and water contents using near infrared (NIR) spectroscopy. // Fuel. – 2011. – Vol. 90. – P. 2007.

18. Barylyuk K., et al. What Happens to Hydrophobic Interactions during Transfer from the Solution to the Gas Phase? The Case of Electrospray-Based Soft Ionization Methods. // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. – 2011. – Vol. 22. – P. 1167.

19. Balabin R. M. Dispersed Structure of Ethanol-Gasoline Fuel According to Dynamic Light Scattering Method. // J Dispersion Sci Technology. – 2008. – Vol. 29, iss. 3. – P. 457.

20. Balabin R. M., Safieva R. Z., Lomakina E. I. Universal technique for optimization of neural network training parameters: gasoline near infrared data example. // Neural Computing Applications. – 2009. – Vol. 18, iss. 6. – P. 557–565. – doi:10.1007/s00521-008-0213-3.

21. Opilik L., Schmid T., Stadler J., Balabin R. M., Zenobi R. Nanoscale Chemical Analysis of Cell Membrane Constituents Using Tip-Enhanced Raman Spectroscopy. // AIP Conference Proceedings. – 2010. – Vol. 1267, iss. 1. – P. 1271–1272. – doi:10.1063/1.3482420.

22. Balabin R. M. On the relation between basis set convergence and electron correlation: a critical test for modern ab initio quantum chemistry on a “mindless” data set. // Structural Chemistry. – 2011. – Vol. 22, iss. 5. – P. 1047. – doi:10.1007/s11224-011-9793-0.

23. Song L., Chingin K., Wang M., Zhong D., Chen H., Xu J. Polarity-Specific Profiling of Metabolites in Single Cells by Probe Electrophoresis Mass Spectrometry. // Analytical Chemistry. – 2022. – Vol. 94, iss. 10. – P. 4175. – doi:10.1021/acs.analchem.1c03997.

24. Mi D., Xu J., Zhang Y., Zhu T., Ouyang J., Dong X., Chingin K. Formation of protonated water–hydrogen clusters in an ion trap mass spectrometer at room temperature. // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2022. – Vol. 24, iss. 12. – P. 7180–7184.

25. Mi D., Mao Y., Wei B., Li Y.-C., Dong X., Chingin K. Generation of Phenol and Molec- ular Hydrogen through Catalyst-Free C–H Activation of Benzene by Water Radical Cations. // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. – 2022. – Vol. 33, iss. 1. – P. 68– 73. – ISSN 1044-0305. – doi:10.1021/jasms.1c00268.

26. Zhang X., Ren X., Zhong Y., Chingin K., Chen H. Rapid and sensitive detection of acetone in exhaled breath through the ambient reaction with water radical cations. // The Analyst. – 2021. – Vol. 146, iss. 16. – P. 5037–5044. – doi:10.1039/D1AN00402F.

27. Zhang X., Ren X., Chingin K., Xu J., Yan X., Chen H. Mass spectrometry distinguish- ing C=C location and cis/trans isomers: A strategy initiated by water radical cations. // Analytica Chimica Acta. – 2020. – Vol. 1139. – P. 146–154. – doi:10.1016/j.aca.2020.09.027.

28. Mi D., Chingin K. Water Radical Cations in the Gas Phase: Methods and Mechanisms of Formation, Structure and Chemical Properties. // Molecules. – 2020. – Vol. 25, iss. 15. – P. 3490. – ISSN 1420-3049. – doi:10.3390/molecules25153490.

29. Lu H., Zhang H., Chingin K., Xiong J., Fang X., Chen H. Ambient mass spectrometry for food science and industry. // TrAC Trends in Analytical Chemistry. – 2018. – Vol. 107. – P. 99–115. – doi:10.1016/j.trac.2018.07.017.
**Abstract and contents**

"Formation of Azanone and Hydroxylamine in an Electrical Discharge:
A molecular mechanism for the fixation of atmospheric nitrogen
by water plasma" (ISBN 9785900451626)

by Roman M. Balabin, Huanwen Chen and Konstantin S. Chingin

The growth and sustainable development of humankind depend to a large ex-
tent on progress in the field of fixation of molecular nitrogen (N₂) from the Earth's
atmosphere. In this study, we have discovered the possibility of disproportionation
of N₂ in aqueous plasma without the use of catalysts. The process occurs under
normal conditions through a rather unusual intermediate product of the form
HONH-HNOH** with subsequent production of economically valuable final prod-
ucts: azanone (nitroxyl, HNO) and hydroxylamine (NH₂OH). The reaction can be
represented in a short formal notation as N₂ + (H₂O)₂** = HONH-HNOH** =
NH₂OH** + HNO. Quantum-chemical calculations show that the reaction is
caused by the coordination of electronically excited dinitrogen with the water di-
mer radical-cation (WDRAC), in its two-center-three-electron configuration.

