國立中山大學學位論文典藏.PDF

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1 國立中山大學 化學系 碩士論文 Department of Chemistry National Sun Yat-sen University Master Thesis 咔唑衍生物的合成與金屬離子辨識行為之探討 Synthesis and Metal Ion Binding Behavior of 1,8-Bisisoxazole-9H-Carbazole Derivatives 研究生 伍耕甫 Keng-Fu Wu 指導教授 蔣燕南 博士 Dr. Michael Y. Chiang 中華民國 103 年 6 月 June 2014

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3 謝 誌 在這兩年的碩士生涯中 特別要感謝蔣燕南老師在研究上的指導以及在生活 上的照顧 同時也要感謝吳明忠老師 王志偉老師在研究資源上的提供及有機合 成技術的指導 並且感謝口試委員許智能老師在百忙之中撥空指導 提供許多寶 貴的建議 使得本論文更加的完善 在中山化學所兩年的時間裡 有許多值得回憶的事情 也有很多幫助過我的 人 由於幫助過我的的人實在太多了 在此一並感謝 因為有了你們 讓我在碩 士班的生活更加的豐富和有趣 因為有了你們精神上的支持與陪伴才使的我有更 多的能量來完成此論文 最後 感謝我最親愛的家人 在回到高雄的這兩年中 細心的照料讓我無後 顧之憂的專注在研究上 感謝你們的全力支持 讓我順利完成學業 ii

4 中文摘要 本研究成功合成出以咔唑 (carbazole) 為基底的螢光化學感測器 1,8-bis(3phenyl-isoxazolyl)-3,6-di-tert-butyl-9H-carbazole 化合物 23 並透過核磁共振光 譜 質譜 X-ray 單晶繞射鑑定其結構 由於 23 有 π 電子共軛結構 所以在紫 外燈照射下可以看到很強的螢光 化合物 23 在金屬離子篩選實驗中以乙腈為溶 劑加入 10 當量的各種金屬離子 (Li+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+, Cd3+, Mn2+, Ni2+, Ag+, Pb2+, Zn2+, Cu2+, Hg2+) 其結合常數為 2.2 x 104 M-1 同時利用發現化合物 23 與銅離子是以 1 1 形成錯合物 當化合物 23 感測到銅離子時會產生明顯的螢光 淬滅現象 將異惡唑 (isoxazole) 的結構進行開環反應而得到化合物 23 的衍生物 1,8-bis (phenylenaminone)-3,6-di-tert-butyl-9h-carbazole 化合物 24 由於開環導致共軛 結構被破壞 所以化合物 24 是沒有螢光的 但仍可進行化學變色感測 設計化 合物 24 的目的在於增強對金屬離子的螯合能力 最後經由金屬離子篩選實驗發 現化合物 24 可偵測六種金屬離子 其中以鎳離子和鋅離子具有較明顯的變色效 果 0.1 當量即可誘導變色發生 關鍵字 化學感測器 銅離子 分子辨識 螢光淬滅 iii

5 英文摘要 Carbazole based fluorescence chemosensor 23, 1,8-bis(3-phenyl-isoxazolyl)-3,6di-tert-butyl-9H-carbazole, was prepared and characterized by NMR, MALDI-MS, absorption and emission spectroscopy. The sensing properties of 23 toward various metal ions were investigated in CH3CN solution. A highly selective fluorescent turn-off response is observed in the presence of copper (II) among other metal ions, as is observed with the addition of 10 equiv of Li+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+, Cd3+, Mn2+, Ni2+, Ag+, Pb2+, Zn2+, Cu2+, Hg2+ ions. The fluorescence intensity is almost not influenced by the addition of other metal ions. A Job s plot determining the stoichiometry ratio of 23 and Cu2+ in CH3CN indicates a simple one-to-one binding preference. The binding constant for Cu2+ ion with 23 is M-1. Another carbazole based chemosensor 24 is derived from 23. We found that 24 can bind to six metal ions. Especially with nickel ions and zinc ions, significant color change can be easily observed by naked eyes. Keywors metal ions, chemosensor, copper (II), molecular recognition, fluorescence quenching iv

6 目錄 論文審定書... i 謝誌... ii 中文摘要...iii 英文摘要... iv 目錄... v 圖目錄... vii 表目錄... x 附錄圖... xi 附錄表... xii 第一章 序論 1-1 前言 超分子化學 分子辨識與化學感測器 螢光感測器的光物理機制 光誘導電子轉移 (Photoinduced electron transfer PET) 內電荷轉移 (Internal charge transfer ICT) 共振螢光轉移 (Förster resonance energy transfer FRET) 激態錯合體 (Exciplex) 咔唑 (Carbazole) 研究動機及相關文獻 研究目標 第二章 實驗部分 2-1 實驗部分 儀器部分與物性測量 v

7 2-3 合成部分 化合物 23 與化合物 24 光化學實驗溶液配置 化合物 23 與銅離子吸收光譜與放射光譜滴定實驗的溶液配置方法 化合物 23 與銅離子 Job s plot 實驗的溶液配置方法 單晶繞射與分子結構解析 第三章 結果與討論 3-1 本研究欲合成之目標物的反應合成路徑 合成方法討論 晶體結構 光化學現象討論 化合物 23 金屬離子辨識實驗 化合物 23 對不同銅離子濃度之吸收光譜與放射光譜 化合物 23 對銅離子的 Job s plot 化合物 23 對銅離子的結合常數計算 化合物 23 辨識實驗的顏色變化 化合物 24 金屬離子辨識實驗 化合物 24 對不同金屬離子濃度之吸收光譜 化合物 24 金屬離子的 Job s plot 化合物 24 金屬離子的結合常數計算 化合物 24 辨識實驗的顏色變化 第四章 結論 第五章 參考文獻 vi

8 圖目錄 圖一 受質與受體形成複合物的平衡方程式... 3 圖二 化學感測器的組成... 5 圖三 螢光化學感測器的作用機制... 5 圖四 化合物 1 與錯合物 1+K+ 的結構... 6 圖五 PET 的作用機制 條狀為螢光團分子 中孔狀為冠醚 hvabs 表示分子吸 收的能量 hvflu 表示所放射出來的光 U 表示相對的能量... 8 圖六 化合物 2 與溶劑形成氫鍵而改變螢光行為... 9 圖七 化合物 3 與 4 的結構 圖八 (a) Donor-Acceptor 與 (b) Donor- Acceptor-Donor 型的 ICT 作用機制 圖九 FRET 作用機制 圖十 FRET 螢光化學感測器 圖十一 化合物 5 兩個螢光團羅丹名放射光譜與氧雜蒽吸收光譜重疊的部分 圖十二 苝與二甲基苯胺分子間激態錯合體形成示意圖 圖十三 咔唑和九里香鹼的結構 圖十四 murrayafoline A 的結構 圖十五 4,4'-Bis(carbazol-9-yl)biphenyl 與 Poly(9-vinylcarbazole) 的結構 圖十六 咔唑的結構與位置編號 圖十七 化合物 14 的結構 圖十八 錯合物 15 檢測氰陰離子流程圖 圖十九 化合物 14 以乙腈為溶劑加入 0 ~ 1 當量的銅離子螢光光譜變化 圖二十 化合物 15 以乙腈為溶劑加入 5 當量各種不同陰離子 (a) UV-Vis 吸收 光譜和螢光放射光譜的變化 (b) 肉眼直接看到的螢光變化 激發波長 為 365 nm (c) 在 383 nm 的螢光相對強度 激發波長為 365 nm vii

9 圖二十一 MALID-TOF-MS (a)化合物 14 (b)錯合物 14 + Cu2+ (c)錯合物 14 + Cu2+ + CN- ( 1 當量) (d)錯合物 14 + Cu2+ + CN- (過量) 圖二十二 化合物 23 與 24 的結構 圖二十三 化合物 23 與 24 的合成 圖二十四 碘取代與溴取代合成化合物 19 產率差異 圖二十五 化合物 17 合成碘取代與溴取代產物產率差異 圖二十六 化合物 23 之晶體結構 ORTEP 圖 圖二十七 化合物 23 以乙睛為溶劑 濃度為 3 x 10-5 M (a) 紫外-可見光吸收 光譜 (b) 螢光放射光譜 (λex = 320 nm) 圖二十八 化合物 23 在紫外燈照射下所呈現的螢光 圖二十九 化合物 23 以乙睛為溶劑 濃度為 3 x 10-5 M 吸收光譜 圖三十 化合物 23 加入 10 當量各種不同金屬離子的紫外-可見光吸收光譜圖 以乙腈為溶劑 濃度為 3 x 10-5 M 下測量 圖三十一 化合物 23 加入 10 當量各種不同金屬離子的螢光放射光譜圖 以 乙腈為溶劑 濃度為 3 x 10-5 M 下測量 (λex = 320 nm) 圖三十二 化合物 23 以乙腈為溶劑 濃度為 2 x 10-5 M 加入 0 ~ 10 當量銅 離子的紫外-可見光吸收光譜疊圖 圖三十三 化合物 23 以乙腈為溶劑 濃度為 2 x 10-5 M 加入 0 ~ 10 當量 銅離子的螢光放射光譜疊圖 (λex = 320 nm) 圖三十四 紫外燈下 化合物 23 加入 10 當量銅離子前後變化 圖三十五 化合物 23 與銅離子的 Job s plot 圖三十六 化合物 23 與銅離子的 Benesi-Hildebrand plot 圖三十七 化合物 23 加入 10 當量各種金屬離子前後的顏色變化 圖三十八 化合物 24 加入 10 當量各種不同金屬離子的紫外-可見光吸收光 譜圖 以乙腈為溶劑 濃度為 2 x 10-5 M 下測量 viii

10 圖三十九 化合物 24 以乙腈為溶劑 濃度為 3 x 10-5 M 加入 0 ~ 2 當量鎳 離子的紫外-可見光吸收光譜疊圖 圖四十 化合物 24 以乙腈為溶劑 濃度為 3 x 10-5 M 加入 0 ~ 2 當量鋅離 子的紫外-可見光吸收光譜疊圖 圖四十一 化合物 24 以乙腈為溶劑 濃度為 3 x 10-5 M 加入 0 ~ 10 當量銅 離子的紫外-可見光吸收光譜疊圖 圖四十二 化合物 24 以乙腈為溶劑 濃度為 3 x 10-5 M 加入 0 ~ 10 當量鉛 離子的紫外-可見光吸收光譜疊圖 圖四十三 化合物 24 以乙腈為溶劑 濃度為 3 x 10-5 M 加入 0 ~ 10 當量錳 離子的紫外-可見光吸收光譜疊圖 圖四十四 化合物 24 以乙腈為溶劑 濃度為 3 x 10-5 M 加入 0 ~ 10 當量汞 離子的紫外-可見光吸收光譜疊圖 圖四十五 化合物 24 與鎳離子的 Job s plot 圖四十六 化合物 24 與鋅離子的 Job s plot 圖四十七 化合物 24 與銅離子的 Job s plot 圖四十八 化合物 24 與汞離子的 Job s plot 圖四十九 化合物 24 與鉛離子的 Job s plot 圖五十 化合物 24 與錳離子的 Job s plot 圖五十一 化合物 24 加入鎳離子與鋅離子的顏色變化 圖五十二 化合物 24 加入銅離子 汞離子 鉛離子與錳離子的的顏色變化 ix

11 表目錄 表一 de Silve 的螢光感測器與金屬結合常數 (log K) 和量子產率 (Φ)... 7 表二 化合物 與金屬離子之配位比例與結合常數 x

12 附錄圖 附錄圖一 化合物 17 之 1H-NMR 光譜圖 附錄圖二 化合物 18 之 1H-NMR 光譜圖 附錄圖三 化合物 19 之 1H-NMR 光譜圖 附錄圖四 化合物 23 之 1H-NMR 光譜圖 附錄圖五 化合物 23 之 13C -NMR 光譜圖 附錄圖六 化合物 23 之 DEPT-NMR 光譜圖 附錄圖七 化合物 23 之 質譜圖 附錄圖八 化合物 24 之 1H-NMR 光譜圖 附錄圖九 化合物 24 之 13C -NMR 光譜圖 附錄圖十 化合物 24 之 DEPT-NMR 光譜圖 附錄圖十一 化合物 24 之 2D-NMR NOESY 光譜圖 附錄圖十二 化合物 24 之 質譜圖 xi

