Изучая влияние различных реагентов на масло горького миндаля (бензальдегида), он открыл легкий и простой способ превращения этого вещества в бензоин. Описание этого исследования и явилось первой научной публикацией Зинина, которая была напечатана в издаваемых Либихом «Анналах» в 1839 году. В следующем году Николай Зинин опубликовал статью «О продуктах, полученных разложением масла горьких миндалей». Химия увлекала ученого все больше и больше.
В сентябре 1840 года Зинин вернулся в Россию, а 30 января 1841 года в Петербурге Зинин защитил докторскую диссертацию и получил степень доктора естественных наук.
После защиты молодой ученый вернулся в Казань. В работе, в общении с друзьями текли дни, но, оставаясь наедине с собой, он остро ощущал одиночество. Квартирная хозяйка окружала его заботами, и часто по вечерам Зинин заходил в ее комнату выпить чаю и поговорить. Постепенно привязанность росла, и мысль о женитьбе стала сама собой разумеющейся. С женитьбой жизнь Зинина упорядочилась, и заботы о быте уже не отвлекали его. Теперь все свое время и силы ученый отдавал науке.
По утрам он работал в библиотеке, читал лекции, заканчивал неотложные дела. После обеда вел занятия со студентами в лаборатории. В это время и производили «сжигания» – так называли анализ органических веществ, разработанный Либихом. В дни, отведенные для «сжиганий», слуга Федор с раннего утра закладывал в печи древесный уголь. Зинин появлялся в лаборатории около двух часов, студенты и помощники уже ждали его.
В то время Николая Зинина занимала одна проблема: какое вещество получается при обработке нитробензола сероводородом. Идея этих исследований родилась еще в Гессене. Масло горького миндаля, нитробензол и ряд других производных бензола, как и сам бензол, – сильно реакционноспособные вещества. Зинин задался целью изучить возможности их взаимодействия с другими веществами. Подвергая их обработке сероводородом или раствором сульфида натрия, Зинин предполагал получить продукт, содержащий серу. Однако, к его удивлению, бесцветная жидкость, образовавшаяся после взаимодействия нитробензола с сероводородом, не содержала даже следов серы.
Зинин подошел к шкафу, открыл склянку с желтой маслянистой жидкостью и осторожно понюхал. Странно… Запах напоминал ему жидкость, которую он уже видел в лаборатории Фрицше. Неужели это анилин? Но анилин, полученный Фрицше, был окрашен в темно-коричневый цвет…
Зинин поставил склянку в шкаф и отправился домой, но мысль о полученном веществе не покидала его. В статье, опубликованной в 1842 году в «Бюллетене Академии наук» в Петербурге, он изложил метод получения нового вещества, названного им «бензидам». Зинин послал Фрицше ампулу с полученной жидкостью для сравнения с веществом, которое выделил Фрицше. Через несколько недель пришел ответ. Оба вещества идентичны. Зинин сделал большое открытие. До сих пор анилин получали как продукт разложения разнообразных природных веществ. Отныне доказано, что анилин можно получать простым способом – восстановлением нитробензола сероводородом.
Открытие Николая Зинина вызвало большой интерес у ученых Европы, статью с изложением метода получения «бензидама» опубликовали многие европейские химические журналы. Ранее анилин не имел практического применения, но реакция, открытая Зининым, давала возможность широко использовать это вещество. Метод получения ароматических аминов восстановлением нитросоединений сероводородом сейчас называется «реакцией Зинина». Спустя несколько лет оба вещества, анилин и нафталидам (так Зинин назвал нафтиламин), описанные в этой статье, стали основой промышленного производства анилиновых красителей.
Николай Зинин продолжал изучать возможности открытой им реакции, применив ее к моно- и динитропроизводным бензола, к нитрокислотам. Во всех случаях исходное нитросоединение превращалось в аминопроизводное. Позже Зинин пытался распространить реакцию и на некоторые нитрированные ациклические углеводороды. В 1845 году Зинин синтезировал азоксибензол, затем гидразобензол, который в кислой среде превращается в бензидин.
