i
義 守 大 學
生物技術與化學工程研究所
碩士論文
利用 TEMPO 自由基捕獲、溶劑效應
與鹵素效應來探討丙炔基鹵化物與
丙二烯基鹵化物照光重組反應的反
應機構
The mechanism study of the
photorearrangement of the propargyl and
allenyl halides by the TEMPO radical
trapping, the solvent effect, and the halogen
effect
研 究 生： 莊德川
指導教授： 吳裕文 教授
楊志馮 助理教授
中華民國 106 年 7 月
ii
The mechanism study of the
photorearrangement of the propargyl and
allenyl halides by the TEMPO radical
trapping, the solvent effect, and the halogen
effect
研 究 生
:莊德川
Student
：DE-CHUAN JHUANG
指導教授
：楊志馮 Advisor
：JHIH-FONG
YANG
義守大學
生物技術與化學工程研究所
碩士論文
A Thesis
Submitted to Graduate Institute of Biotechnology and Chemical Engineering
I-Shou University
in Partial Fulfillment of the Requirements for the Master degree
in
Biotechnology and Chemical Engineering July , 2017
Kaohsiung, Taiwan, Republic of China
iv
中文摘要
利用TEMPO自由基來捕抓丙炔溴與丙二烯溴照光重組所產生的 C3H3自由基，探討C3H3自由基的結構和照光重組的反應機構，從中 發現TEMPO自由基捕捉到反應中之C3H3自由基的速率比照光重組反 應產生之C3H3自由基其二種共振結構的共振速率還快，並釐清丙炔 基溴與丙二烯基溴照光重組反應未產生完全未定域自由基中間體 (HC C CH2)(completely delocalized raical intermediate)。丙炔基衍生物或丙二烯基衍生物在乙醚溶液與TEMPO自由基進 行照光反應，發現在低濃度乙醚溶液下，丙炔基或丙二烯基溴與 TEMPO自由基進行照光反應，TEMPO無法捕抓到C3H3自由基然而丙 炔基或丙二烯基碘與TEMPO自由基進行照光反應，TEMPO捕抓到 C3H3自由基，利用以上結果和動力學控制與熱力學控制來探討丙炔 基衍生物或丙二烯基衍生物照光重組的反應機構。 關鍵字:丙炔基衍生物、丙二烯衍生物、鹵素效應、溶劑效應
v
英文摘要
The radical trapping reaction of propargyl or allenyl bromide(neat) photolyzed with TEMPO, the C3H3 radical generated from the photolysis of propargyl or allenyl
bromide was trapped by TEMPO. The structures of C3H3 radical were determined and
the mechanism of photo rearrangement of propargyl or allenyl derivatives was discussed.
The trapping reaction rate of TEMPO with C3H3 radical was faster than the
resonance rate of two hybrid structures of C3H3 radical. The completely delocalized
radical intermediate (HC C CH2 ) was excluded in this mechanism.
There was no C3H3 radical was trapped by TEMPO when the low concentration
of propargyl or allenyl bromide in ether solution photolyzed with TEMPO. However, the C3H3 radical was trapped by TEMPO when when the low concentration of
propargyl or allenyl iodide in ether solution photolyzed with TEMPO. The results was used to illustrate the distribution of products by the thermodynamic control and kinetic control.
Keyword: propargyl derivative, allenyl derivative, solvent effect, halogen effect
vi
謝誌
首先我要感謝負責指導我的吳裕文老師和楊志馮老師，老師在這段 日子來不僅教導我有機化學的相關知識，同時也在實驗中給予我許多重 要的建議，使我在專業領域能更順利的學習與精進；再來我要感謝廖家 駒、黃建峰和呂嘉瑜學長的陪伴和執導，讓我可以熟悉實驗室和學習實 驗方面的一些技巧，也學習到儀器方面的維修保養，再來我要感謝杰 穎、昱鈞、宏倫、榮恩、育任、世傑……等許多朋友，在我的碩士生涯 中，給予我許多寶貴的建議，以上都是客套話，在此我特別要感謝黃建 峰學長，幫忙實驗室許多雜事，讓我能無後顧之憂的完成實驗和論文順 利畢業。 再來我要感謝家人在這段日子以來的支持與鼓勵，讓我能順利的去 完成碩士學位。vii
目錄
摘要 ... ii Abstract ... iii 誌謝 ... iv 目錄 ... v 圖目錄 ... vii 表目錄 ... x 附錄 圖譜目錄 ... xi 第一章 文獻回顧 ... 1 第二章 前言 ... 12 第三章 TEMPO 自由基與丙炔基溴或丙二烯基碘之照光反應 ... 19 3-1 丙炔基溴與 TEMPO 自由基之照光反應 ... 19 3-2 丙二烯基碘與 TEMPO 自由基之照光反應 ... 23 3-3 結果討論 ... 26 第四章 丙炔基衍生物與丙二烯基衍生物其乙醚溶液與 TEMPO 自由基 的照光反應 ... 29 4-1 丙炔基碘與 TEMPO 其乙醚溶液之照光反應 ... 29 4-2 丙炔基溴與 TEMPO 其乙醚溶液之照光反應 ... 32 4-3TEMPO 其乙醚溶液之照光反應 ... 34 4-4 丙二烯基碘與 TEMPO 其乙醚溶液之照光反應 ... 37 4-5 丙二烯基溴與 TEMPO 其乙醚溶液之照光反應 ... 39 4-6 丙炔基溴和丙二烯基溴與 TEMPO 乙醚溶液下照光反應結果 .... 41viii 第五章 結論 ... 41 第六章 實驗 ... 43 6-1 藥品 ... 43 6-2 儀器設備 ... 44 6-3 化合物之製備 ... 46 6-3.1 丙炔基碘合成 ... 46 6-3.2 丙二烯基碘合成 ... 49 6-3.3 丙二烯基溴合成 ... 52 6-4 照光反應 ... 53 6-4.1 TEMPO 自由基與丙炔基溴或丙二烯基碘之照光反應.46 6-4.2 丙炔基衍生物與丙二烯基衍生物其乙醚溶液與 TEMPO 的照光反應 ... 46 參考文獻 ... 59 附錄 圖譜資料 ... 61
ix
圖目錄