13 附錄表 附錄表一 化合物 23 之 crystal data 和 structure refinement 附錄表二 化合物 23 之 atomic coordinates 和 U (eq) 附錄表三 化合物 23 之鍵長和鍵角 附錄表四 化合物 23 之 Anisotropic displacement parameters (Å2x 103) 附錄表五 化合物 23 之 Hydrogen coordinates (x 104) and isotropic displacement parameters (Å2x 103) xii

14 第一章 緒論 1-1 前言 隨著科技的進步與發展 伴隨而來的是自然界的污染與破壞 例如電子產業 所需要生產的印刷電路板 (Printed circuit board PCB ) 在製造過程中所排放的金 屬廢棄物對大自然的環境和我們身體的健康影響很大 於是有許多的研究學者開 始研究和設計能夠偵測金屬離子的化學感測器 1 金屬離子對於我們人體是不可或缺的 例如血液內的鐵離子為氧分子的攜帶 者 維他命 B12 為含有鈷離子的錯合物 鈉或鉀離子在細胞內外濃度的差異會產 生神經傳導用的訊號 但是某些金屬離子過量的話會導致中毒 例如汞離子中毒 會造成手腳麻痺 情緒失常 言語障礙等 銅離子中毒會造成肝硬化 消化系統 傷害等 鉛離子中毒會造成神經系統損傷 腎功能損傷 高血壓等 2,3 感測器 顧名思義就是要讓我們知道周圍是否存在所要檢測的金屬離子 就 銅離子和鐵離子而言 傳統上需使用原子吸收發射光譜 (atomic absorption/emission spectroscopy) 感應耦合電漿質譜儀 (inductively coupled plasmamass spectroscopy ICPMS) 感應耦合電漿原子吸收發射光譜儀 (inductively coupled plasma-atomic emissionspectrometry ICP-AES) 及循環伏特安培儀 (voltammetry) 而使用這些 方法通常需要昂貴的儀器 或是測量前需要特殊處理 沒有辦法直接觀測 所以 簡便 實用的化學感測器便成為了熱門的研究方向 本實驗研究重點就在於設計一個合成步驟簡單的化合物 而這個化合物能夠 對於某些金屬離子具有高度的選擇性與靈敏性 並且可以藉由螢光的產生或淬滅 或者是溶液顏色的改變來判斷化合物與金屬離子是否有形成配位 進而達到檢測 的效果 1

15 1-2 超分子化學 近幾十年來 超分子化學 (supramolecular chemistry) 這個名詞在化學領域被 熱烈的討論 因為超分子化學是一門跨領域的化學 涵蓋有機化學 無機化學及 材料科學與生物化學等 這個名詞是由 1987 年諾貝爾化學獎得主 Jean-Marie Lehn4 定義它為超越分子層次的化學 (chemistry beyond the molecule) 5 傳統的分 子化學是由原子藉由共價鍵所連結而成 超分子化學的不同之處在於它是運用非 共價鍵的作用力使得兩種或兩種以上分子形成鍵結 例如金屬配位 (metal coordination) 氫鍵 (hydrogen bond) 靜電吸引力 (electrostatic force) 凡得瓦爾 力 (van der Waals force) 電荷轉移作用 (charge-transfer interactions) 與 π-π 作用 力 (π-π interaction) 等 超分子化學從這些研究中啟發了一些新的概念 例如分子辨識 (molecular recognition) 主-客體化學 (host-guest chemistry) 等 分子辨識和主-客體化學是現 今化學領域 分子生物學領域與醫學領域中相當熱門的課題 自然界中的待測物 稱之為分析物 (analyte) 受質 (substrate) 或客體 (guest) 而可以辨識出這些待測 物的分子單元稱之為受體 (receptor) 或主體 (host) 分子辨識是藉由客體分子與主 體分子因化學作用後互相結合而形成錯合物 (complex) 進而導致明顯的電學或光 學性質的改變 並能將其轉換為電子訊號輸出 達到分子辨識的目的 近來許多 環狀或網狀的無機超分子結構 可以應用在導體 半導體 化學感測器等方面 2

16 1-3 分子辨識與化學感測器 分子辨識的過程式是建立在受質與受體互相辨識而形成錯合物 它們關係式 如圖一表示 圖一 受質與受體形成錯合物的平衡方程式 其中受質可以稱為分析物或客體分子 而受體可以稱之主體分子 受體是用來辨 識出受質的分子的單元 主體與客體因化學作用後互相結合而形成錯合物 結合 常數 Ka (association constant) 是用來評估辨識的程度 Ka 值愈大表示平衡愈趨向 右邊 錯合物愈容易生成 即分子辨識能力愈強 兩個要素可以來決定被分析物 是否能被辨識 (一) 分子間作用力 (二) 互補的結構 (complementary structure) 一般所常見的分子間作用力有以下幾種 (1) 靜電作用 (electrostatic interaction) 包括帶電偶極 (electric dipole) 及帶電 (charged) 的分子之間靜電交互作用 強度 變化大 (2) 氫鍵 (hydrogen bonding) 特殊的電偶極-電偶極作用 dipole-dipole interaction 其中偶極作用具有方向性 通常氫鍵形成在氫原子與鄰近電負度大的 原子 (如 F O 與 N) 氫鍵可以是分子間氫鍵 也可以是分子內氫鍵 其鍵能最 大約為 200 kj/mol 一般為 5 30 kj/mol 鍵能比一般的共價鍵 離子鍵和金屬 鍵要小 但大於靜電引力 (3) 凡得瓦爾作用力 (van der Waals interaction) 牽涉 到誘導偶極 (induced dipole) 作用 它遠比化學鍵來得弱 能量通常小於 5 kj/mol 其中分子的大小和凡得瓦力的大小成正比 凡得瓦力的大小會影響分子晶體的熔 3

17 點和沸點 (4) 偶極-偶極作用力 極性分子因電荷分布不均時所產生偶極矩 所 以當極性分子互相靠近時會造成電性的吸引稱之 當分子的偶極矩愈大時此作用 力就會愈大 互補的結構則需要好好的考慮柔軟度 (flexibility) 距離 (distance) 構形 (conformation) 等分子結構因素 化學感測器是運用 分子辨識 (molecular recognition) 原理來設計 一般是 由兩個次單元所組成 一是辨識單元 二是訊號轉換單元 辨識單元是利用分子 間作用力使得辨識單元與被辨識物形成錯合物 再接著引起訊號轉換單元將形成 錯合物前 後的訊號傳遞 (signal transduction) 出來 圖二為感測器的基本組成 設計化學感測器有兩項重要的指標 第一是須具備有高度的選擇性 第二則是必 須具有高度的靈敏性 而目前最被廣泛利用的感測器為螢光化學感測器 (fluorescence chemosensor) 簡單來說就是當感測器接受到偵測物質後 偵測結果 是利用螢光方式表現出來 而這種感測器會有兩種路徑 第一是當感測器接受到 偵測物質後導致其螢光增強或產生螢光 我們稱作其為 fluorescence turn-on 第二 種則是當感測器接受到偵測物質後導致螢光減弱或螢光消失 我們稱作其為 fluorescence turn-off 圖三為走 fluorescence turn-on 螢光化學感測器的作用機制 螢光化學感測器可以運用在各個領域中 例如在醫學中的臨床診斷 生物技術 分子生物與生化等 在科學方面也被廣泛的應用在材料科學與環境分析等 由於 螢光化學感測器具有高靈敏度 高選擇性 高專一性與即時訊號回應等優點使得 螢光化學感測器形成一熱門的課題 6,7 4

18 Biological Unit Biosensor Chemical Unit Chemosensor Molecular Recognition Unit Sensor Electrochemical Electrode Signal Transduction Unit Absorption Optical Signal Emission 圖二 化學感測器的組成 7 圖三 螢光化學感測器的作用機制 8 5

19 1-4 螢光感測器的光物理機制 在螢光感測器中經由搭配不同的電子受體 (electron acceptor) 和不同的電子 予體 (electron donor) 而形成 Donor-Acceptor 化合物 其常見的光物理作用機制 有光誘導電子轉移 (photoinduced electron transfer PET) 內電荷轉移 (internal charge transfer ICT) 共振螢光轉移 (Förster resonance energy transfer FRET) 與 激態錯合體 (exciplex) 光誘導電子轉移 (photoinduced electron transfer PET) 最早是由 de Silve 與其團隊在 1986 年將 PET 機制應用在螢光感測器上 9 其 分 子 結 構 如 圖 四 的 化 合 物 1 是 以 冠 醚 類 (aza-15-crown-5 ether 或 aza-18-crown-6 ether) 為離子受體 蒽 (anthracene) 為螢光團的螢光離子感測器 從表一可以看到當加入鉀離子後其螢光強度會增強 47 倍 且螢光波長沒有產生 位移 圖四 化合物 1 與錯合物 1+K+ 的結構 9 6

20 表一 de Silve 的螢光感測器與金屬結合常數 (log K) 和量子產率 (ΦF) a Na+ Metal-free n=1 K+ ΦF log K ΦF log K ΦF a: From ref. 9. 化合物 1 的作用機制可以用圖五的能階圖來表示 圖形左邊表示發光團的部 分 右邊則是金屬離子受體的部分 當沒有外加金屬離子時 其發光團照光接受 能量後使 HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) 能階的電子躍遷到 LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 能階 此時發光團的 HOMO 能階便有接受 電子的能力 但是因為金屬離子受體的 HOMO 能階高於發光團的 HOMO 能階 此時有機會從金屬離子受體的 HOMO 能階轉移一個電子到發光團的 HOMO 能 階 由於發光團的 HOMO 能階被佔據 所以原本從發光團的 HOMO 能階被激 發躍遷到 LUMO 能階的電子無法以正常的形式回到 HOMO 能階 造成螢光無 法產生 但是當金屬離子受體與金屬離子形成複合物後 此時金屬離子受體會被 穩定下來使得 HOMO 能階下降而低於發光團的 HOMO 能階 無法將電子轉移 到發光團的 HOMO 能階 PET 抑制的過程沒有產生 所以原本從發光團的 HOMO 能階被激發躍遷到 LUMO 能階的電子以放光的形式回到 HOMO 能階 因此產生螢光 這種螢光開與關 (on-off) 的過程就是最常見的螢光感測器機制 7

21 圖五 PET 的作用機制 條狀為螢光團分子 中孔狀為冠醚 hvabs 表示分子吸收的 能量 hvflu 表示所放射出來的光 U 表示相對的能量 8, 內電荷轉移 (internal charge transfer ICT) 當電子受體與電子予體透過共價鍵連結 透過 π 軌域重疊的共軛性 會使得 分子內部形成電荷分離的狀態而具有較高的極性 當分子處於激發態時此現象會 更加明顯 分子內偶極矩變大導致對不同極性的溶劑可能會造成不同波長的位移 螢光強度的變化或是波形的改變等 一般來說這種 Donor-Acceptor 的分子存有兩 種激發態 第一種激發態是屬於局部性的激發狀態 LE (locally excited state) 是類 似於 Franck-Condon (FC) 的狀態 也就是說當分子吸收能量後 分子內部電荷會 有局部性的重新分布 此過程是與環境或溶劑是無關的 第二種激發態是 FC 經 由 ICT 所得到的電荷轉移 CT (charge transfer) 之狀態 此狀態涉及到分子內各原 子 每個原子的電荷將會重新分布 因此 CT 態較 LE 態的極性來得高 所以在 8

