第一章 緒論
1.1 前言
第一章 緒論
1.1 前言
非共價鍵型的作用力，構成超分子化學（supramolecular chemistry）
領 域 中 研 究 自 結 合 、 主 客 化 學 （ host-guest chemistry ） 及 自 組 裝
（self-assembly）等現象的基礎1。氫鍵亦屬於此類非共價鍵型作用力的 一種，我們以 吡咯甲酸甲酯（methyl pyrrole-carboxylate）以及
2-（三氟乙醯基）吡咯（2-（trifluoroacetyl）pyrrole）等兩種分子探討在 不同溶劑下的自結合現象。在農化及生物領域上，此兩種化合物亦有相 當的應用性。
2-吡咯甲酸甲酯 2-(三氟乙醯基)吡咯
自然界中許多草類或木本植物皆會與某些種類的真菌產生共生現 象（symbiosis）。存在於植物體中的真菌稱為內生真菌（endophytic fungi），能夠改變宿主的生長習性，並保護宿主免於外來環境所造成的 影響2。澳洲及紐西蘭主要生長一種稱為黑麥草（perennial ryegrass）的
2
牧草，與黑麥草共生的某種內生真菌 Aremonium loliae（簡稱 A. loliae）
已被證實其保護特性為本身能夠合成某種抗昆蟲的生物鹼-波胺3 , 4
（peramine）。在以放牧為主的國家中，波胺成為農化及某些生化領域 上合成的重點，2-吡咯甲酸甲酯以及 2-（三氟乙醯基）吡咯已有許多文 獻5,6指出可作為合成的主要原料。
波胺（如圖 1.1）的重要性在於可作為一種拒食素（antifeedant）。
Rowan 等人由受到 A. loliae 所感染的黑麥草萃取出兩種主要的生物鹼 成分，波胺及麥角纈鹼（ergovaline），分別對昆蟲及哺乳動物有抑制進 食的作用，然而唯波胺對於生物不具有毒性。Prestidge7等人對阿根廷 象鼻蟲（Argentine stem weevil）進行選擇性餵食的實驗中發現，象鼻 蟲於受到 A. loliae 感染的黑麥草環境中時，其黑麥草的食用量較生長於 正常黑麥草環境中的象鼻蟲為少。Rowan3指出主要因波胺能夠攻擊昆 蟲的味覺感官（taste tensor），抑制對於草類的食用量，使得成蟲的產卵 量下降，長久下來造成整個環境中的草類食用量因昆蟲數目減少而減 少。
圖 1.1 波胺的分子結構圖。
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波胺由於具有能夠有效地抑制昆蟲對草類的食用量、對於哺乳動物 不具有毒性並且不直接使食植性昆蟲死亡以上的特性，過去對於波胺的 研究以合成為大宗，至近期 Dubis8更以理論計算研究波胺的結構及能量 等性質。在許多文獻中記載 2-吡咯甲酸甲酯以及 2-（三氟乙醯基）吡 咯皆可作為合成波胺的起始物，因此我們欲探討這兩種分子的熱力性質 以及紅外光譜。除了在合成波胺上的重要性外，2-吡咯甲酸甲酯以及 2-（三氟乙醯基）吡咯利用 N-H…C=O 形成的氫鍵進行自結合，亦與 蛋白質中二級結構的 α-螺旋體9與 β-折疊片10 (如圖 1.2) 為同類型的鍵 結，此種分子內氫鍵會強烈影響生化分子的幾何結構。
圖 1.2 左圖為 α-螺旋體示意圖[ 引自 Fig. 2 in L. Pauling, R. B. Corey, and H. R.
