近日，我校化学学院刘江教授/兰亚乾教授团队在光电催化领域取得了重要研究进展，在国际顶级期刊《Journal of the American Chemical Society》上发表题为“Cascade Oxidation of Ethylene and Propylene over a Redox Heterometallic Cluster”的研究论文。论文第一作者为安徽师范大学讲师刘菁菁，我校化学学院硕士研究生徐珊和博士研究生张帅兵为共同第一作者，刘江教授和香港城市大学刘彬教授是通讯作者，我校是第一完成单位。该研究受到了国家重点研发计划和国家自然科学基金项目的支持。

乙烯和丙烯的选择性氧化是石油化工产业链的核心环节，关联着全球每年超过6000万吨高价值化学品的生产。然而，目前制备不同氧化产物（如环氧乙烷、乙醛、环氧丙烷、丙烯酸等）仍依赖于多种各自独立的热氧化工艺，例如直接氧化法、Wacker法、Halcon法以及两步氧化法等。这些方法互不兼容，导致生产过程复杂、效率低下且成本高昂。

近年来，光催化和电催化氧化烯烃在温和条件下展现出良好的应用前景，但产物类型通常依赖于特定的活性氧/卤素物种和反应条件，难以实现多产品的可控切换。开发一种能在单一反应体系中，通过共享中间体或协同机制，像流水线一样连续、可控地生产多种高价值产品的级联氧化策略，一直是工业合成领域梦寐以求却又难以企及的目标。其核心挑战在于如何构建一个多功能催化体系，使其既能激活多种反应物，又能形成稳定的共享中间体，并驱动连续的电子传递链。

基于此，他们设计了一种独特的氧化还原异金属团簇催化剂（Ti₁₆Mn₄），首次在温和的光电化学体系中实现了乙烯和丙烯向多种高价值化学品的可控级联氧化。该工作通过精准调控团簇内部电子转移，生成多重活性氧化态，稳定溴自由基（•Br）和羟基自由基（•OH）作为共享中间体，在同一反应体系中分步获得溴代醇、环氧化物、溴代酸/酮等不同产品，转化率>99%，收率高达87%，法拉第效率最高达75%。该体系还展现出优异的底物普适性和克级放大潜力，为低碳烯烃的高值化利用提供了绿色、可控的新路径，同时也展示了异金属团簇催化剂在复杂多步催化反应中的独特优势。相信对具有多价态转变和快速电荷转移能力的氧化还原异金属催化剂的深入研究，将推动更多挑战性小分子（如CO₂、烷烃等）的高效级联转化，为绿色合成与能源化工领域带来新的突破。

论文链接： https://doi.org/10.1021/jacs.6c04374

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