近日，我所能源催化转化全国重点实验室能源与环境小分子催化研究中心（509组群）邓德会研究员、于良研究员和黄瑞研究员团队在氮气（N2）与甲烷（CH4）直接合成高值C-N-O化合物领域取得新进展。团队设计了低温等离子体（NTP）驱动自由基级联反应系统，在室温（25 oC）、常压（0.1 MPa）的温和条件下，实现了N2、CH4与环己酮直接合成高附加值氰醇化合物，并联产氨气（NH3）。该过程避免了传统的高能耗、高碳排放及剧毒中间体问题，为短流程、绿色化、高选择性制备C-N-O化学品提供了新途径。
氰醇是同时含有醇羟基与氰基的多官能团化合物，广泛用于合成抗抑郁、抗病毒药物，也是工程塑料的重要工业原料。传统氰醇生产工艺通常需经历复杂的多步过程： Haber-Bosch过程（450 °C、20 MPa）合成氨、Andrussow过程（>1000 °C）将氨与CH4转化成氢氰酸、氢氰酸与酮反应制得氰醇。该路线流程长、能耗高、原子经济性差，且伴随较高碳排放。在温和条件下将N2和CH4共转化并偶合酮类底物一步法直接制备氰醇，是缩短流程、降本增效并规避剧毒氢氰酸使用的可持续发展路线，但面临N2和CH4均为惰性小分子，难以在温和条件下同时高效活化和转化，以及氰基生成及其与酮的选择性偶联不易控制等难题。
邓德会团队长期致力于能源与环境小分子的催化转化研究，前期在N2和CH4等惰性小分子催化转化方面取得了系列进展（Nat. Synth.，2024；Nat. Catal.，2023；Natl. Sci. Rev.，2022；Chem，2026；J. Am. Chem. Soc.，2026；J. Am. Chem. Soc.，2025；J. Am. Chem. Soc.，2025；J. Am. Chem. Soc.，2024；Nat. Commun.，2025）。本工作针对上述挑战，提出了一条基于自由基级联反应机制的合成新路线：利用低温等离子体激发气相N2和CH4，产生N2激发态和甲基自由基（·CH3）、氢自由基（·H）等活性物种，进一步与环己酮底物直接反应，在室温常压下实现了多官能团环己酮氰醇的高效合成。环己酮氰醇的选择性达95.8%，收率为23.9%，生成速率为0.60 mmol h-1。研究团队结合自主搭建的等离子体耦合原位分子束质谱等监测手段与理论计算，揭示了自由基级联反应机制：等离子体激发产生的活性·H与环己酮羰基反应生成环己醇自由基，随后与·CH3发生C-C偶联；该中间体进一步脱氢形成的亚甲基自由基与激发态N2发生C-N偶联，进而被·H加氢并断裂N≡N断键，最终生成环己酮氰醇，并联产高附加值NH3。该路线可拓展至其他酮类底物，实现氰醇类化合物的定制化合成。该工作建立了一条直接利用N2和CH4一步高选择性合成氰醇类化合物的绿色反应新路径，为惰性小分子在温和条件下直接高效利用提供了新思路。
相关研究成果以“Direct plasma synthesis of a high-value C-N-O compound with inert N2 and CH4”为题，发表在《自然—合成》（Nature Synthesis）上。上述工作得到国家自然科学基金委“空气主份转化化学”卓越研究群体项目、国家重点研发计划、我所能源催化转化全国重点实验室、我所创新基金等项目的资助。（文/图 张浩）