Branson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 37, 205 (1951). ]。右圖為 β-折疊示意圖，
上圖為多肽鏈利用氫鍵以反向的方式鍵結，下圖為多肽鏈以同向的方式鍵 結 [ 引自 Fig. 6、7 in L. Pauling and R. B. Corey, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 37, 729 (1951). ]。
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1.2 2-吡咯甲酸甲酯及 2-(三氟乙醯基)吡咯的振動光譜
由於 2-吡咯甲酸甲酯及 2-(三氟乙醯基)吡咯分子的 N-H 伸縮振動
（stretching vibration）吸收範圍經實驗結果發現較不被其他吸收雜訊所 干擾，因此我們選用在此範圍內無吸收訊號的溶劑，對氫鍵的單雙體自 結合進行研究及分析。從實驗光譜上（如圖 1.3、1.4）可觀察到，N-H 伸縮振動的吸收訊號主要在 3100~3600 cm-1的範圍內，其中約位於 3450
~ 3490cm-1及 3320 cm-1處的吸收分別為 N-H 基的單體及雙體吸收峰。
雙體的吸收峰之所以較單體吸收峰為小，是由於 N-H…O=C 氫鍵的形 成而使得 N-H 的振動頻率下降，產生一紅位移（red-shifted）的現象。
主要是因為形成氫鍵時必頇考慮軌域的對稱性（symmetry），分子自結 合形成雙體時，在參與 N-H…O=C 氫鍵的軌域中，N-H 的 σ*、O=C 的 σ*及π*等反鍵結軌域較利於氫鍵的形成。具有最高電子密度的氧將電子 貢獻給這些反鍵結軌域，使反鍵結軌域的電子密度增加11，因此造成 N-H、O=C 等官能基的振動頻率下降、鍵級（bond order）減少、鍵長 變長等現象。
2-吡咯甲酸甲酯及 2-(三氟乙醯基)吡咯皆可由實驗光譜觀察到單體 及雙體的吸收峰，但其中 2-吡咯甲酸甲酯的單體具有旋轉異構體存在
（如圖 1.3），因此我們亦將探討順反式異構物對於氫鍵自結合的影響。
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圖 1.3 2-吡咯甲酸甲酯於正庚烷系統中，在 15 ℃時，吸收範圍 3100-3600cm-1所測得之 NH 基的 IR 光譜圖。濃度由上到下：
0.0509 mol L-1、0.0470 mol L-1、0.0428mol L-1、0.0388 mol L-1、 0.0347 mol L-1、0.0306 mol L-1、0.0265 mol L-1、0.0224 mol L-1、 0.0184 mol L-1、0.0142mol L-1。
圖 1.4 2-(三氟乙醯基)吡咯於正庚烷系統中，在 15 ℃，吸收範圍 3100-3600cm-1所測得之 NH 基的 IR 光譜圖。濃度由上到下：
0.0503 mol L-1、0.0464 mol L-1、0.0424mol L-1、0.0383 mol L-1、 0.0343 mol L-1、0.0302 mol L-1、0.0261 mol L-1、0.0222 mol L-1、 0.0182 mol L-1、0.0142mol L-1。
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1.2.1 2-吡咯甲酸甲酯（methyl pyrrole-2-carboxylate）
2-吡咯甲酸甲酯已有前人12 , 13利用紅外光譜及理論計算的方式
（HF/6-311++G**）研究它的單體及雙體型態。在實驗方面，如圖 1.5，
由 IR 光譜中發現 2-吡咯甲酸甲酯在四氯化碳溶液中，N-H 的吸收範圍 內有兩較明顯的吸收峰，位於較高振動頻率處為單體，較低振動頻率處 為雙體。然而，在單體吸收峰處可明顯的看出有一肩峰（shoulder）存 在，這使得吸收峰呈現不對稱的型態。並且在同一溫度下，此兩吸收峰 的比值約略為一定值12，意即
const.