圖 1-1 利用 TTBNB 來捕抓照光反應後均勻斷裂的丙炔基自由基和丙二 烯基自由基 ... 2 圖 1-2 產物 1-1 和產物 1-2 結構 ... 2 圖 1-3 配位體結構 ... 5 圖 1-4 丙炔基碘和丙二烯基碘的共振反應圖 ... 7 圖 1-5 TEMPO 捕抓烯基自由基反應機制 ... 10 圖 2-1 TEMPO 自由基結構 ... 13 圖 2-2 丙炔基自由基共振後推測所形成的完全未定域自由基結構 ... 16 圖 2-3 光化學反應下形成完全未定域自由基的可能路徑 ... 17 圖 3-1 丙炔基溴與 TEMPO 照光反應前 GC 圖 ... 19 圖 3-2 反應 4 小時後 GC 圖 ... 20 圖 3-3 化合物 1-3 質譜 ... 20 圖 3-4 2,2,6,6-四甲基哌啶(2,2,6,6-Tetramethylpiperidine)質譜 ... 21 圖 3-5 1-methoxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine質譜 ... 21 圖 3-6 丙二烯碘與 TEMPO 照光反應前 GC 圖 ... 23 圖 3-7 反應 4 小時後 GC 圖 ... 24 圖 3-8 產物 1-4 質譜 ... 24 圖 3-9 產物 1-4 結構 ... 25x 圖 4-1 丙炔基碘與 TEMPO 照光反應前 GC 圖 ... 30 圖 4-2 反應 3 小時後 GC 圖 ... 30 圖 4-3 產物質譜 ... 31 圖 4-4 丙炔基溴與 TEMPO 照光反應前 GC 圖 ... 32 圖 4-5 丙炔基溴與 TEMPO 照光反應 3 小時後 GC 圖 ... 33 圖 4-6 TEMPO 其乙醚溶液照光 3 小時後 GC 圖 ... 34 圖 4-7 GCRT 7.125(7.134) 結構圖 ... 35 圖 4-8 CRT 7.247(7.249) 結構圖 ... 36 圖 4-9 丙二烯基碘與 TEMPO 在乙醚溶劑下照光反應前 GC 圖 ... 37 圖 4-10 丙二烯基碘與 TEMPO 在乙醚溶劑下照光反應 3 小時 GC 圖 .... 38 圖 4-11 預期產物質譜圖 ... 38 圖 4-12 丙二烯基溴與 TEMPO 在乙醚溶劑下照光反應前 GC 圖 ... 39 圖 4-13 丙二烯基溴與 TEMPO 在乙醚溶劑下照光反應 3 小時 GC 圖 .... 40
圖 6-3.1 propargyl iodide or allenyl iodide 粗產物 GC 圖 ... 47
圖 6-3.2 propargyl iodide 粗產物 MS 圖 ... 47
圖 6-3.3 propargyl iodide 純化後 GC 圖 ... 48
圖 6-3.4 propargyl iodide 純化後 MS 圖 ... 48
圖 6-3.5 propargyl iodide or allenyl iodide 粗產物 GC 圖 ... 50
圖 6-3.6 allenyl iodide 粗產物 MS 圖 ... 50
圖 6-3.7 allenyl iodide 純化後 GC 圖 ... 51
xi 圖 6-4.1 分離後產物的 GC 圖 ... 54 圖 6-4.2 分離後產物質譜 ... 54 圖 6-4.3 第一次分離後產物 GC 圖 ... 55 圖 6-4.4 第一次分離後產物質譜圖 ... 56 圖 6-4.5 二次分離後產物 GC 圖 ... 56 圖 6-4.6 二次分離後產物質譜圖 ... 57
xii
表目錄
表 1-1 丙炔氯化合物與 TBTH 反應後的丙炔基產物與丙二烯基產物之 比例 ... 6 表 1-2 反應後的丙炔基與丙二烯基衍生物之比例 ... 8
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附錄 圖譜目錄
圖 1 乙醚與 TEMPO 單獨照光產物 GCRT 7.125 質譜 ... 61 圖 2 乙醚與 TEMPO 單獨照光產物 GCRT 7.134 質譜 ... 61 圖 3 乙醚與 TEMPO 單獨照光產物 GCRT 7.247 質譜 ... 62 圖 4 乙醚與 TEMPO 單獨照光產物 GCRT 7.249 質譜 ... 62 圖 5 乙醚與 TEMPO 單獨照光產物 GCRT 10.232 質譜 ... 63 圖 6 乙醚與 TEMPO 單獨照光產物 GCRT 10.235 質譜 ... 63 圖 7 乙醚與 TEMPO 單獨照光產物 GCRT 11.090 質譜 ... 64 圖 8 乙醚與 TEMPO 單獨照光產物 GCRT 11.103 質譜 ... 641
第一章 文獻回顧
2012年Maury1等人利用二乙基鋅及六正丁基錫烷來對丙炔基碘進行 催化反應，讓丙炔基碘的碳-碘鍵(C-I)均勻斷裂產生碘自由基和C3H3自由 基後，用TTBNB(tri-tert-butylnitrosobenzene)來捕捉C3H3自由基及碘自由 基，反應如圖1-1，結果發現TTBNB捕捉到C3H3 自由基的產物只有丙炔 基自由基，而沒有捕捉到丙二烯基自由基，圖1-1中顯示利用六正丁基錫 烷或二乙基鋅與丙炔碘照光後結果可能會產生丙二烯基自由基和丙炔基 自由基，但TTBNB實際捕抓到的卻只有丙炔基自由基而沒有丙二烯基自 由基，因此可以推測在丙炔碘均勻斷裂形成丙炔基自由基後還沒有進行 共振就已經被TTBNB捕抓，所以TTBNB捕抓的速度可能比丙炔基自由基 進行共振反應的速率要來的快，反應後實際得到的產物為圖1-2的產物1-2。 作者利用(M06-2X/6-311++G-(3df,3pd)//M06−2X/6-31G(d) level)，計 算得到次硝酸自由基5Na其能量比4Na低31 kJ mol-1，所以次硝酸自由基 5Na比較穩定，計算生成丙炔基自由基與丙二烯基自由基兩者的活化能得 到丙二烯基自由基形成的活化能(9.6kJ mol−1)較丙炔基自由基(4.1 kJ mol−1) 來得高，因此後者反應的速率常數將比前者反應的速率常數高出一個級 數。由此可以推測因為形成丙二烯基自由基所需的活化能較高，所以丙 炔基自由基生成後尚未進行共振形成丙二烯基自由基就已經被TTBNB所 捕獲，此結果作者推論TTBNB捕獲丙炔基自由基反應為動力學控制反 應。2 HC C I Et2Zn HC C H H H Bu3Sn-SnBu3 HC C I t-Bu t-Bu t-Bu N O H 產物1-2 圖1-1 利用TTBNB來捕抓照光反應後均勻斷裂的丙炔基自由基和丙 二烯基自由基 t-Bu t-Bu t-Bu N O H t-Bu t-Bu t-Bu N O H 產物1-1 產物1-2 圖1-2 產物1-1和產物1-2結構 2013年Bertrand2等人利用二乙基鋅透過氧氣促成碘和鋅的交換，使得 丙炔碘的丙炔基自由基與碘自由基均勻斷裂再與如醛、酮、酯，氨基甲 酸酯和酰亞胺等，來參與反應來獲得具有高價值的產物架構，後來發現 當二乙基鋅用量改變時，產物皆會形成環化化合物，但最終產物會有所 改變，如方程式1-1，其中在A產物的部分，在與二乙基鋅反應，此時乙基 鋅會接在原本含有自由基的位子，之後因為丙炔基自由基和丙二烯 基
3 自由基產生共振形成丙二烯基後進行會環化，由於五環較六環容易形 成，因為環化反應的關係，所以丙炔基會共振成丙二烯基進行反應直至 反應終止，使用氨基甲酸酯時，沒有發現環化反應產物而產物為丙炔基 和丙二烯基兩者共存(30比70)反應過程如方程式1-2，此結果與其他較常 見的丙二烯基金屬相同，丙二烯基與金屬反應的結果較丙炔基與金屬反 應來得穩定，反應中加入苯甲醛，影響金屬和丙炔基與丙二烯基之間的 反應，得到的產物比為35比65反應過程如方程式1-3。 I OMe O n Et Et2Zn O2 n OMe O Et2Zn n OMe O n OMe O EtZn ZnEt -EtZnOMe n O Et n O A Et2Zn -Et n OZnEt hydrolysis n O 方程式1-1 含有丙炔碘結構的化合物與二乙基鋅的反應機制
4 1) Et2Zn 1.5 equive I H N CO2Me HN CO2Me + H N CO 2Me 30
:
