國立交通大學
應用化學系博士班
博士論文
下緣三唑基取代芳杯對金屬陽離子及陰離子之化學感測
Chemosensors for Metal Cations
and
Anions Based on
Calix[4]arene with Lower-rim Triazoles
研究生：王乃珍
指導教授：鍾文聖 博士
下緣三唑基取代芳杯對金屬陽離子及陰離子之化學感測
Chemosensors for Metal Cations
and
Anions Based on
Calix[4]arene with Lower-rim Triazoles
研 究 生 ：王乃珍
Student: Nae-Jen Wang
指導教授 ：鍾文聖 博士
Advisor: Dr. Wen-Sheng Chung
國立交通大學
應用化學系博士班
博士論文
A Thesis
Submitted to Ph. D. Program, Department of Applied Chemistry College of Science
National Chiao Tung University In Partial Fulfilllment of the Requirements
For the Degree of Doctor of Philosophy
August 2012
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
i
下緣三唑基取代芳杯對金屬陽離子及陰離子之化學感測
學生：王乃珍 指導教授：鍾文聖 博士 交通大學應用化學研究系博士班 中文摘要 本論文主題以芳杯為感應分子平台，下緣以三唑基為辨識基，訊號基分 別以具變色效果的偶氮基或具螢光性質的芘基進行金屬離子辨識探討。完 成不同光學的訊號基討論後，進而探討三唑基辨識陰離子及自身變色的可 能性。 在第二章的計畫中，開發具偶氮變色基的感應分子 4，並發現其在具質 子的極性混溶劑中，對 15 種過氯酸鹽金屬離子中的 Hg2+有專一性且比例性 的辨識效果，以 1:1 錯合，結合常數為 1.07(±0.32) × 104 M-1，可由溶液顏色 由黃色變淡橘色判斷之。再者，利用化合物 4 以及相關的衍生物完成化合 物 4 結構中各個官能基在金屬離子辨識中的功能探討。 在第三章的計畫中，成功開發共軛「三唑−芘」官能基，同時具有辨識 及發送訊號功能。將其以對位或鄰位兩種方位置於芳杯下緣，發現鄰位「三 唑−芘」18 對 Ag+的訊號強度大於對位「三唑−芘」20，及傳統非共軛「三 唑−亞甲基−芘」與芳杯組成的金屬離子感應分子。在極性質子溶劑中，具ii
對位共軛「三唑−芘」芳杯 20 對 Ag+以 CHEF (chelation-enhanced fluorescence)
螢光機制產生辨識，雖是 1:1 錯合，結合常數為 1.83(±0.33) × 104 M-1，但訊 號不具比例化特性。然而，具鄰位共軛「三唑−芘」芳杯 18 對 Ag+ 以單體/ 激發雙體 (monomer/excimer) 螢光機制產生辨識，具訊號比例化地 1:1 錯 合，結合常數為 7.11(±0.80) × 103 M-1；即使在 10% 水的甲醇溶液中對 Ag+ 仍保有單體/激發雙體的螢光偵測效果。 在第四章的計畫中，成功開發具不同電性之共軛「三唑−苯」基。當芳 杯下緣對位具有拉電子性的「三唑−硝基苯」基 (化合物 30) 時，三唑基在 395 nm 產生一新的微弱吸收峰。其可對 9 種陰離子中的 F−、CH3COO−、 H2PO4−及 HO−產生辨識，在 UV-vis 吸收光譜中 502 nm 產生新的吸收峰， 溶液顏色從無色變淡粉紅。即使在具質子性的乙腈/甲醇 (v/v, 95:5) 混溶劑 中，此效果仍存在，只是錯合物 502 nm 的吸收峰紅位移至 545 nm。 O OHO HO NN N 18.Ag+ Emission at 398 nm Chap. 3 N N N O OHOH O N N N N N N NO2 NO2 30.F -30.CH3COO -Chap. 4 H H O HO O- O N N N N H3CO N N N N N N OCH3 Hg2+ 4.Hg2+ Chap. 2 20.Ag+ Emission at 474 nm Chap. 3 O OHOHO N N N N N N
iii
Chemosensors for Metal Cations and Anions Based on
Calix[4]arene with Lower-rim Triazoles
Student: Nae-Jen Wang Adviser: Dr. Wen-Sheng Chung
Ph. D. Program, Department of Applied Chemistry National Chiao Tung University
Abstract
In this thesis, chromogenic and fluorogenic calix[4]arenes bearing lower-rim triazoles as chemosensors for metal cations in polar protic cosolvents were synthesized and studied. Besides, the lower-rim distal triazoles of calix[4]arene as an anionic recognition site and chromogenic group were also explored.
In chapter 2, a specific and ratiometric chemosensor for Hg2+ based on
triazole coupled ortho-methoxyphenylazocalix[4]arene 4 was synthesized. The
complex 4⋅Hg2+
was determined to be 1:1 stoichometry and its association
constant was determined to be 1.07(±0.32) × 104
M-1 in a MeOH/CHCl3 (v/v,
98:2) cosolvent. The functions of azo, hydroxyl, and triazole groups on ligand 4 for sensing Hg2+ were distinguished by the studies of ligands 4 and its derivatives.
In chapter 3, a novel fluoroionophore, triazolylpyrene, was developed. Furthermore, a calix[4]arene with lower-rim proximal triazolylpyrenes 18 is a
ratiometric fluorescent chemosensor for Ag+ with higher sensitivity compared to
iv
conventional fluoroionophore with “triazole-CH2-pyrene”. In a MeOH/CHCl3
(v/v, 98:2) cosolvent, the complex 20⋅Ag+
was determined to be 1:1 stoichometry and its association constant was determined to be 1.83(±0.33) ×
104 M-1; however, the complex 18⋅Ag+ was determined to be 1:1 stoichometry
and its association constant was determined to be 7.11(±0.80) × 103
M-1. Even
the detection of Ag+ by ligand 18 works in 10% aqueous methanol solution.
In chapter 4, calix[4]arenes bearing lower-rim distal p-substituted phenyltriazoles were developed where the electronegativity of triazoles are controlled by its conjugated p-substituted benzene. Especially, a calix[4]arene with lower-rim distal p-nitrophenyltriazoles 30 was explored to be a novel
ratiometric and chromogenic chemosensor toward F−, CH3COO−, H2PO4−, and
HO− in polar solvent as well as in polar protic cosolvents.
O OHO HO NN N 18.Ag+ Emission at 398 nm Chap. 3 N N N O OHOH O N N N N N N NO2 NO2 30.F -30.CH3COO -Chap. 4 H H O HO O- O N N N N H3CO NN N N N N OCH3 Hg2+ 4.Hg2+ Chap. 2 20.Ag+ Emission at 474 nm Chap. 3 O OHOHO NN N N N N
v
謝誌
感謝 神讓我在中年時回校園當學生，得以再年輕一次。這段旅程感謝 指導教授 鍾文聖 教授的包容與教導，實驗室夥伴們的提攜與陪伴，好友 的鼓勵及家人全力的支持，亦感謝任職的錸德科技公司給予機會讓我享受 這旅程。 願將此喜悅獻給 神、家人及所有幫助過我、關心我的人。vi
目錄
中文摘要 ………..i Abstract ………iii 謝誌 ………..………...v 圖目錄 ……….x 式圖目錄 ..………...xvii 表目錄 …..……….………..xvii 附圖目錄 .……….……..xviii 附表目錄 ………...………xx 化合物對照表 ... xxi 第一章、緒論 ... 1 1.1 超分子化學 ... 1 1.1.1 主客分子之作用力 ... 2 1.1.2 主客分子可能的包覆型式 ... 4 1.1.3 離子辨識系統之化學感應分子 ... 5 1.2 芳杯 ... 7 1.2.1 芳杯可能之構形 ... 9 1.3 三唑基的介紹 ... 10vii 第二章、上緣對位甲氧苯偶氮基取代、下緣對位三唑基取代之芳杯及衍生 物對汞離子偵測研究... 12 2.1 偶氮功能及文獻介紹 ... 12 2.2 雙位接受器(ditopic receptor)的簡介 ... 16 2.3 研究動機 ... 16 2.4 偶氮芳杯 4−6、8 及 10 的合成 ... 17 2.5 具鄰位甲氧苯偶氮基取代之芳杯 4−6、8 及控制化合物 10 對金屬陽 離子之篩選實驗 ... 19 2.6 化合物 4 對 Hg2+錯合比例探討 ... 22 2.7 化合物 4 與 Hg2+之結合常數探討 ... 23 2.8 化合物 4 與 Hg2+之氫核磁共振光譜滴定實驗 ... 24 2.9 理論計算模擬化合物 4 與 11 之最佳構形 ... 27 2.10 結論 ... 28 第三章、下緣具對位或鄰位之「三唑−芘」之芳杯對 Ag+ 偵測探討偵測研究 ... 29 3.1 螢光訊號機制的介紹 ... 29