major shoulder A
A (1- 1)
由於在定溫下，稀濃度時，根據比爾定律，吸收度與濃度成正比，
將吸收度以比爾定律代入後可以如下表示
B const.B
major
shoulder (1- 2)
從式（1-2）可看出肩峰與主要吸收峰的濃度比值為一常數，此常 數即為熱力學上的平衡常數，顯示造成吸收現象的這兩個物種，彼此間 必存在一平衡關係式
BshoulderBmajor (1- 3)
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因此判斷此肩峰為單體的另一種型態，導致單體具有兩種可能的單 體（如圖 1.6）。N-H 與 C=O 同向的單體定義為順式，N-H 與 C=O 反向 的單體定義為反式。
圖 1.5 2-吡咯甲酸甲酯在四氯化碳溶液中 N-H 吸收範圍的 IR 實驗光 譜（a）0.001（b）0.02（c）0.04（d）0.16（e）0.32（f）0.64 M [ 引自 Fig. 2 in A. T. Dubis and S. J. Grabowski, J. Mol. Struct.
562, 107 (2001). ]。
圖 1.6 2-吡咯甲酸甲酯的單體單體，左圖為順式單體（cis-form）右圖 為反式單體（trans-form）[ 引自 Scheme 1 in A. T. Dubis and S.
J. Grabowski, J. Mol. Struct. 562, 107 (2001). ]。
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在理論計算方面，Dubis 對此分子的兩種單體進行結構最佳化
（geometry optimization）計算後，發現順式單體的總能量較反式單體 為低，表示順式單體較為穩定，且能階差12為 1.3 kcal mol-1。可由此得 知圖 1.5 中位於單體吸收峰處較大的吸收峰，即 Bmajor，為順式單體；
肩峰，即 Bshoulder，為反式單體。此外，順式與反式單體的兩面角 O8-C7-C4-C3（如圖 1.6）分別為-180°及 0°，顯示吡咯環與其 C=O 取 代基皆為同一平面。雙體自結合的方式則因順式單體較穩定的緣故，導 致雙體傾向於以環狀的方式進行氫鍵的自結合（如圖 1.7）。經過計算得 到雙體 O…H 的鍵長13為 2.012 Å ，小於氫與氧的凡德瓦半徑和 2.6 Å ， 而氫鍵能量為 9.4 kcal mol-1。
圖 1.7 2-吡咯甲酸甲酯的雙體自結合俯視圖[ 引自 Scheme 1 in A. T.
Dubis and S. J. Grabowski, New J. Chem. 26, 165 (2002). ]
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1.2.2 2-(三氟乙醯基)吡咯（2-（trifluoroacetyl）pyrrole）
研究對象 2-(三氟乙醯基)吡咯與 2-吡咯甲酸甲酯具有相似的 IR 光 譜（如圖 1.4）。該分子 N-H 基的單體最大吸收峰約位於 3457cm-1，雙 體最大吸收峰約位於 3319cm-1。我們經台大蘇志明教授的協助下，由 PBE1PBE /6-311++G**層級的計算得知，此分子僅具有一種順式單體，
且以環狀的方式形成雙體。此外可參考本實驗室先前曾對相似分子 2-(三氯乙醯基)吡咯14（2-（trifluoroacetyl）pyrrole）進行紅外光譜及碳 譜的實驗，單體部分並無發現任何異構體的訊號。因此在處理 2-(三氟 乙醯基)吡咯自結合系統時，將採用不同於 2-吡咯甲酸甲酯的處理方式。
1.3 一些類似 2-醯基取代雜環分子的研究
Lomas15在 2007 年以 2,2,4,4-tetramethyl-3-{2-[3,4-ethylenedioxy-5- (3-pyridyl)] thienyl}pentan-3-ol 分子（如圖 1.8，於該文獻中以 2a 為簡 稱），發表分子於溶液中具有旋轉異構體且伴隨著自結合現象的研究。
圖 1.8 2,2,4,4-tetramethyl-3-{2-[3,4-ethylenedioxy-5- (3-pyridyl)]
thienyl}pentan-3-ol 的分子結構。於 Lomas 所發表的文獻中，該 分子以 2a 為簡稱。
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Lomas 指出此種分子 單體 連 接 噻吩 (thiophene) 與 三級醇基 ( － C(t-Bu)2OH) 之間的單鍵旋轉，會形成順式(syn)與反式(anti)等兩種旋 轉異構體。2a 的兩種旋轉異構體於苯溶液中有足夠大的轉動能障 (rotation barrier)，使得順、反式單體互相轉換的時間大於1H NMR 的時 間尺度 (time scale)，因此可從1H NMR 光譜上分離出三級醇基單體的 順、反式訊號。此外，在 2a 的晶體結構中可從 X-ray 繞射得知，順式 單體利用氫鍵以環狀的方式形成雙體 (如圖 1.9)。
圖 1.9 由左至右分別為 2a 的反式單體、順式單體及雙體。[ 引自 Scheme 1 in J. S. Lomas, C. Cordier, A. Adenier, F. Maurel, and J.
