由於車輪烷 15-H·TFPB 的陰離子為 TFPB，使得結晶的產生上有一定的難度，
所以我們欲將車輪烷 15-H·TFPB 的 TFPB 陰離子置換為 PF6陰離子，其一是因為以 PF6為陰離子的分子在結晶的產生上較容易，其二是因為PF6陰離子比起TFPB 陰 離子的配位鍵結能力較強，也許可以使大環 9 與啞鈴型分子的鍵結減弱，使得大 環分子 9 可以使用金屬離子或酸鹼等外在添加物控制其停留的位置。
流程 四十一 分子開關之示意圖
將車輪烷 15-H·TFPB 溶於二氯甲烷與甲醇的混合液，並加入離子交換樹脂 IRA-402(Cl－)，攪拌 5 至 10 分鐘，過濾後將溶劑移除，重複此流程十次，將 TFPB 陰離子置換為氯離子，之後加入六氟磷酸鉀(KPF6)水溶液將氯離子再置換為 PF6
陰離子，純化之後可以得到85%的車輪烷 15-H·PF6。
流程 四十二 車輪烷之離子交換
2.4.1 車輪烷結構探討
我們試圖利用氫原子NMR 光譜來推測大環停留於啞鈴型分子的哪個位置，由
於之後的測試需要對於外在添加物有較佳溶解度的溶劑，於是我們選擇氘乙腈 (CD3CN)作為測定氫原子 NMR 光譜的溶劑。(圖 二十九)為車輪烷 15-H·PF6 的 NMR 光譜。
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圖 二十九 車輪烷 15-H·PF6之1H NMR 光譜圖[400 MHz, CD3CN, 298 K]
圖 三十 部分1H NMR 光譜圖[400 MHz, CD3CN, 298 K]依序為(a)啞鈴型分子 16-H·PF6(b)車輪烷分子 15-H·PF6
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(圖 三十)疊圖中我們可以發現，車輪烷分子 15-H·PF6(圖(b))中啞鈴型分子部 分的氫訊號因為大環的苯環遮蔽(shielding)效應作用之下，較相對應的啞鈴型分子 16-H·PF6(圖(a))之氫訊號呈現 upfield shift，其中尤其是銨基、亞甲基(methylene) 的 Hf和He以及苯環上的 Hg最為明顯，其中值得注意的是亞甲基的 Hf與He的訊 號移動量並不相同，Hf移動量比He還要多，推斷大環雖然不斷地在Hf與He擺盪，
但是比較多的時間是停留在Hf側。造成此現象的原因可能是3,5-二(第二丁基)苯基 的立體障礙，造成大環難以靠近，產生銨離子兩側亞甲基呈現如此大的遮蔽差異。
若是假設大環苯環的遮蔽程度直接正比於化學偏移的改變量，以及在完全被 遮蔽時兩個亞甲基的氫會 upfield 移動到一樣的位置。我們觀察啞鈴型分子 16-H·
PF6的氫核磁共振光譜的He/Hf位置，其化學偏移約為4.15 ppm，而在車輪烷 15-H·
PF6的He約在3.23 ppm、Hf約在1.88 ppm，假設 He與Hf被完全遮蔽時是a ppm，
He 的遮蔽程度為 b%，Hf 的遮蔽程度為(100-b)%。
圖 三十一 化學位移示意圖
計算得b%約為 30%，He的遮蔽程度為30%，而 Hf為70%，所以大環雖然是 在擺動，但是停留於Hf的時間較長，計算結果也與之前的推論相符合。
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圖 三十二 車輪烷 15-H·PF6之1H-1H NOESY 光譜圖[400 MHz, CD3CN, 298 K]
從二維氫原子核磁共振光譜的NOESY，我們也觀察到大環的 HD/HE及 HA與 啞鈴型分子單元的銨基旁亞甲基之He、Hf還有苯環上的Hg有NOE 的現象，因此
大還應該是在這三種氫之間作擺動，符合前面在一維氫原子 NMR 光譜得到的結
論。
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2.4.2 利用金屬離子控制
流程 四十三 利用過渡金屬引導大環移動
車輪烷 15-H·PF6組成單元的大環與啞鈴型分子皆有可以提供金屬配位的雜原 子，分別為大環上的硫醚基(thioether)硫原子以及啞鈴型分子末端的 1,2,3-三唑 (1,2,3-triazole)上的氮原子，硫醚26與1,2,3-三唑27在文獻中被證實與許多後過渡金 屬(late transition metal)有良好的結合力，因此我們欲利用此類金屬離子引導大環 9 移動到1,2,3-三唑，我們考慮到環尺寸的大小，選擇了尺寸較小的第一列後過渡金 屬的鋅(II)以及銅(I)離子作測試。
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圖 三十三 車輪烷 14-H·PF6加入Cu(MeCN)4PF6之部分1H NMR 光譜圖[400 MHz, CD3CN, 298 K] (a)車輪烷 15-H·PF6(b)將車輪烷 15-H·PF6與1 當量 Cu(MeCN)4PF6