3.1.1 PET (photoinduced electron transfer) 機制 ... 29
3.1.2 PCT (photoinduced charge transfer) 機制 ... 31
viii 3.1.4 混合型螢光金屬感應器 (Miscellaneous) ... 32 3.2 三唑基與芘基在芳杯螢光感應分子的應用 ... 32 3.3 研究動機 ... 35 3.4 芳杯下緣之對位與鄰位含有共軛「三唑−芘」基及其控制化合物之 合成 ... 36 3.5 具共軛「三唑−芘」化合物 18、20 及 22 之吸收與放射光譜探討 38 3.6 具雙「三唑−芘」之芳杯化合物 18、20 及控制化合物 22 對金屬陽 離子之篩選實驗 ... 39 3.7 化合物 18 及 20 與 Ag+錯合比例之探討 ... 43 3.8 化合物 18 和 20 對 Ag+之結合常數探討 ... 44 3.9 錯合物 18⋅Ag+和 20⋅Ag+ 之光學特性探討 ... 48 3.9.1 相對螢光量子產率的比較 ... 48 3.9.2 感應分子之激發雙體放射光屬性的探討 ... 49 3.10 錯合物 18⋅Ag+與 20⋅Ag+ 之錯合模式探討 ... 51 3.10.1 化合物 18 與 Ag+之1 H NMR 滴定實驗探討 ... 51 3.10.2 化合物 20 與 Ag+之1 H NMR 滴定實驗探討 ... 55 3.11 理論計算模擬化合物 18 與 20 之最佳構形 ... 59 3.12 化合物 18 與 20 對 Ag+的偵測機制探討 ... 62 3.13 化合物 18 對 Ag+感應之特性探討 ... 63
ix 3.13.1 錯合物 18⋅Ag+ 的可逆反應證明 ... 63 3.13.2 錯合物 18⋅Ag+ 與其他金屬離子的競爭性探討 ... 64 3.13.3 化合物 18 在水溶液中對 Ag+的感應探討 ... 65 3.14 結論 ... 67 第四章、芳杯下緣具對位共軛「三唑−硝基苯」對陰離子辨識研究 ... 69 4.1 三唑基與陰離子辨識的介紹 ... 69 4.2 研究動機 ... 73 4.3 化合物 30−32 及控制化合物 33 的合成 ... 73 4.4 化合物 30、32 及控制化合物 33 之 UV-vis 吸收光譜特性 ... 75 4.5 化合物 30−32 及控制化合物 33 對 9 種陰離子初篩實驗 ... 76 4.7 化合物 30 對 F−及 CH3COO−的錯合比例探討 ... 78 4.8 化合物 30 對 F−及 CH3COO−的 UV-vis 吸收光譜滴定 ... 79 4.9 結論 ... 80 第五章、結論及展望 ... 81 第六章、實驗部分 ... 84 第七章、參考文獻 ... 97 第八章 附圖 ... 102
x
圖目錄
圖一、 分子化學與超分子化學比較圖。 ... 2 圖二、 主客分子錯合時可能的排列方式。 ... 4 圖三、 「鉗合效應」及「鉗合效應與巨環效應」示意圖。 ... 5 圖四、 Chemodosimeter 辨識機制。 ... 6圖五、 Chemosensor 辨識機制：(a) conjugated or non-conjugated binding site-signal subunit; (b) displacement approach。 ... 6
圖六、 Calix[4]arene 之 IUPAC 命名示意圖。 ... 8
圖七、 Calix[4]arene 可能之構形及架橋亞甲基之氫與碳核磁共振光譜 圖。 ... 9
圖八、 Sharpless 等人推論 Cu(I)在疊氮基與終端炔基之 Click chemistry 中的催化機制。... 11 圖九、 化合物 11 於 CH3CN/CHCl3 (1000:4, v/v)混溶劑中金屬離子初篩 實驗之吸收光譜變化圖。 ... 12 圖十、 偶氮芳杯感應分子與 Hg2+錯合物圖式及其吸收光譜滴定變化 圖。 ... 14 圖十一、 具鄰位取代基之偶氮化合物與金屬離子形成錯合物。 ... 14 圖十二、 化合物 1 與金屬離子可能的錯合模式及化合物 1 在乙腈中對 15 種金屬離子變色的結果。 ... 15
xi 圖十三、 目標化合物 4 及其衍生物結構示意圖。 ... 17 圖十四、 在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶劑中，化合物 (a) 4；(b) 5；(c) 6；(d) 8；(e) 10 及(f) 11 與 15 種各為 10 當量之金屬過氯酸鹽混 合之 UV-vis 吸收光譜變化。 ... 20 圖十五、 化合物 4 與 15 種金屬過氯酸鹽在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶 劑中的顏色變化。... 21 圖十六、 化合物 4 與 Hg2+ 在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶劑中之 Job plot 圖。 ... 22 圖十七、 (a)在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶劑中，化合物 4 與不同當量 數 之 Hg(ClO4)2 滴 定 的 吸 收 光 譜 變 化 圖 ； (b) 由 nonlinear
least-square curve-fitting method 求得之結合常數。 ... 23
圖十八、 化合物 4 在 methanol-d4/CDCl3 (v/v = 1/1) 混溶劑中滴加不同當
量 Hg(ClO4)2之區域放大氫核磁共振光譜圖：Hg(ClO4)2 (a) 0 mM
(0 equiv); (b) 1.5 mM (0.6 equiv); (c) 2 mM (0.8 equiv); (d) 2.5 mM (1 equiv)。 ... 25
圖十九、 化合物 4 與 Hg2+之錯合模式。 ... 25
圖二十、 DMol3 理論計算在 MeOH 溶劑中，化合物(a) 4；(b) 11 之最適 構形。 ... 27 圖二十一、 光誘導電子轉移之螢光變化機制。 ... 30
xii 圖二十二、 光誘導電荷轉移機制：(a) 藍位移 (b) 紅位移變化示意圖。 . 31 圖二十三、 化合物 12 在乙腈中對 100 當量金屬離子辨識造成的螢光光譜變 化。 ... 33 圖二十四、 化合物 13 在 CH3CN/H2O/DMSO (v/v, 1000:50:1)中，對 30 當量 金屬離子辨識造成的螢光光譜變化。 ... 34 圖二十五、 化合物 14 在 CH3CN/CH2Cl2 (v/v, 1000:1)中，對 20 當量金屬離 子辨識造成的螢光光譜變化。 ... 35 圖二十六、 在室溫之 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶劑中，化合物 18、20 及 22 之(a) 吸收光譜；(b) 放射光譜。 ... 38 圖二十七、 在室溫之 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2)混溶劑中，15 種各為 10 當量 之過氯酸鹽金屬離子分別與化合物 (a) 18；(b) 20 及(c) 22 之 UV-vis 吸收光譜變化。 ... 40 圖二十八、 在室溫之 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2)混溶劑中，15 種各為 10 當量 之過氯酸鹽金屬離子分別與化合物 (a) 18；(b) 20 及(c) 22 之螢 光光譜變化。(d)−(f)為對照(a)−(c)之螢光強度變化率。 ... 41 圖二十九、 化合物 (a) 18 與 (b) 20 分別與 Ag+ 在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶劑中之 Job plot 圖。 ... 43 圖三十、 室溫下在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶劑中，分別滴加不同當
xiii 化。 ... 44 圖三十一、 室溫下在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶劑中，分別滴加不同當 量之 AgClO4至化合物 (a) 18 及(b) 20 之螢光光譜變化。插圖為 螢光強度變化率(I/Io)相對於滴加之 Ag +當量數圖。 ... 45
圖三十二、 不同當量之 AgClO4 與化合物 (a) 18 及(b) 20 由 nonlinear
least-square curve-fitting method 求得之結合常數。 ... 46
圖三十三、 在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2)混溶劑中，(a)化合物 18；(b)化合物
20；(c)錯合物 18⋅Ag+ (d)錯合物 20⋅Ag+ 分別在 398 nm (實線) 及
約 475 nm (虛線) 測得之歸一化激發光譜。... 50
圖三十四、 化合物 18 在 methanol-d4/CDCl3 (v/v, 3:2) 混合溶劑中，滴加不
同當量的 AgClO4之氫核磁共振光譜：AgClO4 (a) 0 mM；(b) 1.25
mM (0.5 equiv)；(c) 2 mM (0.8 equiv)；(d) 2.5 mM0 (1 equiv)。 ... 53
圖三十五、 化合物 18 在 methanol-d3/CDCl3 (v/v, 3:2) 混合溶劑中，滴加不
同當量的 AgClO4之氫核磁共振光譜：AgClO4 (a) 0 mM；(b) 1.25
mM (0.5 equiv)；(c) 2.5 mM (1 equiv)。 ... 54
圖三十六、 錯合物 18⋅Ag+
可能的結合模式。 ... 54
圖三十七、 化合物 20 在 methanol-d4/CDCl3 (v/v, 3:2) 混合溶劑中，滴加不
xiv
equiv)；(b) 1.25 mM；(c) 2 mM (0.8 equiv)；(d) 2.5 mM (1 equiv)。 ... 57
圖三十八、 化合物 20 在 methanol-d3/CDCl3 (v/v, 3:2) 混合溶劑中，滴加不
同當量 AgClO4 之氫核磁共振光譜圖：AgClO4 (a) 0 mM (0
equiv)；(b) 1.25 mM (0.5 equiv)；(c) 2.5 mM (1 equiv)。 ... 58
圖三十九、 錯合物 20⋅Ag+
可能的結合模式。 ... 58
圖四十、 由 DMol3 模擬在甲醇中化合物：(a) 18；(b) 18⋅Ag+
(N2)；(c)
