プラズマと超音波を組み合わせ、空気からニトロ芳香族化合物をワンステップ合成(Researchers Develop Plasma–Ultrasound Catalytic Process for One-Step Synthesis of Nitroaromatics from Air)

2026-10-27 中国科学院(CAS)

中国科学院(CAS)大連化学物理研究所の研究チームは、空気中の窒素(N₂)と酸素(O₂)を利用し、ニトロ芳香族化合物を直接合成する「プラズマ・超音波触媒(PUC)プロセス」を開発した。医薬品や農薬の原料となるニトロ芳香族化合物の従来製造法は、多段階の反応や高いエネルギー消費を必要とする。新手法では、酸化セリウム(CeO₂)触媒を組み込んだ独自の反応装置を用い、空気とフェノールから、わずか5℃・大気圧の条件で反応を進めた。1時間での総収率は8.1%、ニトロフェノールおよびニトロソフェノールに対する選択率は92.5%に達した。プラズマによって活性酸素種や窒素酸化物を生成する一方、超音波によるキャビテーションと触媒作用が物質移動や反応速度を促進する。空気とフェノールの活性化を制御することで、原料の過剰酸化を抑え、目的生成物への選択性を高めた。本研究は、空気を原料とする省エネルギー型化学合成の新たな可能性を示す。

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National Science Review  Published: 08 September 2026
DOI:https://doi.org/10.1093/nsr/nwag556

プラズマと超音波を組み合わせ、空気からニトロ芳香族化合物をワンステップ合成(Researchers Develop Plasma–Ultrasound Catalytic Process for One-Step Synthesis of Nitroaromatics from Air)

Figure 5. Schematic illustration of the direct conversion of air and phenol to nitrophenol via the PUC process.

Abstract

Directly using abundant air as nitrogen and oxygen source for the co-construction of C–N and N–O bonds under mild conditions is highly significant for establishing a sustainable route of synthesizing high-value C–N–O chemicals. However, the efficient and controllable activation of N2, O2, and carbon source for the selective C–N and N–O coupling in a one-step process remains a formidable challenge. Herein, we report a plasma–ultrasound catalytic process that enables direct selective conversion of air and phenol to nitroaromatic chemicals (nitrosophenol and nitrophenol) under mild conditions, delivering an overall yield of 8.1% with a high selectivity of 92.5% using a CeO2 catalyst. Mechanistic investigations reveal a crucial effect of air plasma in generating reactive oxygen and NOx species and triggering the subsequent phenol oxidization and nitration reactions in the solution. Coupling ultrasound and CeO2 catalyst in the liquid phase further promotes the formation of reactive species and targeted nitroaromatic products combined with the enhancement of both mass transfer and reaction kinetics by the ultrasonic cavitation effect.

0505化学装置及び設備
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