結論

1. 經過控制實驗化合物 37、58 與 72-75 的自由基捕捉實驗、光解後產 物分析、低溫和變溫的 EPR 實驗、在不同低溫介質或是變換溫度時的 D' 值的改變，與理論計算的輔助以及 X 光繞射技術直接偵測到自由基

對或是由 73 在光解後造成的 distorsion 之證據，證實了本實驗室之 sultine 分子 24 及其衍生物，在光解時將會造成氮-對甲苯磺醯基的斷 裂，形成參重態自由基對而非參重態雙自由基。此結果與 12 低溫光解 產生的 EPR 訊號以及特性極為類似，獲得 Berson 教授之自旋異構物 無法進行系間轉換的解答。

2. 氮-對甲苯磺醯基-鄰-二胺苯 89 與氮-對甲苯磺醯基吡咯烷 74b 亦可 得到參重態自由基對 102 和 103 的光譜，說明了並非一定得在含氮芳 香性雜環氮上具有對甲苯磺醯基取代時，才容易造成氮硫鍵的光解形成 自由基對。

3. 在變溫或是更換低溫介質的 EPR 實驗可以得知，吡咯環上氮取代的磺 醯基基團大小，或是吡咯環上 3.4-位置的取代基，可以藉由立體的效 應阻礙重排或是重新結合的發生機率，來穩定所產生的自由基對。而當 吡咯環上的 2.5-位置具有苯基取代時，除了可以提供立體屏障外，更 可以藉由共振達到穩定自由基對的目的。因此具有適當基團存在的氮 -磺醯基取代之吡咯衍生物，例如 sultine 24 以及其熱裂解後的環化產物

52

58，在光解後所產生的自由基對，可以在 77 K 的低溫介質中經過 10 小時以上仍能在電子順磁共振光譜上獲得訊號。

4. 自由基對 93-97 以 MTHF 為介質時，在 4-77 K 的溫度範圍中，將會 有約 11-19 G (即 ∆D' = 1.14−1.37 Å) 的相對移動；並且在黏度較大環 境中，自由基對會有相對於在 MTHF 中較小的移動距離。而循環變溫 的 EPR 實驗顯示了雖然降低溫度有助於訊號的觀測，但自由基對的訊 號強度與溫度之間的關係並未依循 Curie Law；因此 Curie Law 並不適 用在會發生重組、再結合與容易發生其他反應的自由基對上。

5. 除了結構本身的影響，高黏滯性及堅固的環境將限制自由基對間的相對 移動，繼而影響了兩自由基之間在空間上的交互作用強弱；因此，在晶 格的緊密排列的狀態下所形成的自由基對行為將會趨向於單自由基。

第二章

芳香環駢∆

²

-1,2,3-三唑啉衍生物之光化學反應研究 (Photochemistry of Heteroaromatic Fused

∆

²

-1,2,3-Triazoline Derivatives)

第二章

芳香環駢∆

²

-1,2,3-三唑啉衍生物之光化學反應研究

2.1 緒論

2.1.1 與研究相關之文獻介紹

異 吲 哚 (isoindole)³⁹ 以 及 異 - 芳 香 性 雜 環 駢 吡 咯 (iso-condensed heteroaromatic pyrrole)⁴⁰ 因為具有高度活性，除了會如式圖十八所示有互變 異 構 現 象 (tautomerism) 外 ， 亦 能 做 為 雙 烯 與 親 二 烯 體 化 合 物 進 行 Diels–Alder 環 化 加 成 反 應 並 脫 去 氮 架 橋 ， 可 視 為 是 鄰- 醌 二 烯 (o-quinodimethane, o-QDM) 的相當物，如式圖十九所示。