70 2)NH4Cl CH2Cl2,rt,2h 方程式1-2 含有氨基甲酸酯化合物進行反應 I H N CO2Me 1)PhCHO Et2Zn 1.5 equive 2 equive CH2Cl2,rt,14h H N CO2Me HO Ph + H N CO2Me OH Ph 35 : 65 2)NH4Cl 方程式1-3 方程式1-2再外額外加入苯甲醛來影響產物比例 2011年Trost3等人利用二乙基鋅透過氧氣促成碘和鋅的交換，使得丙 炔碘的丙炔基自由基與碘自由基均勻斷裂，再加入配位體(ligand)如圖1-3 來影響醛類的丙炔基化的結果，反應如方程式1-4，結果不論反應物使用 丙炔碘或是丙二烯碘最後的產物都是含有旋光性的丙炔基衍生物，這個 結果和二乙基鋅透過氧氣促成碘和鋅的交換一般的結果不同，在沒有加 入配位體的情況，二乙基鋅和丙炔碘以及丙二烯碘反應後的結果丙二烯 基與金屬反應的會比丙炔基和金屬反應來的穩定。5 N Bn OH 圖1-3 配位體(ligand)結構 Ph H O Ph OH I
/
I ZnEt2 CH2Cl2 ligand, 12h 方程式1-4 醛類的丙炔基化反應1968 年，Fantazier 和 Poutsma4， tri-n-butyltin hydride(TBTH)利用其
可以有效的對含有π 鍵的化合物進行加成反應的特性，與含有不同種類 取代基的丙炔氯化合物進行氧化還原反應，其反應後的比值為如表 1-1， 最後發現最終產物皆為含有丙炔基與丙二烯基的混合衍生物，其反應為 下列方程式 1-5。 R1 C C CClR2R3 Bu3SnH R1 C C CHR2R3 + R1HC C CR2R3 方程式 1-5 丙炔氯化合物與 TBTH 反應式
6 反應物 R1 R2 R3 丙炔基/ 丙二烯基 1 H H H 5.9 2 H H CH3 4.5 3 H CH3 CH3 1.7 4 H CH3 C2H5 1.4 5 H C2H5 C2H5 1.1 6 CH3 H H 25 7 CH3 CH3 CH3 >20 8 CH3 CH3 t-Bu 10.4 9 t-Bu CH3 CH3 12.0 10 C6H5 CH3 CH3 >10 表 1-1 丙炔氯化合物與 TBTH 反應後的丙炔基產物與丙二烯基產物 之比例 由表 1-1 可以發現雖然在取代基 R1 為 H 的時候其取代基 R2 和 R3 為甲基或乙基時，丙炔基產物與丙二烯基產物的比例接近 1。但是在其他 反應物中，丙炔基產物的比例遠遠大於丙二烯基產物，雖然丙二烯基產 物在熱力學上比丙炔基產物更穩定，但是丙炔基產物依然是動力學上控 制的產物。 1955年Rogers和Panish5將丙炔溴和丙炔碘溶於25°C的苯溶劑中，利用 Electric Moment(構成電偶極子的電荷的中心之間的距離與大小)來進 行探討。過去認為當C-X (X=Br、I) 的鍵結較長所以預期中Electric Moment的數值比較大，因為碘具有比溴低的陰電性，所以在丙炔基碘中
7 的2種結構具有較為重要的合理性其共振結構，如圖1-4，但實驗觀察到的 數值卻比預期得來的低，作者推論可能的原因是Inductive effect(誘導效 應)，且沒有證據顯示丙炔基和丙二烯基有發生共振反應。 C C CH2I + -C C CH2I + -圖1-4 丙炔基碘和丙二烯基碘的共振反應圖 1995 年 Utimoto6等人利用有機金屬促成碘和有機金屬的交換，使得 丙炔基碘和丙二烯基碘的碘自由基與 C3H3自由基均勻斷裂，再加入羰基 化合物與其反應將羰基還原成醇類，反應最終有機金屬離去，羰基則還 原並接在 C3H3 上其反應如方程式 1-6，而反應後的產物為丙炔基與丙二 烯基衍生物其比例如表 1-2。 I + I 1)RMti 2)R1COR2 OH R2 R1 + OH R2 R1 A B 方程式1-6 用有機金屬使丙炔碘和丙二烯碘與羰基化合物反應
8
RMti Temp Solvent R1COR2 Yield of
Adduct
Ratio A:B n-BuLi -78°C toluene PhCHO 84% >99:<1 n-BuLi -78 °C toluene n-C4H9CHO 74% 83: 17
n-BuLi -78 °C toluene PhCOCH3 97% 89: 11
n-BuLi -78 °C toluene cyclohexanone 81% 63 : 37
Et2Zn 0°C ether PhCHO 86% >99:<1 Et2Zn 0°C ether n-C4H9CHO 78% 96 : 4 Et2Zn 0°C ether PhCOCH3 57% 96 : 4 Et2Zn 0°C ether cyclohcxanone 50% 97 : 3 表 1-2 反應後的丙炔基與丙二烯基衍生物之比例 由表 1-2 可以發現，有機金屬的改變除了影響最終產物的產率之外， 對於丙炔基和丙二烯基衍生物的比例也有些微的影響，但是不論是用 n-BuLi 或 Et2Zn 最終得到的產物，丙炔基的比例還是遠遠大於丙二烯基。 1972年Engel和Bishop7利用含有丙炔基和丙二烯基的偶氮化合物 (Azo compound)，在42~49°C二甲苯溶液中反應，反應後得到3種產物， 分別是由二個丙炔基自由基結合得到的產物A，由丙炔基自由基以及丙二 烯基自由基各一結合得到的產物B，由二個丙二烯基自由基結合得到的產 物C，其反應式及比例如方程式1-7。
9 N N 二甲苯 + + A 33% B 57% C 10% 42~49°C 方程式1-7 偶氮化合物和二甲苯反應式與其產物各自比例 而按照反應後產物的比例可以發現，丙炔基產物的比例上較丙二烯 基產物來的高，可以推測丙炔基自由基在反應中較容易形成。
2016 年 Xia8等人，使用 PINO(Phthalimide N-oxyl radical)加成至苯乙
烯的雙鍵形成烷基自由基之後，利用 TEMPO 來捕抓上述產物的烷基自由 基來獲得含有雙氧的產物，此結果可以證明 TEMPO 自由基具有良好的自 由基捕抓能力，反應如方程式 1-8。 + N O O O N O O O N O N O O O N O 方程式1-8 TEMPO自由基捕獲烷基自由基反應
10 2012年Studer9等人，將烯基化合物與含氮的芳香烴化合物反應，使烯 基芳香烴化，再利用TEMPONa來捕抓烷基自由基，反應如方程式1-9，作 者推測反應機制為圖1-5。 N2BF4 + R TEMPONa rt R O N 方程式1-9 TEMPO捕抓烷基自由基 N2 X NaX N2 N ONa N O TEMPO R R N O R SET 圖1-5 TEMPO捕抓烷基自由基反應機制
11 由圖1-5可以發現，含氮的芳香基化合物在碰到TEMPONa的時候鈉離 子會和氟硼酸根離子結合成氟硼酸鈉鹽類，而失去鈉離子的TEMPONa會 變成TEMPO陰離子經由單電子轉移形成TEMPO自由基，而芳香基自由基 化合物則與烯基化合物進行加成反應形成烷基自由基，TEMPO自由基會 去捕抓反應完成的烷基自由基得到最終產物。
12
第二章 前言