22 非極性溶劑中 LE 態因極性較低所以較穩定 反之若是在極性較大的溶劑則可以 穩定 CT 態 使得 CT 態的激發能階下降 由此可知此類分子對於外在環境的影 響較為敏感 又因電荷轉移的過程容易造成非輻射的去活化過程 (nonradiative decay) 因此造成極性環境中的螢光亮子產率較非極性環境中來的低 例如圖六 化合物 2 中的氮原子與溶劑中的甲醇形成很強的氫鍵 造成非輻射的去活化過程 因此其螢光量子產率較低 另外具有 ICT 性質的分子在低極性的環境中會出現雙 重螢光 (dual fluorescence) 的特性 這是分別來自 LE 態與 CT 態 圖六 化合物 2 與溶劑形成氫鍵而改變螢光行為 8 以 ICT 作為訊號傳遞機制的螢光感測器 又可以稱為本質型感測器 (intrinsic sensor) 最早將 ICT 機制應用在螢光感測器上是由 Valeur Lapouyade 與 Rettig 在 年間 針對含有苯乙烯 (stilbene) 的冠醚 (aza-15-crown-5 ether) 所做的研究 其分子結構如圖七的化合物 3 (DS-crown) 與 4 (DIDS-crown) 10 因 為螢光團與離子受體在結構上的重疊 所以當離子受體與離子作用後 其 UV-Vis 吸收光譜與螢光放射光譜皆會產生變化 這個現象說明了螢光團也會收到離子的 影響 當化合物 3 在乙腈溶劑中與鈣離子作用後 其 UV-Vis 吸收峰會產生 48 nm 的藍位移 (blue shift) 但是螢光放射峰卻只有 13 nm 的藍位移且強弱沒有改 9

23 變 如圖八 (a) 所示 造成這個現象的原因有兩個 第一個是因為缺少胺基使得 整個分子的共軛性較差 缺少胺基的提供電子能力減弱了 ICT 的性質 第二個則 是當激發態進行 ICT 時會讓電子予體的單氮冠醚與帶正電與鈣離子相互排斥 產生激發態離子脫離的現象造成 CT 態能量較高使得螢光變化不明顯 11 相 對 於 化 合 物 3 的 Donor-Acceptor 螢 光 感 測 器 化 合 物 4 為 DonorAcceptor-Donor 型的 ICT 螢光感測器 就可以避免化合物 3 所遇到的問題 如 圖八 (b) 所示 當激發態分子進行 ICT 時 第二個 Donor 端 (二甲基胺部分) 視 為電子予體 此時單氮冠醚就不會因為 ICT 形成帶部分正電 就不會有離子脫離 現象發生 使得化合物 4 與鈣離子在乙腈中作用後螢光放射峰會有 32 nm 紅位 移 (red shift) 而且螢度強度會有減弱 10 倍的現象發生 圖七 化合物 3 與 4 的結構 11 10

24 圖八 (a) Donor-Acceptor 與 (b) Donor- Acceptor-Donor 型的 ICT 作用機制 共振螢光轉移 (Förster resonance energy transfer FRET) 一個分子擁有兩個螢光團 其中一個當作電子予體 (donor) 另一個則為電子 受體 (acceptor) 當兩個螢光團相互靠得很近 (1-10 nm) 時 電子能從一個受激的 螢光團 (donor) 轉移到另一個螢光團 (acceptor) FRET 是一種螢光光譜技術 可用來量測分子間的距離 它是利用 donor 及 acceptor 兩個螢光分子 其中 donor 的發射光譜與 acceptor 的激發光譜有重疊時 且在兩分子極為接近的情況 下 donor 由激發態掉落時所釋出的能量將轉而激發 acceptor 作用機制如圖九 所示 簡言之 受激發後的螢光團 (donor) 將受激發後放出的能量轉移到另一個 螢光團 (acceptor) 這種能量的轉移是非放射性的 其主要原因是供體和受體之間 的偶極-偶極間的相互作用 此種能量傳遞形式的螢光感測器在未錯合上金屬離子 時 能量提供者 (donor) 及能量接受者 (acceptor) 彼此分開 當激發 donor 時所 放出的螢光大部分都是 donor 本身的螢光 當錯合上金屬離子時 donor 及 acceptor 彼此很靠近 因距離夠近使 donor 激發態放出的能量有效率地轉移至 11

25 acceptor 導致發出 acceptor 的螢光 這種螢光波長的變化可作為受質是否結合 的依據 有時候設計的 acceptor 並不會發出螢光 (此 acceptor 稱為 quencher) 那 就造成螢光淬滅 (fluorescence quenching) 這種淬滅機制可設計成反過來的感測機 制 即原先 donor 及 quencher 在一起 螢光不強 當受質結合時迫使 quencher 遠 離 donor 螢光增強而達到感測的效果 欲造成能量傳遞傳遞的現象需有兩項要求 第一為適當的距離 能量轉移是藉由螢光團之間的偶極-偶極作用 因此與兩螢光 團間的距離有極大關係 第二為光譜要求當傳出能量 donor 的螢光光譜與接受能 量 acceptor 的吸收光譜有重疊時才可能有螢光共振能量轉移 當重疊愈大時能量 轉移愈容易 圖九 FRET 作用機制 12 12

26 圖十為 Chirantan Kar 與其團隊在 2013 年發表針對銅離子具有特殊選擇性的 FRET 螢光化學感測器 12 圖十 FRET 螢光化學感測器 12 化合物 5 的結構含有兩個螢光團 其中一個螢光團羅丹名 (rhodamine) 的 部分視為電子予體 另一個氧雜蒽 (xanthenes) 的部分視為電子受體 當化合物 5 未與銅離子形成錯合物時 受到 340 nm 能量的光激發 直接由羅丹名的部分吸 收能量並放出 490 nm 的螢光 當化合物 5 與銅離子形成錯合物的時候 由於羅 丹名部分的放射光譜與氧雜蒽部分的吸收光譜有重疊的部分 (如圖十一) 且兩個 螢光團的距離很近 導致原本應該由羅丹名部分放出的螢光被氧雜蒽部分所吸收 所以最後看到是由氧雜蒽部分放出 587 nm 的螢光 490 nm 的螢光是偏藍色 587 nm 的螢光是偏粉紅色 藉由螢光顏色的改變來判別化合物 5 是否有感測到 銅離子 13

27 圖十一 化合物 5 兩個螢光團羅丹名放射光譜與氧雜蒽吸收光譜重疊的部分 激態錯合體 (Exciplex) Exciplex13 為 excited complex 的縮寫 即激態錯合體 它是由兩個不同的電子 予體和電子受體分子經由電荷轉移作用所形成 可以用下列式子表示 在具有電子予體和電子受體的系統中激態錯合體是以三明治 (sandwich-type)14 的 結構堆疊 且兩分子之間距離很小 故此種結構在基態時是互相排斥不會產生錯 合的形式 但此系統若受到能量激發到激發態時 則會錯合形成穩定的中間體 在以放激態錯合體螢光的方式回到基態 此時激態錯合體的螢光在能量上是較電 子予體或電子受體的各別螢光低 也因此光譜上通常會發生紅位移的現象 一般 激態錯合體的螢光較易發生在非極性或低極性的的溶劑中 原因是因為在高極性 的溶劑中 D+. 和 A-. 可以被穩定 解離速率況於產生螢光的速率 所以看不到螢 14

28 光 以 Leonhardt 和 Weller15 所作的研究為例子 苝 (perylene) 為電子受體 二甲基苯胺 (dimethylaniline) 為電子予體 在極性的溶劑中沒有看到螢光是由於 苝的螢光被化合物二甲基苯胺所淬滅 同時產生化合物苝的自由基陰離子 (radical anion) 可以證實螢光淬滅的機制是來自於電子的轉移 (electron transfer) 但在非極 性的溶劑中 苝和二甲基苯胺錯合形成穩定物中間體 8 以激態錯合體的方式放 出螢光 如圖十二 圖十二 苝與二甲基苯胺分子間激態錯合體形成示意圖 8 15

29 1-5 咔唑 咔唑 (carbazole) 為一個具有六五六環結構的芳香雜環化合物 在許多天然物 中發現到具有此骨架的生物鹼擁有很好的生物活性 在光電材料的研究方面 咔 唑衍生物的應用也很廣泛 16 咔唑是在 1872 年時 由 Graebe 和 Glaser 這兩位學 者從焦油中所分離出來的 在 1965 年時 Chakraborty 等人從咖哩葉 (Murraya koenigii Spreng) 中所分離出的 九里香鹼 (murrayanine) 九里香鹼為第一個被發現 的咔唑生物鹼 如圖十三 圖十三 咔唑和九里香鹼的結構 17 而自從發現了九里香鹼這個具有良好抗菌能力的生物鹼之後 科學家對於具 有咔唑結構的衍生物感到興趣 於是開始對於咔唑生物鹼的結構和生物活性進行 研究 17 在生物活性的應用方面 主要針對具有抗癌藥物的化合物討論較為熱烈 如 murrayafoline A 18 如圖十四 16

30 圖十四 murrayafoline A 的結構 18 在光電材料的應用方面 咔唑為一個帶有螢光性質的基本物質 由於其結構 具有 π 電子共軛的特性 因此可利用其化學放光來做為光敏感和電荷傳輸的材料 如 4,4'-Bis(carbazol-9-yl)biphenyl 可做為 OLED 的傳輸材料 poly(9-vinylcarbazole) 則為一個有機半導體材料 19 如圖十五 圖十五 4,4'-Bis(carbazol-9-yl)biphenyl 與 Poly(9-vinylcarbazole) 的結構 19 17

31 1-6 研究動機及相關文獻 近年來銅金屬與鎳金屬已經被廣泛的使用在矽基板積體電路的 2D/3D 交聯 (interconnection) 20,21 但是這兩種金屬卻是會對人體細胞造成危害 例如皮膚過敏 肺癌 前列腺癌等疾病 22,23 所以希望設計出合成簡單 使用方便的化學感測器 檢測到過渡金屬離子時 能用最快速的方式讓我們知道待測物中是否含有我們想 要檢測的金屬離子 咔唑有另一個優勢就是它利於去作結構上的修飾 結構和位置編號如圖十六 咔唑上 9 號位置的氮原子能夠活化咔唑上的 1 8 號位置和 3 6 號位置 所以 我們能夠因應不同的檢測環境或不同需求來對上述四個位置做不同的官能基修 飾 圖十六 咔唑的結構與位置編號 目前為止僅有少數的文獻是使用咔唑來當基底的化學感測器 其中在 2013 年 Hyuk-Chan Gee Chi-Hwa Lee Young-Hwan Jeong 和 Woo-Dong Jang 教授發 表的檢測 CN- 陰離子的螢光化學感測器即是以咔唑為基底設計的 24 其結構如圖 十七 18

32 圖十七 化合物 14 的結構 24 化合物 14 以咔唑為主體 在其 1 8 號位置各加入一個三唑 (triazole) 的官 能基團 如此一來整個結構有很長的 π 電子共振特性所以具有很強的螢光 兩個 三唑的官能基團上的氮原子和咔唑 9 號位置上的氮原子形成一個類似三牙基的 結構 這個三牙基的結構很容易去抓取過渡金屬離子 當三牙基的結構抓取到金 屬離子時 形成錯合物 15 此時 π 電子共軛被破壞使得螢光消失 後面再加入 陰離子 若是陰離子對金屬離子的結合能力大於錯合物 15 則會把金屬離子抓取 出來 此時 π 電子共軛回復 螢光產生 最後感測的結果是用螢光 turn-on 的方 式來表示 文章中作者是選用過氯酸銅和化合物 14 形成錯合物 15 此時螢光消 失 再用過量氰離子 (CN-) 把銅離子抓取出來 使整個系統回到化合物 14 的狀 態 此時螢光產生 檢測過程如圖十八 19

33 圖十八 錯合物 15 檢測氰陰離子流程圖 24 在文章中 作者也提出多種證據來證明他的論點 例如紫外-可見光吸收光譜 和螢光放射光譜的改變 質譜的測定等 圖十九即為化合物 14 以乙腈為溶劑加 入 0 ~ 1 當量的銅離子造成螢光淬滅的現象 圖十九 化合物 14 以乙腈為溶劑加入 0 ~ 1 當量的銅離子螢光光譜變化 24 20