NH tautomerism

N

NH N N N

H

polymer

式圖十八、異吲哚之互變異構現象。^40a

NR

RN

- NR

+ H₂ R²

R¹ R¹ R² R¹

R²

R² R¹ NR

n

Ar Ar

Ar Ar

Ar

式圖十九、芳香環駢吡咯與鄰-醌二烯和親二烯體化合物環化加成反應。^40b

54

在現今，由此類異吲哚衍生物為架構所發展出的化合物已被廣泛應用 於導電高分子、有機發光二極體、有機場效應晶體、金屬離子的篩選感應 器、與生物化學等的研究上。⁴¹

由於高活性的異吲哚與異-芳香性雜環駢吡咯，在酸性條件下極不穩 定，容易聚合成高分子，在早期此系統的合成研究，具有相當的困難度與 挑戰性。沙晉康教授便曾致力投注於此項研究，發展出利用具有芳香環之 溴化物、芳香環之疊氮化物 (azide)、與芳香環駢三唑啉 (aromatic fused triazoline) 等三種前驅物，分別在鹼性、中性、與酸性條件中，有效率的合 成出一系列芳香環駢吡咯衍生物，如式圖二十所示。^{40, 42}

neutral condition CO₂Et N₃

CO₂Et basic condition CO₂Et

Br

CO₂Et

acid condition N

N N EtO₂C

CO₂Et NR

R = H, alkyl, aryl

Ar

Ar

Ar Ar

式圖二十、沙晉康教授所發展出合成芳香環駢吡咯的三種方法。^40b

另外，1,3-偶極環化加成反應，為一個很重要且有效可合成含有氮原子 之五員雜環的反應之一。若將含芳香環結構的疊氮化合物與烯類進行分子 內的 1,3-偶極環化加成反應，可形成芳香環駢三唑啉衍生物。⁴³ 芳香環駢 三唑啉在經過加熱裂解時，會形成氮丙啶 (aziridine) 中間體並伴隨氮氣的 脫去，可作為合成生物鹼等天然物的方法。⁴⁴

然而雖然已有幾篇文章探討 ∆²-1,2,3-三唑啉藉由加熱而脫去氮氣的機 制 ， 但 目 前 有 ∆²-1,2,3- 三 唑 啉 熱 烈 解 脫 去 氮 氣 時 會 以 均 勻 性 的 斷 裂 (homolytic cleavage)，產生雙自由基中間體，45, 47, 55-56

或是將以非均勻性斷 裂 (heterolytic cleavage) 的方式脫去氮氣，產生兩性離子物種 (zwitterionic species) 此兩種說法，且截至目前為止仍未有定論。^48-56

Feldman⁴⁵ 等人利用直接將化合物 111 加熱，可以得到化合物 115 與 117。Feldman 以密度泛涵理論計算 (density functional theory calculation) 輔助，推測疊氮化合物 111 會進行具有立體選擇性之分子內環化反應得到 三唑啉 112；由於 112 不穩定，會以均勻性的斷裂方式脫去氮氣，形成類 似 TMM^{3c, 46} 雙自由基的 azatrimethylenemethane (ATMM) diyls 114a，如式 圖二十一所示。雙自由基 114a 可共振成為 114b 的形式，因此可以得到 化合物 115，但因為形成 116 所需跨越的能量障礙較高，所以實驗結果並 沒有得到化合物 116。另一方面，114a 也可以利用重排的方式形成雙自由 基 114c，再反應成 117。

56

115 116 117

azatrimethylenemethane diyls, 114a N N N

式圖二十一、112 熱裂解脫去氮氣後，可能產生的雙自由基反應途徑。^45a

Al-Awadi 則是在 420-530 K 的溫度範圍，將苯駢三氮唑 118 在氣態 下裂解，利用速率係數 (rate coefficient) 對溫度之倒數作圖所求得之線性的 阿瑞尼斯圖 (Arrhenius Plot)，認為化合物 118 裂解的過程為一級的動力學 反應，並會經由 1,3-雙自由基的中間體 119，後續反應產生苯駢咪唑 121 和苯胺 122，如式圖二十二所示。⁴⁷

