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第一章 含鉍之鉬金屬團簇化合物的離子交換反應及電化學探討

1.8 核磁共振儀之滴定實驗

母 液配 置 : 首先 精秤 [PPh4][BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Na] ([PPh4][1])8 0.0267 克 (0.02 mmol) 於 NMR-tube 中,利用微量吸量管加入內標準品 3.4

L (0.02 mmol) phenyltrimethylsilane 至含 0.75 mL MeCN-d3 的安瓶內,以 1 mL 針抽取混合液,注入至 NMR tube 中,再以針抽取 0.25 mL CD3CN 將殘留於針內的內標準品注入至 NMR tube 內,安置塞蓋,此時需將 tube 內的母液搖晃均勻。

離子溶液配置: 秤取 1 mmol 欲滴定之陽離子鹽類 (LiCl, KCl, MgCl2, CaCl2, SrCl2, CuCl2, Ag(NO3), ZnCl2, CdCl2) 配製於 4 mL 樣品瓶內,在真空 系統下抽 10 分鐘,確保乾燥後,並利用微量吸量管加入 1 mL 去離子水 (濃 度為 1 M),搖晃至鹽類完全溶解即可。

實驗過程: 首先將含內標準品的母液量測 1H-NMR 圖譜,範圍為 -5 ppm 至 15 ppm,掃描數為 64 次,再者,利用微量吸量管抽取 10 L (0.5 當量) 的離子溶液滴入母液內,將溶液充份混合,再次測量其 1H-NMR 圖譜,重

1.8-1 滴加 LiCl 至化合物 [PPh4][1]

配製: 取 0.0424 克 (1 mmol) LiCl 於配製於 4 mL 樣品瓶內,在真空系統 下抽 10 分鐘,確保乾燥後,並利用微量吸量管加入 1 mL 去離子水,濃 度為 1 M。 逐次滴加 0.5、1 (累加) 當量至母液 [PPh4][1],於 1 當量時 圖譜趨於穩定。(圖 1-5)

1.8-2 滴加 KCl 至化合物 [PPh4][1]

配製: 取 0.0746 克 (1 mmol) KCl 於配製於 4 mL 樣品瓶內,在真空系統下 抽 10 分鐘,確保乾燥後,並利用微量吸量管加入 1 mL 去離子水,濃度 為 1 M。 逐次滴加 0.5、1、2 (累加) 當量至母液 [PPh4][1],於 2 當量時 圖譜皆未有變化。(圖 1-19)

1.8-3 滴加 MgCl2 至化合物 [PPh4][1]

配製: 取 0.0952 克 (1 mmol) MgCl2 於配製於 4 mL 樣品瓶內,在真空系統 下抽 10 分鐘,確保乾燥後,並利用微量吸量管加入 1 mL 去離子水,濃 度為 1 M。 逐次滴加 1、1.5、2 (累加) 當量至母液 [PPh4][1],於 2 當量 時圖譜依然有化合物 1 之訊號。(圖 1-19)

1.8-4 滴加 CaCl2 至化合物 [PPh4][1]

配製: 取 0.1110 克 (1 mmol) CaCl2 於配製於 4 mL 樣品瓶內,在真空系統

下抽 10 分鐘,確保乾燥後,並利用微量吸量管加入 1 mL 去離子水,濃 度為 1 M。 逐次滴加 0.5、1、2 (累加) 當量至母液 [PPh4][1],於 2 當量 時圖譜趨於穩定。(圖 1-19)

1.8-5 滴加 SrCl2 至化合物 [PPh4][1]

配製: 取 0.1585 克 (1 mmol) SrCl2 於配製於 4 mL 樣品瓶內,在真空系統 下抽 10 分鐘,確保乾燥後,並利用微量吸量管加入 1 mL 去離子水,濃 度為 1 M。 逐次滴加 1、3、5 (累加) 當量至母液 [PPh4][1],於 5 當量 時圖譜趨於穩定。(圖 1-19)

1.8-6 滴加 CuCl2 至化合物 [PPh4][1]