34 另外在圖二十中我們也可以看到錯合物 15 加入各種不同的陰離子 最後發 現只有在加入氰離子時 紫外-可見光吸收光譜和螢光放射光譜會有明顯的改變 表示錯合物 15 對氰離子具有很高的選擇性 圖二十 (a) 可以看到錯合物 15 加 入氰離子後螢光明顯增強 而作者用質譜 (圖二十一) 來證明增強之後的螢光強度 正是化合物 14 的螢光強度 紫外-可見光吸收光譜也看得到相同的結果 錯合物 15 加入氰離子後 330 nm 和 380 ~ 430 nm 的吸收峰分別下降 並在 300 nm 和 350 ~ 400 nm 產生新的吸收峰同時有等消光點 (isosbestic point) 的生成 等消光點 的生成表示同一系統內有新的物質生成 而作者也用質譜來證明新的紫外-可見光 吸收光譜正是化合物 14 的紫外-可見光吸收光譜 其中 300 nm 的吸收峰為三唑 部分 π 到 π* 的吸收 380 ~ 430 nm 的吸收峰則為咔唑部分 π 到 π* 的吸收 圖二十 (b) 則是肉眼在紫外燈下看到的實際圖 圖中可以明顯看到錯合物 15 在 紫外燈下是看不到螢光的 只有在加入氰離子後在紫外燈下會有很明顯的螢光產 生 與圖二十 (a) 相符合 圖二十 (c) 則是在 383 nm 的螢光相對強度 也是明顯 的看到錯合物 15 在氰離子加入後 螢光相對強度有明顯的提升 21

35 圖二十 錯合物 15 以乙腈為溶劑加入 5 當量各種不同陰離子 (a) 紫外-可見光 吸收光譜和螢光放射光譜的變化 (b) 肉眼直接看到的螢光變化 激發波長為 365 nm (c) 在 383 nm 的螢光相對強度 激發波長為 365 nm24 圖二十一 MALID-TOF-MS (a)化合物 14 (b)錯合物 15 (c)錯合物 15 + CN- ( 1 當量) (d)錯合物 15 + CN- (過量)24 22

36 1-7 研究目標 螢光感測器具有很高的靈敏度以及很高的專一性 所以近年來常常拿來當作 微量金屬檢測 偵測原理在於金屬離子與載體結合形成錯合物 讓此錯合物進行 一些物理與化學性質的變化 例如 顏色變化 放射波長 吸光係數和螢光強度 的改變等 本研究計畫中我們設計了一個全新化合物 23 及其衍生物化合物 24 (圖二十 二) 期望它們對於特定的金屬離子具有高度的選擇性以及很高的結合常數 化合 物 23 是以咔唑為主體 在其 1 8 號位置各加入一個異惡唑的官能基團 如此 一來異惡唑上的氧原子能夠與咔唑上的氮原子形成一個三牙基的結構 與化合物 14 類似 化合物 14 在文獻中指出咔唑上的氮原子易去質子化導致能夠抓取多種 的過渡金屬 24 所以我們希望藉由結構上的改變 把化合物 14 三唑結構上的其中 一個氮原子換成氧原子 期許這個由異惡唑所形成的三牙基的結構能夠提高對過 渡金屬離子的選擇性 化合物 24 則是化合物 23 的衍生物 我們利用化合物 23 異惡唑官能基團 易於開環的特性把環打開 如此一來氧原子與氮原子不再被環所束縛住 有更強 的螯合能力 有更多的機會與金屬離子配位形成錯合物 圖二十二 化合物 23 與 24 的結構 23

37 第二章 實驗部份 2-1 藥品部份 1. Acetic acid (C2H4O2) Aldrich 試藥 透明液體 直接取用 2. Acetone (C3H6O) Merck 試藥 透明液體 直接取用 3. Acetonitrile (CH3CN) Merch 試藥 透明液體 直接取用 4. Ammonium hydroxide (NH4OH) TCI 試藥 透明液體 直接取用 5. tert-butyl chloride (C4H9Cl) Alfa Aesar 試藥 透明液體 直接取用 6. tert-butanol (C4H10O) Alfa Aesar 試藥 透明液體 直接取用 7. Benzaldehyde (C7H6O) Alfa Aesar 試藥 透明液體 直接取用 8. Barium oerchlorate anhydrous (BaCl2O8) Alfa Aesar 試藥 白色粉末 直接取用 9. Bis(triphenylphosphine)palladium(II) dichloride [(C6H5)3P]2PdCl2 ACROS 試藥 黃色粉末 直接取用 10. Carbazole (C12H9N) Alfa Aesar 試藥 褐色粉末 直接取用 11. Cadmium(II) perchlorate hydrate (CdCl2O8 xh2o) STREM 試藥 白色粉晶 直接取用 12. Calcium perchlorate hydrate CaCl2O8 xh2o STREM 試藥 白色粉晶 直 接取用 13. Chloroform-D1 CDCl3 Merck 試藥 透明液體 直接取用 14. Copper(II) perchlorate hexahydrate (CuCl2O8 6H2O) Alfa Aesar 試藥 藍色粉 晶 直接取用 15. Copper(II) sulfate pentahydrate (CuSO4 5H2O) Alfa Aesar 試藥藍色粉晶 直接 取用 16. Copper(I) iodide (CuI) Alfa Aesar 試藥 白色粉末 直接取用 17. N-Chlorosuccinimide (C4H4ClNO2) Alfa Aesar 試藥 白色粉末 直接取用 24

38 18. Dichloromethane CH2Cl2 Merck 試藥 透明液體 直接取用 19. Dimethylformamide [HCON(CH3)2] J.T.Back 試藥 透明液體 直接取用 20. Ethanol C2H5OH 公賣局 95 % 透明液體 直接取用 21. Ethanol C2H5OH 景明無水酒精 透明液體 直接取用 22. Ethyl acetate (C4H8O2) Merck 試藥 透明液體 直接取用 23. Ethylenediaminetetreacetic acid (C10H16N2O8) Aldrich 試藥 白色粉末 配置成 飽和水溶液直接取用 24. n-hexane C6H14 Merck 試藥 透明液體 直接取用 25. Hydroxylamine hydrochloride (NH2OH HCl) Aldrich 試藥 白色粉末 直接 取用 26. Iodine (I2) Aldrich 試藥 灰色顆粒 直接取用 27. Lithium perchlorate anhydrous (LiClO4) Alfa Aesar 試藥 白色粉末 直接取用 28. Lead(II) perchlorate trihydrate (PbCl2O8 3H2O) ACROS 試藥 白色粉晶 直接 取用 29. Manganess(II) perchlorate hydrate (MnCl2O8 xh2o) Aldrich 試藥 白色粉晶 直接取用 30. Magnesium sulfate anhydrous (MgSO4) SHOWA 試藥 白色粉末 直接取用 31. Magnesium perchlorate (MgCl2O8) Alfa Aesar 試藥 白色粉末 直接取用 32. Mercury(II) perchlorate hydrate (HgCl2O8 xh2o) Aldrich 試藥 透明晶體 直 接取用 33. Methanol CH3OH Merck 試藥 透明液體 直接取用 34. Methanol (CH3OH) 景明無水甲醇 透明液體 直接取用 35. Molybdenum hexacarbonyl (C6MoO6) Alfa Aesar 試藥 白色粉末 直接取用 25

39 36. Nickel(II) perchlorate hexahydrate (NiCl2O8 6H2O) Alfa Aesar 試藥 綠色粉晶 直接取用 37. Nitromrthane (CH3NO2) ACROS 試藥 淡黃色液體 直接取用 38. Periodic acid (HIO4) Alfa Aesar 試藥 白色粉晶 直接取用 39. Potassium carbonate (K2CO3) ACROS 試藥 白色粉末 直接取用 40. Potassium perchlorate anhydrous (KClO4) Aldrich 試藥 白色粉末 直接取用 41. Sodium (Na) Aldrich 試藥 灰色固體 溶劑除水使用 42. Sodium ascorbate (C6H7NaO6) Aldrich 試藥 白色粉末 直接取用 43. Sodium bicarbonate (NaHCO3) Aldrich 試藥 白色粉末 配置成飽和水溶液直 接取用 44. Sodium perchlorate (NaClO4) ACROS 試藥 白色粉末 直接取用 45. Sodium thiosulfate (Na2S2O3) SHOWA 試藥 白色粉末 配置成飽和水溶液 直接取用 46. Sodium hydroxide NaOH SHOWA 試藥 白色粉末 配置成飽和水溶液直 接取用 47. Sulfuric acid (H2SO4) Merck 試藥 透明液體 直接取用 48. Silver perchlorate (AgClO4) Alfa Aesar 試藥 白色粉末 直接取用 49. Tetrahydrofuran (C4H8O) Merck 試藥 透明液體 除水後直接取用 50. Trimethylsilyi-acethlene (C5H10Si) Alfa Aesar 試藥 透明液體 直接取用 51. Triethylamine (NEt3) Alfa Aesar 試藥 淡黃色液體 直接取用 52. Zinc(II) chlorate hexahydrate (ZnCl2O8 6H2O) STREM 試藥 白色粉晶 直接 取用 53. Zinc chloride (ZnCl2) Aldrich 試藥 白色粉末 直接取用 26

40 2-2 儀器部分與物性測量 1. 核磁共振儀 (Nuclear Magnetic Resonance Spectrometer) 使用 Varian UNITY INOVA-500 MHz FT-NMR 型的儀器 測試樣品以氘氯仿 (CDCl ppm 為內標準) 光譜解析以 δ 表示位移 單位為 ppm s 表示單重峰 (singlet) d 表示雙重峰 (doublet) t 表示三重峰 (triplet) m 表示多重峰 (multiplet) 委託國科會高雄 貴儀中心何妱璉小姐測量 2. 質譜儀 (Mass Spectrometer) (1) ESI (Electrospray)-LCQ Mass Spectroscopy 使用 Thermo Finnigan 型儀器 委託國科會高雄貴儀中心余小青小姐測量 (2) 基質輔助雷射脫附游離飛行質譜儀 (MALDI-TOF) 使用 Bruker micro TOF-Q 型儀器 委託國科會高雄貴儀中心謝建台老師實驗室測量 3. 光物理性質探討 (Photoluminescenece Study) 放光光譜測量 以 Hitachi F-4500 型螢光光譜儀 使用的光電倍增管為 R928F 型(紅光範圍) 以[Ru(bpy)3]Cl2 (λex = 611 nm) 當標準參考品做波長校正 4. 紫外光/可見光光譜儀 (UV/Vis Spectrophotometer) 使用 Hitachi U-4001 型光譜儀 樣品以乙腈等溶劑配置成 3 x 10-5 M 的溶液 裝入 1 cm 的石英樣品容槽 掃描波長為 250 ~ 700 nm 的範圍 27

41 5. X-射線單晶繞射儀 (X-ray Diffractometer) 使用機型為 Nonius Kappa CCD 及 Bruker Kappa APEX II 單晶繞射儀 委託 臺灣師範大學化學系郭頂審先生做晶體解析與晶體結構計算 解析方法以及各項晶體數據列於後方報告) 28 (晶體成長方法

42 2-3 合成部分 合成步驟如下圖所示 1. 化合物 17 之合成 參考文獻上的方法 25 取 3.3 克化合物 9 (20 mmol) 置入 250 毫升三頸瓶中 然後加入 8.1 克 氯化鋅 (ZnCl2) (60 mmol) 與 100 毫升硝基甲烷 (CH3NO2) 在 氮氣下逐滴加入 6.5 毫升叔丁基氯 (tert-butyl chloride) (60 mmol) 在室溫下攪拌 5 個小時後加入 100 毫升去離子水終止反應 接著以 60 毫升二氯甲烷 (CH2Cl2) 29