N

58

Chiba 認為三唑啉 124 在此加熱過程為會造成非均勻性斷裂而產生 125 再 脫 去 氮 氣 ， 和 文 獻 發 表 的 用 來 合 成 1,2- 二 氫 化 異 喹 啉 (1,2-dihydroisoquinoline) 132，^49a 或是以疊氮-烯酮進行 1,3-偶極環化加 成，針對三唑啉重排反應中間體探討的文章有相同的見解，^49b-c 認為會牽

134 135 136

50 ^oC CHCl3

式圖二十五、推測含氟取代的疊氮化合物和過量缺電子的烯類反應，形成 吡唑啉 136 可能的機制。⁵⁰

Wu 和 Tian 的工作團隊以一系列氟取代的疊氮化合物和過當量具有 缺電子基團取代的烯類在不同溫度的溶劑下反應，可得到不同比例的三唑 啉 133 和吡唑啉 (pyrazoline) 136。Wu 和 Tian 提出當第一當量的烯類加 成形成三唑啉 133 後，133 會經過兩性離子物種中間體 134 或是 135 的 反應機制，再與另一當量的烯類反應而得到 136，如式圖二十五所示。⁵⁰

除此之外，Smith⁵¹ 也在不同介電常數 (dielectric constant) 的溶劑下進 行實驗，由產物的分佈推斷 ∆²-1,2,3-三唑啉熱裂解後將會產生兩性離子物 種而非雙自由基。Wladkowsk 和 Michejda ⁵² 的研究團隊與 Shea⁵³ 則是依 照 分 別 利 用 ab initio 分 子 軌 域 理 論 計 算 (ab initio molecular orbital calculations) 和分子力學計算 (Molecular mechanics calculations, MM-2) 的 結果，支持著 ∆²-1,2,3-三唑啉在利用加熱的方式時，脫去氮氣的過程是經 過非均勻性斷裂的論點。

而 Molander ⁵⁵ 將一系列 0.1 M 的疊氮-烯酮衍生物在二甲苯下迴流 反應，發現在紅外線光譜儀上原本在 2100 cm^-1 的疊氮吸收峰逐漸消失，

在約 1620 cm^-1 發現瞬態的三唑啉的振動吸收，隨後在約 1660 cm^-1 發現 醯胺基的伸縮共振逐漸生成。Molander 並將文獻曾經報導過的 137^49b 和 140^49c 在上述條件下反應並比較產物的異同 (見式圖二十六到二十八)，提 出此類疊氮-烯酮 144 進行分子內環化反應後，可能形成雙自由基中間體 146，再藉由醯基自由基的移動形成化合物 149 的機制，或是進行非均勻

60

N3 toluene reflux

acyl radical migration

144 145

146

147 148

149

式圖二十九、疊氮-烯酮 144 在二甲苯中迴流得到 149 可能的機制。⁵⁵

Huang⁵⁶ 將丙二烯基酯 150 與疊氮化鈉在室溫下反應可得到乙烯基

62

與熱化學反應不同的是，至今 ∆²-1,2,3-三唑啉的光化學研究報告仍僅

有少數。^57-61 例如在 1968 年，Scheiner⁵⁷ 分別將具有不同立體化學的三唑

啉 157 和 158 進行一連串的光解實驗，均可以得到氮丙啶 161、162，以 及亞胺 163，並且個別的光解產物其產率分佈不受溫度與反應濃度影響。

Scheiner 進一步在環己烷、鄰-二氯苯、乙腈溶劑下，將 157 和 158 分別 以除氧狀態或是加入氧氣與 1,3-戊二烯 (1,3-pentadiene, piperylene) 做為 激發參重態淬滅體 (triplet excited state quencher) 進行光解實驗，另一方面 也加入二苯甲酮、苯乙酮和三苯胺等具有參重態傳遞能量的參重態敏化劑 (triplet sensitizer)，但是並沒有造成產物的產率分佈有太大的變化。因此，

