直接用空气合成C–N–O化学品？温和条件就搞定！| NSR

你吸的每一口空气里，有78%是氮气，21%是氧气——这哥俩虽然随手可得，却“高冷”得很。想用它们合成制药、农药离不开的硝基化合物？传统套路十分折腾：先要把氮气和氢气在400-500 ℃、200-300个大气压下变成氨，再用氧气和氨在近900 ℃下转化成二氧化氮，进一步与水反应做成硝酸，最后还得靠浓硫酸和硝酸的“强强联合”去生成硝化产物。一套复杂程序下来，不仅耗费大量能量和源材料，还产出一些危险的废弃物。

能不能一步到位，直接用空气和苯酚生成硝基苯酚？

理想很丰满，现实却卡在“两难”上：氮气是自然界里“情绪最稳定”的小分子，具有最稳定的N≡N键，不提供高能量刺激绝不反应；可一旦输入高能量，比氮气活泼得多的氧气和苯酚却首先受不了，立刻“抢戏”并过度转化成不想要的副产物，氮气通常还没来得及参与反应，其他反应物就“变质”了。

（a）PUC过程与传统过程对比，（b）PUC过程合成硝基类产物性能，（c）反应产物定性，（c）产物随时间变化。

中国科学家秀出“组合拳”——等离子体+超声+催化剂（PUC），突破两难瓶颈

这套操作有多秀？在常温（5 ~ 25 ℃）、常压下，直接把空气和苯酚“变”成硝基苯酚和亚硝基苯酚，总产率做到了8.1%，选择性高达92.5%！关键是，整个反应过程简单、条件温和，是极具潜力的“绿色工艺”。

特技拆解：等离子体“点火”，超声和催化剂“助推”

氮气和氧气先经非热等离子体，瞬间被激发并反应生成大量氮氧化物和高活性氧物种——相当于先把氧气和惰性的氮气转化成活泼的中间体，随后这些中间体物种进入含有催化剂的苯酚超声溶液中，高效生成硝基产物。在这个过程中，超声的空化效应与CeO₂催化效应一起合作，不仅促进了更多活性氧物种和氮氧化物中间体的生成，还大大加快了气液传质和反应动力学，显著提升整体反应效率。

PUC的巧妙设计：激活空气和活化苯酚“分步走”

“等离子体-超声-催化”的高明之处，在于让等离子体和超声在一个反应器的气-液-固不同区域分工协作：把高能的等离子体气相反应过程与相对温和的液相反应过程分隔开，这样能避免液相中的苯酚被过度的活化和氧化；气相活性物种进入液相以后，在超声与催化剂的协同作用下，将苯酚高效转化为硝基苯酚。

反应过程示意图

这项成果为“直接用空气和有机碳源在温和条件下制备高附加值C-N-O化学品”开辟了新途径，为建立绿色、可持续的化学合成新范式提供了重要借鉴。相关研究论文近期发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。

研究论文

Upgrading N₂ and O₂ into valuable C–N–O chemicals. National Science Review, nwag556, https://doi.org/10.1093/nsr/nwag556