18⋅Ag+ (N3); (d) 20；(e) 20⋅Ag+ (N2); (f) 20⋅Ag+ (N3) 的最佳結
構。 ... 60 圖四十一、 在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶劑中，化合物 18 與 Ag +錯合前 後溶液螢光變化圖及螢光放射光譜。 ... 62 圖四十二、 在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶劑中，錯合物 18⋅Ag + 可逆實驗 之螢光光譜圖。... 63 圖四十三、 在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶劑中，混有 10 當量 AgClO4的 化合物 18 與其他 14 種各為 10 當量的過氯酸鹽金屬離子之單體 放射 (398 nm) 強度變化比例(I/Io)。 ... 64 圖四十四、 在 H2O/MeOH/CHCl3 (v/v, 10:88:2) 混溶劑中，化合物 18 與 15 種過氯酸鹽金屬離子之 (a)螢光光譜圖；(b)螢光強度變化比例圖 及(c)UV-vis 吸收光譜圖。 ... 66
xv 圖四十五、 中性分子之亞甲醚基、苯環之氫與陰離子之氫鍵作用力。 .... 69 圖四十六、 (a)錯合物 25⋅Cl− 可能錯合模式及(b)化合物 25 與不同當量 TBACl 吸收光譜滴定。 ... 70 圖四十七、 化合物 26 在乙腈中對 8 種陰離子進行初篩實驗的螢光光譜。 ... 71 圖四十八、 在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶劑中，化合物 (a)18 與(b)20 對 9 種各為 10 當量之四丁基胺鹽陰離子初篩實驗之 UV-vis 吸收光 譜圖。 ... 72 圖四十九、 在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶劑中，化合物(a) 18 與(b) 20 對 9 種各為 10 當量之四丁基胺鹽陰離子初篩實驗之螢光光譜圖。 ... 72 圖五十、 化合物 30、32 及 33 於 CH3CN/CHCl3 (v/v, 99:1) 極性混溶劑中 之 UV-vis 吸收光譜圖。 ... 75 圖五十一、 在 CH3CN/CHCl3 (v/v, 99:1) 極性混溶劑中，化合物(a) 30；(b) 31；(c) 32 及(d) 33 對 9 種各為 10 當量之四丁基胺鹽陰離子初 篩實驗之 UV-vis 吸收光譜圖。 ... 76 圖五十二、 化合物 30 在 CH3CN/CHCl3 (v/v, 99:1) 極性混溶劑中分別加入 9 種各為 100 當量之四丁基胺鹽陰離子之溶液顏色。 ... 77 圖五十三、 化合物 30 在 CH3CN/CHCl3 (v/v, 99:1) 極性混溶劑中對 (a)
xvi
圖五十四、 化合物 30 在 CH3CN/MeOH (v/v, 95:5) 極性混溶劑中，分別對
不同當量之 (a) N(Bu)4F 及(b) N(Bu)4(CH3COO) 進行 UV-vis 吸
收光譜滴定實驗。... 79 圖五十五、 未來可衍生具「三唑−偶氮基」之陰離子感應分子。 ... 83
xvii
式圖目錄
式圖一、p-tert-Butylcalix[4]arene 之合成步驟。 ... 8 式圖二、三唑基(1,2,3-triazole) 的合成方法。 ... 10 式圖三、偶氮苯酚與苯腙醌間之互變異構作用。 ... 13 式圖四、化合物 3-10 合成流程圖 ... 18 式圖五、化合物 18、20 與控制化合物 22 之合成流程。 ... 36 式圖六、目標化合物 30−32 及控制化合物 33 之合成流程。 ... 74表目錄
表一、在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2)混溶劑中，化合物 18、20 及錯合物 18⋅Ag + 、 20⋅Ag+之相對螢光量子產率。 ... 48xviii
附圖目錄
附圖一、 錯合物 4⋅Hg2+ 之低解析電灑質譜(ESI+) ... 103 附圖二、 錯合物 18⋅Ag+ 之低解析電灑質譜(ESI+). ... 104 附圖三、 錯合物 20⋅Ag+ 之低解析電灑質譜(ESI+) ... 105 附圖四、 化合物 3a 之1 H NMR 光譜圖 ... 106 附圖五、 化合物 3a 之13C 和 DEPT− NMR 光譜圖 ... 107 附圖六、 化合物 3b 之1 H NMR 光譜圖 ... 108 附圖七、 化合物 3b 之13C 和 DEPT− NMR 光譜圖... 109 附圖八、 化合物 4 之1 H NMR 光譜圖 ... 110 附圖九、 化合物 4 之13C 和 DEPT− NMR 光譜圖 ... 111 附圖十、 化合物 5 之1 H NMR 光譜圖 ... 112 附圖十一、化合物 5 之13C 和 DEPT− NMR 光譜圖 ... 113 附圖十二、化合物 6 之1 H NMR 光譜圖 ... 114 附圖十三、化合物 6 之13C 和 DEPT− NMR 光譜圖 ... 115 附圖十四、化合物 8 之1 H NMR 光譜圖 ... 116 附圖十五、化合物 8 之13C 和 DEPT− NMR 光譜圖 ... 117 附圖十六、化合物 10 之 1 H NMR 光譜圖 ... 118 附圖十七、化合物 10 之 13C 和 DEPT− NMR 光譜圖 ... 119 附圖十八、化合物 17 之 1 H NMR 光譜圖 ... 120xix 附圖十九、 化合物 17 之13C 和 DEPT− NMR 光譜圖 ... 121 附圖二十、 化合物 18 之1 H NMR 光譜圖 ... 122 附圖二十一、化合物 18 之13C 和 DEPT− NMR 光譜圖 ... 123 附圖二十二、化合物 20 之1 H NMR 光譜圖 ... 124 附圖二十三、化合物 20 之13C 和 DEPT− NMR 光譜圖 ... 125 附圖二十四、化合物 22 之1 H NMR 光譜圖 ... 126 附圖二十五、化合物 22 之13C 和 DEPT− NMR 光譜圖 ... 127 附圖二十六、化合物 30 之1 H NMR 光譜圖 ... 128 附圖二十七、化合物 30 之13C 和 DEPT− NMR 光譜圖 ... 129 附圖二十八、化合物 31 之1 H NMR 光譜圖 ... 130 附圖二十九、化合物 31 之13C 和 DEPT− NMR 光譜圖 ... 131 附圖三十、 化合物 32 之1 H NMR (300 MHz, CDCl3) 光譜圖 ... 132 附圖三十一、化合物 32 之1 H NMR 光譜圖 ... 133 附圖三十二、化合物 33 之1 H NMR 光譜圖 ... 134 附圖三十三、化合物 33 之13C 和 DEPT− NMR 光譜圖 ... 135
xx
附表目錄
Table S1. The data for the quantum yield measurement of pyrene in EtOH or a
MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) cosolvent (excitation wavelength = 319
nm). ... 95 Table S2. The data for the quantum yield measurement of ligand 18 and
complex 18⋅Ag+
in a MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) cosolvent using
pyrene as the standard (excitation wavelength = 322 nm). ... 95 Table S3. The data for the quantum yield measurement of ligand 20 and
complex 20⋅Ag+
in a MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) cosolvent using
pyrene as the standard (excitation wavelength = 320 nm). ... 95 Table S4. Relative fluorescent quantum yield of ligands 18 and 20 in the
absence and presence of 40 equiv of AgClO4 in a MeOH/CHCl3 (v/v,
98:2) cosolvent, where pyrene was used as a standard (excitation wavelength = 319−322 nm). ... 96
xxi
化合物對照表
OH N N OEt O 4 1 O OHOH O 2 O OHOH O N N N N H3CO O OHOH O N N 3a 3b + OCH3 OCH3 O OHOHO N N N N N N N NN N OCH3 H3CO 4 O OHOHO N N N N N N NN OCH3 5 O O O O N N N N N N N NN N OCH3 H3CO 6 O OHOH O 7 OH 9 O OHOHO N NN N OCH3 H3CO 8 N N OCH3 O H 10xxii O OHOHO N N N N N N N NN N 11 OCH3 OCH3 O OHOHO N N N N N N 12 14 NH2 N3 16 15 O OHOHO 17 O OHOHO N N N N N N 18 O OHOHO 19 O OHOHO N N N N N N 20 O 21
xxiii O N N N 22 23.F- 24 25 26 R N3 27 R = -NO2 28 R = -H 29 R = -OCH3 O OHOHO N N N N N N R 30-32 R 30 R = -NO2 31 R = -H 32 R = -OCH3 O OHOHO N N N N N N N N N N O2N NO2 H H O O O O N N N NN N N N n N N O2N NO 2 O N N N O2N 33 34 35
1
第一章、緒論
1.1 超分子化學
超分子化學 (Supramolecular chemistry) 基礎觀念源自 19 世紀。1891 年 ， Villiers 與 Hebd 發 現 第 一 個 可 作 為 主 體 分 子 (host) 之 環 糊 精
(cyclodextrin)；1a,b 1937 年，Wolf 等人第一次以德文提出”Supramolecule”於
其發表的文獻中，主要是描述含羧酸根的兩個分子，彼此間以氫鍵形成雙
分子。至此，主客化學仍維持在靜態的 (static) 配位結合描述概念。1e直到