43 萃取三次後收集有機層再用無水硫酸鎂除水 過濾後減壓濃縮 最後利用二氯甲 烷再結晶可以得到白色固體即為化合物 17 產率 85% 化合物 17 的鑑定資料如 下 1H-NMR (CDCl3, 500 MHz, ppm) 1.47 (s, 18H, C(CH3)3), 7.32 (dd, J =5.5, 0.5 Hz, 2H, ArH), 7.48 (dd, J =5.5, 0.5 Hz, 2H, ArH), 7.80 (s, 1H, NH),8.10 (d, J=1.94 Hz, 2H, ArH) 1H-NMR 圖譜附於附錄圖一 2. 化合物 18 之合成 參考文獻上的方法 26 取 100 毫克化合物 17 (0.23 mmol) 置入 100 毫升三 頸瓶中 然後加入含有 3.5 毫升冰醋酸 (AcOH) 1.0 毫升去離子水 0.1 毫升 硫酸 (H2SO4) 的混和溶劑 之後再加入 26.1 毫克過碘酸 (HIO4 2H2O) (1.15 mmol) 及 58.4 毫克碘 (I2) (0.23 mmol) 在 80 oc 下加熱迴流 18.5 小時 冷卻後 將反應物加入冰水中 以 30 毫升乙酸乙酯 (ethyl acetate) 萃取三次後收集有機層 再將有機層以飽和碳酸氫鈉 (NaHCO3) 硫代硫酸鈉 (Na2S2O3) 氯化鈉 (NaCl) 水 溶液萃取三次後收集有機層再以無水硫酸鎂除水 過濾後減壓濃縮 最後利用管 柱層析進行純化分離 以正己烷/乙酸乙酯 (50/1) 作為沖堤液 得到白色固體即為 化合物 18 產率 50% 化合物 18 的鑑定資料如下 1H-NMR (CDCl3, 500 MHz, ppm) 1.43 (s, 18H, C(CH3)3), 7.82 (d, J = 1.0 Hz, 2H, ArH), 7.93 (s, 1H, NH), 7.99 (d, J = 1.0 Hz, 2H, ArH) 1H-NMR 圖譜附於附錄圖二 3. 化合物 19 之合成 參考文獻上的方法 27 取 100 毫克化合物 18 (0.19 mmol) 置入 100 毫升三頸 瓶中 然後加入含有 12 毫升三乙胺 (NEt3) 6 毫升除水四氫呋喃 (dry THF) 的 混和溶劑 之後在氮氣的環境下加入 46.2 毫克 Trimethylsilyi-acethlene (0.47 mmol) 及催化劑碘化銅 (CuI) (5 mol%) Pd(PPh3)2Cl2 (10 mol%) 在 60 oc 下加 30

44 熱迴流 24 小時 冷卻後用 30 毫升的二氯甲烷與去離子水萃取三次後收集有機 層再以無水硫酸鎂除水 減壓濃縮抽乾 抽乾後的固體加入 10 毫升甲醇 (MeOH) 與 20 毫克碳酸鉀 (K2CO3) 在室溫下攪拌 5 小時 接著以 30 毫升的二氯甲烷 與去離子水萃取三次後收集有機層再以無水硫酸鎂除水 過濾後減壓濃縮 最後 利用管柱層析進行純化分離 以正己烷/乙酸乙酯 (30/1) 作為沖堤液 得到棕色固 體即為化合物 19 產率 90% 化合物 19 的鑑定資料如下 1H-NMR (CDCl3, 300 MHz, ppm) 1.44 (s, 18H, C(CH3)3), 3.46 (s, 2H, ArH), 7.65 (d, J = 1.0 Hz, 2H, ArH), 8.08 (d, J = 1.0 Hz, 2H, ArH), 8.45 (s, 1H, NH) 1H-NMR 圖譜附於附錄圖三 4. 化合物 23 之合成 取 100 毫克化合物 19 (0.305 mmol) 置入 100 毫升三頸瓶中 然後加入含有 10 毫升叔丁醇 (tert-butanol) 10 毫升去離子水的混和溶劑 之後加入 118 毫克 化合物 22 ( mmol) 催化劑硫酸銅 (CuSO4 5H2O) (10 mol%) 抗壞血酸鈉 (Sodium ascorbate) (30 mol%) 與 85.3 毫克碳酸鈉 在室溫下反應 24 小時 接著 以 30 毫升的二氯甲烷與去離子水萃取三次後收集有機層再以無水硫酸鎂除水 過濾後減壓濃縮 最後利用管柱層析進行純化分離 以正己烷/乙酸乙酯 (30/1) 作 為沖堤液 得到黃色固體即為化合物 23 產率 60% 熔點約 120~130 C Rf = 0.5 (正己烷/乙酸乙酯 = 30/1) 化合物 23 的鑑定資料如下 1H-NMR (CDCl3, 500 MHz, ppm) 1.54 (s, 18H, C(CH3)3), 7.05 (s, 2H, isoxazole-h), 7.53 (m, 6H, ArH), 7.91 (d, J=1.5 Hz, 2H, ArH), 7.99 (m, 4H, ArH), 8.25 (d, J=1.5 Hz, 2H, ArH), (s, 1H, NH) 13C-NMR (CDCl3, 125 MHz, ppm) 31.92, 34.83, 97.49, , , , , , , , , , , , HRMS m/z calcd for C38H36N3O found H-NMR 圖譜附於附錄圖四 31

45 13 C-NMR 圖譜附於附錄圖五 DEPT-NMR 圖譜附於附錄圖六 ESI 質譜圖附於 附錄圖七 5. 化合物 24 之合成 取 100 毫克化合物 23 (0.177 mmol) 置入 100 毫升三頸瓶中 然後加入 20 毫 升 乙 腈 與 數 滴 去 離 子 水 之 後 加 入 188 毫 克 六 羰 化 鉬 (Molybdenum hexacarbonyl) (0.708 mmol) 在 80 oc 下加熱迴流 2 小時 冷卻後減壓濃縮抽乾 將抽乾後的固體溶於 20 毫升的二氯甲烷再加入 20 毫升的氨水 (NH4OH) 水溶液 劇烈攪拌 24 小時 以 20 毫升的乙二胺四乙酸 (EDTA) 與去離子水萃取三次後 收集有機層再以無水硫酸鎂除水 過濾後減壓濃縮 最後利用管柱層析進行純化 分離 以正己烷/乙酸乙酯 (5/1) 作為沖堤液 得到棕色黏稠物即為化合物 24 產 率 30% Rf = 0.2 (正己烷/乙酸乙酯 = 10/1) 化合物 24 的鑑定資料如下 1H-NMR (CDCl3, 300 MHz, ppm) 1.50 (s, 18H, C(CH3)3), 5.35 (s, 2H, NH2), 6.36 (s, 2H, ph(nh2)c=ch ), 7.51 (m, 6H, ArH), 7.72 (m, 4H, ArH), 8.02 (d, J=1.5 Hz, 2H, ArH), 8.26 (d, J=1.5 Hz, 2H, ArH), (s, 2H, NH2), (s, 1H, NH) 13C-NMR (CDCl3, 125 MHz, ppm) 31.91, 34.77, 92.03, , , , , , , , , , , , HRMS m/z calcd for C38H40N3O found H-NMR 圖譜附於附錄圖八 13C-NMR 圖譜附於附錄圖 九 DEPT-NMR 圖譜附於附錄圖十 2D-NMR 圖譜附於附錄圖十一 ESI 質譜圖 附於附錄圖十二 32

46 2-4 化合物 23 與化合物 24 光化學實驗溶液配置 在本研究中會用到的光化學儀器有 紫外-可見光吸收光譜儀 螢光放射光譜 儀 使用這些儀器前皆需要配置溶液 這邊我們會以化合物 23 加入銅離子為例 說明光化學實驗的溶液配置方法 化合物 23 與銅離子吸收光譜與放射光譜滴定實驗的溶液配置方法 取 16.9 毫克化合物 23 (0.03 mmol) 置入 100 毫升定量瓶加入乙腈溶劑至 標線 配置成 3 x 10-4 M 溶液 接著取 7.9 毫克過氯酸銅 (0.03 mmol) 置入 100 毫升定量瓶加入乙腈溶劑至標線 配置成 3 x 10-4 M 溶液 之後配置不同金屬離 子的當量數 若是要配置化合物 23 加入 1 當量的銅離子 在 10 毫升定量瓶中 加入 1 毫升 3 x 10-4 M 的化合物 23 溶液 然後加入 1 毫升 3 x 10-4 M 的過氯 酸銅溶液 最後加入乙腈溶劑至標線 即完成總濃度為 3 x 10-5 M 化合物 23 加 入 1 當量銅離子的混合溶液 若是要加入 2 當量的銅離子則是在 10 毫升定量瓶 中加入 1 毫升 3 x 10-4 M 的化合物 23 母液 然後加入 2 毫升 3 x 10-4 M 的過 氯酸銅溶液 最後加入乙腈溶劑至標線 其它當量數即以此類推 化合物 23 與銅離子 Job s plot 實驗的溶液配置方法 照上述方法配置濃度相同 (3 x 10-5M) 的化合物 23 溶液與過氯酸銅溶液 接 著我們需要調整化合物 23 所佔的莫爾分率 所以配置所佔的莫爾分率不同的樣 品溶液 我們控制總體積為 2 毫升 樣品瓶只加入 2 毫升過氯酸銅溶液 即為 X23 = 0 加入 1.8 毫升過氯酸銅溶液與 0.2 毫升化合物 23 溶液 即為 X23 = 0.1 以此類推到加入 0 毫升過氯酸銅溶液與 2 毫升化合物 23 溶液 即為 X23 = 1 接著利用紫外-可見光吸收光譜儀測量到的數據作圖即可以得到 Job s plot 在後面 章節會更進一步的詳述 33

47 2-5 單晶繞射與分子結構解析 化合物 23 的養晶過程是藉由正己烷緩慢擴散到溶有化合物 23 的乙酸乙酯 溶液中 得到黃色針狀晶體 (0.62 x 0.08 x 0.02 mm3) 以 Bruker Kappa APEX II 型 的 X-射線單晶繞射儀於 200 K 來測量化合物 23 的晶體結構 以鉬 (Mo) 靶 (λ = Å) 為射源 (source) 以 θ 角 掃描紀錄所有的繞射點訊號 並收集 個點用在結構解析上 晶體結構解析 先以直接法決定初階模型原 子位置 再由 Fourier synthesis 中得到其它非氫原子並都做非等向性熱參數 (anisotropically) 的修正 氫原子的位置固定以 C-H 鍵長為 0.95 Å (sp3) 或 0.98 Å (sp2) 計算 完整的晶體結構數據列於附錄表一至表五中 34

48 第三章 結果與討論 在本篇論文中 主要是合成出一個新的化合物 23 及其衍生物 24 並對這 兩個化合物加入各種不同的金屬離子 (Li+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+, Cd3+, Mn2+, Ni2+, Ag+, Pb2+, Zn2+, Cu2+, Hg2+) 並會使用到紫外-可見光譜儀 螢光放射光譜儀等 儀器來量測它們的光化學特性 從光化學特性中我們可以藉由紫外-可見光譜圖來 初步的進行金屬離子篩選 探討化合物對特定金屬離子是否具有選擇性或結合性 初步篩選過後 特定的金屬離子被篩選出來 接下來我們要更進一步的去了解化 合物與金屬離子是以何種比例形成錯合物所以我們做了 Job s Plot 實驗 並且利用 Benesi-Hildebrand equation 來算出他們之間的結合常數 還有感測器設計的目的在 於方便性 所以肉眼能直接觀察到的顏色變化也是值得探討的 因此 本章節分 為下列幾個部分做討論 (一) 化合物 23 與 24 合成方法討論與改良 (二) 鑑定結構的探討 (三) 光化學現象討論 又分為紫外-可見光譜與螢光放射光譜 (四) Job s plot 實驗來了解化合物與金屬離子間的配位比例 (五) Benesi-Hildebrand equation 來計算化合物與金屬離子間的結合常數 (六) 肉眼直接觀察到的顏色變化 35

49 3-1 本研究欲合成之目標物的反應合成路徑 圖二十三 化合物 23 與 24 的合成 36

50 3-2 化合物 23 與 24 合成方法討論 在 圖 二 十 三 中 化 合 物 18 原 本 是 使 用 溴 化 物 18a 但 在 下 一 步 利 用 Sonogashira cross-coupling reaction 合成化合物 19 時 27發現產率大約只有 30% 於是我就針對這一點去做改良 由於碘在非水溶液的反應活性大於溴 所以先由 鹵化起始物 18 來做修正 參考專利文獻的方法 26成功的在咔唑的 1 8 號位 置接上碘原子 碘化產物 18 產率雖然低於溴化產物 18a 如圖二十四所示 但 最終在合成化合物 19 時 產率卻是遠大於接溴原子 如圖二十五所示 所以最 後我選擇在 1 8 號位置接上碘原子再接續後面的合成步驟 圖二十四化合物 17 合成碘取代與溴取代產物產率差異 37

