Alcanos são os principais constituintes do gás natural e do petróleo, consistindo em átomos de carbono e hidrogênio apenas. As ligações C-H dos alcanos são quimicamente estáveis ​​com baixa reatividade. As tecnologias que permitem a funcionalização seletiva de alcanos para a conversão de alcanos em matérias-primas úteis para produtos químicos, como álcoois e bromoalcanos, são avidamente buscadas para o desenvolvimento das ciências químicas básicas e das indústrias. A molécula de bromo (Br ₂ ) é amplamente utilizado para bromação de uma variedade de compostos orgânicos, onde as reações de bromação ocorrem por meio de um mecanismo radical. Para atingir seletividade de produto diferente daquela do mecanismo radical, o controle dos estados dos elétrons da molécula de bromo é necessário.

Os aglomerados de óxido de vanádio são um grupo de materiais com várias estruturas que se espera que sejam úteis como materiais funcionais. Um aglomerado hemisférico de óxido de vanádio tendo uma cavidade correspondente ao tamanho de um átomo de halogênio mostra uma distribuição de carga especial onde a periferia da cavidade é relativamente carregada negativamente, enquanto o interior é relativamente positivamente carregado. Embora este composto tenha uma grande carga negativa, oferece acomodação estável de um composto com carga negativa ou com grupos funcionais em sua cavidade. O Prof. Yuji Kikukawa da Universidade de Kanazawa revelou anteriormente que o aglomerado de óxido de vanádio hemisférico assumiu uma estrutura protuberante na presença de outro composto sendo preso na cavidade, Considerando que a estrutura foi colapsada na ausência de um composto na cavidade ( Angewandte Chemie, Edição Internacional , 2018, 57, 16051-16055).

No presente estudo liderado por um grupo de pesquisa dos Profs. Yuji Kikukawa e Yoshihito Hayashi, da Kanazawa University, em colaboração com cientistas da Ritsumeikan University e da High Energy Accelerator Research Organization, foi revelado que uma molécula de bromo pode ser estabilizada na cavidade de um aglomerado hemisférico de óxido de vanádio. No espectro infravermelho, um pico de absorção a 185 cm ^-1 proveniente da polarização da molécula de bromo presa na cavidade foi observada, embora uma molécula de bromo sem polarização não mostrasse tal pico. Esta é a primeira observação espectral da molécula de bromo polarizada. Ao analisar medições de estrutura fina de absorção de raios-X estendida da molécula de bromo realizadas na Photon Factory, Organização de pesquisa do acelerador de alta energia (KEK), uma distância Br-Br de 0,233 nm foi sugerida, ligeiramente mais longo do que 0,228 nm em moléculas de bromo em fase gasosa.

Ao usar essa molécula de bromo polarizada e ativada na cavidade do aglomerado de óxido de vanádio, a bromação de pentano rendeu 2-bromopentano e 3-bromopentano em uma proporção de 36:64, que difere da proporção de 80:20 quando a bromação foi realizada na ausência de aglomerado de óxido de vanádio, indicando seletividade diferente. Além disso, sobre outro produto, 2, 3-dibromopentano, que consiste em diastereômeros, a proporção do isômero treo foi maior do que quando as moléculas de bromo sozinhas reagiram com pentano. Além disso, a bromação pode ocorrer com alcanos menores com cadeia de carbono mais curta, como butano ou propano.

Como acima, verificou-se que a molécula de bromo presa na cavidade de óxido de vanádio apresentou uma especificidade diferente do mecanismo radical para a reação de brominação de alcanos.

Os aglomerados de óxidos metálicos são capazes de realizar oxidação e redução, mantendo sua estrutura. Também é possível conjugar com outras espécies de metal e substituir alguns átomos de metal constituintes por outros átomos. Assim, as características dos aglomerados de óxidos metálicos podem ser reguladas. Outros desenvolvimentos são esperados, como a ativação de pequenas moléculas usando uma cavidade de dimensão atômica por meio do controle da distribuição de carga na cavidade e a produção de catalisadores altamente funcionais pelo controle de estruturas em nível molecular. Também é esperado que as reações de funcionalização seletiva usando metano, que é altamente inerte, mas cuja modificação química eficiente é altamente desejável, pode ser alcançado melhorando os materiais que regulam os estados do elétron.