自由基(Free Radical)為帶有一個未配對電子的物質，它可以是分子、 原子或離子。自由基產生的方法較為常見有照光、熱裂解、氧化還原 等，上述三種方法為有機化學領域中最常用的方法。 C3H3自由基有最簡單的共振結構，也備受矚目，吸引了許多實驗及 理論方面的探討。C3H3自由基通常被認為有丙炔基自由基 A 和丙二烯基 自由基 B兩種共振結構的存在，共振結構如方程式2-1。 HC C C H H C C C H H H A B 方程式2-1 丙炔基自由基與丙二烯基自由基之共振形式 過去的實驗和理論上研究對於兩者的共振結構的重要性有著不同的 看法，但是大部份文獻10-20 的研究包括實驗及理論計算1例如 electron paramagnetic resonance(EPR)和電子吸收光譜以及用(M06-2X/6-311++ G-(3df,3pd) //M06−2X/6-31G(d) level)等都傾向於丙炔自由基的結構比丙二烯 自由基的結構來的穩定。 利用化學方式去探討丙炔基自由基與丙二烯基自由基的穩定度，其 結果傾向於丙炔基自由基比丙二烯基自由基來的穩定，但也有部分研究2113 和理論計算指出丙二烯基自由基較丙炔基自由基來的穩定，因此可以推 論在不同的環境下得到的實驗結果不盡相同，可能的影響因素包括溶劑 效應、溫度效應、取代基效應等。 過去本實驗室曾經利用間質隔離法21,22在低溫下對丙炔基衍生物及丙 二烯基衍生物進行照光反應，利用取代基效應和鹵素效應下來探討丙炔 基自由基及丙二烯基自由基兩者之間的穩定度。用此方法可以將干擾因 素降至最低，來研究上述之問題，最後得到的結果取代基丙二烯基自由 基比取代基丙炔基自由基來的穩定，此結果也證明在不同的環境下得到 的實驗結果可能不盡相同。因此我們想嘗試利用其他方法，來探討丙炔 基自由基和丙二烯基自由基兩者之間的穩定性。 TEMPO(2,2,6,6-Tetramethylpiperidine-1-oxyl)自由基是一種穩定的自 由基其氧原子上具有部成對的電子，其結構式如下圖 2-1，在化學、生物 學、食品工業、農業等領域都有廣泛的應用，而在有機化學、高分子化 學中常被用來當作自由基的捕捉劑，也由於四個甲基的位阻效應， TEMPO 對光熱均較為穩定，所以可以用於照光反應下的自由基捕獲劑。 N O 圖2-1 TEMPO自由基結構
14 本實驗室曾經使用丙炔基碘、丙二烯基碘、丙炔基溴、或丙二烯基 溴的乙醚溶液與TEMPO進行照光反應23 ， TEMPO自由基與丙炔碘和丙二 烯碘的反應下都有捕捉到C3H3 自由基，但是因為沒有分離純化無法知其 結構，TEMPO自由基與丙炔溴或者丙二烯溴進行照光反應都沒有發現 TEMPO照捕抓到的C3H3 自由基，為了釐清其C3H3 自由基結構因此將 TEMPO 自由基溶於純的丙炔基衍生物或丙二烯基衍生物進行照光反應嘗 試分離和純化產物來討論其結果，進而對共振反應機制的釐清有所幫助。 因此嘗試利用TEMPO 自由基在沒有溶劑的環境下與丙炔基衍生物或丙二 烯衍生物進行照光反應，來捕捉取代基丙炔基衍生物和取代基丙二烯基 衍生物經由照光反應後斷鍵後所產生的自由基。 當丙炔基衍生物經汞燈照射後C-X 鍵均勻斷裂，產生丙炔基自由基 和鹵素自由基之後可能會產生兩種情況，第一種情況為丙炔基自由基和 鹵素自由基再次結合形成丙炔基衍生物，第二種狀況為丙炔基自由基經 由共振形成丙二烯基自由基，再和鹵素自由基結合形成丙二烯基衍生物 如方程式2-2。 當丙二烯基衍生物經汞燈照射後C-X 鍵均勻斷裂，產生丙二烯基自 由基和鹵素自由基之後可能會產生兩種情況，第一種情況為丙二烯基自 由基和鹵素自由基再次結合形成丙二烯基衍生物，第二種狀況為丙二烯 基自由基經由共振形成丙炔基自由基，再和鹵素自由基結合形成丙炔基 衍生物如方程式2-3。
15 HC C C H H X + TEMPO hv N O + N O C C C H H H 1 3 4 X=Br、I 方程式2-2 丙炔基衍生物與TEMPO照光反應 C C C + TEMPO hv N O + N O C C C H H H 2 3 4 X H H H X=Br、I 方程式2-3 丙二烯基衍生物與TEMPO照光反應 利用TEMPO 自由基來捕捉丙炔基衍生物或丙二烯基衍生物經照光所 可能產生的自由基。方程式2-2所示丙炔基衍生物進行照光反應後， TEMPO 自由基有可能捕捉到丙炔基自由基、丙二烯基自由基抑或者二者 可能同時被捕捉，同樣的情形也可能發生在丙二烯基衍生物進行照光反 應後如方程式2-3所示。 TEMPO 自由基如果順利捕捉到丙炔基自由基會形成化合物3， TEMPO 自由基捕捉到丙二烯基自由基則會形成化合物4。我們希望利用 捕捉到的化合物種類來探討丙炔基衍生物與丙二烯基衍生物在照光反應
16 中所產生的丙炔基自由基和丙二烯基自由基，並探討二者之穩定度及此 光化學之反應機制。 本實驗室曾經研究過丙炔基溴或丙二烯基溴的乙醚溶液和TEMPO進 行照光反應23，結果TEMPO自由基並未成功捕抓到丙炔基自由基或丙二 烯基自由基，丙炔碘或丙二烯碘與TEMPO進行照光反應中，結果TEMPO 自由基是可以成功捕抓到C3H3自由基，因為沒有分離純化所以無法得知 產物的結構，因此想重覆此反應並加以分離純化來探討其結構。 使用相同濃度的丙炔溴、丙二烯溴、丙炔碘、丙二烯碘乙醚溶液與 TEMPO 自由基進行照光反應，比對上述四種反應的實驗結果，我們希望 利用這些實驗來探討不同鹵素自由基在上述四種反應中為何有如此不同 的結果。 此外 Jochonwtiz24等人利用理論值計算來推論出丙炔基自由基有很大
的共振能約 11 kcal/mol 且其為完全未定域(completely delocalized)之自由 基，其結構如圖 2-2。
圖 2-2 丙炔基自由基共振後推測所形成的完全未定域自由基結構 HC C CH2
17 丙炔基衍生物或丙二烯基衍生物其照光重組反應可能遵循如圖 2-3 的 反應機制。 X HC C CH2 XHC C CH2 H2C C CH2 A P PA P1 P2 A1 P3 P4 A4 A3 A2 圖 2-3 丙炔基衍生物或丙二烯基衍生物進行光化學反應其可能的反 應機制 由圖 2-3 中的反應機制有三種反應路徑，第一種可能的反應機制在 丙炔基衍生物(或丙二烯基衍生物)進行光化學反應後，經由路徑 P1(或 A1)均勻斷鍵形成丙炔基自由基(或丙二烯基自由基)與鹵素自由基，丙炔 基自由基(或丙二烯基自由基)發生共振產生丙二烯基自由基(或丙炔基自 由基)，經由路徑 A2(或 P2)與鹵素自由基再結合形成丙二烯基衍生物(或 丙炔基衍生物)。 第二種可能的反應機制當丙炔基衍生物(或丙二烯基衍生物)經由路 徑 P3(或 A3) 直接形成完全未定域自由基 PA(Jochonwtiz’s radical
intermediate)，PA 經由路徑 P4(或 A4) 形成丙炔基衍生物(或丙二烯基衍
18 第三種可能的反應機制當丙炔基衍生物(或丙二烯基衍生物) 經由路 徑 P1(或 A1) 形成丙炔基自由基(或丙二烯基自由基)與鹵素自由基，丙炔 基自由基(或丙二烯基自由基)然後共振產生完全未定域自由基 PA，因為 完全未定域自由基 PA 有較低的能量(低 11 kcal/mol)，所以此三種共振型 態應該以 PA 為主，丙炔基自由基或丙二烯基自由基應該以少量存在，所 以 PA 其只能經由路徑 P4(或 A4) 形成丙炔基衍生物(或丙二烯基衍生 物)。 本研究想利用自由基捕獲以及自由基捕獲的產物其熱力學和動力學 性質來釐清丙炔基衍生物(或丙二烯基衍生物)進行光化學反應的反應機 制。
19
第三章 TEMPO 自由基與丙炔基溴或丙二烯基碘
之照光反應
3-1.丙炔基溴與 TEMPO 自由基之照光反應 將TEMPO自由基加入丙炔基溴中，反應物和TEMPO自由基濃度比例 為10:1， 使用汞燈進行照光反應，燈源距離為16 公分，溫度在43℃狀態 下，反應時利用GCMS每60分鐘進行檢測，反應後預期產物3產率約 55%，已確認的化合物總共有3個如方程式3-1所示，還有幾個由丙炔溴照 光後產生的微量聚合物。 Br + TEMPO hv 43℃ N H + N O + N O 3-1 3-2 3 (產率55%) 方程式3-1 照光前利用GCMS 檢測，如圖3-1所示，GCRT(滯留時間) 3.491(min) 為丙炔溴，GCRT 3.862 為甲苯 (其為丙炔基溴中的不純 物)，GCRT 6.812 為TEMPO自由基。 圖3-1 丙炔基溴與TEMPO照光反應前GC圖20
照光反應 60 分鐘後，得到的新訊號為 GCRT 3.942((2,2,6,6-四甲基哌 啶 2,2,6,6-Tetramethylpiperidine)，GCRT 5.999