51 圖二十五 碘取代與溴取代合成化合物 19 產率差異 另外一方面我們需要準備化合物 22 來與化合物 19 來進行 Click 反應來達 成我們的最終產物化合物 23 化合物 22 的準備方法是參考文獻 28,29準備起始 物化合物 20 溶於甲醇與去離子水的混和溶劑 加入鹽酸羥胺 (NH2OH HCl) 在冰浴下反應一小時即可得到化合物 21 之後再把化合物 21 溶於二甲基甲醯 胺 (DMF) 加入 N-氯代丁二醯亞胺 (NCS) 在冰浴下反應一小時即可得到化合 物 22 化合物 22 與化合物 19 在室溫下即可利用 Click 反應來合成出我們的目 標產物化合物 23 在圖二十三中 為了增加化合物 23 的螯合能力所以我們把化合物 23 開環 形成化合物 24 產率一開始只有大約只有 10% 後來發現加入氨水水溶液後 加長劇烈攪拌的時間可以讓反應更為完全 經過追蹤反應得知大約劇烈攪拌 24 小時可以得到大約 30%的產率 38

52 3-3 晶體結構 化合物 23 的分子結構可利用單晶繞射方法得知 於 200 K 所測得的分子結 構 ORTEP 如圖二十六 所示 重要的鍵長鍵角整理於表二 其晶格為單斜晶系 (monoclinic) 空間群為 C 2/c a = (3) Å b = (3) Å c = (14) Å α = 90 β = (14) γ = 90 Z = 4 化合物 23 的分子結構和各個原子的相對位置如圖二十六所示 從圖中我們 可以看到化合物 23 兩個異惡唑結構中的氧原子和氮原子是互相朝外而不是互相 朝內 從這邊我們推測出由於兩個氧原子間的孤對電子或空價軌域的排斥力大於 兩個氧原子對咔唑氮原子上的氫的吸引力導致兩個異惡唑結構是互相朝外 我們 推測由於兩個異惡唑結構互相朝外所以導致化合物 23 與銅離子結合的靈敏度較 低 需要加入 1 當量以上的銅離子化合物 23 才有較明顯的辨識效果 對照 2013 年 Hyuk-Chan Gee 與其團隊所發表的文章 24三唑是五環中含兩個氮原子 異惡 唑則是五環中含一個氮原子一個氧原子 因為氮原子的半徑小於氧原子 相較來 說由兩個氮原子之間孤對電子或空價軌域所產生的排斥力會小於由兩個氧原子之 間孤對電子或空價軌域所產生的排斥力 所以我們看到化合物 14 的兩個三唑結 構是互相朝內 這一結果導致化合物 14 對銅離子具有較高的靈敏性 只需要 0.1 當量即可以看到明顯的變化 39

53 圖二十六 化合物 23 之晶體結構 ORTEP 圖 40

54 3-4 光化學現象討論 化合物 23 的紫外-可見光吸收光譜與螢光光譜如圖二十八所示 使用乙腈為 溶劑 濃度在 3 x 10-5 M 室溫下所測量 圖 (a) 為化合物 23 的紫外-可見光吸收 光譜 從圖中可以觀察到有兩個明顯的吸收峰 分別在 320 nm 與 350 nm ~ 400 nm 之間 320 nm 的吸收峰是來自異惡唑部分 π 到 π* 的吸收 另外在 350 nm ~ 400 nm 之間的吸收則是來自咔唑部分 π 到 π* 的吸收 圖 (b) 為化合物 23 的 螢光放射光譜 利用 320 nm 的激發波長激發後可以在 400 nm 左右看到一個很 強的放射峰 因此可以簡單說明這個放射峰是來自 320 nm 的吸收 化合物 23 在 紫外燈的照射下即可以看到很強的螢光 如圖二十九 圖二十七 化合物 23 以乙腈為溶劑 濃度為 3 x 10-5 M (a) 紫外-可見光吸收光譜 (b) 螢光放射光譜 (λex = 320 nm) 41

55 圖二十八 化合物 23 未接金屬離子前在紫外燈照射下所呈現的螢光 化合物 24 是將化合物 23 異惡唑部分的結構開環而得 所以在紫外-可見光 吸收光譜只看得到在 300 nm ~ 400 nm 之間有一個明顯的吸收峰 如圖二十九 這個吸收峰是來自於化合物 24 咔唑部分 π 到 π* 的吸收 此外化合物 24 在紫 外燈下是看不到螢光的 推測原因有二 一是將化合物 23 異惡唑部分的結構開 環 破壞了 π 電子共軛 二是開環導致化合物的能階改變 自由電子填入基態能 階產生類似光誘導電子轉移的現象 所以無法放出螢光 42

56 圖二十九 化合物 24 以乙睛為溶劑 濃度為 3 x 10-5 M 之紫外-可見光吸收光譜 化合物 23 金屬離子辨識實驗 化合物 23 是屬於一種三牙基的配位基 (ligand) 因此推測它會具有辨識金屬 離子的能力 因此我們就針對此化合物 23 進行了金屬辨識的實驗 首先先將化 合物 23 溶於乙腈中配置成濃度為 3 x 10-5 M 然後加入 14 種不同的過氯酸鹽類 的金屬離子 (Li+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+, Cd3+, Mn2+, Ni2+, Ag+, Pb2+, Zn2+, Cu2+, Hg2+) 各 10 當量 加入 10 當量的目的在於避免漏掉一些需要在高濃度的狀態下 才會與化合物形成錯合物金屬離子 之後我們在室溫下透過紫外-可見光吸收光譜 與螢光放射光譜來觀察加入各種金屬離子前後的變化 圖三十為化合物 23 加入 各種不同金屬離子的紫外-可見光吸收光譜圖 圖中可以看到加入除了銅離子之外 的任何金屬離子其紫外-可見光吸收光譜圖皆不會有明顯的變化 這個現象可以說 明化合物 23 對銅離子具有很高的選擇性 圖三十一為化合物 23 加入各種不同 金屬離子的螢光放射光譜圖 圖中可以看到加入除了銅離子之外的任何金屬離子 43

57 其螢光光譜的螢光強度幾乎不會有明顯的變化 只有加入銅離子後其螢光強度會 有明顯的下降 這個實驗結果同樣也可以證明化合物 23 對銅離子具有很高的選 擇性 從紫外-可見光吸收光譜圖與螢光放射光譜圖都得到同樣的結果 從這樣的 結果我們可以知道化合物 23 對銅離子是一個具有高選擇性的螢光化學感測器 圖三十 化合物 23 加入 10 當量各種不同金屬離子的紫外-可見光吸收光譜圖 以 乙腈為溶劑 濃度為 3 x 10-5 M 下測量 44

58 圖三十一 化合物 23 加入 10 當量各種不同金屬離子的螢光放射光譜圖 以乙腈 為溶劑 濃度為 3 x 10-5 M 下測量 (λex = 320 nm) 環境中大部分有害的過渡金屬皆是存在水溶液中的 因此開發出一個可以在 水溶液中具有辨識能力的感測器也將是一個很重要的課題 我們所開發出來的感 測器化合物 23 是非水溶性的 因此在未來的展望方面 咔唑利於修飾官能基的 特性就派上用場了 咔唑的 3 6 號位置我們可以嘗試去接上一些親水性的官 能基 如磺酸基 -SO3H 羥基 (-OH) 羧基 (-COOH) 如此一來 我們所設計 的感測器便可能在水中作檢測 45

59 化合物 23 對不同銅離子濃度之紫外-可見光吸收光譜與螢光放射光譜 由化合物 23 對各種金屬離子的辨識實驗中 (圖三十) 得知化合物 23 對銅 離子具有特殊的選擇性 為了了解細部的變化 我們就針對改變銅離子的濃度去 做了紫外-可見光吸收光譜與螢光放射光譜的實驗 首先配製化合物 23 以乙腈為 溶劑 濃度為 2 x 10-5 M 第一次先分別加入 0 ~ 1 當量的銅離子 中間間隔 0.1 當量 但是在室溫下透過紫外-可見光吸收光譜與螢光放射光譜進行測量並沒有看 到明顯的光譜變化 所以改變加入銅離子的當量 第二次分別加入 0 ~ 10 當量的 銅離子 中間間隔 1 當量 之後在室溫下透過紫外-可見光吸收光譜與螢光放射光 譜進行測量 圖三十二為紫外-可見光吸收光譜疊圖 可以從圖中看到當加入銅離 子後在 320 nm 與 350 nm ~ 400 nm 處的吸收會逐漸的下降 400 nm 後面有新 的吸收峰生成且在約 390 nm 處有個等消光點 這就說在同一系統內有新的物種 產生 說明了化合物 23 與銅離子發生作用形成錯合物 而且是處於一種平衡的 現象 (圖一) 由圖中可以看到大約加入了 6 ~ 7 當量的銅離子之後 整個系統呈 現一個飽和的狀態 46

60 圖三十二 化合物 23 以乙腈為溶劑 濃度為 2 x 10-5 M 加入 0 ~ 10 當量銅離 子的紫外-可見光吸收光譜疊圖 接下來要看的是化合物 23 加入不同濃度銅離子的螢光放射光譜 一樣配製 化合物 23 以乙腈為溶劑 濃度為 2 x 10-5 M 在室溫下加入 0 ~ 10 當量的銅離 子 圖三十三為化合物 23 加入不同當量數銅離子的螢光放射光譜疊圖 從圖中 可以明顯看到隨著銅離子加入的當量數提高 在 400 nm 處的放射峰強度會逐漸 下降 同時我們也可以用肉眼在紫外燈下看到很明顯的螢光淬滅現象 (圖三十四) 另外我們從圖三十三中也可以看到 大約加入了 6 ~ 7 當量的銅離子之後 螢光 幾乎都被淬滅掉了 而這樣的結果與紫外-可見光吸收光譜所觀察到的現象是一致 的 47

61 圖三十三 化合物 23 以乙腈為溶劑 濃度為 2 x 10-5 M 加入 0 ~ 10 當量銅離 子的螢光放射光譜疊圖 (λex = 320 nm) 圖三十四 紫外燈下 化合物 23 加入 10 當量銅離子前後變化 48

62 化合物 23 的 Job s plot 實驗32 在滴定實驗的結果中已經顯示出化合物 23 與銅離子會形成錯合物 為了想 要去了解化合物 23 與銅離子是以何種比例形成配位 於是我們透過 Job s plot 實 驗來算出化合物 23 與銅離子的配位比例 首先將化合物 23 以乙腈為溶劑 配 製具有固定總莫耳數 (X23 + XCu2+ = mmol) 但是其莫耳分率 (molar fraction) 不同的溶液 總濃度皆為 M 在室溫下透過紫外-可見光吸收光 譜測量 如圖三十五所示 圖中 X 坐標軸為化合物 23 的莫耳分率 其 Y 座標 的 A0 為化合物 23 在 390 nm 未加有銅離子的紫外-可見光吸收值 A 為為化合 物 23 在 390 nm 加有銅離子的紫外-可見光吸收值 圖中顯示的結果可以看到在 最高點所對應的 X 座標為 0.5 代表化合物 23 與銅離子各佔有 50% 的莫耳分 率 因此我們可以認定化合物 23 與銅離子是以 1 1 的配位方式生成錯合物 圖三十五 化合物 23 與銅離子的 Job s plot 49

63 化合物 23 結合常數 (Ks) 計算33 由前面的實驗我們已經確認出化合物 23 與銅離子會是一個 1 1 的配位方 式形成錯合物 因此就可以透過 Benesi-Hildebrand equation (公式一) = [ ] + 公式一 來計算結合常數 在該公式中 [M] 代表金屬離子的濃度 A 為化合物 23 紫外可見光的最大吸收值 A0 則為化合物 23 未加有銅離子時的紫外-可見光最大吸 收值 Amax 則為化合物 23 與銅離子濃度達飽和時最大吸收值 n 是化合物 23 與銅離子的配位比 Ks 則是化合物與離子的結合常數 其中值得注意的是 Benesi -Hildebrand equation 只適用於化合物比金屬離子等於 1 1 型 (公式一中 n 值代 入 1 ) 或者是化合物比金屬離子等於 1 2 型 (公式一中 n 值代入 2 ) 計算化合物 23 與銅離子的結合常數 以 1/[Cu2+] 為 X 坐標軸 以 1/(A A0) 為 Y 坐標軸 1/(Amax A0) 為截距 (intercept) n 值為 1 透過這些數值利用 Excel 作線性迴歸 (linear regression) 所獲得的斜率 (slope) 為 1/[(Amax A0) Ks] 再將截距除以斜率 即可得到結合常數 Ks 作圖結果如圖三十六所示 其斜率為 截距為 將截距除以斜率後可以得到其結合常數 Ks 為 M-1 50

