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化學(xué)學(xué)院教師團(tuán)隊(duì)在多尺度協(xié)同催化機(jī)制研究領(lǐng)域取得系列研究進(jìn)展

發(fā)布時(shí)間：2025-11-17 供稿單位：化學(xué)學(xué)院、科學(xué)技術(shù)處撰稿：關(guān)威點(diǎn)擊次數(shù)：

近日，我?；瘜W(xué)學(xué)院關(guān)威教授/朱博副教授團(tuán)隊(duì)在多尺度協(xié)同催化機(jī)制研究領(lǐng)域取得系列研究進(jìn)展。隨著能源轉(zhuǎn)化、精細(xì)化學(xué)品及綠色合成領(lǐng)域的迅速發(fā)展，人們對(duì)高效、可控和可持續(xù)催化體系的需求不斷增長(zhǎng)。然而，在復(fù)雜分子反應(yīng)中，活性中間體壽命短暫、反應(yīng)路徑多樣且選擇性難以調(diào)控，仍是制約催化化學(xué)發(fā)展的核心科學(xué)難題。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，關(guān)威教授/朱博副教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于從“電子—空間—?jiǎng)恿W(xué)”多尺度層面揭示催化反應(yīng)的內(nèi)在規(guī)律，系統(tǒng)開(kāi)展了光催化和限域催化在惰性鍵活化/轉(zhuǎn)化的協(xié)同作用機(jī)制的理論研究，構(gòu)建了跨越電子結(jié)構(gòu)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與智能預(yù)測(cè)的多尺度催化理論框架。相關(guān)研究成果相繼發(fā)表于國(guó)際知名期刊 Angewandte Chemie International Edition和ACS Catalysis。

圖1. 可解釋、可遷移的光催化劑氧化還原電勢(shì)預(yù)測(cè)模型

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將量子化學(xué)計(jì)算與機(jī)器學(xué)習(xí)算法結(jié)合，構(gòu)建了首個(gè)可解釋、可遷移的光催化劑氧化還原勢(shì)預(yù)測(cè)模型。本工作中，構(gòu)建了覆蓋519種Ir(III)光催化劑的大規(guī)模數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了基態(tài)與激發(fā)態(tài)氧化還原勢(shì)的統(tǒng)一預(yù)測(cè)，并利用Shap可解釋性分析揭示了電子結(jié)構(gòu)與氧化還原活性間的定量關(guān)系。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)提出殘差遷移學(xué)習(xí)策略，成功實(shí)現(xiàn)了從Ir體系到Os體系的跨金屬預(yù)測(cè)。該工作為光催化劑的高通量篩選和理性設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的新方法。相關(guān)成果以“Machine Learning-Assisted Prediction of Ground- and Excited-State Redox Potentials in Iridium(III) Photocatalysts”為題，發(fā)表在 Angewandte Chemie International Edition《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上。我校化學(xué)學(xué)院博士研究生李雪濤為論文第一作者，朱博副教授和關(guān)威教授為共同通訊作者。

圖2. [Ga?L?]12?有機(jī)籠限域效應(yīng)對(duì)氫化反應(yīng)選擇性的調(diào)控機(jī)制研究

研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了金屬籠體限域空間對(duì)反應(yīng)活性與選擇性的影響機(jī)制。本工作中，提出“限域誘導(dǎo)過(guò)渡態(tài)調(diào)控”新概念，揭示了金屬籠體結(jié)構(gòu)尺寸可通過(guò)空間約束改變過(guò)渡態(tài)能量分布，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域與產(chǎn)物選擇性的精準(zhǔn)調(diào)控。該研究為人工酶型限域催化劑的分子設(shè)計(jì)提供了新機(jī)制與理論依據(jù)。相關(guān)成果以“Supramolecular Cage Architecture Dictates Reaction Trajectory: [Ga?Ln?]12? Mediated Dienol Hydrogenation via Confinement-Induced Transition State Modulation”為題，發(fā)表在 ACS Catalysis《催化》上。我?；瘜W(xué)學(xué)院博士研究生陳可欣為論文第一作者，朱博副教授和關(guān)威教授為共同通訊作者。

圖3. [Ga?L?]12?有機(jī)籠協(xié)同光氧化還原驅(qū)動(dòng)的1,3-重排反應(yīng)的機(jī)制研究

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)與量子化學(xué)計(jì)算揭示了光氧化還原反應(yīng)在[Ga?L?]12?金屬籠體中的電子轉(zhuǎn)移與中間體穩(wěn)定機(jī)理，發(fā)現(xiàn)限域空間可顯著改變激發(fā)態(tài)電子分布并控制反應(yīng)路徑，首次實(shí)現(xiàn)了限域條件下光誘導(dǎo)重排反應(yīng)的可控性。該成果提出了光—限域協(xié)同催化新策略，為復(fù)雜光催化反應(yīng)提供了可設(shè)計(jì)的理論框架。相關(guān)成果以“Metallocage Photoredox Confined Synergistic Catalysis on 1,3-Rearrangement Reaction”為題，發(fā)表在 ACS Catalysis《催化》上。我?；瘜W(xué)學(xué)院博士研究生王爽為論文第一作者，朱博副教授和關(guān)威教授為共同通訊作者。

圖4. 多金屬協(xié)同催化C–X鍵選擇性斷裂與反應(yīng)路徑調(diào)控

此外，研究團(tuán)隊(duì)聚焦于過(guò)渡金屬催化自由基反應(yīng)及多金屬協(xié)同體系的電子調(diào)控機(jī)制，提出了“三分子均裂協(xié)同活化機(jī)制（Trimolecular Homolytic Combination Mechanism）”，揭示Ni/Co雙金屬協(xié)同體系中C–X鍵（X = Cl, Br, I）可通過(guò)σ軌道能級(jí)耦合實(shí)現(xiàn)惰性鹵代烴的高效活化。該成果提出了多金屬協(xié)同催化的新策略，為C–X鍵選擇性斷裂與反應(yīng)路徑調(diào)控提供了理論依據(jù)。相關(guān)研究以“Tri-Molecular Homolytic Combination Mechanism for Carbon–Halogen Bond Activation in Ni/Co Synergistic Catalysis為題，發(fā)表在 ACS Catalysis《催化》上。我校化學(xué)學(xué)院博士研究生高榕婉為論文第一作者，朱博副教授和關(guān)威教授為共同通訊作者。

關(guān)威教授/朱博副教授團(tuán)隊(duì)在多尺度協(xié)同催化機(jī)制研究中建立了從空間構(gòu)筑、電子調(diào)控到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智能預(yù)測(cè)的系統(tǒng)性研究體系。通過(guò)金屬籠限域作用、自由基反應(yīng)機(jī)理解析及智能化催化性能預(yù)測(cè)，在反應(yīng)選擇性調(diào)控和催化機(jī)制揭示方面取得了系列原創(chuàng)成果。這些研究不僅深化了對(duì)催化反應(yīng)本質(zhì)的理解，也為構(gòu)建綠色、高效、可編程的催化體系提供了新的理論支撐。