配製: 取 0.1345 克 (1 mmol) CuCl2 於配製於 4 mL 樣品瓶內,在真空系統 下抽 10 分鐘,確保乾燥後,並利用微量吸量管加入 1 mL 去離子水,濃 度為 1 M。 逐次滴加 1、3 (累加) 當量至母液 [PPh4][1],於 3 當量時圖 譜趨於穩定。(圖 1-19)

1.8-7 滴加 Ag(NO ) 至化合物 [PPh ][1]10

量時圖譜趨於穩定。(圖 1-19)

1.8-8 滴加 ZnCl2 至化合物 [PPh4][1]

配製: 取 0.1363 克 (1 mmol) ZnCl2 於配製於 4 mL 樣品瓶內,在真空系統 下抽 10 分鐘,確保乾燥後,並利用微量吸量管加入 1 mL 去離子水,濃 度為 1 M。 逐次滴加 0.5、1 (累加) 當量至母液 [PPh4][1],於 1 當量時 圖譜趨於穩定。(圖 1-19)

1.8-9 滴加 CdCl2 至化合物 [PPh4][1]10

配製: 取 0.1833 克 (1 mmol) CdCl2 於配製於 4 mL 樣品瓶內,在真空系統 下抽 10 分鐘,確保乾燥後,並利用微量吸量管加入 1 mL 去離子水,濃 度為 1 M。 逐次滴加 0.5、1、1.5 (累加) 當量至母液 [PPh4][1],於 1.5 當 量時圖譜趨於穩定。(圖 1-19)

1.9-1 核磁共振儀滴定實驗之轉換率計算 (實驗過程於 1.8)

1.9-2 核磁共振儀滴定實驗之平衡常數計算 (實驗過程於 1.8)

1.10-1 滴加 1 當量 LiCl 至化合物 1 之轉換率計算

0 2 4 6 8

1.11-1 滴加 1 當量 MgCl2 至化合物 1 之轉換率計算

0 2 4 6 8

1.12-1 滴加 1 當量 CaCl2 至化合物 1 之轉換率計算

0 2 4 6 8

1.13-1 滴加 1 當量 ZnCl2 至化合物 1 之轉換率計算

0 2 4 6 8

1.14-1 滴加 1 當量 CdCl2 至化合物 1 之轉換率計算

0 2 4 6 8

1.15 理論計算 15

本研究的計算是由 Density Functional Theory (DFT)15 使用 Gaussian 0316 程式系統所演算;使用 MPW1PW9117為層級 LanL2DZ18 (Bi, Mo, Na, Li, Ca, Cd, Co, Zn, Sn) 與 6-31++G** (C, O, H) 為基底函數,化合物 1、2、

3、4、5、8 以最佳化 (Optimized) 計算,而化合物 6、7 以單點 (Single point) 計算。分子軌域的圖形是利用 CS Chem3D 7.0 軟體呈現。AOMix19 程式 計算分子軌域貢獻之百分比。Natural charges20 則是以 Weinhold NBO21 方 法所評估。

1.16 參考文獻

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0 2 4 6 8 10

300 400 500 600 700 800

0.0

300 400 500 600 700 800

0.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

300 400 500 600 700 800

0.0

300 400 500 600 700 800

0.0

0 1 2 3 4 5

300 400 500 600 700 800

0.0

300 400 500 600 700 800

0.0

0 1 2 3 4 5 6

300 400 500 600 700 800

0.0

300 400 500 600 700 800

0.0

0 1 2 3 4 5

300 400 500 600 700 800

0.0

300 400 500 600 700 800

0.0

300 400 500 600 700 800

300 400 500 600 700 800

0.0

300 400 500 600 700 800

300 400 500 600 700 800

0.0

0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0

xidation processes Reduction processes Epox, V

0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0

xidation processes Reduction processes Epox, V

0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0

xidation processes Reduction processes Epox, V

0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0

xidation processes Reduction processes Epox, V

0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0

Potential/V v.s. SCE

xidation processes Reduction processes Epox, V

0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0

Potential/V v.s. SCE

xidation processes Reduction processes Epox, V

0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0

xidation processes Reduction processes Epox, V

0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0

xidation processes Reduction processes Epox, V

附圖 1-23: [BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Sn] (8) 之紅外線光譜 (in THF)