64 圖三十六 化合物 23 與銅離子的 Benesi-Hildebrand plot 化合物 23 辨識實驗的顏色變化 在前面化合物 23 加入銅離子前後的變化是透過紫外-可見光吸收光譜與螢光 放射光譜來辨別 接下來是要透過肉眼來觀察化合物 23 加入銅離子前後的變化 從圖三十八中可以看到化合物 23 加入除了銅離子之外的金屬離子是呈現無色的 這一點可以從紫外-可見光吸收光譜來證明 化合物 23 在紫外-可見光吸收光譜上 主要的吸收峰都是在非可見光的範圍 而且化合物 23 並不會與銅離子之外的金 屬離子產生作用導致紫外-可見光吸收光譜的改變 所以我們看到的都是無色的溶 液 但是當化合物 23 加入銅離子時 從紫外-可見光吸收光譜可以看到在可見光 範圍 400 nm ~ 700 nm 之間有一個新的吸收峰 而這個吸收峰會吸收掉藍光 呈 現給我們它的互補色 所以我們肉眼可以看到淡淡的黃色 這個實驗結果可以讓 我們不須透過任何儀器 直接靠肉眼即可以觀察到樣品中是否含有銅離子的存 在 51

65 圖三十七 化合物 23 加入 10 當量各種金屬離子前後的顏色變化 化合物 24 金屬離子辨識實驗 化合物 24 的結構是把化合物 23 異惡唑部分的結構開環而得 開環後的氧 原子和氮原子不被五環的結構所束縛 預期氧原子和氮原子上的自由電子 (lone pair) 能更容易得去與金屬離子形成錯合物 金屬離子辨識實驗的方法與化合物 23 雷同 首先先將化合物 24 溶於乙腈中配置成濃度為 2 x 10-5 M 然後加入 14 種 不同的過氯酸鹽類的金屬離子 (Li+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+, Cd3+, Mn2+, Ni2+, Ag+, Pb2+, Zn2+, Cu2+, Hg2+) 各 10 當量 在室溫下透過紫外-可見光吸收光譜來觀察加 入各種金屬離子前與加入各種金屬離子後的變化 圖三十八為化合物 24 加入各 種不同金屬離子的紫外-可見光吸收光譜圖 圖中可以看到化合物 24 對銅離子 鋅離子 鉛離子 錳離子 鎳離子 汞離子等六種金屬離子會產生作用 從紫外可見光吸收光譜圖可以看到有明顯的變化 這個現象說明化合物 24 對上述六種 金屬離子具有結合性 而螢光放射光譜的部分 由於化合物 24 看不到螢光 加 入各種金屬離子後也沒有看到螢光激發放射的現象 所以化合物 24 我們就只針 對紫外-可見光吸收光譜的部分來做討論 52

66 圖三十八 化合物 24 加入 10 當量各種不同金屬離子的紫外-可見光吸收光譜圖 以乙腈為溶劑 濃度為 2 x 10-5 M 下測量 由於化合物 24 對六種金屬離子具有結合性 不像化合物 23 只有對銅離子 具有單一的選擇性 所以我們在討論化合 24 的時候需要去對每一種金屬離子去 做滴定實驗 討論它們的紫外-可見光吸收光譜圖 此部分將在後面章節討論 53

67 化合物 24 對不同金屬離子濃度之紫外-可見光吸收光譜 由於化合物 24 對銅離子 鋅離子 鉛離子 錳離子 鎳離子 汞離子等六 種金屬離子具有結合性所以我們要一一來做討論 首先配製化合物 24 以乙腈為 溶劑 濃度為 3 x 10-5 M 之後我們把六種金屬離子區分為兩組 鎳離子和鋅離子 為一組 銅離子 鉛離子 錳離子 汞離子為另一組 化合物 24 對鎳離子和鋅 離子具有較高的靈敏性 所以這一組的紫外-可見光吸收光譜滴定實驗我們是加入 0 ~ 1 當量的鎳離子和鋅離子 中間間隔 0.1 當量 如圖三十九 圖四十所示 化 合物 24 對另外一組的銅離子 鉛離子 錳離子 汞離子的靈敏性較低 需要 1 當 量以上紫外-可見光吸收光譜才會有較明顯的變化 所以在這一組中我們是加入 0 ~ 10 當量的金屬離子 中間間隔 1 當量 如圖四十一到圖四十四所示 從圖中可 以看看到化合物 24 與上述六種金屬離子作用後 皆可以看到在 400 nm ~ 450 nm 間看到一個很明顯的等消光點 表示在同一系統內有新的物種產生 說明了化合 物 24 與上述六種金屬離子發生作用形成錯合物 也是處於一種平衡的現象 (圖 一) 54

68 圖三十九 化合物 24 以乙腈為溶劑 濃度為 3 x 10-5 M 加入 0 ~ 2 當量鎳離子 的紫外-可見光吸收光譜疊圖 圖四十 化合物 24 以乙腈為溶劑 濃度為 3 x 10-5 M 加入 0 ~ 2 當量鋅離子的 紫外-可見光吸收光譜疊圖 55

69 圖四十一 化合物 24 以乙腈為溶劑 濃度為 3 x 10-5 M 加入 0 ~ 10 當量銅離子 的紫外-可見光吸收光譜疊圖 圖四十二 化合物 24 以乙腈為溶劑 濃度為 3 x 10-5 M 加入 0 ~ 10 當量鉛離子 的紫外-可見光吸收光譜疊圖 56

70 圖四十三 化合物 24 以乙腈為溶劑 濃度為 3 x 10-5 M 加入 0 ~ 10 當量錳離子 的紫外-可見光吸收光譜疊圖 圖四十四 化合物 24 以乙腈為溶劑 濃度為 3 x 10-5 M 加入 0 ~ 10 當量汞離子 的紫外-可見光吸收光譜疊圖 57

71 化合物 24 對金屬離子的 Job s plot 在滴定實驗的結果中已經顯示出化合物 24 會與上述六種金屬離子形成錯合 物 於是我們也一樣透過 Job s plot 實驗來算出化合物 24 與上述六種金屬離子的 配位比例 首先將化合物 24 以乙腈為溶劑 配製具有固定總莫耳數 (X24 + Xmetal = mmol) 但是其莫耳分率 (molar fraction) 不同的溶液 總濃度皆為 M 在室溫下透過紫外-可見光吸收光譜測量 如圖四十五到圖五十所示 圖 中 X 坐標軸為化合物 24 的莫耳分率 其 Y 座標的 A0 為化合物 24 在 390 nm 未加有銅離子的紫外-可見光吸收值 A 為為化合物 23 在 390 nm 加有金屬離子 離子的紫外-可見光吸收值 圖中顯示的結果可以看到在最高點所對應的 X 座標 值 表示化合物 24 所佔的莫耳分率 由此可知化合物 24 與金屬離子的配位比 例 從圖中可知化合物 24 與六種金屬離子的配位比例 化合物 24 對鎳離子 X 座標值約為 0.7 所以我們認定化合物 24 與鎳離子是以 2 1 的形式形成配位 化合物 24 對鋅離子 X 座標值約為 0.5 所以我們認定化合物 24 與鋅離子是以 1 1 的形式形成配位 化合物 24 對銅離子 X 座標值約為 0.7 所以我們認定 化合物 24 與銅離子是以 2 1 的形式形成配位 化合物 24 對汞離子 X 座標值 約為 0.5 所以我們認定化合物 24 與汞離子是以 1 1 的形式形成配位 化合物 24 對鉛離子 X 座標值約為 0.5 所以我們認定化合物 24 與鉛離子是以 1 1 的 形式形成配位 化合物 24 對錳離子 X 座標值約為 0.5 所以我們認定化合物 24 與錳離子是以 1 1 的形式形成配位 化合物 24 與六種金屬離子的配位比例整 理在下面表二 58

72 圖四十五 化合物 24 與鎳離子的 Job s plot 圖四十六 化合物 24 與鋅離子的 Job s plot 59

73 圖四十七 化合物 24 與銅離子的 Job s plot 圖四十八 化合物 24 與汞離子的 Job s plot 60

74 圖四十九 化合物 24 與鉛離子的 Job s plot 圖五十 化合物 24 與錳離子的 Job s plot 61

75 化合物 24 對金屬離子的結合常數計算 由前面的實驗我們已經確認出化合物 24 與上述六種金屬離子的配位比例 同樣的我們就可以透過 Benesi-Hildebrand equation (公式一) 來計算結合常數 化 合物 24 與鋅離子 汞離子 錳離子與鉛離子皆是以 1 1 的形式形成配位 所 以公式一裡面的 n 值以 1 代入即可以得到 Ks 值 34至於化合物 24 與銅離子與 鎳離子則是以 2 1 的形式形成配位 由於公式一只適用於主體 客體 = 1 1 或 1 2 所以這邊並不適用公式一來計算 最後只找到文獻中提到要計算主體 客 體 = 2 1 的 Ks 值 需再進一步的去做 ITC 實驗 (isothermal titration calorimetry experiment) 才有辦法求得 35無法直接利用公式計算 最後計算出來的 Ks 值整 理在下面表二 表二 化合物 與金屬離子之配位比例與結合常數 Ligand metal Ks (binding constant) 23 Cu x 104 M-1 24 Zn x 105 M-1 24 Ni * 24 Hg x 104 M-1 24 Mn x 104 M-1 24 Pb x 104 M-1 24 Cu * 註* 因 Ligand metal = 2 1 需做 ITC 實驗才有辦法進一步求得 Ks 62

76 化合物 24 辨識實驗的顏色變化 接下來我們同樣是要透過肉眼來觀察化合物 24 加入六種金屬離子前後的變 化 從圖五十一中可以看到化合物 24 加入鎳離子與鋅離子的顏色變化 從紫外可見光吸收光譜來看 吸收可見光範圍的光 使我們肉眼看到其互補色 加入鎳 離子與鋅離子後的顏色變化非常快速與明顯 只需要 0.1 當量即可以看到明顯的 顏色變化 從圖五十二中可以看到化合物 24 加入銅離子 汞離子 鉛離子與錳 離子的的顏色變化 這四種金屬的顏色變化較不明顯 需要加入 1 當量以上才能 看到較明顯的顏色變化 圖五十一 化合物 24 加入鎳離子與鋅離子的顏色變化 63

77 圖五十二 化合物 24 加入銅離子 汞離子 鉛離子與錳離子的的顏色變化 64

78 第四章 結論 1. 在本研究中 我們成功合成出以咔唑為主體的螢光化學感測器化合物 23 其 結構已透過 NMR Mass 與 X-ray 晶體解析等儀器確認其結構 2. 化合物 23 對於辨識銅離子具有特殊的選擇性 主要是透過螢光的淬滅來偵 測 透過 Job s plot 實驗得知化合物 23 與銅離子是以 1 1 的化學劑量比形 成錯合物 其結合常數為 M-1 最重要的是辨識的過程僅需透過肉眼 就可以觀察到其變化 這樣可以節省許多成本與時間 3. 化合物 23 與文獻中相似物化合物 14 相比較 我們發現了化合物 23 增加 了對金屬離子的選擇性 但因氧原子與氮原子的不同使得構形發生改變導致 對金屬離子的靈敏性降低 4. 在未來展望方面 可以利用咔唑在 3 號和 6 號位置易於修飾官能基的特性 因應不同的偵測環境而接上不同的官能基 5. 此外我們也成功將化合物 23 異惡唑部分的結構開環而得到化合物 23 的衍 生物 化合物 24 由於開環導致共軛結構被破壞 所以化合物 24 是沒有螢 光的 所以無法利用螢光來作為偵測指標 經過金屬離子篩選實驗發現化合 物 24 對六種金屬離子 (Mn2+, Ni2+, Pb2+, Zn2+, Cu2+, Hg2+) 具有結合性 其中 以鎳離子和鋅離子具有較明顯的變色效果 只需少量即可用肉眼看到明顯的 顏色變化 65