1958 年，Koshland 提出動態 (dynamic) 的誘導配合 (induced fit) 概念，亦 即主客分子間的鍵結可由客體分子誘導主體分子的構形發生改變，形成與 客體分子適合鍵結的構形，進而達成主客分子的鍵結，此概念與分子化學
中兩分子相遇發生化學變化產生新產物不同 (圖一)。1c 1987 年，Jean−Marie
Lehn 提出超分子化學是一種分子組合及分子間鍵結的化學，1d 至此，超分
子化學正式被定義且開始成為一門研究領域。如今，超分子化學已發展出 如 下 學 門 ： 離 子 的 辨 識 (ion recognition) 、 分 子 的 辨 識 (molecule recognition)、模板或自組裝效應 (templates and self-assembly)、分子裝置
2
+
+
Molecular Chemistry Supramolecular Chemistry 圖一、分子化學與超分子化學比較圖。1e 1.1.1 主客分子之作用力 超分子化學中，主客分子間的作用力可能是吸引力，也可能是斥力。 此作用力除了來自於主客分子間，也有可能來自於主客分子與環境分子， 如溶劑、晶格等。此類作用力包含：(1) ion−ion interactions (bond energy =100−350 kJ mol-1
)，鍵能強度可媲美共價鍵強度，通常發生於主客分子皆為 離子 (如 NaCl 晶格)，或客體為離子、主體為帶電荷分子；(2) ion−dipole
interactions (bond energy = 50−200 kJ mole-1
)，發生於客體為離子、主體為具 極性分子，例如主體分子中具有孤對電子的氧或氮原子等，這些孤對電子 與客體離子發生 ion−dipole 鍵結形成錯合物；(3) dipole−dipole interactions
(bond energy = 5−50 kJ mole-1
)，發生於主客分子皆為極性分子時，此類型作 用力於溶液態時相對於固態時弱；(4) hydrogen bonding (bond energy = 4−120
3
不但為極性分子，且具有可產生氫鍵的氫原子，使分子間可藉由氫鍵形成
雙分子；(5) cation−π interactions (bond energy = 5−80 kJ mole-1
)，指金屬離子 與烯或苯環發生鍵結之作用力。當金屬離子為過渡金屬離子時，過渡金屬 離子可能利用空的 d 軌域與富電子之烯基或苯環產生鍵結，所以此鍵結可 算是共價鍵的一種。相對於過渡金屬離子，當金屬離子為鹼金或鹼土族離 子時，其與烯基或苯環間的 cation−π interactions 則屬弱鍵結的非共價鍵。 此外，非金屬離子如 RNH3 + 與烯或苯環也可能發生此類作用力，但因形式 為 X−H⋅⋅⋅π，所以歸屬於氫鍵作用力；(6) π−π stacking (bond energy = 0−50 kJ
mole-1)，發生於兩個芳香族間，其中一個屬拉電子性，其中一個屬富電子性。
其作用力方向可分為面對面 (face to face)及面對邊 (face to edge)，前者是兩 個芳香環面對面重疊，後者是拉電子性芳香環的氫垂直於多電性芳香環的 平 面 。 二 者 的 排 列 決 定 於 此 二 芳 香 環 間 的 靜 電 作 用 力 (electrostatic
interaction)或 London dispersion force.2 (7) Van der Waals forces (<5 kJ mole-1;
variable)，此作用力發生原因在於一原子核將鄰近分子之電子雲偶極化產生 的微弱靜電吸引力，此作用力隨著此二分子間的距離增加而減弱。在超分 子化學中，此作用力常見於客體有機分子被併入主體分子孔洞中，例如有 機分子被併入芳杯的苯環孔洞中；(8) hydrophobic effects：此效應常見於有 機主客分子溶於極性溶劑中，尤其是水，或是不溶的礦物油中。由於有機 主體分子的孔洞併入極性溶劑時的穩定性較併入有機客體分子時低；且當
4 客體分子與主體分子散布於極性溶劑時，極性溶劑分別圍繞主體與客體分 子時的穩定性較低，但當客體分子併入主體分子孔洞中，極性溶劑圍繞主 體分子外圍的系統穩定性較高。因此在極性溶劑中，有機主體分子的孔洞 容易排出極性溶劑，併入有機客體分子。 1.1.2 主客分子可能的包覆型式
Capsular Nesting Perching
Sandwich Wrapping
圖二、主客分子錯合時可能的排列方式。1e
主客分子形成錯合物時，客體分子與主體分子相對位置可能有幾種排 列方式：膠囊狀 (capsular)、巢狀 (nesting)、棲息狀 (perching)、三明治狀 (sandwich)、包裹型 (wrapping) (圖二)，這些鉗合效應 (chelating effect) 多 數取決於主體分子的孔洞大小而決定可能的錯合模式。然而，錯合物的穩 定性除了依靠鉗合效應之外，巨環效應 (macrocyclic effect) 也是一個穩定
5 錯合物的重要因子。巨環效應於 1970 年由 Cabbiness 與 Margerum 提出，1e 他們發現主體分子與 Cu2+形成錯合物時，具有封閉巨環的構形的錯合物穩 定性大於具非封閉巨環的錯合物，這是因為前者錯合物多了巨環效應，後 者則缺巨環效應。後續研究則發現，一旦客體分子被包裹於主體分子中時， 主體分子具有的巨環越多，越有助於錯合物的穩定 (圖三)。1e chelate effect chelate effect
and macrocyclic effect
chelate effect
and macrobicyclic effect Increasing degree of host organisation 圖三、「鉗合效應」及「鉗合效應與巨環效應」示意圖。1e 1.1.3 離子辨識系統之化學感應分子 離子辨識系統之化學感應分子通常具備結合位置 (binding site) 的辨識 端與訊號端 (signaling site)，種類有兩種：(1) chemodosimeter：化學感應分 子辨識離子後，系統分子發生不可逆改變，因而造成光學特性發生變化 (圖 四)； (2) chemosensor：化學感應分子辨識離子前後，系統中所有分子單位
6 相同 (圖五)。後者訊號產生機制有兩種：(i) 被辨識物與辨識端產生錯合， 造成訊號基團光學性質改變，如顏色或螢光變化 (圖五 a)；(ii) 被辨識物與 訊號基發生交換，當被辨識物靠近時，訊號基同時脫離感應分子，因而產 生訊號基團的光學變化 (圖五 b)。1f + 圖四、Chemodosimeter 辨識機制。1f Signaling
subunit Bindingsubunit Signalingsubunit
Fluorescence enhanced/quenched Color change
Binding subunit (a) Binding site-Signal subunit
+ Host with Indicator Host with Guest Indicator (b) Displacement approach
圖五、Chemosensor 辨識機制：(a) conjugated or non-conjugated binding
site-signal subunit; (b) displacement approach。1f
7 化學感應分子被挑戰與研究的問題。 常見的中性主體分子有冠醚(crown ether)、環糊精(cyclodextrin)、水 (water)、芳杯(calixarene)。1e, 3f 本論文將以芳杯為骨架，三唑基為辨識基， 搭配變色或螢光基為訊號基形成具孔洞之感應分子，利用主客化學模式進 行對金屬離子選擇性的探討。 1.2 芳杯 芳杯是由芳香環組成的巨環結構，屬 cyclophane 的一種，由 Gutsche 命名為芳杯 (calixarene)，表示由芳香環 (arene) 組成的聖杯 (calix)。名詞 中標入的數字，如 calix[4]arene，則表示組成芳杯的苯環數目有四個。本論 文研究的主體分子平台，calix[4]arene，為四個苯酚 (phenol) 的鄰位各由四 個亞甲基間隔串連而成的孔洞化合物，孔洞上寬下窄，上緣直徑約 7Å，孔
洞深約 4Å。3a
Calix[4]arene 的 IUPAC 命名為 pentacyclo[19.3.1.13,719,13115,19]
octacosa-1(25),3,5,7(28),9,11,13(27),15,17,19(26),21,23-dodecaene-25,26,27,28 -tetraol，亦可簡化稱 25,26,27,28-tetraol-calix[4]arene 或 calix[4]arene 稱之 (圖
8 OH HO OH OH 1 2 25 26 27 28 24 pentacyclo[19.3.1.13,719,13115,19 ]octacosa-1(25),3,5,7(28),9,11,13(27),15,17,19(26),21,23-dodecaene-25,26,27,28-tetraol = calix[4]arene 圖六、Calix[4]arene 之 IUPAC 命名示意圖。
目前 calix[4]arene 最佳合成條件是由 Cornforth 和 Gutsche 改良早期 Zinke 的製程而來，將對三級丁基苯酚 (p-tert-butylphenol) 與 37%甲醛水溶 液在氫氧化鈉的鹼性條件下進行聚合反應，之後再將聚合物於二苯醚中加 熱，冷卻後即可得到 calix[4]arene 的粗產物 (式圖一)。3b OHHO OH OH CH2 OH n OH H O H base ∆ + n = 4, 6, 8 ∆ 式圖一、p-tert-Butylcalix[4]arene 之合成步驟。3b 利用芳杯為平台，將離子或分子的辨識基、訊號基修飾上芳杯的上緣 或下緣，即可造就芳杯成為可用的離子或分子感應分子。3c-f
9
1.2.1 芳杯可能之構形
Calix[4]arene 有四種可能的構形，分別為 cone、partial cone、1,2-alternate 及 1,3-alternate，在上緣與下緣修飾相同官能基的情況下，上述結構的偶極 距 (dipole moment) 順 序 為 cone > partial cone > 1,2-alternate >
1,3-alternate。4 此四種結構可利用氫與碳核磁共振光譜區分之 (圖七)。3b OH OH HO OH OH OH OH partial cone OH OH OH OH OH 1,3-alternate HO OH OH OH 1,2-alternate cone 圖七、Calix[4]arene 可能之構形及架橋亞甲基之氫與碳核磁共振光譜圖。3b 當 calix[4]arene 具 cone 構形時，其架橋亞甲基在氫核磁光譜中，化學 位移在 3.0−4.5 ppm 會顯示兩組雙峰 (doublet)；在碳核磁共振光譜中，此亞 甲基的碳只有一個訊號，化學位移約在 31 ppm 左右。當 calix[4]arene 為 partial cone 或 1,2-alternate 時，架橋亞甲基在氫核磁光譜中，化學位移在 3.0−4.5 ppm 會顯示兩組雙峰及一個單峰 (singlet)；在碳核磁共振光譜中， 此亞甲基的碳有兩個碳訊號，化學位移分別約在 31 及 37 ppm 左右，因此