(1-methoxy-2,2,6,6-tetramethy lpiper idine)，GCRT 8.534(產物 TEMPO 捕獲丙炔基自由基)， 照光反應 120 分鐘後，GCRT 8.534 訊號逐漸增強。照光結束後，利用 GCMS 檢測在 GCRT 8.534(產物)為 TEMPO 自由基捕抓到 C3H3自由基之 預期產物，其分子量為 195，其 GC 檢測如圖 3-2、質譜如圖 3-3，而 GCRT 3.942 分子量為 141 由 GCMS 質譜圖25比對為 TEMPO 的 N-O 鍵斷 鍵後抓氫所形成的產物，質譜如圖 3-4，GCRT 5.999 由 GCMS 質譜圖26 比對為 TEMPO 自由基捕抓到甲基所形成之產物，質譜如圖 3-5。 圖3-2丙炔基溴與TEMPO照光反應4小時候GC圖 圖3-3 產物3質譜
21 圖3-4 2,2,6,6-四甲基哌啶(2,2,6,6-Tetramethylpiperidine)質譜 圖3-5 1-methoxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine質譜 經由管柱層析分離純化後得到產物3，將純化後的產物3，利用NMR 進行檢測，由NMR可以得知該產物確定為TEMPO自由基捕獲丙炔基自由 基所產生的化合物。 丙炔基溴照光C-Br鍵會均勻斷鍵，產生C3H3 自由基及溴自由基，這 時TEMPO自由基捕捉到C3H3 自由基而形成預期產物，因此TEMPO自由 基捕捉到C3H3 自由基為丙炔基自由基，且NMR並未發現TEMPO捕獲丙 二烯自由基所產生的化合物，由此推測丙炔基自由基形成時還未發生共 振就被TEMPO捕獲，這種情況可以推論TEMPO 自由基捕捉丙炔基自由 基的速率大於丙炔基自由基共振的速率。
22
由2012年Maury等人報告1所提到的利用TTBNB來捕捉由丙炔碘所產
生的C3H3 自由基及碘自由基，結果為TTBNB 只有捕捉到丙炔基自由基
23 3-2. 丙二烯基碘與 TEMPO 自由基之照光反應 將TEMPO自由基加入丙二烯基碘中，反應物和TEMPO自由基濃度比 例為10:1， 使用汞燈進行照光反應，燈源距離為16公分，溫度在43℃狀 態下，反應4小時，利用GCMS檢測反應後預期產物4產率約50%，已確認 的產物總共有3個如方程式3-2所示。 C C C I H H H + TEMPO hv 43℃ N H + N O + N O 3-1 3-2 4 (產率50%) 方程式 3-2 照光前利用GCMS 檢測，如圖3-6所示，GCRT(滯留時間) 1.932 為 丙二烯碘，GCRT 2.013 為甲苯 (其為丙二烯基碘中的不純物)，GCRT 4.325 為TEMPO自由基。 圖3-6 丙二烯碘與TEMPO照光反應前GC圖
24
照光反應60分後，新訊號為GCRT 2.701(2,2,6,6-四甲基哌啶2,2,6,6-Tetramethylpiperidine)，GCRT 3.611(1-methoxy-2,2,6,6-tetramethylpiper idine)， GCRT 5.334(預期產物4) ，GCRT 17.132(trace product)照光反應 120 分鐘後，GCRT 5.334 訊號逐漸增強。 照光結束後，利用GCMS檢測在GCRT 5.334(預期產物4)為TEMPO自 由基捕抓到C3H3之預期產物，產物4其分子量為195， GC檢測如圖3-7、 質譜如圖3-8，其結構為圖3-9，而GCRT 2.701(2,2,6,6-四甲基哌啶 2,2,6,6-Tetramethylpiperidine)其分子量為141質譜如圖3-4，GCRT 3.611(1-methoxy-2,2,6,6-Tetramethylpiperidine)質譜如圖3-5。 圖3-7 丙二烯碘與TEMPO照光反應4小時後GC圖 圖3-8 產物4質譜
25 N O C C C 圖3-9 產物4結構 經由管柱層析分離純化後得到產物4，利用NMR進行檢測，由NMR 可以得知該產物確定為TEMPO自由基捕獲丙二烯基自由基所產生的化合 物。 丙二烯基碘照光C-I鍵會均勻斷鍵，產生C3H3自由基及碘自由基，這 時TEMPO自由基捕捉到C3H3 自由基而形成預期產物，因此TEMPO自由 基捕捉到C3H3 自由基為丙二烯基自由基，且NMR並未發現TEMPO捕獲 丙炔基自由基所產生的化合物，由此推測丙二烯基自由基形成時還未產 生共振就被TEMPO捕獲，這種情況可以推論TEMPO 自由基捕捉丙二烯 基自由基的速度大於丙二烯基自由基共振的速度。
26 3-3. 結果討論 因為形成丙二烯基自由基所需的活化能較高，所以丙炔基自由基生 成後尚未進行共振形成丙二烯基自由基就已經被TTBNB所捕獲，如實驗 結果在丙炔基溴和TEMPO自由基的照光反應中其結果只捕獲到丙炔基自 由基而沒有丙二烯基自由基，反之在丙二烯基碘和TEMPO自由基照光反 應中其結果只有捕獲到丙二烯基自由基而沒有丙炔基自由基，可以推測 丙炔基自由基和溴自由基的再結合速率是大於丙炔基自由基的共振速 率，也可以說明C3H3自由基與TEMPO自由基的偶聯速率(coupling reaction)大於C3H3自由基的共振速率。 丙炔基和丙二烯基衍生物照光重組反應其可能的反應路徑有三種如 圖2-3: X HC C CH2 XHC C CH2 H2C C CH2 A P PA P1 P2 A1 P3 P4 A4 A3 A2 圖 2-3 丙炔基衍生物或丙二烯基衍生物進行光化學反應其可能的反 應機制
27 第一種可能的反應機制在丙炔基衍生物(或丙二烯基衍生物)進行光化 學反應後，均勻斷鍵形成丙炔基自由基(P)(或丙二烯基自由基(A))與鹵素 自由基，丙炔基自由基(或丙二烯基由基)發生共振產生丙二烯基由基(或 丙炔基自由基)，與鹵素自由基再結合形成丙二烯基衍生物(或丙炔基衍生 物)。 第二種可能的反應機制當丙炔基衍生物(或丙二烯基衍生物) 直接形 成完全未定域自由基(PA) (Jochonwtiz’s radical intermediate)，在與鹵素自 由基再結合形成丙炔基衍生物(或丙二烯基衍生物)。 第三種可能的反應機制當丙炔基衍生物(或丙二烯基衍生物) 形成丙 炔基自由基(P) (或丙二烯基自由基(A))與鹵素自由基，因為完全未定域自 由基(PA)因為共振導致能量低11kcal/mol，所以丙炔基自由基(P) (或丙二 烯基自由基(A))容易經由共振形成完全未定域自由基(PA)，PA和鹵素自由 基作用預期會分別形成等量的丙炔基衍生物和丙二烯基衍生物。 根據實驗的結果，不論丙炔基溴或是丙二烯基衍生物經過照光反應 之後，得到的結果皆為TEMPO自由基捕獲單獨丙炔基自由基或丙二烯基 自由基，由此可以排除第二種反應路徑的可能性，因為如果照光反應後 形成的C3H3自由基其實是完全未定域自由基，預期的結果應該會同時捕 獲丙炔基自由基和丙二烯基自由基，而實驗結果TEMPO自由基只捕獲單 獨的丙炔基自由基(P) (或丙二烯基自由基(A))，因此丙炔基衍生物(或丙二 烯基衍生物)照光重組反應經由此反應機制的可能性不大。
28 如果丙炔基衍生物(或丙二烯基衍生物)照光反應是經由第三種反應機 制，照光反應後預期會分別形成等量的丙炔基衍生物和丙二烯基衍生 物。過去本實驗室曾經做過利用間質隔離22,23系統來探討丙炔基自由基與 丙二烯基自由基的穩定度，其結果丙二烯基自由基在低溫下比例較丙炔 基自由基來的多出許多，因此丙炔基衍生物(或丙二烯基衍生物)照光重組 反應經由此反應機制的可能性不大。。 所以丙炔基衍生物(或丙二烯基衍生物)照光反應其可能的反應機制， 是丙炔基衍生物或丙二烯基衍生物照光後各別形成相對丙炔基自由基和 丙二烯基自由基，然後進行共振得到重組的產物。
29
第四章 丙炔基衍生物與丙二烯基衍生物其乙醚溶液
與 TEMPO 的照光反應
4-1 丙炔基碘與 TEMPO 其乙醚溶液之照光反應 將 6.4× 10−2M 的丙炔基碘無水乙醚溶液，加入 TEMPO 自由基，丙 炔基碘和 TEMPO 自由基濃度比例為 10:1 且加入聯苯當為內標物，使用 汞燈進行照光反應，燈源距離為 16 公分，溫度在43℃狀態下，反應如方 程式 4-1，照光 3 小時後再利用 GCMS 進行檢測。 54% 方程式 4-1 照光前利用 GCMS 檢測，如圖 4-1 所示，GCRT(滯留時間) 2.309 為丙炔基碘，GCRT 2.462 為甲苯 (其為丙炔基碘中的不純物)，GCRT 7.401 為 TEMPO 自由基，GCRT 10.831 為內標物聯苯。30 圖 4-1 丙炔基碘與 TEMPO 照光反應前 GC 圖 照光反應60分後，由TEMPO捕抓得到的新訊號為GCRT9.035，照光 反應180 分鐘後，GCRT 9.035 訊號逐漸增強。 照光結束後，利用GCMS檢測在GCRT 9.035為TEMPO自由基捕抓到 產物分子量為195，其GC檢測如圖4-2、質譜如圖4-3，經由質譜以及NMR 確定產物為TEMPO自由基捕獲丙炔基自由基所形成的產物，產率約 54%。 圖4-2 反應3小時後GC圖
