Alkanen zijn hoofdbestanddelen van aardgas en olie, die alleen uit koolstof- en waterstofatomen bestaat. De C-H-bindingen van alkanen zijn chemisch stabiel met een lage reactiviteit. Technologieën die selectieve functionalisering van alkanen mogelijk maken om alkanen om te zetten in bruikbare grondstoffen voor chemische producten zoals alcoholen en broomalkanen, worden gretig gezocht voor de ontwikkeling van zowel fundamentele chemische wetenschappen als industrieën. Het broommolecuul (Br ₂ ) wordt veel gebruikt voor bromering van een verscheidenheid aan organische verbindingen, waarbij bromeringsreacties plaatsvinden via een radicaalmechanisme. Om productselectiviteit te bereiken die verschilt van die van het radicale mechanisme, controle van de elektronentoestanden van het broommolecuul is nodig.

Vanadiumoxideclusters zijn een groep materialen met verschillende structuren waarvan wordt verwacht dat ze bruikbaar zijn als functionele materialen. Een halfronde vanadiumoxidecluster met een holte die overeenkomt met de grootte van één halogeenatoom vertoont een speciale ladingsverdeling waarbij de omtrek van de holte relatief negatief geladen is, terwijl de binnenkant relatief positief geladen is. Hoewel deze verbinding een grote negatieve lading heeft, het biedt stabiele accommodatie van een verbinding met een negatieve lading of met functionele groepen in zijn holte. Prof. Yuji Kikukawa van Kanazawa University onthulde eerder dat het halfbolvormige vanadiumoxidecluster een uitpuilende structuur aannam in de aanwezigheid van een andere verbinding die in de holte werd gevangen, terwijl de structuur was ingestort bij afwezigheid van een verbinding in de holte ( Angewandte Chemie, Internationale editie , 2018, 57, 16051-16055).

In de huidige studie onder leiding van een onderzoeksgroep van profs. Yuji Kikukawa en Yoshihito Hayashi van Kanazawa University in samenwerking met wetenschappers van Ritsumeikan University en High Energy Accelerator Research Organization, er werd onthuld dat een broommolecuul kan worden gestabiliseerd in de holte van een halfronde vanadiumoxidecluster. In het infraroodspectrum, een absorptiepiek bij 185 cm ^-1 afkomstig van polarisatie van het broommolecuul gevangen in de holte werd waargenomen, hoewel een broommolecuul zonder polarisatie zo'n piek niet zou vertonen. Dit is de eerste spectrale waarneming van het gepolariseerde broommolecuul. Door uitgebreide röntgenabsorptiemetingen van fijne structuur van het broommolecuul te analyseren, uitgevoerd in Photon Factory, Onderzoeksorganisatie Hoge Energieversneller (KEK), een Br-Br-afstand van 0,233 nm werd voorgesteld, iets langer dan die van 0,228 nm in broommoleculen in de gasfase.

Door zo'n gepolariseerd en geactiveerd broommolecuul te gebruiken in de holte van het vanadiumoxidecluster, bromering van pentaan leverde 2-broompentaan en 3-broompentaan op in een verhouding van 36:64, die verschilt van de verhouding van 80:20 wanneer bromering werd uitgevoerd in afwezigheid van vanadiumoxidecluster, verschillende selectiviteit aangeeft. In aanvulling, over een ander product, 2, 3-dibroompentaan, die bestaat uit diastereomeren, de verhouding van het threo-isomeer was hoger dan wanneer alleen broommoleculen met pentaan werden gereageerd. Verder, bromering zou kunnen plaatsvinden met kleinere alkanen met een kortere koolstofketen zoals butaan of propaan.

Zoals hierboven, er werd gevonden dat het broommolecuul gevangen in de vanadiumoxideholte een andere specificiteit vertoonde dan het radicale mechanisme voor de bromeringsreactie van alkanen.

Metaaloxideclusters zijn in staat om oxidatie en reductie uit te voeren met behoud van hun structuur. Het is ook mogelijk om te conjugeren met andere metaalsoorten en om sommige samenstellende metaalatomen te vervangen door andere atomen. Dus, de eigenschappen van metaaloxideclusters kunnen worden gereguleerd. Verdere ontwikkelingen worden verwacht, zoals de activering van kleine moleculen met behulp van een dergelijke holte met atomaire dimensie door de ladingsverdeling in de holte te regelen en de productie van zeer functionele katalysatoren door structuren op moleculair niveau te regelen. Er wordt ook verwacht dat selectieve functionaliseringsreacties met methaan, die zeer inert is, maar waarvan een efficiënte chemische modificatie zeer wenselijk is, kan worden bereikt door het verbeteren van materialen die de elektronentoestanden reguleren.