混合(c) 將車輪烷 15-H·PF6與2 當量 Cu(MeCN)4PF6混合
將車輪烷 15-H·PF6溶於氘乙腈，以滴定(titration)的方式加入銅(I)離子，在這 裡 我 們 選 擇 四 （ 乙 腈 ） 銅 （I ） 六 氟 磷 酸 鹽 (Tetrakis(acetonitrile)copper(I) hexafluorophosphate, 簡稱 Cu(MeCN)4PF6)作為銅(I)離子的來源，主要是考慮到系 統的溶劑以及陰離子的種類。圖(b)為加入相對車輪烷 15-H·PF6為一當量的銅(I)離 子的 NMR 圖譜，可以觀察到氫訊號相對於車輪烷 15-H·PF6並沒有明顯的偏移，
於是再加入一當量的銅(I)離子圖(b)，其訊號的偏移量亦不明顯。從圖譜中的車輪 烷的亞甲基訊號 Hj並沒有被大環遮蔽造成偏移，推測銅(I)離子沒有如預期的引導 大環分子 9 從銨離子的站移動到 1,2,3-三唑的站。
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圖 三十四 車輪烷 15-H·PF6加入Zn(ClO4)2·6H2O 之部分1H NMR 光譜圖[400 MHz, CD3CN, 298 K] (a)車輪烷 15-H·PF6(b)將車輪烷 15-H·PF6與1 當量 Zn(ClO4)2·6H2O
混合(c) 將車輪烷 15-H·PF6與2 當量 Zn(ClO4)2·6H2O 混合
將車輪烷 15-H·PF6溶於氘乙腈，一樣以滴定(titration)的方式加入鋅(II)離子，
這裡我們選擇六水合過氯酸鋅(Zinc perchlorate hexahydrate, 簡稱 Zn(ClO4)2·6H2O) 作為離子來源。加入相對於車輪烷 15-H·PF6為一當量的鋅(II)離子，在 NMR 圖譜 (b)並沒有觀察到訊號有明顯的偏移，之後再加入一當量鋅(II)離子如圖(c)，訊號也 沒有顯著的偏移。同樣地，車輪烷分子的亞甲基訊號 Hj並無因為大環遮蔽造成偏 移，推測大環分子 9 也無法利用鋅(II)離子而引導到 1,2,3-三唑的站。
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2.4.3 加入酸試劑作控制
流程 四十四 利用酸試劑引導大環移動
車輪烷 15-H·PF6組成單元啞鈴型分子的1,2,3-三唑(1,2,3-triazole)在文獻中報導 為弱鹼性28，於是我們使用酸度夠強並且可以溶於有機溶劑的酸，質子化1,2,3-三 唑的氮原子，使得大環 9 可以在氫鍵作用力的引導之下，移動位置到質子化的 1,2,3-三唑的站。
圖 三十五 車輪烷 15-H·PF6加入TfOH 之部分1H NMR 光譜圖[400 MHz, CD3CN, 298 K] (a)車輪烷 15-H·PF6(b)將車輪烷 15-H·PF6與1 當量 TfOH 混合(c) 將車輪烷
15-H·PF6與2 當量 TfOH 混合(d) 將車輪烷 15-H·PF6與4 當量 TfOH 混合
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將 車 輪 烷 15-H · PF6 溶 於 氘 乙 腈 ， 這 裡 我 們 選 擇 三 氟 甲 磺 酸 (pKa=-15)(Trifluoromethanesulfonic acid, 簡稱 TfOH)來酸化 1,2,3-三唑，並以滴定的 方式加入。加入相對車輪烷 15-H·PF6為一當量的酸，我們在NMR 圖譜上觀察到 許多訊號都有明顯的偏移，其中酸化的證據就是：在圖(b)1,2,3-三唑旁之亞甲基的 Hj訊號比起圖(a)有明顯的 downfield 偏移，1,2,3-三唑旁的二苯並環辛烯的訊號也 有downfield 偏移。但是大環分子 9 的訊號還是沒有顯著的偏移，從 He與Hf訊號 判斷大環應該還是停留於二級銨離子，並沒有因為酸化而有移動的現象發生。並 且在加入到4 當量的酸之後如圖(d)，啞鈴型單元的氫訊號也沒有進一步的變化。
2.4.4 加入鹼試劑作控制
流程 四十五 利用鹼試劑引導大環移動
車輪烷 15-H·PF6中大環與啞鈴型分子上的二級銨離子和亞甲基作氫鍵鍵結，
使得大環停留於此站。若是我們使用強鹼拔除銨離子的氫使其成為中性，可以預 期前述的氫鍵作用力將會被削弱，讓大環不再停留於此站之後，有機會移動到 1,2,3-三唑的站。
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圖 三十六 部分1H NMR 光譜圖[400 MHz, CD3CN, 298 K](a) 車輪烷 15-H·PF6(b) 車輪烷 15-H·PF6混合過量tBuOK(c)中性啞鈴型分子 16(d) 啞鈴型分子 16-H·PF6