31
32 4-2 丙炔基溴與 TEMPO 其乙醚溶液之照光反應 將 6.4× 10−2M 的丙炔基溴無水乙醚溶液，加入 TEMPO 自由基，丙 炔基溴和 TEMPO 且加入聯苯當為內標物，使用汞燈進行照光反應，燈源 距離為 16 公分，溫度在43℃狀態下，反應如方程式 4-2，照光 3 小時後 再利用 GCMS 進行檢測。 Br TEMPO hv 43 oC ether N H + N O + N OH + N O 3-1 3-2 4-1 4-2 方程式 4-2 照光前利用 GCMS 檢測，如圖 4-4 所示，GCRT 1.778 為丙炔溴， GCRT 2.524 為甲苯 (其為丙炔基碘中的不純物)，GCRT 6.580 為 TEMPO 自由基的不純物質，GCRT 7.423 為 TEMPO 自由基，GCRT 10.897 為標定物聯苯。 圖 4-4 丙炔基溴與 TEMPO 照光反應前 GC 圖
33 照光反應60分後，由TEMPO並未捕抓得到的新訊號為GCRT9.035， 照光結束後，利用GCMS進行檢測並未發現與上述實驗丙炔碘和TEMPO 照光中出現的預期產物其GCRT為9.035，且發現反應物的丙炔溴經過3小 時的照光後，反應GC圖如圖4-5，反應前後比對後丙炔基溴剩餘>99%。 圖 4-5 丙炔基溴與 TEMPO 照光反應 3 小時後 GC 圖
34 4-3 TEMPO 其乙醚溶液之照光反應 將 TEMPO 自由基加入無水乙醚(50mL)，且加入聯苯當為內標物， 使用汞燈進行照光反應，燈源距離為 16 公分，溫度在43℃狀態下，反應 如方程式 4-3，照光 3 小時後再利用 GCMS 進行檢測。 TEMPO hv 43oC ether N OH + N O 4-1 4-2 方程式 4-3 照光 3 小時後利用 GCMS 進行檢測得到 TEMPO 與乙醚照光後 TEMPO 自體反應的產物其 GC 圖為圖 4-6。 圖 4-6 TEMPO 其乙醚溶液照光 3 小時後 GC 圖
35 由圖 4-6 與圖 4-5 (丙炔溴與 TEMPO 在乙醚溶液下照光 3 小時)兩者 比對，兩者相同的訊號扣除已知的乙醚、TEMPO 不純物、TEMPO、聯 苯以及丙炔溴、甲苯(丙炔溴中的不純物)，其餘共通的訊號為 GCRT 7.125(7.134)質譜如(附錄圖譜 1-1、1-2)、GCRT 7.247(7.249)質譜如(附錄 圖譜 1-3、1-4)、GCRT 10.232(10.235)質譜如(附錄圖譜 1-5、1-6)、GCRT 11.090(11.103)質譜如(附錄圖譜 1-7、1-8)。 比對 GCRT 7.125(7.134)以及質譜27後可以推斷兩者為相同的產物， 這些產物可能由 TEMPO 自由基在照光過程中所產生的，不是由丙炔溴所 產生的，結構如圖 4-7。 N OH 圖 4-7 GCRT 7.125(7.134) 結構圖 比對 GCRT7.247(7.249)以及質譜28後可以推斷兩者為相同的產物， 可能為 TEMPO 自由基在照光過程中捕獲乙基自由基，結構如圖 4-8。
36 N O 圖 4-8 GCRT 7.247(7.249) 結構圖 此外還有一些微量的未知產物，比對 GCRT 以及質譜後可以推斷兩 者為相同的產物但無法單獨從質譜得知結構其 GCMS 圖如附件圖譜圖 1~8。 由此可以得知丙炔基溴與 TEMPO 自由基在乙醚溶液下照光反應中， 丙炔基溴在沒有進行反應的情況下產物的來源。
37 4-4 丙二烯基碘與 TEMPO 在乙醚溶液下照光反應 將 6.4× 10−2M 的丙二烯基碘無水乙醚溶液，加入 TEMPO 自由基， 丙二烯基碘和 TEMPO 自由基濃度比例為 10:1 且加入聯苯當作內標物， 使用汞燈進行照光反應，燈源距離為 16 公分，溫度在43℃狀態下，反應 如方程式 4-4，照光 3 小時後再利用 GCMS 進行檢測。 I TEMPO hv 43oC ether N O + N O 4 + N H 3-1 3-2 45% 方程式 4-4 照光前利用 GCMS 檢測，如圖 4-9 所示，GCRT(滯留時間) 1.542 為丙二烯碘，GCRT 1.966 為甲苯 (其為丙二烯基碘中的不純物)，GCRT 3.499 為 TEMPO 自由基，GCRT 6.098 為內標物聯苯。 圖 4-9 丙二烯基碘與 TEMPO 在乙醚溶劑下照光反應前 GC 圖
38 照光反應60分後，由TEMPO捕抓得到的新訊號為GCRT 4.606，照光 反應180分鐘後，GCRT 4.606訊號逐漸增強。 照光結束後，利用GCMS檢測在GCRT 4.606為TEMPO自由基捕抓到 C3H3之預期產物，產物分子量為195，其GC檢測如圖4-10、質譜如圖4-11，經由質譜以及NMR確定產物為TEMPO自由基捕獲丙二烯基自由基所 形成的產物，產率約45%。 圖 4-10 丙二烯基碘與 TEMPO 在乙醚溶劑下照光反應 3 小時 GC 圖 圖 4-11 預期產物質譜圖
39 4-5 丙二烯基溴與 TEMPO 在乙醚溶液下照光反應 將 6.4× 10−2M 丙二烯基溴無水乙醚(50mL)，溶液，加入 TEMPO 自 由基，丙二烯基溴和 TEMPO 自由基濃度比例為 10:1 且加入聯苯當作內 標物，使用汞燈進行照光反應，燈源距離為 16 公分，溫度在43℃狀態 下，反應如方程式 4-5，照光 3 小時候在利用 GCMS 進行檢測。 Br TEMPO hv 43oC ether N H + N O + N OH + N O 3-1 3-2 4-1 4-2 方程式 4-5 照光前利用 GCMS 檢測，如圖 4-12 所示，GCRT(滯留時間) 1.386 為丙二烯基溴，GCRT 1.572 為甲苯 (其為丙二烯基溴中的不純物)， GCRT 3.509 為 TEMPO 自由基，GCRT 6.101 為內標物聯苯。 圖 4-12 丙二烯基溴與 TEMPO 在乙醚溶劑下照光反應前 GC 圖
40 照光反應60分後，由TEMPO並未捕抓得到的新訊號為GCRT 4.606， 照光結束後，利用GCMS進行檢測並未發現與上述實驗丙二烯基碘和 TEMPO照光中出現的預期產物，且發現反應物的丙二烯基溴經過3小時的 照光後，並未參與反應GC圖如圖4-13，反應前後比對後丙二烯基溴剩餘 量>99%。 圖 4-13 丙二烯基溴與 TEMPO 在乙醚溶劑下照光反應 3 小時 GC 圖
41 4-6 結果討論 由方程式4-1、4-4中可以發現，丙炔基碘或丙二烯基碘照光後均勻斷 裂產生丙炔基或丙二烯基自由基與碘自由基，丙炔基或丙二烯基自由基 會被TEMPO自由基所捕獲，丙炔基碘照光反應被TEMPO捕獲的自由基為 丙炔基自由基，並不是丙二烯基自由基；丙二烯基碘照光反應被TEMPO 捕獲的自由基為丙二烯基自由基並不是丙炔基自由基。2012年Maury等人 報告1利用TTBNB來捕捉由丙炔碘所產生的C 3H3 自由基，結果TTBNB只 有捕捉到丙炔基自由基並無捕捉到丙二烯基自由基，此結果與本實驗結 果相符，由此我們可以發現C3H3自由基的擴散速率大於C3H3自由基的共 振速率。 當丙炔基或丙二烯基碘改變成丙炔基或丙二烯基溴，方程式4-2、4-5，其結果並未如同方程式4-1、4-4一樣，得到TEMPO自由基捕獲C3H3自 由基的預期產物。 對於方程式4-1、4-4和4-2、4-5之間實驗結果的差異，可能的原因有 兩種，第一種丙炔基溴在照光反應中其實並沒有發生均勻斷裂形成C3H3 自由基和溴自由基，但是在方程式3-1中利用丙炔基溴和TEMPO自由基單 獨照光反應下其結果TEMPO自由基是有確實捕獲C3H3 自由基所以可以排 除這個可能性，第二種丙炔溴在進行照光反應的過程中斷裂形成C3H3自 由基和溴自由基，但是在TEMPO自由基捕抓到C3H3自由基之前C3H3自由 基就已經和溴自由基再結合了，所以TEMPO自由基並沒有成功捕抓到 C3H3自由基。比對實驗結果推測可能當丙炔基或丙二烯基溴照光後產生 C3H3 自由基與溴自由基，C3H3 自由基與溴自由基在乙醚溶液中的solvent
