非热等离子体促进氮气与甲烷直接氰化芳香环

《SCIENCE ADVANCES》：Direct cyanation of aromatic rings using dinitrogen and methane promoted by nonthermal plasma

本研究聚焦于从惰性分子（氮气N2、甲烷CH4）直接合成高价值含氮有机物（芳香腈）这一极具挑战性的课题。针对传统合成路线依赖有毒氰化物试剂、多步合成、能耗高等问题，研究人员探索了非热等离子体辅助的合成新途径。利用自主研发的无空气介质阻挡放电（DBD）等离子体系统，实现了在常压条件下，以N2和CH4为原料，对包括苯在内的多种芳香化合物进行一步法直接氰化，高效制备相应的芳香腈。实验与计算结果表明，反应的核心在于等离子体区域内N2和CH4原位生成氰基（•CN）自由基，继而与芳香环发生自由基加成。该工作为基于氮气的有机合成方法学带来了重要进展，为取代传统依赖有毒氰化物和多步路线的氰化方法提供了高效替代方案。

　　

在化学合成领域，如何利用空气中最丰富的成分——氮气（N₂），将其直接转化为有价值的含氮化合物，是一个长期存在的、令人着迷的巨大挑战。氮气分子中的氮氮三键异常稳固，就像一对“情比金坚”的伴侣，极难拆散，这使得“驯服”氮气成为化学家们梦寐以求的目标。一个多世纪前，哈伯-博世法（Haber-Bosch process）的成功，让人类得以大规模合成氨（NH₃），从而支撑了现代农业化肥的生产。然而，这条看似成功的路径，在通向更多、更复杂的有机含氮分子时，却显得步履蹒跚、代价高昂。以广泛存在于药物、材料和农药中的关键结构单元——芳香腈（aryl nitriles，即芳香环上连接氰基─CN的化合物）为例，其传统合成方法，无论是桑德迈尔反应（Sandmeyer reaction）、罗森蒙德-冯布朗反应（Rosenmund–von Braun reaction），还是钯催化氰化，其氰基（─CN）中的氮原子归根结底都来源于氨（NH₃）的氧化产物，如硝酸（HNO₃）或氰化物（如KCN）。这不仅意味着从氮气到最终产品需要经过漫长而耗能的多步转化，更伴随着强氧化剂、强酸、剧毒试剂的大量使用，与当今绿色、可持续的化学理念背道而驰。那么，能否像“点石成金”一样，绕开繁琐的中间步骤，直接从氮气和另一种简单、丰富的原料（如天然气的主要成分甲烷，CH₄）出发，一步到位地合成芳香腈呢？这听起来像是一个天方夜谭，但一项发表于《科学进展》（SCIENCE ADVANCES）的研究，利用一种被称为“非热等离子体”（nonthermal plasma）的神奇工具，将这一梦想变成了现实。

为了实现从N₂和CH₄到芳香腈的直接转化，研究人员巧妙地运用了几个关键技术。首先，他们设计并搭建了一套核心装置——无空气介质阻挡放电（DBD）等离子体反应系统。该系统配备了外部循环冷却系统，能够精确控制反应区域的温度，并确保整个反应在无水、无氧的惰性氛围中进行。其次，为了深入探究反应机理，研究团队综合运用了多种先进的原位表征和理论计算手段。这包括：1）化学动力学建模（Chemical kinetics modeling）：使用ZDPlasKin软件进行零维化学动力学模拟，追踪等离子体放电过程中各种活性物种（如•CN、•CH₃、激发态N₂）的生成与浓度变化。2）分子束质谱（MBMS）与真空紫外光（VUV）灯联用：这套“组合拳”能够选择性检测等离子体中难以电离的中性活性物种（如激发态N₂、•CH₃），将其转化为可被质谱仪检测的离子，从而实现对关键中间体的“现场直播”。3）在线质谱与气相色谱-高分辨质谱（GC-HRMS）：用于实时监测反应出口气体成分，并鉴定其中可能存在的氰基相关物种（如HCN、(CN)₂）。4）光学发射光谱（OES）：通过分析等离子体放电时发出的特定波长的光，直接证实了•CN自由基（特征发射峰在388 nm）等活性物种的存在。5）密度泛函理论（DFT）计算：利用ORCA软件计算了•CN自由基与不同芳香底物（如苯、氯苯）反应的能垒和热力学，从理论上支持了实验观察到的反应路径。

研究结果

条件筛选

研究人员以均三甲苯（mesitylene）为模型底物，系统地筛选了放电电压、反应温度、甲烷掺杂比例等关键条件。结果发现，在0°C、16 kV放电电压、使用10% CH₄掺杂的N₂作为放电气体的标准条件下，反应能以153 μmol/小时的速率生成产物2,4,6-三甲基苯甲腈，并具有良好的选择性。提高放电电压会加快产物生成，但也会增加副产物；升高温度虽然提高总产率，却降低了选择性。甲烷掺杂比例与产物生成速率呈“火山型”关系，在2%时达到峰值，但综合考虑选择性与产率，最终选择10%作为标准条件。至关重要的¹⁵N同位素标记实验（使用¹⁵N₂）通过GC-HRMS确认，产物腈基中的氮原子确实来源于氮气气体，而非其他污染源。

