來源：金澤大學

烷烴是天然氣和石油的主要成分，僅由碳原子和氫原子組成。烷烴的C-H鍵化學性質穩定，反應活性低。基礎化學科學和工業的發展迫切需要實現烷烴選擇性官能化，将烷烴轉化為醇類、溴代烷烴等化工産品的有用原料。溴分子（Br₂）廣泛用于各種有機化合物的溴化反應，其中溴化反應通過自由基機理發生。為了獲得不同于自由基機理的産物選擇性，需要控制溴分子的電子态。

釩氧化物簇合物是一類具有多種結構的材料，有望成為功能材料。半球形釩氧化物團簇具有與一個鹵素原子大小相對應的空腔，呈現出特殊的電荷分布，其中空腔的外圍帶相對負電荷，而内部則相對帶正電荷。雖然這種化合物有一個大的負電荷，它提供了一個穩定的容納負電荷或功能團在其空腔。金澤大學的Yuji Kikukawa教授此前透露，半球形氧化釩團簇在另一種化合物被困在空腔中時呈現出膨脹的結構，而在空腔中沒有化合物的情況下，結構則會坍塌（Angewandte Chemie，國際版，2018，57，16051-16055）。

在本研究中，由一個教授組成的研究小組領導。金澤大學的Yuji Kikukawa和Yoshihito Hayashi與日本立命館大學和高能加速器研究機構的科學家合作，發現在半球形氧化釩團簇的空腔中可以穩定溴分子。在紅外光譜中，在185cm-1處觀察到一個吸收峰，這是由于被困在空腔中的溴分子的偏振引起的，盡管沒有偏振的溴分子不會出現這樣的吸收峰。這是第一次對極化溴分子的光譜觀測。通過分析高能加速器研究機構光子工廠（KEK）對溴分子進行的擴展X射線吸收精細結構測量，建議溴-溴距離為0.233nm，略長于氣相溴分子的0.228nm。

在釩氧化物團簇的空腔中使用這種極化活化的溴分子，戊烷溴化反應生成2-溴代戊烷和3-溴代戊烷的比例為36:64，這與在沒有釩氧化物團簇的情況下進行溴化反應時的80:20的比例不同，顯示出不同的選擇性。另外，對于另一種由非對映體組成的2,3-二溴戊烷，蘇氨酸異構體的比率比溴分子單獨與戊烷反應時高。此外，溴化反應可與碳鍊較短的較小烷烴（如丁烷或丙烷）發生。

如上所述，在釩氧化物空腔中捕獲的溴分子表現出不同于烷烴溴化反應的自由基機理的特異性。

金屬氧化物團簇能夠在保持其結構的同時進行氧化和還原。也有可能與其他金屬物種共轭，并用其他原子取代某些組成的金屬原子。因此，可以調節金屬氧化物團簇的特性。進一步的發展将被期待，例如通過控制空腔中的電荷分布來使用這種原子尺寸空腔激活小分子，以及通過控制分子水平結構來生産高功能催化劑。人們還期望通過改進調節電子态的材料來實現甲烷的選擇性官能化反應，甲烷具有很高的惰性，但其有效的化學改性是非常理想的。

更多信息：Yuji Kikukawa et al, Induced Fitting and Polarization of a Bromine Molecule in an Electrophilic Inorganic Molecular Cavity and Its Bromination Reactivity, Angewandte Chemie International Edition (2020). DOI: 10.1002/anie.202007406

期刊信息：《Angewandte Chemie International Edition》

原文網址：https://phys.org/news/2020-07-polarization-bromine-molecule-vanadium-oxide.html

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