42 cage中再結合的速率遠大於TEMPO自由基捕獲C3H3 自由基的速率。然而 丙炔基或丙二烯基碘其乙醚溶液中與TEMPO自由基照光反應後產生C3H3 自由基與碘自由基，因為碘自由基其活性小於溴自由基，所以C3H3 自由 基與碘自由基在乙醚溶液中的solvent cage其再結合的速率就會變小，導 致TEMPO自由基捕獲C3H3自由基的速率對於C3H3自由基與碘自由基在乙 醚溶液中的solvent cage其再結合的速率有競爭性，因此部分的C3H3自由 基被TEMPO自由基所捕獲，所以在方程式4-1、4-4中最後結果有獲得 45~54%的預期產物，這個結果可以證明C3H3自由基擴散出solvent cage的 速率小於C3H3自由基和溴自由基再結合的速率，而在溶液中C3H3自由基
的擴散出solvent cage的速率大於C3H3自由基和碘自由基在solvent cage中
再結合速率。此實驗數據亦可說明C3H3自由基與溴自由基或碘自由基在
43
第五章 結論
丙炔基衍生物和丙二烯基衍生物在照光重組反應可能經由圖 2-3 的反 應機構，然而丙炔基衍生物或丙二烯基衍生物與 TEMPO 進行自由基捕獲 反應，推測丙炔基衍生物或丙二烯基衍生物照光後並不會經由 P 3 或 A3 路徑形成自由基 PA 中間產物。所以丙炔基衍生物或丙二烯基衍生物照光 後其可能遵循 P1 或 A1 的路徑個別形成相對應自由基中間產物即丙炔基 自由基(P)或丙二烯基 (A)，自由基 P 中間產物可能經由共振形成自由基 A 中間產物或自由基 PA 中間產物，Jochonwtiz 等人24用理論值計算來推 論出自由基 PA 有很大的共振能約 11 kcal/mol 且其為完全未定域 (completely delocalized)之自由基，因此自由基 P 中間產物可能經由共振 形成自由基 PA 中間產物而不是自由基 A 中間產物，同樣的情形也發生 在自由基 A 中間產物。 一旦形成自由基 PA 中間產物預期經由 P4 或 A4 路徑分別形成等量 的丙炔基衍生物或丙二烯基衍生物，則與實驗結果不符合，因此反應機 構可能不是經由此路徑。所以其可能的反應機構是丙炔基衍生物或丙二 烯基衍生物照光後遵循 P1 或 A1 的路徑個別形成相對自由基 P 或自由基 A，然後進行共振得到重組的產物。 丙炔基衍生物或丙二烯基衍生物與 TEMPO 進行自由基捕獲反應，可 以說明 TEMPO 與 C3H3自由基的耦合速率大於 C3H3自由基的共振速率。 丙炔基碘或丙二烯基碘其乙醚溶液與 TEMPO 的照光反應，TEMPO 都有捕捉到相對應的 C3H3自由基，然而丙炔基溴或丙二烯基溴其乙醚溶44 液與 TEMPO 的照光反應，TEMPO 都沒有捕捉到相對應的 C3H3自由 基，而且 99%的反應物留下來。這個結果可以說明 C3H3自由基擴散出 solvent cage 的速率小於 C3H3自由基和溴自由基再結合的速率，然而 C3H3自由基擴散出 solvent cage 的速率大於 C3H3自由基和碘自由基在 solvent cage 中再結合速率。此實驗數據亦可說明 C3H3自由基與溴自由基 或碘自由基在 solvent cage 中再結合速率皆大於 C3H3自由基的共振速率。 丙炔基衍生物或丙二烯基衍生物與 TEMPO 在乙醚溶液進行自由基捕 獲反應，自由基 P 與溴自由基再結合的速率遠大於自由基 P 與碘自由基 再結合的速率，此可以說明為何二者照光重組反應產物比例不同的原 因。 利用化學方法來探討丙炔基與丙二烯基自由基的文獻4,7,10~20皆為高 於常溫下進行，其得到結果皆為丙炔基衍生物的產量較丙二烯基衍生物 產量來的多，其原因可能是丙炔基衍生物為動力學產物，常溫有利於生 成，當反應在低溫下進行時，有利丙二烯基衍生物的生成21,22，其原因可 能是丙二烯基衍生物為熱力學產物，低溫有利於生成。
45
第六章 實驗
6-1 藥品 一. 溶劑 ： 1. 正己烷 (Hexane, n-C6H14) 2. 乙醚 (Diethyl ether, (C2H5)2O) 3. 酒精 (Ethanol,C2H6O) 4. 甲苯 (Toluene,C7H8) 5. 二甲基醯甲胺 (Dimethylformamide, C3H7NO) 6. 乙酸乙酯 ( Ethyl acetate, C4H8O2 ) 二. 試劑 ：1. Propargyl bromide (Alfa Aesar) 2. Sodium iodide (Riedel-de Haën)
3. 2,2,6,6-Tetramethylpiperidine 1-oxyl (ALDRICH) 4. Sodium hydrogen carbonate (SHOWA)
5. Ammonium chloride(日本試藥) 6. Sodium chloride(Riedel-de Haën) 7. Sodium bromide(Riedel-de Haën)
46
6-2 儀器設備
1. 氣相層析質譜儀 (GC-MS)
氣相層析儀型號：Agilent Technologies 6890N Network GC System 質譜儀型號：Agilent Technologies 5975 inert Mass selective Detector 管柱：J&W SCIENTIFIC 的DB-5 管柱，長度60m，內徑0.25mm，渡層 厚度0.25μm。
操作條件：(1) Carrier gas 為高純度氦氣，壓力21.57 psi，injector 溫度為
220℃，detector 溫度為270℃；oven 100℃，以每分鐘20℃的 速率上升至280℃維持10 分鐘，總共所需時間為19鐘。
(2) Carrier gas 為高純度氦氣，壓力21.57 psi，injector 溫度 為270℃，detector 溫度為270℃；oven 50℃，以每分鐘10℃的
速率上升至280℃，維持5 分鐘，總共所需時間為28分鐘。
(3) Carrier gas 為高純度氦氣，壓力21.57 psi，injector 溫度 為270℃，detector 溫度為270℃；oven 100℃，以每分鐘10℃
47 2. 氣相層析儀 (GC)
廠牌：PERKIN ELMER AutoSystem
管柱：J&W SCIENTIFIC 的DB-5 管柱，長度60m，內徑0.25mm，渡層 厚度0.25μm。
操作條件：Carrier gas 為高純度氮氣，壓力16.0 psi，injector 溫度為220 ℃，detector 溫度為280℃；oven 50℃以每分鐘10℃的速率上升至280℃維 持5分鐘，總共所需時間為28分鐘。
3. 傅立葉紅外線光譜儀 (FTIR)
廠牌：Perkin-Elmer，System 2000FTIR
偵測器：DTGS (Deuterated TriGlycine Sulfate) 和MCT (mercury-cadmiu mtelluride) 檢測器與溴化鉀分光鏡 (KBr beam splitter) 操作條件：光譜解析度設定值2 cm-1，OPD 設定值0.2 cm/s， 掃描次數32次，掃描波長4000~600 cm-1。 4. 光化學反應器 廠牌：Newport 型號：oriel 68810 光源：Hg arc lamp，200W 5. 核磁共振光譜儀 (NMR)
廠牌：Nuclear Magnetic Resonance 400 MHz Varian Unity plus＆Mercury Plus。
