シアン化物を使わないニトリルの電気合成への道

化学の見落とされた一隅を掃除する

ニトリルは現代生活の縁の下の力持ちで、医薬品、プラスチック、染料、農薬などに広く使われている。しかし工業規模での製造はしばしば二酸化炭素や窒素酸化物、さらには有毒なシアン化物を放出する。今回の研究は、高温や毒性の強い試薬の代わりに電力と穏やかな触媒を用いてニトリルを合成する方法を示し、工場からの汚染を減らしつつ自らの廃ガスを再利用する可能性を示唆している。

従来法が問題を起こす理由

産業界では通常、単純な前駆体をアンモニアと酸素とともに数百度の高温で反応させてニトリルを作る。そのような過酷な条件は制御が難しく、一部の原料が完全燃焼して二酸化炭素や窒素酸化物に変わってしまう。代替法としては高濃度のシアン化物塩を用いる化学経路もあるが、シアン化物は非常に毒性が高く、大規模で安全に扱うのが難しい。毎年数百万トンのシアン化物が使われている現状では、小さな非効率でも危険な廃棄物を残す。より持続可能な方法は室温で動作し、再生可能電力に接続でき、シアン化物を完全に避けつつ同等の価値ある生成物を生産することだろう。

電気を化学の道具に変える

著者らはまさにそれを実現する電気化学システムを設計した。電気エネルギーを使ってアルデヒド（ここではベンズアルデヒド）とアンモニアをニトリル（ベンゾニトリル）に変換する反応を駆動する。系の核心は銅フォーム上に成長させた精巧な触媒である。酸化銅ナノロッドの先端に微小なコバルト酸化物クラスターが配置され、大きく活性な表面を作り出している。ベンズアルデヒド、アンモニア、水、アセトニトリルの液相混合物中で穏やかな正電位を印加すると、電極はほぼすべての電子を目的のニトリル生成に変換し、ファラデー効率は約99％、選択性もほぼ完璧に近い。触媒は少なくとも100時間ほとんど性能低下なく動作し続け、工業用途に耐えうる堅牢さを示唆している。

反応中の原子の追跡

このクリーンな変換がどのように進むかを理解するため、研究チームは複数の分光技術を使って反応をリアルタイムで観察した。ベンズアルデヒドとアンモニアはまず短命な中間体—本質的にはカルボニル（C=O）がカルバニル（C=N）に置き換わったイミン様の種—を形成することが分かった。この種は触媒表面の銅サイトに吸着し、印加電圧の下で水素が順次除去されていき、最終的にニトリルに特徴的な炭素–窒素三重結合が残る。計算機シミュレーションはこの描像を支持し、高い酸化状態の銅は中間体から電子を引き抜くのに特に有利で、近傍のコバルト酸化物クラスターが活性サイトの数を増やし、銅の電子的性質を微妙に調整して脱水素反応を促進することを示した。

単純な芳香族から実用的な生成物へ

ベンズアルデヒドで確立された後、このアプローチは汎用性を示した。塩素や臭素、シアノ基を含むものを含め、さまざまな芳香族および脂肪族アルデヒドが約78％から97％の効率で滑らかにニトリルに変換された。また、この系はアルコールやトルエンのような単純な炭化水素をまずアルデヒドに酸化し、続けてニトリルへと進める多段階ルートにも組み込める。注目すべきは、これらの出発物質の一部が捕集した二酸化炭素から合成可能であり、廃ガスから高価値化学品への完全に電化された連鎖が実現し得ることを示唆している点だ。

汚染された空気を有用な産物に変える

特に魅力的なのは、反応に必要なアンモニアが従来のエネルギー集約的なハーバー・ボッシュ法から来る必要がない点だ。著者らは、ニトリルの陽極生産を陰極での窒素酸化物—主要な大気汚染物質—からアンモニアへの変換プロセスと同一装置で組み合わせられることを示した。電流密度が最大200ミリアンペア毎平方センチメートルの条件で、陰極で生成するアンモニアの量は陽極で消費される量とほぼ一致する。原理的には、工場が自らの窒素酸化物排出をニトリル製造の窒素源に変えることができるということになる。

日常の分子に安全な経路を

平易に言えば、この研究は熱くて汚く、時に有毒な化学を、より低温で電力駆動の方法に置き換え、同じ有用なニトリルを副生成物を大幅に減らして作り出している。巧みに設計された触媒と反応条件の慎重な制御を組み合わせることで、高収率と長寿命を達成し、廃ガスを原料として使う道を開いた。スケールアップされれば、こうした電気化学的経路は化学産業の一部を脱炭素化し、多くの日用品の環境フットプリントをその性質を変えずに縮小する助けとなるだろう。

引用: Xian, J., Wang, L., Mi, Z. et al. A cyanide-free route towards the electrosynthesis of nitriles. Nat Commun 17, 4095 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70732-5

キーワード: 電気合成, グリーンケミストリー, ニトリル, アンモニア, 廃ガスの利用