依照產物結構與光解實驗的結果，Scheiner 推測三唑啉 157 和 158 光解 後將會脫去氮氣，形成具有短暫生命期的單重激發態 1,3-雙自由基中間體 159 和 160，如式圖三十一所示。單態 1,3-雙自由基 159 和 160 除了可 以藉由氫原子的轉移而生成 163，也可以藉著鍵結的旋轉形成平衡狀態 (反應速率為 kr)，或是個別重新結合 (反應速率為 kc) 形成氮丙啶 161、162 而保留其立體化學。由於重新結合的反應速率 kc 比平衡的速率 kr 大，因 此並未明顯表現在產物的產率變化量上。

NNN

64

N₃ OMe

O OMe

N N N

O

OMe MeO

170

171

hv -N₂

N O

OMe MeO

172

N O

OMe MeO

173

HN O

O OMe

174

HN

O OMe

175 OMe + OMe

174 moist THF

PhH/MeOH

式圖三十三、三唑啉 171 在不同溶劑下光解的產物差異。⁵⁹

Tukada⁶⁰ 在 5 K 的極低溫下，以 1:1 體積比混合的氘化乙醇和氘化 甲醇或是 2-甲基四氫呋喃做為介質，利用 330 nm 的高壓汞燈將三唑啉

176 光解，以 X-band 的電子順磁共振光譜儀進行偵測，可以成功的得到 明顯是為參重態自由基特徵 ∆Ms = ±2 的躍遷之雙自由基 177 的共振訊 號，如圖二十五所示；與由 UB3LYP/6-13G* 之密度泛涵理論計算出的參 重態能階比單重態能階的能量小了約 13 kJ/mol 結果相符。

66

NN N CO₂Et 176

hv, 5 K N

CO₂Et 177

N

178

CO₂Et

圖二十五、三唑啉 176 以 330 nm 光解五分鐘，在氘化乙醇/氘化甲醇 (1 :1) 為低溫介質，於 5 K 下所測得之 EPR 光譜圖；* 代表單自由基雜質。⁶⁰

Tukada 由零場分裂參數其 D' = 0.0672 cm^-1 與 E' = 0.0224 cm^-1，可得 知此 1,3-雙自由基間的平均距離約為 3.4 Å。若是由 5 K 昇溫至 50 K 後 再降回至 5 K，EPR 訊號並沒有辦法回復至原先的強度，如圖二十六所 示。另一方面，在昇溫的過程中，其 ∆Ms = ±2 的訊號強度對溫度之倒數 所求得的 Curie’s plot 並非直線 (圖二十六，(i))，但在降溫過程的 Curie’s plot 是為直線 (圖二十六，(ii))，因此 177 為參重態為基態之雙自由基 (triplet ground state)。Tukada 也推測在昇溫過程中將會與在室溫光解過程相

Tukada 由零場分裂參數其 D' = 0.0672 cm^-1 與 E' = 0.0224 cm^-1，可得 知此 1,3-雙自由基間的平均距離約為 3.4 Å。若是由 5 K 昇溫至 50 K 後 再降回至 5 K，EPR 訊號並沒有辦法回復至原先的強度，如圖二十六所 示。另一方面，在昇溫的過程中，其 ∆Ms = ±2 的訊號強度對溫度之倒數 所求得的 Curie’s plot 並非直線 (圖二十六，(i))，但在降溫過程的 Curie’s plot 是為直線 (圖二十六，(ii))，因此 177 為參重態為基態之雙自由基 (triplet ground state)。Tukada 也推測在昇溫過程中將會與在室溫光解過程相

在文檔中 (I)溫度和基質效應對於氮-對甲苯磺醯基取代之吡咯衍生物光解後所產生的參重態自由基對之影響 (II)芳香環駢□2-1,2,3-三唑啉衍生物之光化學反應研究及(III)含四唑基團之芳杯衍生物在金屬離子感測上的應用 (頁 103-0)