我們用叔丁醇鉀(potassium tert-butoxide，簡稱tBuOK)作為鹼試劑，但是由於 其在乙腈的溶解度不佳，於是皆以溶於氘乙腈的車輪烷 15-H·PF6加入過量的叔丁 醇鉀測定。在鹼化的 NMR 光譜圖(b)我們觀察到，車輪烷分子中的胺基附近的氫 訊號，比起圖(a)皆有明顯的 upfield 的偏移，對照啞鈴型分子 16-H·PF6(圖(d))與被 去質子化的中性啞鈴型分子 16 的 NMR 光譜(圖(c))，對應的氫原子訊號(He、 Hf)upfield 偏移的幅度，與車輪烷的差異不大，於是我們推測車輪烷的啞鈴型單元 應該成功的被叔丁醇鉀去質子而成為中性。再觀察到車輪烷分子中大環單元的氫 訊號，相較於鹼化之前，也有很明顯的變化，推測是因為啞鈴型單元被去質子化 之後，大環與胺基辨識端的作用力被削弱，導致大環鍵結的位置發生變化。因此 我們使用二維核磁共振光譜的NOESY來確認大環在鹼化之後的位置。
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圖 三十七 車輪烷 15-H·PF6混合過量tBuOK 之1H-1H NOESY 光譜圖[400 MHz, CD3CN, 298 K]
首先我們看到與車輪烷 15-H·PF6相同的是，大環的HD/HE與啞鈴型單元胺基 兩旁之He與Hf還是有 NOE 的現象，但不同的是，大環的 HD/HE與啞鈴型單元末 端的Hd以及中央苯環之Hi有 NOE 的現象，推測大環在與胺基辨識端作用力被削 弱的情況，擺動的範圍變得更大，但是還是沒有如預期的移動到1,2,3-三唑周邊。
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參、結論
在這個章節，我們成功尋找到適合的末端封鎖反應，內鎖弱鍵結大環分子 9 形成[2]車輪烷 15-H·TFPB，並且把相反離子置換後形成 15-H·PF6 之後，沒有在 NMR 光譜觀察到大環分子 9 有從啞鈴型單元脫出的現象，這種無須催化劑、可在 低極性溶劑中以及室溫下反應的末端封鎖法，也許可以應用於其他的弱鍵結系 統，進而發掘出更多有應用潛力的系統。
在分子開關行為的研究中，利用酸、鹼或是金屬離子等外在添加物的刺激之 下，我們並無法使車輪烷 15-H·PF6發揮分子開關的功能，其原因可能為啞鈴型分 子的長度太短，使得內鎖於其中的大環並沒有足夠的空間移動，因此在桿狀分子 的結構上，也許可以適當延長末端的鏈，減少立體上的障礙，使得大環能夠有足 夠的空間移動，進而達到分子開關的展現。
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肆、實驗部分
碳、氫核磁共振光譜(13C NMR，1H NMR)是使用 Varian Mercury Plus 400 MHz NMR 及 Bruker Avance III 400 MHz NMR，化學位移（chemical shift）單位為 ppm，
以氘乙腈（CD3CN, CD2HCN: δ = 1.94）以及氘氯仿（CDCl3, CHCl3: δ = 7.24）為溶 劑測得，吸收峰分裂方式（splitting patterns）表示如下: s 表單峰，d 表雙峰，t 表 三峰，q 表四峰，m 表多峰，br 表寬峰，偶合常數以 J 表示，單位為 Hz。質譜由 國科會台北貴儀中心代測，而得ESI 質譜。熔點由 Fargo MP-2D 熔點測定儀所測 得。薄片層析(TLC)採用 Merck Art. 5715 0.25 mm precoated sheet。管柱層析是採用 矽膠60（70-230 mesh）或 60（230-400 mesh）以及氧化鋁鹼性 90 (0.063-0.200 mm)。
所有反應皆在磁攪拌器及氮氣下操作，反應若需無水條件，則玻璃器皿先在抽真
空下加熱乾燥，待冷卻後置入氮氣才開始反應。反應用二氯甲烷以及甲苯經由LC
Technology Solutions Inc.生產之有機溶劑純化系統乾燥純化過後使用。二甲基甲醯 胺為直接使用購買 Merck 的試藥級溶劑。合成所需藥品使用 Aldrich、Merck、
Acros、TCI 或 Strem 等藥廠所生產之試藥。
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Benzyl alcohol 11
The mixture of 3,5-di-tert-butyl benzaldehyde(1.4614 g, 6.693 mmol) and methyl 4-aminobenzoate hydrochloride(1.35g, 6.695 mmol) was dissolved in toluene( 70 mL ).