300 400 500 600 700 800 0

5000 10000 15000 20000 25000

(dm3 mol-1 cm-1 )

Wavelength (nm)

abs (nm)  (dm3 mol─1 cm─1)

397 22517

附圖 1-25:[BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Sn] 之1H 核磁共振光譜圖 (in DMSO)

附表 1-1:[BiMo3(CO)9(μ-OC2H4OMe)3Sn] 之 X-ray 晶體數據 [8]

Empirical formula C18H21BiMo3O15Sn

Fw 1092.84

cryst syst Orthorhombic

space group Pca21

crystal dimens, mm 0.40  0.32  0.03

diffractometer Apex II CCD radiation (), Å 0.71073

附表 1-2:[BiMo3(CO)9(μ-OC2H4OMe)3Sn] (8)重要鍵長[Å ]與鍵角[°]數據表 (8)

Mo1─Bi1 2.8285(19) Mo1─Mo3 3.060(2) Mo1─Mo2 3.102(2) Mo2─Bi1 2.8122(17) Mo2─Mo3 3.109(2) Mo3─Bi1 2.8111(17) Mo4─Bi2 2.8267(18) Mo4─Mo6 3.073(2) Mo4─Mo5 3.120(2) Mo5─Bi2 2.8213(19) Mo5─Mo6 3.107(2) Mo6─Bi2 2.7926(19) O10─Sn1 2.271(11) O11─Mo2 2.248(11) O11─Sn1 2.290(12) O12─Sn1 2.330(12) O13─Sn1 2.549(17) O28─Sn2 2.249(12) O29─Sn2 2.519(14) O30─Sn2 2.302(14) O32─Sn2 2.321(14)

Bi1─Mo3─Mo2 56.45(4) Bi1─Mo3─Mo1 57.42(5) Bi1─Mo2─Mo3 56.42(4) Mo1─Mo2─Mo3 59.02(5) Mo3─Mo1─Mo2 60.60(5) Mo1─Mo3─Mo2 60.37(5) Bi2─Mo4─Mo6 56.32(5) Bi2─Mo4─Mo5 56.39(5) Bi2─Mo5─Mo6 55.96(5) Mo6─Mo5─Mo4 59.14(5) Mo4─Mo6─Mo5 60.65(5) Mo6─Mo4─Mo5 60.21(5) Mo3─Bi1─Mo2 67.13(5) Mo3─Bi1─Mo1 65.71(5) Mo2─Bi1─Mo1 66.73(5) Mo6─Bi2─Mo5 67.19(5) Mo6─Bi2─Mo4 66.29(5) Mo5─Bi2─Mo4 67.06(5) O10─Sn1─O11 72.3(4) O10─Sn1─O12 72.5(4) O11─Sn1─O12 73.2(4) O10─Sn1─O13 67.4(5) O11─Sn1─O13 108.3(7) O12─Sn1─O13 136.7(5) O28─Sn2─O30 72.0(4) O28─Sn2─O32 71.8(4) O30─Sn2─O32 72.5(4) O28─Sn2─O29 69.7(5) O30─Sn2─O29 124.8(5) O32─Sn2─O29 127.4(5)

附圖 1-27 : [PPh4][BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Li] 溶於 MeCN-d3 所偵測 之1H 核磁共振光譜圖

附圖 1-29:[PPh4][BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Na] 溶於 MeCN-d3之滴加 0.5 當量 Li+ 1H 核磁共振光譜圖

附圖 1-31:[PPh4][BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Na] 溶於 MeCN-d3 未滴加 K+ 1H 核磁共振光譜圖

附圖 1-33:[PPh4][BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Na] 溶於 MeCN-d3 之滴加 1 當量 K+ 1H 核磁共振光譜圖