48 6-3 化合物之製備 6-3.1 丙炔基碘合成方法29 CH C C H H Br + NaI ethanol 25℃/3天 CH C C H H I 方程式6-3.1.1
將Sodium iodide (22.148 g，0.15 mol)和ethanol (30mL)放置500mL 圓 底瓶攪拌30分鐘，接著緩慢加入propargyl bromide (8.9 mL，0.1 mol)，溫
度在25 ℃下反應3天，使用乙醚萃取粗產物，用去離子水洗滌乙醚層，萃 取液用GCMS檢測後，在GCMS中發現粗產物的主要吸收峰為GCRT 1.652，其GCMS如圖6-3.1、6-3.2，質譜分析其分子量為166 (M+)，由此可 推測GCRT 1.652為丙炔基碘粗產物。 將粗產物蒸餾進行純化，沸點為90℃時，可得到純物質，用GCMS檢 測純物質，其GCRT 1.708如圖6-3.3、6-3.4，質譜分析其分子量為166 (M+)，由此可推測GCRT 1.708為丙炔基碘純化後的產物，將純化後的產 物比對實驗室過去資料22確定為丙炔基碘。 光譜如下： 1H NMR (CDCl 3, 400MHz)：δ2.3 (1H, t, J=2.8 Hz)、3.5 (2H, d, J=2.8 Hz) Mass (m/z)：166 (M+, 100), 127 (48), 39 (76)
49
圖 6-3.1propargyl iodide or allenyl iodide 粗產物 GC 圖
50
圖 6-3.3 propargyl iodide 純化後 GC 圖
51 6-3.2. 丙二烯碘合成方法29 CH C C H H Br + NaI C C C I H H H ethanol 70℃/3天 方程式6-3.2.1
將Sodium iodide (22.148 g，0.15 mol)和ethanol (30mL)放置500mL 圓 底瓶攪拌30分鐘，接著緩慢加入propargyl bromide (8.9 mL，0.1 mol)，溫
度在70 ℃下加熱回流反應3天，使用乙醚萃取粗產物，用去離子水洗滌乙 醚層，萃取液用GCMS檢測後，在GCMS中發現粗產物的主要吸收峰為 GCRT 1.652，其GCMS如圖6-3.5、6-3.6，質譜分析其分子量為166 (M+)， 由此可推測GCRT 1.652為丙二烯基碘粗產物。 將粗產物減壓蒸餾進行純化，在110 mmHg下其沸點為40℃時，可得 到純物質，用GCMS檢測純物質，其GCRT 1.708如圖6-3.7、6-3.8，質譜 分析其分子量為166 (M+)，由此可推測GCRT 1.708為丙二烯基碘純化後的 產物，將純化後的產物比對實驗室過去資料22確定為丙二烯基碘。 光譜如下： 1H NMR (CDCl 3, 400MHz)：δ4.5 (2H, d, J=6 Hz)、5.6 (1H, t, J=6 Hz) Mass (m/z)：166 (M+,26), 127 (8), 91 (100), 65 (11), 51 (5), 39 (10)
52
圖 6-3.5propargyl iodide or allenyl iodide 粗產物 GC 圖
53
圖 6-3.7 allenyl iodide 純化後 GC 圖
54 6-3.3. 丙二烯溴合成方法 CH C C H H Br + NaBr + NaCl 80 oC DMF 2 Hr C C C H H Br H 方程式6-3.3.1 將丙炔基溴(15g，0.175mol)加入dimethylformamide(100 mL)然後添加 sodium bromide (4g，0.039mol)及sodium chloride(3g，0.051mol)加入(500 mL)圓底瓶中加熱至80℃，攪拌2小時，直接在壓力760 mmHg 下蒸餾， 溫度沸點在110 ℃ 時可以得到丙炔溴和丙二烯溴比例約為7比3，加入二 乙基胺30以除去反應剩餘的丙炔溴。 將蒸餾物加入水(10mL)然後添加二乙基氨(6mL，0.0875mol)加入 (50mL)圓底瓶中降溫至0℃，攪拌10分鐘，用2M HCl的飽和NH4Cl(aq)中 和，再用乙醚萃取。
55 6-4 照光反應 6-4.1 TEMPO自由基丙炔基溴或丙二烯基碘之照光反應 將3mL 丙炔基溴 (0.035mol)接著加入TEMPO 自由基(0.5g，0.003 mmol)，反應物和TEMPO自由基濃度比例為10:1，另外加入聯苯(0.05g， 0.32mmol)， 使用汞燈進行照光反應，燈源距離為16 公分，溫度在43℃ 狀態下，反應時利用GCMS每60分鐘進行檢測。 比對照光前後GC圖的面積比，利用聯苯不會和TEMPO自由基以及丙 炔基溴反應的特性，將聯苯作為內標物，因為聯苯照光前後濃度不會有 所改變故以聯苯濃度為基準計算照光前後丙炔溴減少的百分比，來求出 產物3、4的產率。 產物3分離: 將照光後的粗產物，利用減壓濃縮移除粗產物溶液中的丙炔溴和甲 苯，將抽乾的粗產物溶於2mL的正己烷，在溫度4℃狀態下再結晶，過濾 移除晶體(TEMPO)，保存濾液。 將濾液進行管柱層析，沖提劑比例為100:1(正己烷:乙酸乙酯)，分離 後利用GCMS進行檢測如圖6-4.1，其GCRT 4.975，為純化後的產物其質 譜為圖6-4.2。
56
圖6-4.1 分離後產物的GC圖
57 產物之光譜如下: 1H NMR(CDCl 3，400MHz)：δ1.112~δ1.475(m，18H，CH2，CH3)， δ2.447(t，1H，CH，J=2.4Hz)，δ4.402(d，2H，CH2，J=2.4Hz) 。 13C NMR(CDCl 3, 100MHz)：δ19.978(CH2)，δ32.885(CH3)， δ39.593(CH2)，δ59.808(C)，δ65.179(CH2)，δ73.847(CH)，δ79.803(C)。 產物4分離: 將照光後的粗產物，利用減壓濃縮移除粗產物溶液中的丙二烯碘和 甲苯，將抽乾的粗產物溶於2mL的正己烷，在溫度4℃狀態下再結晶，過 濾移除晶體(TEMPO)，保存濾液。 將濾液進行管柱層析，沖提劑比例為100:1(正己烷:乙酸乙酯)，分離 後利用GCMS進行檢測如圖6-4.3，其GCRT 4.969，為純化後的產物其質 譜為圖6-4.4。 圖6-4.3 第一次分離後產物GC圖
58 圖6-4.4 第一次分離後產物質譜 將第一次分離液再次進行管柱層析，沖提劑比例為150:1(正己烷:乙 酸乙酯)，分離後利用GCMS進行檢測如圖6-4.5，其GCRT 4.969，為純化 後的產物其質譜為圖6-4.6。 圖6-4.5 二次分離後產物 GC圖
59
圖6-4.6 二次分離後產物質譜
產物之光譜如下: 待補
60 6-4.2 丙炔基衍生物與丙二烯基衍生物其乙醚溶液與TEMPO的照光反應 將 0.267mL 丙炔基碘(0.535g，3.22 mmol)溶入無水乙醚(50mL)，濃 度為 6.4× 10−2M 接著加入 TEMPO 自由基(0.5g，3.22mmol)，反應物和 TEMPO 自由基濃度比例為 10:1 且加入聯苯當為內標物(0.05g， 0.32mmol)，使用汞燈進行照光反應，燈源距離為 16 公分，溫度在43℃ 狀態下，照光 3 小時候在利用 GCMS 進行檢測。 比對照光前後GC圖的面積比，利用聯苯不會和TEMPO自由基以及丙 二烯基碘反應的特性，將聯苯作為內標物，因為聯苯照光前後濃度不會 有所改變故以聯苯濃度為基準計算照光前後丙二烯基碘減少的百分比， 來求出產物3、4的產率。
61
參考文獻
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附錄 圖譜資料
圖 1 乙醚與 TEMPO 單獨照光產物 GCRT 7.125 質譜
65
圖 3 乙醚與 TEMPO 單獨照光產物 GCRT 7.247 質譜
66
圖 5 乙醚與 TEMPO 單獨照光產物 GCRT 10.232 質譜
67
圖 7 乙醚與 TEMPO 單獨照光產物 GCRT 11.090 質譜
圖 8 乙醚與 TEMPO 單獨照光產物 GCRT 11.103 質譜