10
欲進一步區分 partial cone 與 1,2-alternate 構形，須藉由芳杯苯環上的氫來區 分之。至於 1,3-alternate 構形，其亞甲基在氫與碳的核磁共振光譜中皆僅有 一個訊號，在氫核磁共振光譜中，化學位移在 3.0−4.5 ppm 僅有一個單峰； 在碳核磁共振光譜中，此二級碳化學位移約在 37 ppm 左右。 1.3 三唑基的介紹 在化學感應器的設計中，三唑基常被作為陽離子、陰離子或分子的辨識 基團。5 三唑基 (triazole) 是 Husigen 1,3−偶極環化加成反應常被討論的一 類，主要是利用疊氮基 (azide) 與終端炔基 (alkyne) 進行 1,3-偶極環化加 成反應，產物可能有 1,4- 與 1,5- 雙取代兩種方位異構物 (式圖二)。 N N N + N N N R1 R2 R1 R2 1 4 1 5 1,4-triazole 1,5-triazole R1 N3 + R2 H H H N N N R1 R2 1 4 1,4-triazole R1 N3 + R2 H CuI(I) complex eg. CuSO4/ Sodium ascorbate Heat H Thermal CuAAC 式圖二、三唑基(1,2,3-triazole) 的合成方法。
2001 年，Sharpless 與 Meldal 等人發現，疊氮基與終端炔基以 Cu(I)作催 化劑進行 1,3−偶極環化加成反應時，可得高產率且具方位專一性的 1,4-雙取
代三唑基產物，並稱此類高效率催化反應為 “click chemistry” (式圖二)。6
11
者，Sharpless 等人也發現，除了 Cu(I) 之外，Cu(II)的 CuSO4·5H2O 與 ascorbic
acid 或 sodium ascorbate 共同混合試劑亦可作為合成 1,4-雙取代之三唑產物 的催化劑，因為 ascorbic acid 或 sodium ascorbate 可當還原劑，將 Cu(II) 還
原為 Cu(I)。6c 其催化機制為，Cu(I)與終端炔基形成錯合物後，再與疊氮基 進行 1,3−偶極環化加成反應，因而達到方位控制性，得到 1,4−雙取代三唑 基產物(圖八)。6e N NN R1 R2 CuLn n N NN R1 R2 C [LnCu]+ R1 H R1 CuL n N N N R 2 + -R1 CuL n N R2 N N + -N N N CuLn I R1 R2 -I II III B-1 B-2 B-3 IV A B-direct
圖八、Sharpless 等人推論 Cu(I)在疊氮基與終端炔基之 Click chemistry 中的
12
第二章、上緣對位甲氧苯偶氮基取代、下緣對位三唑基取代之芳
杯及衍生物對汞離子偵測研究
2.1 偶氮功能及文獻介紹 利用偶氮具有肉眼可見的顏色變化特質，文獻中常見將其於芳杯上緣做 為訊號基，芳杯下緣有富電子基做為金屬辨識基，如：酯基、羧酸基、雜 環、冠醚環等，組成化學感應分子。7 本實驗室被報導是第一個將三唑基團 引入芳杯做為金屬辨識基，5f 利用芳杯上緣對位取代基之雙苯環偶氮化合 物為訊號基，組成化學感應分子。例如：在 CH3CN/CHCl3 (1000:4, v/v)混溶 劑中，當芳杯上緣偶氮之對位取代基為推電子基的甲氧基時，下緣的三唑 基可辨識 Ca2+與 Pb2+，溶液顏色由黃色變粉紅色 (圖九)。7a 圖九、化合物 11 於 CH3CN/CHCl3 (1000:4, v/v)混溶劑中金屬離子初篩實驗 之吸收光譜變化圖。7a 此外，文獻中關於偶氮化合物之芳杯兼具辨識金屬離子與訊號產生基13
團之例子也不少。3f, 8
其原理在於此類偶氮基多位於芳杯上緣，形成一端為 苯酚之偶氮單位結構，利用金屬離子靠近時會加速誘發偶氮苯酚與醌苯腙 間之互變異構作用(azophenol to quinone-hydrazone tautomerism)，使得偶氮
基參與金屬離子鉗合並產生變色效果(式圖三)。8a, c-d 式圖三、偶氮苯酚 (azophenol) 與苯腙醌 (quinone-hydrazone) 間之互變異 構作用。8b 例如，本實驗室在 2005 年發表研究成果顯示，芳杯上緣由乙烯基與對 位甲氧基取代之偶氮基組成的感應分子對 Hg2+有明顯的辨識效果 (圖十)。 8c 在 UV-vis 吸收光譜中，偶氮芳杯原本最大吸收峰為 359 nm，加入金屬離
子 (Li+、Na+、Ca2+、Ba2+、Hg2+、Cr3+、Cu2+、Ni2+及 Pb2+
) 後在 520 nm 左
右會產生新的吸收峰，此新吸收峰強度以加入 Hg2+最強時最強，溶液顏色
由淡黃色變粉紅色。此錯合模式經由 1
H NMR 滴定實驗推論，Hg2+被錯合
14 基改為硝基，則此芳杯感應分子對上述九種金屬離子沒有任何紅位移現 象。因為偶氮基對位若為拉電子基 (硝基) 時，苯酚偶氮易脫去苯酚之質 子，形成完整的共振系統 (B，式圖三)，無法產生苯腙醌 (A，式圖三)， 因 此無法錯合金屬離子。 圖十、偶氮芳杯感應分子與 Hg2+錯合物圖式及其吸收光譜滴定變化圖。8c N N X R1 R2 R3 NHN X R1 R2 R3 2 metal cations X = heteroatom
R1, R2: electron donoting group
圖十一、具鄰位取代基之偶氮化合物與金屬離子形成錯合物。9
鄰位具有多電子基取代的偶氮化合物有利於錯合金屬陽離子。例如：
2004 年 RiTek 公司專利，9 為鄰位帶有甲氧基之苯環與吡啶 (pyridine)組成
15 子，形成兩個偶氮化合物抓一個金屬離子之錯合物 (圖十一)；未鉗合金屬 前偶氮化合物溶液顏色為黃色，鉗合後吸收波長變長，轉變為紅色溶液。 2007 年韓國學者 Kim 等人曾在芳杯上緣接上四個偶氮，形成四個偶氮 鄰位帶有酯基取代的苯酚偶氮芳杯 1，可以同時當作金屬離子的結合基及變 色基團。在乙腈溶劑中探討化合物 1 對 15 種金屬離子的辨識能力，結果發 現，化合物 1 對 Pb2+、Cr3+、Fe3+、Co3+及 Ni2+等數種金屬離子有辨識能力， 溶液從黃色變成橘色(圖十二)。8g 圖十二、化合物 1 與金屬離子可能的錯合模式及化合物 1 (2 x 10-3 M)在乙腈 中對 15 種金屬離子 (100 equiv)變色的結果。8g
16
2.2 雙位接受器(ditopic receptor)的簡介
當一個感應分子具有兩個以上辨識基，可錯合兩個被辨識物即稱為「雙
位接受器」。若此兩種被辨識物為相同物種時，則此感應分子可稱為「同種
雙位接受器」 (homodipotic receptor)；反之，則此感應分子可稱為「異種雙 位接受器」 (heterodipotic receptor) 或離子對接受器 (ion-pair receptor)。此 類感應分子與被辨識物的錯合機制特性若為 positive allosterism，表示一旦 第一個被辨識物與感應分子錯合後，將有助於協助第二個被辨識物的錯 合。反之，若第一個被辨識物與感應分子錯合後，反而阻止第二個被辨識
物與感應分子的錯合，則為 negative allosterism。10a,b
在配位化學領域中， 許多科學家對於設計具有雙重錯合基的化學感應分子相當感興趣。10 2.3 研究動機 本計畫擬於芳杯上緣接上具鄰位甲氧基 (o-methoxy) 取代之雙苯環偶 氮基團，下緣載有對位三唑基之一系列衍生物(圖十三)，討論此結構成為金 屬離子雙位接受器 (ditopic receptor) 的可能性，及此二種官能基在金屬離 子辨識中扮演的角色。
17 O OHOH O NN N N N N N NN N OCH3 H3CO 4 O OHOH O NN N N N N NN OCH3 5 O O O O NN N N NN N NN N OCH3 H3CO 6 O OHOH O N NN N OCH3 H3CO 8 O OHOH O NN N N NN N NN N 117a OCH3 OCH3 N N OCH3 OH 10 binding site 1 binding site 2 圖十三、目標化合物 4 及其衍生物結構示意圖。 2.4 偶氮芳杯 4−6、8 及 10 的合成 自製化學感應分子 (化合物 4−6、8 及 10) 其合成路徑如式圖四所示。 o-Anisidine 於冰浴鹽酸中經亞硝酸鈉氧化產生重氮中間體，再與化合物 2， 11a室溫下攪拌 3 天，進行偶合反應取得雙偶氮取代及單偶氮取代之芳杯 3a 及 3b，產率分別為 36% 及 42%。化合物 3a 與 3b 的結構可根據氫核磁共 振儀光譜 (1 H NMR) 區分。在氫核磁共振儀光譜中，二者的架橋亞甲基有 明顯差異。化合物 3a 之亞甲基顯示兩組雙峰分裂，分別位於 4.4 及 3.6 ppm (附圖四)；然而化合物 3b 之亞甲基顯示四組雙峰分裂，位置落於 4.5−3.3 ppm 範圍內 (附圖六)。
18 O OHOH O O OHOH O N N N N H3CO 4 71% O OHOH O N N 3a 36% 3b 42% 5 73% 2 i ii ii 6 14% iii O OHOH O 8 39% 7 78% OH 10 83% 9 i v + OH OHOHHO iv OCH3 OCH3
式圖四、化合物 3-10 合成流程圖：(i) o-anisidine/acetone, NaNO2/concd HCl,
pyridine, 0 oC, 3 days; (ii) 1-(azidomethyl)benzene, CuI, THF/H2O, 50
o
C, 18 h;
(iii) 1-iodopropane, NaH/DMF, 80 oC, 18 h; (iv) 1-iodopropane, K2CO3/CH3CN,
reflux 1 day; (v) o-anisidine/acetone, NaNO2/concd HCl, pyridine, 0
o C, 12 h. 完成建立芳杯上緣雙偶氮及單偶氮取代基後，化合物 3a 及 3b 之芳杯 下緣丙炔醚基分別與 1-(azidomethyl)benzene，利用 click 反應條件進行 1,3-偶極環化加成反應，6 純化後可取得最終之化學感應分子 4 與 5，產率分別 為 71%及 73%。化合物 6 則是化合物 4 以過量氫化鈉 (sodium hydride) 為 鹼取走苯酚的質子後，再與 1−碘丙烷進行 SN2 取代反應得之，產率僅 14%，
19 而 86%為回收之化合物 4。相對於上述低產率的烷基取代反應，化合物 8 則是由完全未取代之芳杯以碳酸鉀為鹼，拔掉芳杯中苯酚之質子後，再與 1−碘丙烷進行 SN2 取代反應得化合物 7，產率 78%； 11b 之後，再依前述之 偶氮反應方法，與 o-anisidine 進行芳杯上緣偶氮化反應，得芳杯上緣對位 雙偶氮取代之化合物 8，產率 39%。控制化合物 10，則是取 2,6-dimethylphenol 依前述之偶氮反應方法，與 o-anisidine 進行偶氮反應而得，產率 83%。上 述化學感應分子 4−6、8 及 10 之結構皆可由氫核磁共振光譜 (1 H NMR)、碳 核磁共振光譜 (13 C NMR) 及高解析質譜區分並確認之。 其中化合物 4−6 及 8 芳杯的架橋亞甲基氫的化學位移在氫核磁共振光譜 中落在 4.4−4.1 ppm 及 3.6−3.0 ppm 之間，其碳的化學位移在碳核磁共振光 譜中多落在 32 ppm 左右，說明這些芳杯結構為 cone 構形。3b 2.5 具鄰位甲氧苯偶氮基取代之芳杯 4−6、8 及控制化合物 10 對金屬陽離子 之篩選實驗 金屬陽離子篩選實驗，是將自製化合物 4−6、8 及 10 與文獻報導之偶氮 化合物 117a依其吸光係數不同配成 10−20 µM，分別與 15 種各為 10 當量的