附圖 1-35:[PPh4][BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Na] 溶於 MeCN-d3 未滴加 Mg2+1H 核磁共振光譜圖

附圖 1-37:[PPh4][BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Na] 溶於 MeCN-d3 之滴加 1.5 當量 Mg2+ 1H 核磁共振光譜圖

附圖 1-39:[PPh4][BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Na] 溶於 MeCN-d3 未滴加 Ca2+1H 核磁共振光譜圖

附圖 1-41:[PPh4][BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Na] 溶於 MeCN-d3 之滴加 2 當量 Ca2+ 1H 核磁共振光譜圖

附圖 1-43:[PPh4][BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Na] 溶於 MeCN-d3 之滴加 1 當量 Sr2+ 1H 核磁共振光譜圖

附圖 1-45:[PPh4][BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Na] 溶於 MeCN-d3 之滴加 3 當量 Sr2+ 1H 核磁共振光譜圖

附圖 1-47:[PPh4][BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Na] 溶於 MeCN-d3 之滴加 5 當量 Sr2+ 1H 核磁共振光譜圖

附圖 1-49:[PPh4][BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Na] 溶於 MeCN-d3 之滴加 1 當量 Cu2+ 1H 核磁共振光譜圖

附圖 1-51:[PPh4][BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Na] 溶於 MeCN-d3 之滴加 3 當量 Cu2+ 1H 核磁共振光譜圖

附圖 1-53: [PPh4][BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Na] 溶於 MeCN-d3 之滴加 1 當量 Ag+ 1H 核磁共振光譜圖

附圖 1-55:[PPh4][BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Na] 溶於 MeCN-d3 之滴加 2.5 當量 Ag+ 1H 核磁共振光譜圖

附圖 1-57:[PPh4][BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Na] 溶於 MeCN-d3 之滴加 1 當量 Zn2+ 1H 核磁共振光譜圖

附圖 1-59:[PPh4][BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Na] 溶於 MeCN-d3 未滴加 Cd2+1H 核磁共振光譜圖

附圖 1-61: [PPh4][BiMo3(CO)9(-OC2H4OCH3)3Na] 溶於 MeCN-d3 之滴加 1 當量 Cd2+ 1H 核磁共振光譜圖

第二章 含十四族(錫、鉛)之鐵團簇化合物的合成暨電子吸收光譜與電化學探討

2.1 摘要

利用十四族鐵團簇化合物 [EFe3(CO)12]2─ 或 [EFe4(CO)16]2─ (E = Sn, 1a; Pb, 1b) 與硫粉在 MeOH 下進行反應可成功合成出混合 14 與 16 族 之鐵團簇化合物 [ES2Fe4(CO)14]2─ (E = Sn, 2a; Pb, 2b) 。 根據 X-ray 構造 解 析 , 化 合 物 2a 和 2b 是 由 [E{Fe(CO)4}2]2─ 片 斷 連 接 蝴 蝶 型 結 構 [S2Fe2(CO)6] 而成的團簇化合物。再者,若 1a 與 BiCl3 主族試劑進行反 應,可得到主族置換後的產物 [BiFe4(CO)16] (3),其具有兩個 Fe(CO)4 以 及 Fe2(CO)8 片段。

此外將團簇化合物 2a 和 2b 和起始物 [EFe4(CO)16]2─ (E = Sn, 1a; Pb, 1b) 進一步藉由電化學以及電子吸收光譜並搭配 DFT 理論計算,探討引 入 S 對其化合物之影響及其主族所扮演之角色。

2.2 前言

近年來金屬團簇化合物 (Metal Clusters) 在無機化學的領域備受重

視,其中特別是含主族元素之金屬團簇物1,藉由主族與過渡金屬不同的鍵

業上的應用性,故吸引了許多化學家深入研究探討。

此外,含十四族元素鉛之鐵團簇物是較為罕見的化合物,因為其缺乏 合理的合成條件,故其相關的反應性及化學特性較少被探討,而過去本實 驗室也已經成功將鉻金屬與十四族元素鉛之鐵團簇物結合,成功得到含鉛 之 混 合 金 屬 的 團 簇 化 合 物 [Pb{Cr(CO)5}{Fe(CO)4}2]2─3 並 且 利 用 Mn(CO)5Br 與 [Pb{Cr(CO)5}{Fe(CO)4}2]2─ 於 MeCN 下加熱反應可得到 [Fe3(CO)9{PbCr(CO)5}2]2─ (圖 2-1)。