Vaissermann, J. Phys. Org. Chem. 20, 410 (2007). ]
為求得順、反式單體互相轉換的平衡常數 K1，以及雙體自結合平 衡常數 K2，Lomas 提出系統中順、反式單體間的濃度關係為
[S]K1[A] (1- 4)
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上式中[S]與[A]分別為順式及反式單體於平衡態時的濃度。Lomas 假設 僅有環狀雙體的形成，則雙體的濃度可以如下表示
[SS]
K1 2K2[A]2 (1- 5)上式[SS]為由兩順式單體形成的雙體濃度。而此系統中順式異構體總濃 度( [S]+2[SS]）與反式單體濃度（[A]）的比值 R，可由1H NMR 光譜上 三級醇基的訊號積分得到。R 可表示為
A A ROHo
R (1- 6)
[ROH]o為系統中 2a 的配置濃度。將上式代入[ROH]o=[A] + K1[A] + 2 (K1)2K2[A]2，即濃度守恆式，可得到以下方程式
1
1
o
1 2 22 R1 K K 2ROH K K
R (1- 7)
利用上式求解 R，並以 Y=R 對 X=[ROH]o作圖，再以數值分析軟體適解
（fitting）可得到 K1及 K2。
Lomas 所提出單體具構型轉換現象的雙體自結合系統定量方法，必 頇限制在順式單體以環狀的方式形成雙體，並且順、反式單體於1H NMR
12
光譜上的訊號為可分離的情形之下。我們所研究的 2-吡咯甲酸甲酯分 子，其順、反式單體間的轉換能障（interconversion energy barrier）相 當小，1H NMR 光譜的時間尺度無法明顯地辨別出順、反式單體。而我 們發現 FT-IR 光譜則有足夠快速的時間尺度對 2-吡咯甲酸甲酯的順、
反式單體訊號進行分離。於第三章我們將對前述分子作 IR 光譜配合理 論計算的研究。
在相關的 2-醯基取代吡咯（2-acyl pyrrole）定性方面，早期 Cheng16 等三位學者對三種具有 2-醯基取代的吡咯分子進行偶極矩的量測，實 驗結果如表 1.1。因實驗僅能觀測到順式與反式單體偶極矩的平均值，
為了決定分子為何種單體，Cheng 由其他分子的鍵角及鍵矩( bond moment )，估計此類型分子順式及反式單體的偶極矩，分別為 4.23C•m 及 14.1C•m。由於估計時不考慮溶劑效應，估計值可視為氣態中所測到 的偶極矩。在實驗上，分子於環己烷溶劑中溶質-溶劑作用力最少，較
*（I）與（II）中估計 N-H 的鍵矩為 5.80 C•m（來自吡咯），C=O 的鍵矩為 9.90 C•m
*（I）與（II）中估計 N-H 的鍵矩為 5.80 C•m（來自吡咯），C=O 的鍵矩為 9.90 C•m