μ子自旋旋转(µSR)光谱是一种重要的方法，可以在原子尺度上研究材料的行为。该技术利用μ子，这是一种亚原子粒子，类似于质子，但质量更轻。当这些μ子引入材料中时，它们与周围的磁场相互作用，从而提供有关材料的组成和行为的宝贵见解，特别是对于高度反应性的物种，例如自由基。
在日本东京科学研究所材料与化学技术学院的副教授伊藤重和领导的团队进行的一项最新研究中，采用µSR光谱研究了类三氟甲基化的12-磷酸萘 1 的区域选择性μ子化。这种化合物属于一种与磷相关的常见化学结构变体。µSR过程始于μ子（Mu）的生成，当带正电的μ子（µ+）捕获一个电子（e–）时，形成μ子。随后，μ子与含磷化合物反应，导致在磷位点生成μ子化自由基。这种选择性添加的发生是由于磷原子的显著反应性，这是多芳香烃的一种特征。其研究结果在2025年1月7日在线发表于《科学报告》上。
研究表明，μ子主要与磷原子反应，在该位点产生一个稳定但非常反应性的μ子化自由基，展示了该分子的高反应性。研究人员使用横场μSR(TF-µSR)光谱深入分析了这种相互作用，使他们能够直接研究自由基的磁环境。TF-µSR测量显示，即使在低浓度(0.060 M在四氢呋喃中)，μ子化过程也有效并产生了易检测的信号。
“通过利用µSR光谱，我们成功地研究了区域选择性μ子化过程，提供了直接证据表明磷在该结构中的反应性，”伊藤表示。“在低浓度下探讨这一自由基的机会为跨不同分子框架研究反应性物质打开了新的途径。”
为了进一步分析μ子化自由基的结构和稳定性，研究团队采用了密度泛函理论(DFT)。超精细参数Aμ和A31P，来自于DFT计算，提供了有关电子结构和稳定化的重要信息。计算表明，12-磷酸萘 1 的μ子化自由基因最低可用的(零点)能量的影响而在一个平面、π-去局域化的排列中得到稳定。这种稳定性抑制了热力学上更有利的鞍型四环结构的出现。
该研究的另一个关键观察是温度如何影响Aμ 和 A31P 参数。随着温度的升高，这两个参数都显示出下降，意味着μ子化自由基经历了结构稳定化。这些结论得到了µSR和μ子(避免的)水平交叉共振实验的证实，为μ子化自由基的动力学和结构特性提供了进一步的见解。
“这项研究为μ子化自由基的动力学和结构调整提供了重要见解，可能会影响未来关于自由基行为和稳定化技术的研究，”伊藤评论道。解决分子框架中的应变增强了稳定性和反应性，为材料的实用应用奠定了基础，包括电子自旋功能材料和核酸调控。这些进展可能带来更大的可靠性，并为尖端技术和治疗解决方案打开新的大门。
类三氟甲基化的12-磷酸萘 1 的区域选择性μ子化预计将通过促进电子自旋功能材料和核酸调节剂的发展，影响材料科学和生物学等领域。总体而言，这项研究加深了我们对基于磷的自由基的理解，并展示了µSR光谱在探索原子层面反应性物种时的适应性。