圖 2-1 : Pb─Cr─Fe─CO 團簇物

另一方面,Vaid 教授則提出由 Pb、S 與有機物所結合而成的網狀結 構之化合物 [Pb2(S2C6H2S2)(en)]n (圖 2-2) 具有半導體的特性 23,其具有小 的能隙 (band gap),並利用其共價鍵的特質,調控其導電性,而此文獻也

圖 2-2 : 化合物 [Pb2(S2C6H2S2)(en)]n 之晶體結構

有 鑑 於 此 , 對 此 本 研 究 將 以 含 十 四 族 的 金 屬 團 簇 物 [Et4N]2[EFe3(CO)12]4, 5 或[Et4N]2[EFe4(CO)14] 6, 7 (E = Sn,Pb) 作為起始物,

嘗試與主族試劑硫粉或 BiCl3 進行反應,並且將合成出之產物與起始物以 紫外/可見光吸收光譜及微分脈衝伏安法進行分析及比較。

2.3 結果與討論

2.3-1 [Et4N]2[SnFe3(CO)12]4 或 [Et4N]2[SnFe4(CO)16]6 ([Et4N]2[1a]) 與硫粉 反應

圖解 2-1 : 化合物 2a 之合成

將 [Et4N]2[SnFe3(CO)12]4 與硫粉在 MeOH 下進行反應,經水洗再結 晶後,再結晶純化後可以得到 [Et4N]2[SnS2Fe4(CO)14] ([Et4N]2[2a]) (圖解 2-1),其結構是由 [Sn{Fe(CO)4}2]2─ 片斷與與蝴蝶結構 [S2Fe2(CO)6] 的硫 原 子 鍵 結 所 組 成 ( 圖 2-3) , 其 結 構 中 具 有 四 個 鐵 原 子 , 而 起 始 物 [Et4N]2[SnFe3(CO)12]4 中卻只有三個鐵原子,故為了進一步使合理化其合 成,則更改起始物為同樣具有四個鐵原子的團簇物,[Et N] [SnFe (CO) ]6

且伴隨 Fe-Fe 鍵上的兩個 CO 配子離去,並維持原本所帶的負二價。此 外,化合物 2a 是由十四族的 Sn 與十六族的 S 所形成混合主族的金屬團 簇物,在過去文獻上,雖然已有成功合成混合 Sn 以及 S 之鐵團簇物 12,

13,但其主族 Sn 上皆帶有有機官能基穩定其結構,並且為中性之化合物,

而帶負價且無有機官能基配位之混合 Sn 以及 S 之金屬團簇物則尚未被 發表,本研究為第一個例子。

圖 2-3 : 化合物 2a 之晶體結構圖 (30 % thermal ellipsoid)

2.3-2 [Et4N]2[PbFe3(CO)12]5 或 [Et4N]2[PbFe4(CO)16]7 ([Et4N]2[1b]) 與硫 粉反應

圖解 2-2 : 化合物 2b 之合成

將 [Et4N]2[PbFe3(CO)12]5 與硫粉在 MeOH 下進行反應,經水洗再結 晶純化後可以得到 [Et4N]2[PbS2Fe4(CO)14] ([Et4N]2[2b])24 (圖解 2-2),其結 構是由 [Pb{Fe(CO)4}2]2─ 片斷與與蝴蝶結構 [S2Fe2(CO)6] 的頂點上的硫 原子鍵結所形成的構型 (圖 2-4)。由於結構中具有四個鐵原子,故仿造 Sn 的系統之概念,而以 [Et4N]2[PbFe4(CO)16]7 ([Et4N]2[1b]) 為起始物,與硫粉 在 MeOH 下進行合成,可以有效提升產率從 31 % 提升至 47 %,而若從