底物普适性

在优化条件下，研究人员测试了一系列芳香底物的氰化反应。结果显示，该方法具有广泛的底物适用性。苯、甲苯、对二甲苯、氯苯、溴苯、1,4-二甲氧基苯、2,5-二甲基噻吩、2,4,6-可力丁（2,4,6-collidine）等均能有效转化为相应的芳香腈。值得注意的是，对于卤代苯（氯苯、溴苯），反应通过亲电芳香取代途径选择性地生成了苯甲腈，氰基取代了卤素离去。对于1,4-二甲氧基苯，则生成了氰基取代氢和甲氧基的混合产物。当使用苯作为底物时，通过用惰性溶剂十二烷稀释反应物以抑制苯自由基的自偶联副反应，成功以中等速率获得了苯甲腈。此外，研究还成功进行了规模放大实验。在间歇反应中，均三甲苯反应360分钟可得到约21%产率（45毫克）的产物；苯在-20°C反应240分钟可获得18%产率（43毫克）的苯甲腈。更重要的是，在定制的流动反应器中进行的连续反应，将反应规模提升了一个数量级，分别得到了362毫克（720分钟）和207毫克（240分钟）的目标产物，展现了该方法潜在的合成应用价值。

机理研究

为了揭示反应的本质，研究人员通过计算模拟和多种光谱技术深入探索了反应机理。化学动力学模拟表明，在10% CH₄掺杂的N₂等离子体中，•CH₃和激发态N₂是半个放电周期内最丰富的等离子体衍生物种，并且确实存在•CN自由基。模拟还显示，•CN的浓度随CH₄掺杂比例（从2%增至20%）的增加而下降，这与实验中观察到的氰化速率下降趋势一致，证实了反应速率与•CN自由基浓度的正相关性。

分子束质谱（MBMS）结合VUV光电离的实验证实，在DBD氮气等离子体中，活性电荷中性物种（特别是•CH₃和激发态N₂）的浓度远高于离子物种，这与模拟结果高度一致。在线质谱分析反应出口气体，检测到了氰气（(CN)₂）、乙腈（CH₃CN）和氢氰酸（HCN）的信号，它们的浓度在放电开启时显著升高。(CN)₂的存在强烈暗示了等离子体中存在足够高浓度的•CN自由基（通过二聚生成）。光学发射光谱（OES）则直接捕获到了•CN自由基在388 nm的特征发射峰，为•CN的存在提供了“目击证据”。

密度泛函理论（DFT）计算从能量角度支持了反应路径。计算表明，•CN自由基与苯的反应是一个近乎无能垒的过程，先形成自由基加成中间体。而对于氯苯，取代反应（生成苯甲腈和氯自由基）的活化能垒很低（5.4 kcal/mol），且其产物比加成产物在热力学上稳定得多，这解释了实验中观察到的取代产物为主的现象。

基于以上证据，研究者提出了主导的反应机理：在DBD放电条件下，N₂和CH₄被同时活化，生成•CN自由基。随后，部分汽化的芳香底物在气相或气-液界面与•CN自由基发生近乎无屏障的快速自由基加成，之后离去基团（如H、Hal、OMe）脱去，最终形成目标腈类产物。尽管可能存在芳香环先与活性碳物种（RCS）反应，再与活性氮物种（RNS）结合的另一条路径，但对照实验表明该路径并非主导，而可能贡献于多甲基化副产物的形成。该反应系统的巧妙设计在于将等离子体反应区与有机液体物理分离，既实现了N₂和CH₄的高效活化，又防止了有机底物在等离子体区域发生碳化。

研究结论与意义

本研究成功开发了一种利用非热等离子体，在常压下直接由氮气、甲烷和芳香化合物一锅法制备芳香腈的新方法。通过优化放电电压、甲烷掺杂比例、反应温度及使用惰性溶剂稀释，有效提高了反应的产率和选择性。该策略展示了广泛的底物适用性，并成功实现了百毫克级的规模合成。深入的机理研究揭示，等离子体中的主要活性物种是激发态N₂分子和•CH₃自由基，它们共同贡献于关键中间体•CN自由基的生成。芳香腈的形成主要通过亲电性的•CN自由基对芳香环的自由基加成途径实现。

这项工作的意义重大。它代表了一种颠覆传统的氮气固定新范式，绕开了基于氨的常规路线，将甲烷活化与氮气固定相结合，直接将一个氰基安装到芳香骨架上，为芳香腈的合成提供了一条简洁、高效的路径。该研究充分展示了等离子体辅助反应在制备规模合成，特别是在活化N₂、CH₄等惰性小分子方面的强大潜力，是将等离子体技术有效整合到合成化学中的一个重要里程碑，为发展更加绿色、可持续的含氮有机化合物合成方法开辟了新的方向。