金屬過氯酸鹽 (Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Ag+、Cu2+、Ni2+、Cd2+、
Hg2+、Zn2+、Mn2+、Pb2+及 Cr3+) 在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶劑中進行
20 300 400 500 600 0.0 0.2 0.4 0.6 A bs or babc e Wavelength (nm) 451 nm 4 with Hg2+ 373 nm
4 and 4 with other metal ions (a) 300 400 500 600 0.0 0.2 0.4 0.6 A bs or banc e Wavelength (nm) 371 nm
8 and 8 with other metal ions (d) 300 400 500 600 0.0 0.2 0.4 0.6 A bs or banc e Wavelength (nm) 5 with Hg2+ 372 nm
5 and 5 with other metal ions
374 nm (b) 300 400 500 600 0.0 0.2 0.4 0.6 A bs or banc e Wavelength (nm) 369 nm
10 and 10 with other metal ions (e) 300 400 500 600 0.0 0.2 0.4 0.6 A bs or banc e Wavelength (nm) 364 nm 6 Cu2+ Ag+
Hg2+ 6 with other metal ions
(c) 300 400 500 600 700 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 A bs or banc e Wavelength (nm) 363 nm
11 and 11 with other metal ions
11 with Hg2+ (f)
圖十四、在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶劑中，化合物 (a) 4 (10 µM)；(b) 5
(15 µM)；(c) 6 (10 µM)；(d) 8 (10 µM)；(e) 10 (20 µM) 及(f) 11 (10 µM)與
15 種各為 10 當量之金屬過氯酸鹽(Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Ag+、
Cu2+、Ni2+、Cd2+、Hg2+、Zn2+、Mn2+、Pb2+及 Cr3+
) 混合之 UV-vis 吸收光 譜變化。
21 對位三唑基)、5 (芳杯上緣具單偶氮、下緣具對位三唑基) 之吸收光譜變化。 其中，Hg2+造成化合物 4 之最大吸收波長 373 nm 強度減弱，另在 451 nm 產生一吸收峰 (圖十四 a)，溶液的顏色瞬間由淡黃色變橘紅色 (圖十五)； 然而，化合物 5 之最大吸收波長由 372 nm 紅位移至 374 nm，沒有新的吸收 波峰產生(圖十四 b)，溶液的顏色維持淡黃色。此結果說明，偶氮數目影響 感應分子對 Hg2+的變色效果。 圖十五、化合物 4 與 15 種金屬過氯酸鹽在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶劑 中的顏色變化。 化合物 8 （芳杯上緣具雙偶氮、下緣具對位丙醚基）與控制化合物 10 (偶氮苯酚)，加入 15 種金屬離子並沒有造成其吸收光譜變化 (圖十四 d 與 e)。此結果說明，三唑基較偶氮苯酚對金屬陽離子的結合能力強。 化合物 6 (化合物 4 中苯酚之羥基置換為丙醚基)，在 15 種金屬離子分 別作用下，其吸收強度明顯下降 (hypochromic effect)，但吸收峰之波型並 沒有顯著差異，其中僅 Cu2+、Hg2+及 Ag+分別造成 14−17 nm 之藍位移
(hypsochromic shift) (圖十四 c)。相較於化合物 4 (圖十四 a)，這結果說明， 雖然芳杯中之偶氮苯酚對於金屬離子之結合能力不如三唑基，但偶氮苯酚
22 之羥基在化合物 4 結構中，對於錯合 Hg2+ 所產生的顏色訊號扮演重要角色。 已知物 11 (圖十三) 為化合物 4 之同分異構物，在乙腈中對 Ca2+與 Pb2+ 兩種金屬離子有辨識性 (圖九)，7a 但在 MeOH/CHCl 3 (v/v, 98:2) 混溶劑中， 雖然對 Hg2+也有專一性的辨識效果 (圖十四 f)，但其吸收光譜變化與化合 物 5 (圖十四 b) 相似，僅是吸收峰略有紅位移變化，不如化合物 4 對 Hg2+ 有 顯著新的吸收峰生成 (圖十四 a)。這可能是偶氮的甲氧基位置不同，當 Hg2+ 靠近羥基時造成偶氮的互變異構共振效果不同導致；另一方面也證明，溶 劑效應對化學感應分子之金屬選擇性有其影響力。 2.6 化合物 4 對 Hg2+錯合比例探討 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.000 0.004 0.008 0.012 0.016 A bs . of C om pl ex ( 451 nm ) x = [4]/([4] + [Hg2+]) 圖十六、化合物 4 與 Hg2+
在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶劑中之 Job plot
圖，總濃度 10 µM，λmax = 451 nm。
在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶劑中進行化合物 4 與 Hg
23 實驗，12 探討其錯合比例。結果顯示，y 軸最大值落於 x 軸 0.5 時 (圖十六)， 表示化合物 4 對 Hg2+為 1:1 錯合。此外，錯合物 4·Hg2+之電灑質譜中出現 [4 - H + Hg]+ 之訊號 (m/z) 為 1235.4 (附圖一)，亦證明化合物 4 與 Hg2+為 1:1 錯合。 2.7 化合物 4 與 Hg2+之結合常數探討 300 400 500 600 700 0.0 0.2 0.4 0.6 [Hg2+ ]/[4] 0 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 1 2 3 5 10 20 40 60 80 A bs or banc e Wavelength (nm) [Hg2+]/[4] = 0 372 nm 451 nm 420 nm 311 nm (a) 0 10 20 30 40 50 60 0.6 0.8 1.0 A/ Ao 372 nm [Hg2+]/[4] R2 = 0.98 P1 = -0.25(+ 0.02) P2 = 10.22(+ 3.06) Ka = 1.07(+ 0.32) x 104 M-1 (b) 圖十七、(a)在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶劑中，10 µM 的化合物 4 與不
同當量數之 Hg(ClO4)2滴定的吸收光譜變化圖；(b) 由 nonlinear least-square
curve-fitting method 求得之結合常數。 化合物 4 與 Hg2+之結合常數可由不同當量之 Hg(ClO 4)2對化合物 4 的吸 收光譜滴定實驗測量得之 (圖十七)。在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2)混溶劑中， 隨著 Hg2+當量數增加，化合物 4 原本兩個主要的吸收峰：苯環吸收峰 (254 nm) 強度逐漸增強、偶氮吸收峰 (373 nm) 強度逐漸減弱、而新產生之吸收 峰 451 nm 強度則逐漸增加，產生兩個等吸收點 (isosbestic point) 分別位於
24
311 nm 及 420 nm，印證化合物 4 與 Hg2+為 1:1 的錯合模式，且訊號為可比
例化 (ratiometric)。將上述滴定的吸收光譜數據依利用 nonlinear least-square
curve-fitting method (式一)22，以滴定過程中測得之 UV-vis 吸收度與最初化
合物 4 的吸收度相對比值 (I/Io) 為 y 軸，滴加的 Hg
2+濃度與化合物 4 濃度
的相對比值 (CG/CH) 為 x 軸，(Ilim/2Io) 為參數 P1，1/(CHKass)為參數 P2，藉
由 Origin 軟體將上式作圖得 P1 與 P2 參數值，經由 P2 值即可求得化合物 4
與 Hg(ClO4)2在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶劑中之結合常數為 1.07 (±0.32)
× 104
M-1，(圖十七 b)。
I/Io = 1 + [(Ilim/2Io) − 1/2]×{1 + CG/CH + 1/(CHKass) – [(1 + CG/CH + 1/CHKass) 2 – 4CG/CH] 1/2 }…. (式一)22 2.8 化合物 4 與 Hg2+之氫核磁共振光譜滴定實驗 為了更進一步了解錯合物 4⋅Hg2+之結構，在 methanol-d 4/CDCl3 (v/v = 1/1) 混溶劑中，化合物 4 (2.5 mM) 與不同當量的 Hg(ClO4)2進行氫核磁共振光 譜滴定實驗 (圖十八)。但由於當 Hg2+ 濃度為 1.5 mM (0.6 equiv) 開始會與 化合物 4 產生沉澱物，導致光譜訊號減弱 (圖十八 b−d)。
25 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 ppm 圖十八、化合物 4 (2.5 mM) 在 methanol-d4/CDCl3 (v/v = 1/1) 混溶劑中滴加
不同當量 Hg(ClO4)2之區域放大氫核磁共振光譜圖：Hg(ClO4)2 (a) 0 mM (0
equiv); (b) 1.5 mM (0.6 equiv); (c) 2 mM (0.8 equiv); (d) 2.5 mM (1 equiv)；其
中，＊ 表示氘溶劑中之 MeOH 和 CHCl3；♦ 表示外插標準溶劑 CHCl3；▽ 表示儀器產生之雜訊。 O OHOH O N N N N H3CO N N N N N N 4 OCH3 a b c d e f g h i j k l m O HO O- O N N N N H3CO N N N N N N Hg2+ OCH3 Hg2+ 4
.
