稀土元素最高氧化态研究取得重要进展

我系李隽教授课题组与复旦大学周鸣飞教授课题组,在稀土元素最高氧化态研究方面取得了重要进展,发现稀土元素可以达到前所未有的+V氧化态。相关成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 和Chem. Sci. 上。我系博士后胡淑贤博士是论文的第一作者。

作为化学科学中最重要的基本概念之一,氧化态与化学物质的物理化学性质密切相关,也是门捷列夫发现元素周期律的基础 。一直以来,元素周期表中化学元素稳定存在的最高氧化态为+VIII,2014年周鸣飞和李隽课题组等合作首次确认了过渡金属铱可以形成+IX价态化合物(Nature, 2014, 514, 475)。在此工作基础上,他们瞄准f-区元素的最高氧化态开展了系统的研究。

由于镧系等稀土金属元素的4f价轨道强烈收缩,导致其很难形成高氧化态化合物。常见的镧系元素氧化价态为+II和+III,只有Ce, Pr, Nd, Tb和Dy存在+IV价态。从上个世纪30年代开始,就有寻求+V氧化态稀土元素化合物的努力,均未能成功。最近,周鸣飞课题组通过实验获得了PrO2+离子以及PrO4和NPrO等中性分子的红外振动光谱,李隽课题组通过相对论量子化学理论研究证实了其中的Pr处于+V价态,从而首次确认了稀土金属元素在化学条件下的最高氧化态。这一成果对稀土金属氧化态的拓展及f-区元素化学键的理解具有重要科学意义,也为进一步宏观合成该类高氧化态稀土化合物及其在材料和化学体系中的应用提供了重要基础。美国化学会Inorg. Chem.杂志2016年稀土化学专刊序评中对这一发现作了亮点评论, 欧洲Chemistry Views及我国基金委网站也对此项研究进行了报道。

 图1. 首次发现的五价稀土化合物: PrVO2(O2)和NPrVO

论文链接:

[1] S.-X. Hu, J.-W. Jian, J. Su, X. Wu, J. Li*, M.-F. Zhou*, "The Pentavalent Lanthanide Nitride-Oxides: NPrO and NPrO- Complexes with N≡Pr Triple Bonds", Chem. Sci. 2017, 8, DOI: 10.1039/c7sc00710h

[2] Q.-N. Zhang, S.-X. Hu, H. Qu, J. Su, G.-J. Wang, J.-B. Lu, M.-H. Chen, M.-F. Zhou*, J. Li*,  "Pentavalent Lanthanide Compounds: Formation and Characterization of Praseodymium(V) Oxides", Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 6896-6900.