79 第五章 參考文獻 1. Dou, J. J.Hyg. Environ. Health. 2006, 209, Zhang, L.; Wong, M. H. Inter. Environ. 2007, 33, Grandjean, P.; Weihe, P.; White, R. F.; Debes, F. Environ. Res. Section a. 1998, 77, Lehn, J. M. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1988, 27, Lehn, J. M. Supramolecular Chemistry : Concepts and perspectives, New York. Wiley Online Library; Czarnik, A.W. (ed.) : Fluorescent Chemosensors for Ion and Molecule Recognition, ACS Symposium Series 538; Washington, DC, American Chemical Society; Steed, J. W.; Atwood, J. L., Eds.; Supramolecular Chemistry; John Wiley & Sons: West Sussex, 張雅合碩士論文 國立中央大學化學所 de Silva, A. P.; de Silva, S. A. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1986, Dumon, P.; Jonusauskas, G.; Dupuy, F.; Pee, P.; Rulliere, C.; Letard, J.-F.; Lapouyade, R. J. Phys. Chem. 1994, 98, Yang, J.-S. J. Chin. Chem. Soc., 2002, 60, Chirantan, K.; Manab D. A.; Aiyagari R.; Gopal, D. Inorg. Chem. 2013, 52, Gilbert, A.; Baggott, J. Essentials of Molecular Photochemistry, Oxford: London, Rurack, K.; Resch-Genger, U. Chem. Soc. Rev. 2002, 31, Leonhardt, H.; Weller, A. Z. Physik. Chem., 1961, 29, Knolker, H. J.; Reddy, K. R. Chem. Rev. 2002, 102,

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82 附錄 69

83 附錄圖一 化合物 17 之 1H-NMR 光譜圖 (CDCl3) 70

84 附錄圖二 化合物 18 之 1H-NMR 光譜圖 (CDCl3) 71

85 附錄圖三 化合物 19 之 1H-NMR 光譜圖 (CDCl3) 72

86 附錄圖四 化合物 23 之 1H-NMR 光譜圖 (CDCl3) 73

87 附錄圖五 化合物 23 之 13C-NMR 光譜圖 (CDCl3) 74

88 附錄圖六 化合物 23 之 DEPT-NMR 光譜圖 (CDCl3) 75

89 附錄圖七 化合物 23 之 ESI 質譜圖 76

90 附錄圖八 化合物 24 之 1H-NMR 光譜圖 (CDCl3) 77

91 附錄圖九 化合物 24 之 13C-NMR 光譜圖 (CDCl3) 78

92 附錄圖十 化合物 24 之 DEPT-NMR 光譜圖 (CDCl3) 79

93 附錄圖十一 化合物 24 之 2D-NMR NOESY 光譜圖 (CDCl3) 80

94 附錄圖十二 化合物 24 之 ESI 質譜圖 81

95 附錄表一 化合物 23 之 crystal data 和 structure refinement Empirical formula C38 H35 N3 O2 Formula weight Temperature 200(2) K Wavelength Å Crystal system Monoclinic Space group C 2/c Unit cell dimensions a = (3) Å α= 90. b = (3) Å β= (14). c = (14) Å γ = 90. Volume (7) Å3 Z 4 Density (calculated) Absorption coefficient Mg/m mm-1 F(000) 1200 Crystal size 0.62 x 0.08 x 0.02 mm3 Theta range for data collection 1.72 to Index ranges -22<=h<=22, -18<=k<=19, -13<=l<=13 Reflections collected Independent reflections 2757 [R(int) = ] Completeness to theta = % Absorption correction multi-scan Max. and min. transmission and Refinement method Full-matrix least-squares on F2 Data / restraints / parameters 2757 / 0 / 195 Goodness-of-fit on F Final R indices [I>2sigma(I)] R1 = , wr2 = R indices (all data) R1 = , wr2 = Largest diff. peak and hole and e.å-3 82

96 附錄表二 化合物 23 之 atomic coordinates 和 U (eq) atom x y z U(eq) C(1) 6107(2) 10293(3) 755(4) 49(1) C(2) 6176(2) 11190(3) 938(4) 53(1) C(3) 6545(3) 11664(3) 311(5) 73(2) C(4) 6588(3) 12510(4) 488(7) 101(2) C(5) 6281(4) 12878(3) 1279(7) 105(2) C(6) 5927(3) 12407(3) 1923(6) 90(2) C(7) 5872(3) 11570(3) 1743(5) 67(1) C(8) 5993(2) 9690(3) 1588(4) 53(1) C(9) 5963(2) 8964(3) 978(4) 48(1) C(10) 5863(2) 8110(3) 1264(4) 47(1) C(11) 6195(2) 7467(3) 832(4) 53(1) C(12) 6090(2) 6639(3) 1048(4) 48(1) C(13) 6466(3) 5954(3) 553(5) 55(1) C(14) 7130(3) 6260(3) 193(5) 83(2) C(15) 5835(3) 5562(3) -667(5) 90(2) C(16) 6800(3) 5294(3) 1626(5) 90(2) C(17) 5607(2) 6452(3) 1701(4) 50(1) C(18) 5265(2) 7069(3) 2157(4) 49(1) C(19) 5398(2) 7899(3) 1960(4) 49(1) N(1) 6126(2) 9961(2) -316(4) 64(1) N(2) (3) (1) O(1) 6040(2) 9104(2) -182(3) 63(1) 83

97 附錄表三 化合物 23 之鍵長 (Å) 和鍵角( ) 鍵長 C(1)-N(1) 1.316(5) C(11)-H(11) C(1)-C(8) 1.418(5) C(12)-C(17) 1.394(5) C(1)-C(2) 1.476(5) C(12)-C(13) 1.532(5) C(2)-C(7) 1.378(6) C(13)-C(14) 1.528(5) C(2)-C(3) 1.390(6) C(13)-C(15) 1.535(6) C(3)-C(4) 1.390(6) C(13)-C(16) 1.538(6) C(3)-H(3) C(14)-H(14A) C(4)-C(5) 1.361(7) C(14)-H(14B) C(4)-H(4) C(14)-H(14C) C(5)-C(6) 1.381(7) C(15)-H(15A) C(5)-H(5) C(15)-H(15B) C(6)-C(7) 1.378(6) C(15)-H(15C) C(6)-H(6) C(16)-H(16A) C(7)-H(7) C(16)-H(16B) C(8)-C(9) 1.353(5) C(16)-H(16C) C(8)-H(8) C(17)-C(18) 1.388(5) C(9)-O(1) 1.365(4) C(17)-H(17) C(9)-C(10) 1.457(5) C(18)-C(19) 1.410(5) C(10)-C(11) 1.395(5) C(18)-C(18)# (8) C(10)-C(19) 1.411(5) C(19)-N(2) 1.390(4) C(11)-C(12) 1.398(5) N(1)-O(1) 1.421(4) N(2)-C(19)# (4) N(2)-H(2) 鍵角 N(1)-C(1)-C(8) 111.3(4) C(12)-C(11)-H(11) N(1)-C(1)-C(2) 120.0(4) C(17)-C(12)-C(11) 117.6(4) 84

98 C(8)-C(1)-C(2) 128.7(4) C(17)-C(12)-C(13) 120.5(4) C(7)-C(2)-C(3) 118.9(4) C(11)-C(12)-C(13) 121.9(4) C(7)-C(2)-C(1) 119.9(4) C(14)-C(13)-C(12) 112.9(4) C(3)-C(2)-C(1) 121.2(4) C(14)-C(13)-C(15) 109.0(4) C(2)-C(3)-C(4) 119.7(5) C(12)-C(13)-C(15) 108.5(4) C(2)-C(3)-H(3) C(14)-C(13)-C(16) 107.9(4) C(4)-C(3)-H(3) C(12)-C(13)-C(16) 109.8(4) C(5)-C(4)-C(3) 120.8(6) C(15)-C(13)-C(16) 108.7(4) C(5)-C(4)-H(4) C(13)-C(14)-H(14A) C(3)-C(4)-H(4) C(13)-C(14)-H(14B) C(4)-C(5)-C(6) 119.7(6) H(14A)-C(14)-H(14B) C(4)-C(5)-H(5) C(13)-C(14)-H(14C) C(6)-C(5)-H(5) H(14A)-C(14)-H(14C) C(7)-C(6)-C(5) 120.1(5) H(14B)-C(14)-H(14C) C(7)-C(6)-H(6) C(13)-C(15)-H(15A) C(5)-C(6)-H(6) C(13)-C(15)-H(15B) C(6)-C(7)-C(2) 120.8(5) H(15A)-C(15)-H(15B) C(6)-C(7)-H(7) C(13)-C(15)-H(15C) C(2)-C(7)-H(7) H(15A)-C(15)-H(15C) C(9)-C(8)-C(1) 105.7(4) H(15B)-C(15)-H(15C) C(9)-C(8)-H(8) C(13)-C(16)-H(16A) C(1)-C(8)-H(8) C(13)-C(16)-H(16B) C(8)-C(9)-O(1) 108.8(4) H(16A)-C(16)-H(16B) C(8)-C(9)-C(10) 135.5(4) C(13)-C(16)-H(16C) O(1)-C(9)-C(10) 115.7(4) H(16A)-C(16)-H(16C) C(11)-C(10)-C(19) 117.1(4) H(16B)-C(16)-H(16C) C(11)-C(10)-C(9) 122.2(4) C(18)-C(17)-C(12) 120.9(4) C(19)-C(10)-C(9) 120.7(4) C(18)-C(17)-H(17) C(10)-C(11)-C(12) 123.8(4) C(12)-C(17)-H(17) C(10)-C(11)-H(11) C(17)-C(18)-C(19) 120.3(4) C(17)-C(18)-C(18)# (2) 85

99 C(19)-C(18)-C(18)# (2) N(2)-C(19)-C(18) 110.0(4) N(2)-C(19)-C(10) 129.8(4) C(18)-C(19)-C(10) 120.2(4) C(1)-N(1)-O(1) 105.4(3) C(19)-N(2)-C(19)# (5) C(19)-N(2)-H(2) C(19)#1-N(2)-H(2) C(9)-O(1)-N(1) 108.8(3) 86

100 附錄表四 Anisotropic displacement parameters (Å2x 103) for 23. The anisotropic displacement factor exponent takes the form: -2π2[ h2a*2u h k a* b* U12 ] U11 U22 U33 U23 U13 U12 C(1) 58(3) 41(3) 54(3) 0(2) 29(2) -2(2) C(2) 64(3) 45(3) 53(3) 3(2) 26(3) -1(2) C(3) 79(4) 63(4) 87(4) 12(3) 45(3) -5(3) C(4) 127(5) 49(4) 137(6) 13(4) 63(5) -11(4) C(5) 134(6) 34(4) 143(6) -1(4) 51(5) -4(4) C(6) 116(5) 51(4) 109(5) -18(4) 50(4) 0(4) C(7) 82(4) 50(3) 74(4) -9(3) 37(3) -11(3) C(8) 73(3) 45(3) 50(3) -4(2) 34(3) -7(2) C(9) 56(3) 55(3) 42(3) 3(3) 28(2) 6(2) C(10) 59(3) 41(3) 48(3) 4(2) 28(2) 0(2) C(11) 59(3) 50(3) 60(3) -3(2) 36(2) -3(2) C(12) 54(3) 41(3) 56(3) -5(2) 31(2) -2(2) C(13) 64(3) 45(3) 68(3) -9(3) 40(3) -5(2) C(14) 79(4) 75(4) 124(5) -14(3) 71(4) 5(3) C(15) 96(4) 93(4) 94(4) -44(3) 52(4) -20(3) C(16) 103(4) 72(4) 111(5) 17(3) 59(4) 32(3) C(17) 62(3) 34(3) 62(3) -5(2) 35(3) -6(2) C(18) 63(3) 39(3) 56(3) 0(2) 35(2) 1(2) C(19) 62(3) 41(3) 52(3) -8(2) 30(2) 2(2) N(1) 97(3) 41(3) 70(3) -1(2) 49(2) -7(2) N(2) 81(4) 30(3) 70(4) 0 50(3) 0 O(1) 98(2) 46(2) 63(2) -7(2) 52(2) -10(2) 87

101 附錄表五 Hydrogen coordinates ( x 104) and isotropic displacement parameters (Å2x 103) for 23. x y z U(eq) H(3) H(4) H(5) H(6) H(7) H(8) H(11) H(14A) H(14B) H(14C) H(15A) H(15B) H(15C) H(16A) H(16B) H(16C) H(17) H(2)