Los alcanos son componentes principales del gas natural y el petróleo, compuesto únicamente por átomos de carbono e hidrógeno. Los enlaces C-H de los alcanos son químicamente estables con baja reactividad. Las tecnologías que permiten la funcionalización selectiva de alcanos para convertir alcanos en materias primas útiles para productos químicos como alcoholes y bromoalcanos se buscan con entusiasmo para el desarrollo de las industrias y las ciencias químicas básicas. La molécula de bromo (Br ₂ ) se utiliza ampliamente para la bromación de una variedad de compuestos orgánicos, donde las reacciones de bromación tienen lugar a través de un mecanismo de radicales. Para lograr una selectividad de producto diferente a la del mecanismo radical, Se necesita el control de los estados electrónicos de la molécula de bromo.

Los racimos de óxido de vanadio son un grupo de materiales con diversas estructuras que se espera sean útiles como materiales funcionales. Un grupo de óxido de vanadio hemisférico que tiene una cavidad correspondiente al tamaño de un átomo de halógeno muestra una distribución de carga especial donde la periferia de la cavidad está cargada relativamente negativamente mientras que el interior está cargado relativamente positivamente. Aunque este compuesto tiene una gran carga negativa, ofrece alojamiento estable de un compuesto con carga negativa o con grupos funcionales en su cavidad. El profesor Yuji Kikukawa de la Universidad de Kanazawa reveló previamente que el grupo de óxido de vanadio hemisférico adquirió una estructura abultada en presencia de otro compuesto atrapado en la cavidad. mientras que la estructura se derrumbó en ausencia de un compuesto en la cavidad ( Angewandte Chemie, Edición internacional , 2018, 57, 16051-16055).

En el presente estudio dirigido por un grupo de investigación de los Profs. Yuji Kikukawa y Yoshihito Hayashi de la Universidad de Kanazawa en colaboración con científicos de la Universidad de Ritsumeikan y la Organización de Investigación Aceleradora de Alta Energía, Se reveló que una molécula de bromo se puede estabilizar en la cavidad de un grupo de óxido de vanadio hemisférico. En el espectro infrarrojo, un pico de absorción a 185 cm ^-1 originado por la polarización de la molécula de bromo atrapada en la cavidad se observó, aunque una molécula de bromo sin polarización no mostraría tal pico. Esta es la primera observación espectral de la molécula de bromo polarizada. Al analizar las mediciones extendidas de la estructura fina de absorción de rayos X de la molécula de bromo realizadas en Photon Factory, Organización de investigación de aceleradores de alta energía (KEK), Se sugirió una distancia Br-Br de 0.233 nm, ligeramente más largo que el de 0,228 nm en moléculas de bromo en fase gaseosa.

Al usar una molécula de bromo polarizada y activada en la cavidad del grupo de óxido de vanadio, la bromación de pentano produjo 2-bromopentano y 3-bromopentano en una proporción de 36:64, que difiere de la proporción de 80:20 cuando la bromación se llevó a cabo en ausencia de un grupo de óxido de vanadio, indicando diferente selectividad. Además, sobre otro producto, 2, 3-dibromopentano, que consta de diastereómeros, la proporción del isómero treo fue mayor que cuando las moléculas de bromo solas reaccionaron con pentano. Es más, la bromación podría tener lugar con alcanos más pequeños con una cadena de carbono más corta, como el butano o el propano.

Como anteriormente, Se encontró que la molécula de bromo atrapada en la cavidad del óxido de vanadio mostraba una especificidad diferente del mecanismo radical para la reacción de bromación de los alcanos.

Los racimos de óxidos metálicos pueden realizar oxidación y reducción mientras mantienen su estructura. También es posible conjugar con otras especies de metales y reemplazar algunos átomos de metales constituyentes con otros átomos. Por lo tanto, se pueden regular las características de los racimos de óxidos metálicos. Se esperan más desarrollos, como la activación de moléculas pequeñas utilizando una cavidad de dimensión atómica mediante el control de la distribución de carga en la cavidad y la producción de catalizadores altamente funcionales mediante el control de estructuras de nivel molecular. También se espera que las reacciones de funcionalización selectiva que utilizan metano, que es altamente inerte pero cuya eficiente modificación química es altamente deseable, se puede lograr mejorando los materiales que regulan los estados de los electrones.