在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：21173053，21433005，21590792）資助下，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系周鳴飛教授課題組和清華大學(xué)化學(xué)系李雋教授課題組合作，在稀土元素最高氧化態(tài)研究方面取得了重要進(jìn)展。相關(guān)系列成果以“Pentavalent lanthanide nitride-oxides: NPrO and NPrO? complexes with N≡Pr triple bonds”（五價鑭系金屬氮-氧化合物：包含N-Pr三鍵的NPrO和NPrO?絡(luò)合物）和“Pentavalent Lanthanide Compounds：Formation and Characterization of Praseodymium(V) Oxides”（五價鑭系化合物：五價鐠氧化物的形成與表征）為題分別于2017年3月15日和2016年6月6日發(fā)表在Chemical Science和Angewandte Chemie International Edition上。
氧化態(tài)是化學(xué)中最重要的基本概念之一，是門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素周期律的基礎(chǔ)。氧化態(tài)反映元素在化合物中的化合狀態(tài)及其在化學(xué)反應(yīng)過程中的電子得失情況，因而與化學(xué)物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。一直以來，元素周期表中化學(xué)元素穩(wěn)定存在的最高氧化態(tài)為+VIII。2014年周鳴飛和李雋課題組等合作首次確認(rèn)了銥元素可以形成+IX價態(tài)化合物（Nature,2014,514,475）。在此工作基礎(chǔ)上，他們瞄準(zhǔn)f-區(qū)元素的最高氧化態(tài)開展了系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)稀土元素的最高氧化態(tài)可以達(dá)到前所未有的+V。
對于鑭系等稀土金屬元素，其4f價軌道強(qiáng)烈收縮，導(dǎo)致很難形成高氧化態(tài)化合物。大部分鑭系元素的常見氧化價態(tài)為+III和+II，只有少數(shù)幾個鑭系元素包括Ce、Pr、Nd、Tb和Dy存在+IV價態(tài)。從20世紀(jì)30年代開始，就有尋求＋V氧化態(tài)稀土元素化合物的努力，均未能成功。周鳴飛課題組通過低溫基質(zhì)隔離紅外光譜和串級飛行時間質(zhì)譜-紅外光解離光譜實(shí)驗(yàn)獲得了PrO2+絡(luò)合物以及PrO4和NPrO等中性分子的紅外振動光譜，李雋課題組的理論研究證實(shí)了其中的Pr處于+V價態(tài)，從而首次確認(rèn)了稀土金屬元素在化學(xué)條件下的最高氧化態(tài)。美國化學(xué)會Inorganic Chemistry雜志2016年稀土化學(xué)專刊序評中對這一發(fā)現(xiàn)也作了亮點(diǎn)評論，認(rèn)為鑭系元素新氧化態(tài)的發(fā)現(xiàn)是目前鑭系化學(xué)的創(chuàng)新性研究方向之一（creative new directions），歐洲Chemistry Views也對此進(jìn)行了報道。
這一系列成果對稀土金屬氧化態(tài)的拓展及f-區(qū)元素成鍵特性的理解具有重要科學(xué)意義，也為進(jìn)一步宏觀合成該類高氧化態(tài)化合物及其在材料和化學(xué)反應(yīng)體系中的應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)。
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