Alkaner är viktiga beståndsdelar i naturgas och olja, som endast består av kol- och väteatomer. CH-bindningarna av alkaner är kemiskt stabila med låg reaktivitet. Teknik som möjliggör selektiv funktionalisering av alkaner för att omvandla alkaner till användbara råmaterial för kemiska produkter som alkoholer och bromalkaner är ivrigt eftersökta för utveckling av både grundläggande kemiska vetenskaper och industrier. Brommolekylen (Br ₂ ) används i stor utsträckning för bromering av en mängd olika organiska föreningar, där bromeringsreaktioner sker via en radikalmekanism. För att uppnå produktselektivitet som skiljer sig från den för den radikala mekanismen, kontroll av brommolekylens elektrontillstånd behövs.

Vanadinoxidkluster är en grupp material med olika strukturer som förväntas vara användbara som funktionella material. Ett halvsfäriskt vanadinoxidkluster med en kavitet som motsvarar storleken på en halogenatom uppvisar speciell laddningsfördelning där kavitetens periferi är relativt negativt laddad medan insidan är relativt positivt laddad. Även om denna förening har en stor negativ laddning, det erbjuder stabilt boende av en förening med en negativ laddning eller med funktionella grupper i dess hålighet. Prof. Yuji Kikukawa vid Kanazawa University avslöjade tidigare att det halvsfäriska vanadinoxidklustret antog en utbuktande struktur i närvaro av en annan förening som fångades i håligheten, medan strukturen kollapsade i frånvaro av en förening i kaviteten ( Angewandte Chemie, International Edition , 2018, 57, 16051-16055).

I denna studie ledd av en forskargrupp av Profs. Yuji Kikukawa och Yoshihito Hayashi från Kanazawa University i samarbete med forskare från Ritsumeikan University och High Energy Accelerator Research Organization, det avslöjades att en brommolekyl kan stabiliseras i hålrummet i ett hemisfäriskt vanadinoxidkluster. I det infraröda spektrumet, en absorptionstopp på 185 cm ^-1 härrörande från polarisering av brommolekylen som fångats i kaviteten observerades, även om en brommolekyl utan polarisering inte skulle visa en sådan topp. Detta är den första spektrala observationen av den polariserade brommolekylen. Genom att analysera förlängd röntgenabsorption finstrukturmätningar av brommolekylen utförda vid Photon Factory, High Energy Accelerator Research Organisation (KEK), ett Br-Br-avstånd på 0,233 nm föreslogs, något längre än den på 0,228 nm i brommolekyler i gasfas.

Genom att använda en sådan polariserad och aktiverad brommolekyl i håligheten i vanadinoxidklustret, bromering av pentan gav 2-brompentan och 3-brompentan i förhållandet 36:64, vilket skiljer sig från förhållandet 80:20 när bromering utfördes i frånvaro av vanadinoxidkluster, indikerar olika selektivitet. Dessutom, om en annan produkt, 2, 3-dibrompentan, som består av diastereomerer, förhållandet mellan treo -isomeren var högre än när enbart brommolekyler reagerades med pentan. Vidare, bromering skulle kunna ske med mindre alkaner med kortare kolkedja såsom butan eller propan.

Som ovan, det visade sig att brommolekylen som fångats i vanadinoxidhålan uppvisade en specificitet som skilde sig från radikalmekanismen för bromeringsreaktion av alkaner.

Metalloxidkluster kan utföra oxidation och reduktion samtidigt som de behåller sin struktur. Det är också möjligt att konjugera med andra metallarter och att ersätta vissa ingående metallatomer med andra atomer. Således, egenskaperna hos metalloxidkluster kan regleras. Ytterligare utveckling förväntas såsom aktivering av små molekyler med användning av en sådan atomdimensionshålighet genom att kontrollera laddningsfördelningen i kaviteten och produktion av högfunktionella katalysatorer genom att kontrollera strukturer på molekylnivå. Det förväntas också att selektiva funktionaliseringsreaktioner som använder metan, som är mycket inert men vars effektiva kemiska modifiering är mycket önskvärd, kan uppnås genom att förbättra material som reglerar elektrontillstånden.