Hg2+ 圖十九、化合物 4 與 Hg2+之錯合模式。 h ＊ H2O ＊ j1 j2 k m h d b i ph ph c ph e f l ＊ a m k l f e c ph c ph ph ph p d i b j2 a ＊ j1 ♦ ♦ H2O ▽ ▽ ▽ (a) (b) (c) (d)26 隨著 Hg2+的濃度增加，化合物 4 下緣三唑基中的氫 H l化學位移變化最 大，由未加 Hg2+時的化學位移 8.22 ppm (圖十八 a)，到加入 2.5 mM (1 equiv) 的 Hg2+ 時，Hl的化學位移為 8.38 ppm，往低磁區共移動了 0.16 ppm (圖十 八 d)，這證明 Hg2+與三唑基較化合物 4 中的其它基團有最強的結合關係。 隨著 Hg2+的加入，化合物 4 中化學位移變化第二大的是芳杯的兩組架 橋亞甲基之氫 (Hj1與 Hj2)。未加 Hg 2+時，這兩組架橋亞甲基之氫彼此間的 化學位移相距 (∆δ) 0.85 ppm (圖十八 a)；當加入 2.5 mM (1 equiv)的 Hg2+ 時，兩組架橋亞甲基之氫彼此間的化學位移相距 0.68 ppm (圖十八 d)。隨著 Hg2+的加入，兩組架橋氫逐漸靠近，此特徵顯示化合物 4 併入 Hg2+後形成 flattened cone 構形。3g 化合物 4 上緣偶氮之氫 (Ha−f) 之化學位移隨著 Hg2+ 濃度增加有些微變 化。這表示化合物 4 中兩個對位偶氮苯酚之羥基有參與 Hg2+之鉗合，但作 用力弱。 化合物 4 中所有的氫訊號分裂並沒有隨著 Hg2+的加入而有所改變，此 光譜特徵表示錯合物 4⋅Hg2+ 之結構如化合物 4 具對稱性。 綜合上述化合物 4 與 Hg2+之氫共振光譜滴定實驗結果得知，錯合物 4⋅Hg2+中的 Hg2+主要是由化合物 4 下緣三唑基中具孤對電子之氮原子鉗合 之，苯酚偶氮中之羥基也參與 Hg2+之鉗合，因此造成偶氮之變色機制。整 體而言，錯合物 4⋅Hg2+ 是一個具有對稱之 flattened cone 構形 (圖十九)。
27 2.9 理論計算模擬化合物 4 與 11 之最佳構形 為了瞭解同分異構物 4 與 117a 結構上的差異，我們嘗試利用分子模擬 軟體 DMol314 推算其在甲醇中之最適構形。在 DMol3 的數位基板中，我們 選擇 polarization functions (DNP) 為計算函數，可達小數兩位的準確度，其 正確性與 Gaussian 6-31G**相當。15a 在此計算含模組中，10-3 Bohr radius 相當於 0.529177 Å；10-3
Hartree/Bohr radius 相當具有 10-5 Hartree 之能量。
15b
圖二十、DMol3 理論計算在 MeOH 溶劑中，化合物(a) 4；(b) 11 之最適構形。
化合物 4 和 11 由 DMol3 理論計算其在甲醇溶劑中之最適構形如圖二十 所示。計算結果顯示，二者在甲醇溶劑中的最低能量構形的確是 cone 構形。 其中，兩個下緣載有三唑基之芳杯苯環幾乎互相平行；而另外的兩個對位 之偶氮苯酚則有向外傾斜之趨勢。
28 杯對位苯環 C2 與 C4 距離，化合物 4 為 5.480 Å，化合物 11 為 5.068 Å；(2) 結構中兩個互為對面苯酚偶氮之芳杯苯環 C1 與 C3 距離，化合物 4 為 10.179 Å，化合物 11 為 10.215 Å；(3) 比較特別的是芳杯下緣互為對位之三唑基團 中氮原子 N3 距離，化合物 4 為 7.013 Å，化合物 11 為 9.211 Å。上述比較 結果顯示，當偶氮之取代基甲氧基位於鄰位時 (化合物 4)，其與鄰旁苯環 C2 及 C4 間立體障礙較大，為減少這股空間排斥力，C2 及 C4 會較化合物 11 更向外傾斜，導致化合物 4 之下緣兩個三唑基較化合物 11 靠近，更適合 穩固 Hg2+的鉗合 (附註：Hg2+半徑 1.02Å16 )。 2.10 結論 本計畫合成一系列具鄰位甲氧基取代之偶氮芳杯衍生物 (4−6、8 及 10)，探究結構中偶氮基、三唑基及羥基在金屬離子辨識中扮演的角色；並 與對位甲氧基取代之偶氮芳杯 117a 在極性質子溶劑下進行金屬陽離子鉗合 比較，探討偶氮之取代基 (甲氧基) 方位對金屬離子辨識的影響。結果證 實：(1)三唑基對金屬離子鉗合能力遠大於偶氮苯酚，因此化合物 4 無法如 預期作金屬離子雙位接受器；(2)雙偶氮對 Hg2+的訊號表現強於單偶氮 (比 較化合物 4 及 5)；(3)芳杯上緣偶氮甲氧基取代之位置會影響芳杯下緣對位 三唑基的距離，具鄰位甲氧基偶氮之芳杯 4，其下緣對位三唑基距離較小， 此孔洞大小有助於對 Hg2+的鉗合，產生比例化的訊號 (比較化合物 4、11)。
29
第三章、下緣具對位或鄰位之「三唑−芘」之芳杯對 Ag
+偵測探討
偵測研究
3.1 螢光訊號機制的介紹 以螢光基為辨識離子訊號的化學感應分子，結構中不論辨識基與螢光 基是否共軛串連，皆稱為親離子螢光團 (fluoroionophore)。離子辨識基對離 子的選擇性及錯合物穩定性，可能受辨識基的種類形狀、離子本身特質、 或溶劑的性質與 pH 值影響。一旦錯合物形成，結構中的螢光基可能發生 photoinduced electron transfer (PET)、inversed PET、photoinduced chargetransfer (PCT)、energy transfer、excimer 的形成或消失等機制，17 造成其光
物理特性，如螢光放射光譜、螢光生命期、螢光量子產率等的改變，達到 偵測的目的。常見的螢光團 (fluorophore)，如芘(pyrene)、蔥(anthracene)及 萘(naphthalene)。
3.1.1 PET (photoinduced electron transfer) 機制17
若螢光基鄰近的離子辨識基不具富電子性或拉電子性等性質，螢光基 在 HOMO (highest occupied molecular orbital) 的成對電子受光激發後，一個 電子躍遷至 LUMO (lowest unoccupied molecular orbital)，回復 HOMO 軌域 時放出螢光(圖二十一 a)。然而，當離子辨識基接上金屬離子後成為電子受 體 (electron acceptor)，螢光基反成為電子予體 (electron donor)，受光激發
30
後，螢光基的激態電子沒有回 HOMO 軌域，反而跑至錯合基 (離子辨識基 與金屬離子錯合) 的電子軌域，造成螢光淬息，此現象則稱為 inversed photoinduced electron transfer (inversed PET) (圖二十一 b)。
圖二十一、光誘導電子轉移之螢光變化機制。17
另一種情況，若螢光基鄰近的離子辨識基為電子予體，螢光基為電子 受體，當受光激發後，離子辨識基電子可躍遷至螢光基團的 HOMO 軌域， 阻礙螢光基激發態的 LUMO 電子回至 HOMO 軌域，因而造成螢光淬息， 此現象稱為 photoinduced electron transfer (PET) (圖二十一 c)。但是，當離 子辨識基接上金屬離子後，沒有多餘電子躍遷至螢光基的 HOMO 軌域時， 螢光基在 LUMO 激發態電子又可順利回至 HOMO 軌域產生螢光，此現象 則稱為 chelating enhanced fluorescence (CHEF) (圖二十一 d)。
31
3.1.2 PCT (photoinduced charge transfer) 機制17
(a) blue shift
(b) red shift
圖二十二、光誘導電荷轉移機制：(a) 藍位移 (b) 紅位移變化示意圖。17
若金屬離子感應分子具有共軛連結的離子辨識基與螢光基，接上金屬 離子後將造成分子內的電荷轉移，導致分子偶極矩改變，致使感應分子的 光學物理性質產生變化，此現象稱為 photoinduced charge transfer (PCT)。
當辨識基相對於螢光基為電子豐穎者時，一旦辨識基接上金屬離子， 將減弱離子辨識基的提供電子能力，造成放射光譜與吸收光譜中最大波長
32 藍位移現象 (圖二十二 a)。反之，當離子辨識基相對於螢光基為電子接受者 時，一旦離子辨識基接上金屬離子，將增強離子辨識基的拉電性，造成放 射光譜與吸收光譜中最大波長紅位移現象 (圖二十二 b)。 3.1.3 激發雙體/單體 (Excimer/Monomer) 之金屬離子感應分子17 螢光金屬離子感應分子中的螢光基 (例如：芘) 可能具有兩種放射波 長，當螢光基團彼此的距離夠近時 (可能控制因子如：感應分子之濃度或被 辨識物與感應分子產生錯合，拉近溶液中之螢光分子或感應分子結構中之 雙螢光基)，會產生激發雙體放射 (excimer)；反之，則產生單體 (monomer) 放射。利用此特性，遇到可辨識的金屬離子時，可能造成感應分子螢光基 間的距離增加或減少，因而螢光基之放光種類發生改變，可利用激發雙體/ 單體之比例變化判斷之。 3.1.4 混合型螢光金屬感應器 (Miscellaneous)17 有些螢光感應分子辨識金屬離子的過程，可能造成螢光消失或增強、 光物理現象 (如：quantum yield、及 lifetime 等) 發生改變。而此些現象可 能混有上述多種機制在內，因而稱之混合型螢光金屬離子感應分子。
