Исследования, связанные с вопросами химии и переработки нефти. Как известно, в конце XIX века актуальной задачей русской органической химии было изучение состава нефти, представляющей очень сложную смесь многочисленных соединений, в основном углеводородов, часто близких по своей природе и трудно разделимых. Занимаясь исследованием Бакинской нефти, Н.Д. в 1895—1907гг. впервые синтезировал ряд циклопентановых и циклогексановых углеводородов, послуживших эталонами для изучения химического состава нефтяных фракций . Эти работы были выполнены Зелинским в лаборатории Московского университета вместе со своими учениками. К 1911 г. Николаем Дмитриевичем и его учениками было синтезировано более сорока нафтенов, детально описаны их физико-химические свойства и разработаны методы их превращения в ароматические углеводороды высокой ценности. Синтез нафтенов явился одним из поворотных моментов не только в развитии научно-исследовательской деятельности Н.Д. Зелинского, но и в развитии химии нефти как самостоятельной области органической химии.Эти работы показали громадные потенциальные возможности углеводородов нефти. На их основе был разработан метод получения кислородсодержащих соединений (кислот, спиртов, альдегидов, кетонов), гетеросоединений (серо-, азот-, галоген-содержащих). Это создало основу нового направления нефтехимии – нефтехимический синтез. В указанные исследования уже в 1920-30-е гг. активно включились и ученицы Н.Д.Зелинского: М.В.Гавердовская, М.Б.Турова-Поляк,И.Н. Тиц, Р.Я. Левина, М.С.Эвентова и др.


Как пример, можно отметить, что с течением времени в ряду циклoпентана были получены его гомологи как с разветвлёнными цепями, так и с прямыми длинными боковыми цепями (Б.А. Казанский, А.Ф. Платэ, М.С. Эвентова). Была синтезирована целая серия своеобразных углеводородов, присутствие которых в нефтяных погонах весьма вероятно и которые представляют собою циклопентановое и циклогексановое или бензольное кольца, связанные одной или несколькими метиленовыми группами (Я.И. Денисенко, С.И. Хромов, И.Н. Тиц).


В 1910 г. Зелинский Н.Д. открыл явление дегидрогенизационного катализа, заключающееся в исключительно избирательном действии платины и палладия на циклогексановые и ароматические углеводороды и в идеальной обратимости реакций гидро- и дегидрогенизации только в зависимости от температуры. Результатом его экспериментальных работ в этом направлении явился пуск первого в России производства термического крекинга нефти. В этой области исследований Н.Д.Зелинского активное участие затем приняли Гавердовская , Елагина, Левина, Тиц, Турова-Поляк, Е.С.Михлина.


Увеличение топливных ресурсов СССР за счет освоения вновь открытых уральских и среднеазиатских нефтей и проблема использования залежей горючих сланцев в целях добывания из них моторных бензинов и тяжелых смазочных масел – была одной актуальнейших задач народного хозяйства в 1930-ые гг. Во второй пятилетке предполагалось увеличить добычу сланцев с 200 тыс. тонн в 1932 году до 2600 тыс тонн во второй пятилетке. Но использование сланцев в качестве топливного металла не является рентабельным из-за их большой зольности. Поэтому сланцы необходимо сначала переработать, освободить от ненужной золы. Поэтому их подвергали сначала сухой перегонке, получается сланцевая смола, из которой фракционировкой можно получить бензин, керосин и тяжелые масла. Зольный остаток используется как цемент. Однако сама сланцевая смола, так и получаемые из нее продукты по качеству своему далеко уступают продуктам, получаемым путем переработки нефти. Основным их недостатком является большое содержание серы ( от 5 до 13 %), в зависимости от месторождения. Бензины и керосины, содержащие столько серы не могли были быть использованы как моторное топливо и осветительный материал.. Таким образом вопрос утилизации сланцев в это время столкнулся с необходимостью срочного решения проблемы обессеривания. Та же проблема встала и при переработке уральских и азиатских нефтей , содержащих в своем составе от 1 до 3% серы. Нефти старых месторождений – бакинская, грозненская – почти не содержат серы, бензины получаемые из них не нуждались в очистке. Н.Д.Зелинский вместе со своими сотрудницами активно занимался решением этого вопроса (Титова, Тиц и др.)


Химия аминокислот, белков и биохимия. В 1906 г. Н.д.Зелинский открыл реакцию получения aльфа-аминокислот из альдегидов или кетонов действием смеси цианистого калия с хлористым аммонием и последующим гидролизом образующихся aльфа-аминонитрилов. Синтезировал ряд аминокислот и оксиаминокислот. Им были также разработаны методы получения эфиров аминокислот из их смесей, образующихся при гидролизе белковых тел, а также способы разделения продуктов реакции . В этих работах под его руководством и Гаврилова Н.И. участвовали М.М.Ботвиник, Н.В.Елагина, А.Н.Титова.


Каучук. Впервые в СССР Зелинский начал работы по получению хлоропренового каучука (1932, совместно с Н.С.Козловым). В начале 1930-х годов Зелинский организовывает в Московском университете лабораторию синтетического каучука, в которой изучаются новые методы синтеза каучукоподобных веществ и способы переработки побочных продуктов производства каучука. В эти годы вступали в строй заводы по производству синтетического каучука по методу Лебедева. Как известно, исходным веществом для синтеза каучука служил этиловый спирт, получаемый из пищевого сырья. Представлялось заманчивым использовать дешевое не пищевое сырье. В новой лаборатории начались работы по превращению продуктов переработки нефти в каучук. Научное значение синтеза хлоропренового каучука заключалось в том, что в качестве мономеров искусственного каучука, помимо диенов, был использован ацетилен. В этом направлении активно работала Эвентова и др.