The reaction was stirred and refluxed overnight. The solvent was removed under reduced pressure. The residue was dissolved in THF at 0oC and LiAlH4 (0.56 g, 14.755 mmol) was added by several portions. The reaction was quenched by H2O, dried by MgSO4 and the solvent was evaporated by rotavapor. The crude was dissolved in MeOH(70 mL) and Di-tert-butyl dicarbonate ( 2.44 mL, 10.621 mmol) was added at 0oC. The mixture was stirred overnight at room temperature. The solvent was removed by rotavapor. The residue was partitioned between CH2Cl2 and H2O three times. The organic layer was collected, dried by MgSO4 and purified by column chromatography (SiO2, ethyl acetate: n-hexane=1:9) to give pale yellow oil (1.7889 g, 59 % three steps).
1H NMR (400 MHz, CD3CN, 298 K): δ= 1.30 (s, 18H), 1.47 (s, 9H), 3.20–3.35 (br, 1H), 4.27–4.50 (br, 4H), 4.55 (s, 2H), 7.08 (s, 2H), 7.20 (d, J = 8 Hz, 2H), 7.28 (d, J = 8 Hz, 2H), 7.35 (s, 1H); 13C NMR (100 MHz, CD3CN, 298 K); δ= 29.2, 32.2, 35.9, 50.8/51.3, 51.3/51.8, 65.0, 80.8, 122.5, 123.2, 128.3, 129.0, 138.7, 139.2, 142.4, 152.3, 157.1; MS (ESI): C28H41NO3Na+ [M+Na]+ calcd m/z 462.2979; found m/z 462.2938.
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Benzyl chloride 12
The compound 11(1.7889 g, 4.069 mmol) and PPh3 (3.2018 g, 12.207 mmol) were dissolved in CH2Cl2 (80 mL). N-Chlorosuccinimide (1.6301 g, 12.207 mmol) and NaHCO3 (3.4188 g, 40.695 mmol) was added to the mixture at 0 oC. The reaction was stirred at room temperature overnight. The mixture was partitioned between H2O and CH2Cl2 three times. The organic layer was collected, dried by MgSO4 and removed solvent. The residue was purified by column chromatography (SiO2, ethyl acetate:
n-hexane = 3:97) to give pale yellow oil (1.5698 g, 84 %). 1H NMR (400 MHz, CD3CN, 298 K): δ= 1.31 (s, 18H), 1.48 (s, 9H), 4.32–4.49 (br, 4H), 4.62(s, 2H), 7.10(s, 2H), 7.17–7.30(br, 2H), 7.32–7.40(m ,3H); 13C NMR (100 MHz, CD3CN, 298 K): δ= 29.2, 32.3, 35.9, 47.4, 50.9/51.4, 51.7/52.2, 80.9, 122.5, 123.3, 129.4, 130.3, 138.1, 139.1 ,140.5, 152.3, 157.1; MS (ESI): C28H40ClNO2Na+ [M+Na]+ m/z 480.2640; found m/z 480.2613.
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Benzyl azide 13
The compound 12 (1.7163 g, 3.747 mmol) and NaN3 (0.61 g, 9.3831 mmol) was dissolved in DMF. The reaction was stirred and heated to 100 oC overnight. The solvent was removed and the residue was partitioned between H2O and CH2Cl2 three times. The organic layer was collected, dried by MgSO4 and removed the solvent. The crude was
The compound 12 (1.7163 g, 3.747 mmol) and NaN3 (0.61 g, 9.3831 mmol) was dissolved in DMF. The reaction was stirred and heated to 100 oC overnight. The solvent was removed and the residue was partitioned between H2O and CH2Cl2 three times. The organic layer was collected, dried by MgSO4 and removed the solvent. The crude was