3.2 三唑基與芘基在芳杯螢光感應分子的應用
33
生改變且容易觀察量化，因此常被利用做為螢光感應分子的光學訊號基團。
2008 年兩個研究團隊，中國 Yang18a 與韓國 Vicens，18b不約而同地在
乙腈溶液中研究下緣載有對位「三唑−亞甲基−芘」(triazole−CH2−pyrene) 芳 杯對金屬離子的辨識 (化合物 12，圖二十三)。結果顯示，Pb2+、Hg2+、Cu2+ 對感應分子 12 造成螢光淬息；然而，Zn2+ 與 Cd2+ 則造成芘基激發雙體放 射光減弱，但單體放射光增強。 O OHOHO N N N N N N 12 圖二十三、化合物 12 (6 µM)在乙腈中對 100 當量金屬離子辨識造成的螢光 光譜變化。18b 2010 及 2011 年，Yamato 研究團隊分別在 homooxacalix[3]arene18c 及 thiacalix[4]arene18d 下緣接上「三唑−亞甲基−芘」，探討此些結構之感應分子 對金屬離子辨識能力。結果顯示，當 homooxacalix[3]arene 下緣接上三個帶 有「酯基−三唑−亞甲基−芘」時 (化合物 13，圖二十四)，在 CH3CN/H2O/DMSO (v/v, 1000:50:1) 極性混溶劑中，Cu2+ 與 Hg2+ 對其造成螢光淬息；但是，
34 Pb2+ 則使其激發雙體放射光減弱、單體放射光增強，可由螢光顏色變化觀 察之，可謂 Pb2+ 之感應分子(圖二十四)。18c 圖二十四、化合物 13 (1 µM)在 CH3CN/H2O/DMSO (v/v, 1000:50:1)中，對 30 當量金屬離子辨識造成的螢光光譜變化。18c 而當 thiacalix[4]arene 下緣接上對位「三唑−亞甲基−芘」(化合物 14， 圖二十五)，在 CH3CN/CH2Cl2 (v/v, 1000:1) 極性混溶劑中，對 20 當量金屬 離子進行辨識能力探討。結果發現，Cu2+ 與 Hg2+ 對化合物 14 造成螢光淬 息；但是 Ag+ 則造成化合物 14 之激發雙體放射光減弱、單體放射光增強(圖 二十五)。18d
35 圖二十五、化合物 14 (5 µM)在 CH3CN/CH2Cl2 (v/v, 1000:1)中，對 20 當量金 屬離子辨識造成的螢光光譜變化。18d 3.3 研究動機 在上述文獻搜尋中可發現：(1) 當芳杯下緣以三唑基為辨識基而芘為訊 號基時，通常以一亞甲基 (methylene group) 連接此二官能基，形成非共軛 之「三唑−亞甲基−芘」基。當其與被感應金屬離子鉗合時，感應器螢光僅 增強 0.5−9 倍。(2) 這些感應分子多在非質子性或少量質子性之極性混溶劑 中探討金屬離子選擇性。18
本計畫將開發具共軛「三唑−芘」基 (conjugated triazolylpyrene group)， 使 其 同 時 兼 具 辨 識 與 訊 號 功 能 ； 並 以 上 緣 帶 有 三 級 丁 基 的 芳 杯 (tetra-t-butylcalix[4]arene)為平台，在其下緣分別於鄰位(proximal)及對位 (distal)接上此共軛「三唑−芘」基，形成兩種同分異構物。目的有二： (1) 探 討此新共軛「三唑−芘」基對金屬陽離子的辨識及訊號強度效果；(2) 探討
36
「三唑−芘」基在芳杯下緣之鄰位或對位等方位時 (proximal and distal orientations) 對於金屬陽離子辨識及訊號的影響。 3.4 芳杯下緣之對位與鄰位含有共軛「三唑−芘」基及其控制化合物之合成 O O N N N O OHOH O O OHOH O NN N N N N OH OHOHHO O OHO HO O OHO HO NN N N N N 17 18 20 22 19 21 NH2 N3 16 Propargyl bromide NaH DMF, 70 o C., 2 h 56% 16, CuI (cat.) THF/H2O (v/v, 2/1) 50 oC 1 d 72% 16, CuI (cat.) THF/H2O (v/v, 2/1) 50 oC 1 d 74% 16, CuI (cat.) THF/H2O (v/v, 2/1) 50 oC 1 d 79% NaNO2/conc HCl NaN3/H2O rt., 1 d 73% 15 式圖五、化合物 18、20 與控制化合物 22 之合成流程。 化合物 18、20 與控制化合物 22 之合成流程如式圖五所示。其中，共 軛「三唑−芘」基是由 1-aminopyrene 15 中的胺基先與氧化劑 NaNO2在鹽酸 中進行重氮反應，之後再與 NaN3在室溫下攪拌 1 天，進行取代反應得疊氮 芘 16，19c 產率約 73%。此疊氮芘再與炔基，利用 click 反應條件 6進行 1,3−
37 偶極環化加成反應即可得共軛「三唑−芘」基。依此策略，芳杯下緣鄰位取 代之三唑−芘 18，其合成路徑主要由芳杯下緣鄰位羥基與氫化鈉及溴化炔， 在 70 o C 下反應 2 小時，進行親核取代反應得下緣鄰位丙炔醚基取代之芳杯 17，產率約 56%；之後再與疊氮芘 16 在碘化銅催化下，於 50 oC 攪拌 1 天， 進行 1,3−偶極環化加成反應，得芳杯 18，產率約 72%。同理，芳杯下緣對 位取代之三唑−芘 20 與控制化合物 22 是由文獻已報導之化合物 1919a 與 2119b 分別與疊氮芘 1619c進行 click 反應得之，產率分別為 72%與 79%。 最終產物，化合物 18、20 及 22 經由 NMR 及高解析質譜光譜可確定其 結構與預期相同。其中，立體異構物 18 與 20 之結構可藉由氫或碳核磁共 振光譜區分之。在氫核磁共振光譜中，化合物 18 屬 Cs對稱性，其芳杯架橋 之亞甲基氫在化學位移 3−5 ppm 中有 6 組雙峰 (doublet) 訊號 (附圖二 十)；相對的，化合物 20 屬 C2v對稱性，其芳杯架橋之亞甲基氫在化學位移 3−5 ppm 中僅有 2 組雙峰訊號 (附圖二十二)。在碳核磁共振光譜中，鄰位 「三唑−芘」基取代 18 之芳杯架橋亞甲基有三個二級碳訊號，分別位於 30.1、31.9 及 32.2 ppm (附圖二十一)；但較具對稱性的對位「三唑−芘」基 取代 20 之芳杯架橋亞甲基只有一個二級碳訊號，在 32.4 ppm (附圖二十 三)。不論是化合物 18 或 20，其芳杯架橋之亞甲基碳的化學位移皆落在 31 ppm 左右，表示這組立體異構物皆具有 cone 構形。3b 比較特殊的是，在氫核磁共振光譜中，化合物 18 下緣醚亞甲基
38 (O-methylene) 之兩個氫在 5−6 ppm 具兩組雙峰 (附圖二十)，但在碳核磁共 振光譜中僅在 69.1 ppm 出現一個二級碳訊號 (附圖二十一)。此光譜特性表 示，化合物 18 下緣醚亞甲基之兩個氫雖屬同一個碳，但兩個氫互為非鏡像 異構化 (diastereotopic protons)。 3.5 具共軛「三唑−芘」化合物 18、20 及 22 之吸收與放射光譜探討 將具共軛三唑−芘化合物 18、20 及 22 之濃度固定為 10 µM，測量其在 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 極性質子混溶液中之 UV-vis 吸收光譜及放射光譜 (圖二十六)。 300 400 500 600 0.0 0.2 0.4 0.6 A bs or banc e Wavelength (nm) 18 22 (a) 20 400 500 600 700 0 1 2 3 4 F luor es cenc e I nt ens ity ( au) Wavelength (nm) 18 472 nm Excimer Monomer 20 476 nm 22 378, 398 nm (b) 圖二十六、在室溫之 MeOH/CHCl3 (v/v, 98:2) 混溶劑中，10 µM 化合物 18、 20 及 22 之(a) 吸收光譜；(b) 放射光譜 (λex = 342 nm)。 在 UV-vis 吸收光譜中(圖二十六 a)，化合物 18、20 及 22 皆具有 3 個主 要吸收峰，分別為：242−243 nm，屬苯環吸收峰；276 nm 與 341−343 nm 屬芘環之吸收峰。20