We were able to detect the reaction products not only in the mass spectrometer
cell, but also in a special needle discharge reactor assembled for this project. The
yield of the products was 1.14 µg cm⁻² h⁻¹ for hydroxylamine and 0.37 µg cm⁻² h⁻¹ for
azanone. Here we also demonstrated the potential applications of these com-
pounds for the production of ammonia, as well as for the chemical transformation
of one of the amino acids, cysteine. In addition, azanone can be used as a neuro-
protective agent. The transformation of molecular nitrogen using aqueous plasma
can provide cost-effectiveness and, at the same time, a reduction in polluting
emissions. The use of electric discharge can give a new impetus to solving the
problem of "green" fixation of molecular nitrogen.

**Contents:** Table of Contents 5; Preface 6; Abstract 7; Introduction 8; Results and Discussion 10, Disproportionation Reaction of N₂ with (H₂O)₂** 10, Reaction Mechanism 13, Scaling Up the Reaction 15, Application of the Reaction Products 18, Characteristics of the Disproportionation Reaction 20; Conclusions 24; Experimental Methods 26; Theoretical Calculations 35; References 40.
Научное издание

Роман Балабин, Хуаньвэнь Чэн, Константин Чингин

ОБРАЗОВАНИЕ АЗАНОНА И ГИДРОКСИЛАМИНА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РАЗ-
РЯДЕ: МОЛЕКУЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ СВЯЗЫВАНИЯ АТМОСФЕРНОГО
АЗОТА ВОДНОЙ ПЛАЗМОЙ

Корректоры: Е. Личак, А. Мазур, Ю. Сухомлинова

Компьютерная верстка Р. Балабина и К. Чингина

Подписано в печать 18.12.2024

Формат 60х90/16

Печать офсетная. Гарнитура Aptos

Усл.печ.л. 3,15. Тираж 100 экз.

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования «Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)»

Лицензия №2816 от 11.04.2019

ОГРН 1027739386135, ИНН 5008006211, КПП 772701001

117303, г. Москва, ул. Керченская, д. 1А, корп. 1

8 495 408 45 54, 8 495 408 42 54

www.mipt.ru, info@mipt.ru

Отпечатано в типографии «Простор»

Генеральный директор: И. В. Шестов

Регистрационный номер 060015000402

Дата регистрации: 28.10.1992, ОКВЭД 58.11

ОГРН 1025001767856, ИНН 5016000326, КПП 501601001

141280, Московская обл., г. Ивантеевка, пр-д Маяковского, д. 7

8 496 536 00 03

Заказ №307

<figure><img src="image_29.png" /></figure>

9 785900 451626
**БАЛАБИН Роман Михайлович** (1985) – химик-технолог, спектроскопист, профессор и журналист; выпускник ЛИТа и РГУНГа, призёр международных соревнований по расчётной химии HyDRA Challenge и euroSAMPL (2024).

**ЧЭН Хуаньвэнь** (1973) – химик-аналитик, проректор и профессор Янцзы; научный сотрудник университета Пердью (2005), глава центра масс-спектрометрии про- винции Цзянси, трёхкратный лауреат премии Цзянси.

**ЧИНГИН Константин Сергеевич** (1983) – физико-химик, профессор; выпускник МФТИ и ETH Zurich, научный со- трудник Каролинского института и Стэнфордского уни- верситета (2011), чемпион РФ и мира по рэндзю (2006).

**BALABIN Roman Mikhailovich** (1985) – chemical engineer, spectroscopist, professor and journalist; graduate of LIT and RGUNG, prize-winner of two competitions in computational chemistry “HyDRA Challenge” and “euroSAMPL” (2024).

**CHEN Huanwen** (1973) – analytical chemist, provost and Yangtze River scholar; research fellow at Purdue University (2005), head of Jiangxi Center for Mass Spectrometry, three- times winner of Jiangxi Province Natural Science award.

**CHINGIN Konstantin Sergeevich** (1983) – physical chemist, ECUT professor; graduate of PhysTech (MIPT) and ETH Zur- ich, research fellow at Karolinska Institute and Stanford Uni- versity (2011), Russian and world champion in renju (2006).