混合 Pb 與 S 的金屬團簇物是過去未曾被發表的。

圖 2-4 : 化合物 2b 之晶體結構圖 (30 % thermal ellipsoid)

2.3-3 [Et4N]2[PbFe3(CO)12]5 ([Et4N]2[1a]) 或 [Et4N]2[PbFe4(CO)16]7 ([Et4N]2[1b]) 與 BiCl3 反應

圖解 2-3 : 化合物 3 之合成

將 [Et4N]2[PbFe3(CO)12]5 或 [Et4N]2[PbFe4(CO)16]7 [Et4N]2[1b] 與 1.5 當 量 BiCl3 於 THF 下 反 應 ( 圖 解 2-3) , 純 化 後 可 以 得 到 [Et4N][BiFe4(CO)16] [Et4N]2[3] (圖 2-5),其結構與 1b 以及 [SbFe4(CO)16]─, 8 為等電子結構,而過去若要合成同一族之化合物 [SbFe4(CO)16]─, 8 必須先 合成 [SbFe4(CO)16]3─, 11 後與 2 當量之 Cu+ 試劑反應 (圖解 2-4),而本研 究並非從 [BiFe4(CO)16]3─ 與氧化試劑反應,再合成化合物 3 。而從反應的 結果可以發現起始物 1b 之 Pb 被 Bi 所取代,故推其過程中經過複雜之

圖 2-5 : 化合物 3 之晶體結構圖 (30 % thermal ellipsoid)

2.3-4 [Et4N]2[PbS2Fe4(CO)14] ([Et4N]2[2b]) 與 Hg(OAc)2 反應

圖解 2-5 : 化合物 4 之合成

將 [Et4N]2[PbS2Fe4(CO)14] ([Et4N]2[2b]) 與 一 當 量 的 Hg(OAc)2 於 MeCN 的 溶 劑 下反 應 ,得 到 [Et4N]2[HgS8Fe10(CO)28] ([Et4N]2[4]) (圖 解

2-5),此結構是由兩組之四角錐 S2Fe3(CO)9 之四邊型上的 Fe 與蝴蝶結構 S2Fe2(CO)6 的 S 做鍵結後再利用蝴蝶結構之頂點的 S 與 Hg 金屬配位 (圖 2-6),值得注意的是其中各一個硫原子以 Van der Waals 力與 Hg 作結 合,在過去已經有出現中心金屬連接兩單位的蝴蝶結構 S2Fe2(CO)62- 的例 子 [M{S2Fe2(CO)6}2]2- (M = Cr、Mn、Fe、Ni、Pd)14,但化合物 4 同時具 有雙 S2Fe2(CO)62- 以及雙 S2Fe3(CO)9 的特殊結構卻是未曾發現過的。

圖 2-6 : 化合物 4 之晶體結構圖 (30 % thermal ellipsoid)

2.3-5 [Et4N]2[SnS2Fe4(CO)14] ([Et4N]2[2a]) 與 Hg(OAc)2 反應

圖解 2-6 : 化合物 2a 與 Hg(OAc)2 反應

仿 照 Pb 的 系 統 與 金 屬 試 劑 反 應 , 將 [Et4N]2[SnS2Fe4(CO)14] ([Et4N]2[2a]) 與一當量的 Hg(OAc)2 於 MeCN 的溶劑下反應 10 分鐘,預 期能引入 Hg2+,而得到 unknown 1 (圖解 2-6),其紅外光譜圖有明顯的偏

仿 照 Pb 的 系 統 與 金 屬 試 劑 反 應 , 將 [Et4N]2[SnS2Fe4(CO)14] ([Et4N]2[2a]) 與一當量的 Hg(OAc)2 於 MeCN 的溶劑下反應 10 分鐘,預 期能引入 Hg2+,而得到 unknown 1 (圖解 2-6),其紅外光譜圖有明顯的偏

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