За все годы, проведенные в Казани, Николая Зинина не покидала мысль о переезде в Петербург. Он считал дни до истечения указанного в обязательстве срока его работы в Казанском университете. После неожиданного несчастья, постигшего Зинина, решение созрело окончательно. С некоторых пор жена его начала худеть, бледнеть и задыхаться в приступах сухого кашля. Диагноз не оставлял сомнений – чахотка. У тихой и слабой женщины не было воли бороться со страшным недугом, она сразу признала себя обреченной и угасла в течение нескольких недель. Петербургские друзья пришли на помощь Николаю Николаевичу. Известный хирург П.А. Дубовицкий сообщил Зинину, что кафедра химии в Медико-хирургической академии в Петербурге вакантна. Подготовив необходимые документы, Зинин отправился в столицу. В конце января 1848 года он был назначен ординарным профессором химии. Приступив к работе, Николай Зинин сразу внес большие изменения в учебные программы Медико-хирургической академии. По мнению ученого, физиологические процессы в организме – это процессы химические и физические и потому настоящий врач должен хорошо знать химию и физику. Этим предметам уделялось теперь столь значительное место в программе, что петербургские остряки стали называть Медико-хирургическую академию медико-химической. Однажды в ложе петербургского оперного театра Зинин оказался рядом с молодой красивой дамой. Фрицше представил даме Николая Николаевича. Зинин учтиво поклонился, но улыбка соседки его несколько смутила. Встреча эта не прошла бесследно. Не решаясь признаться самому себе, что эта женщина произвела на него впечатление, Николай Зинин постоянно возвращался мыслями к Елизавете Александровне… Через несколько месяцев она стала его женой. С женитьбой жизнь в Петербурге стала для Зинина еще более интересной и наполненной. Он продолжал исследования нитропроизводных. В этой работе ему помогал В.Ф. Петрушевский, преподававший химию в военных училищах Петербурга. В 1853–1854 годах они разработали способ пропитки черного пороха нитроглицерином. Позднее Петрушевский открыл динамит с углекислой магнезией, названный «русским динамитом Петрушевского». Как член-корреспондент Академии наук (Зинин был избран 2 мая 1858 года) он употребил все свое влияние на то, чтобы добиться выделения средств на строительство помещения и лаборатории для химического отделения в академии. Средства, в конце концов, были отпущены, и строительство пошло быстрыми темпами. После тридцатилетия государственной службы Николай Николаевич Зинин по закону должен был выйти на пенсию. Вместо него с 1862 года начал читать лекции по органической химии Бородин, а Николай Николаевич еще в течение двух лет продолжал выполнять обязанности секретаря Ученого совета. Затем Ученый совет освободил его от этой обязанности, но, для того чтобы Зинин мог остаться в Академии, утвердил специальную должность директора химических работ. Спустя год Зинина избрали действительным членом Академии наук. Большой вклад Зинина в развитие органической химии получил заслуженную оценку. Он был избран членом жюри международной выставки в Париже, куда ездил вместе с Фрицше и Якоби. Научная общественность Парижа тепло встретила русского ученого. Ученые многих стран искали с ним встречи, приходили познакомиться, пожать ему руку, поздравить. Знаменитая реакция, впервые осуществленная Зининым, через два десятилетия дала невиданный толчок развитию анилинокрасочной промышленности. В 1868 году по инициативе Николая Николаевича Зинина в Петербурге было основано Русское химическое общество, и Зинин был избран его председателем. Зинин всячески стремился поддерживать и выдвигать способных учеников. Среди них были А.П. Бородин, Н.Н. Бекетов, А.Н. Энгельгардт, Л.Н. Шишков. Еще работая в Казани, он заметил исключительные способности молодого ученого Александра Бутлерова и в дальнейшем сделал все, чтобы его ученик был переведен в Петербург и получил место профессора. После смерти академика Фрицше, опять-таки по настоянию Зинина, на его место был назначен Бутлеров. По уставу академии Александр Михайлович даже занял квартиру Фрицше. Тесная дружеская связь между учителем и учеником помогала в работе обоим. Часто Зинин заходил в лабораторию Бутлерова посоветоваться, обменяться мнением. Несмотря на преклонный возраст, Николай Зинин продолжал работать с юношеским энтузиазмом. Теперь предметом его исследований были бензоин, бензамарон и амаровая кислота. Он подробно изучил свойства этих веществ, их производных, способы получения и реакции их превращения в другие вещества. Отдыхал Зинин необычно – он с наслаждением читал математические работы. Любовь к математике осталась на всю жизнь. Как-то весной 1879 года, находясь в лаборатории Бутлерова, ученый почувствовал страшную боль в пояснице. Перехватило дыхание, закружилась голова, и Николай Николаевич рухнул на ступеньки. Блуждающая почка, которая мучила его еще со времени школьной травмы, теперь стала причинять невыразимые страдания. Лечил его Сергей Петрович Боткин и ассистент Боткина Александр Александрович Загумени, муж старшей дочери Зинина. Они рекомендовали полный покой, поскольку сильные боли могли оказаться роковыми.
Печальные прогнозы оправдались: во время одного из таких приступов сердце не выдержало и Николай Зинин скончался 6 февраля 1880 года.