微粒體甲烷單氧化酵素之結構與功能性之模型三核銅金屬簇化物之研究(IV)

國立臺灣師範大學化學系

碩士論文

Structrual and Functional Models for the Trinuclear

Copper Clusters of the Particulate Methane

Monooxygenase (IV)

微粒體甲烷單氧化酵素之結構與功能性之模型三核銅

金屬簇化物之研究(IV)

研 究 生：游小嬋

指導教授：陳炳宇 博士

李位仁 博士

中華民國一○一年六

致謝

回顧自己在碩士班這兩年的日子裡，實驗室就像自己第二個家， 還記得剛踏入實驗室時緊張陌生的心情，猶如昨日，而今卻已寫到致 謝這一頁，代表了碩士的日子也接近尾聲，一直以來我都認為完成本 篇論文是個不可能的任務，但最後還是如期完成，這都要歸功於我有 一群好夥伴，陪著我走到最後，在此致上最真誠的感謝。 首先我要感謝我的指導教授陳炳宇博士，這兩年來細心耐心的 教導，使我在化學方面的知識與實驗上的技巧有相當大的成長。還記 得碩一下學期，好幾次趕數據的晚上，老師總會出現幫忙我一起完成 實驗，檢視分析數據，而當實驗遇到瓶頸時，老師不斷地給予建議與 鼓勵，並幫忙我尋找相關的期刊，提供一個方向與方法，以突破在實 驗上所遇見的困難，讓我在學術上與生活上都留下許多深刻且精彩美 好的體驗。 此外，感謝李位仁博士與俞聖法博士能在百忙之中能撥空參加 我的口試，並仔細審閱我的論文，指正論文上一些疏漏之處，給予我 實驗題目上不同角度的思考及想法，使我把論文寫的更完善。 感謝師大貴儀中心林懿雯助教、何秋慧助教及郭頂審助教，在 ESI-MS、NMR、X-ray 儀器操作及技術上的指導。感謝實驗室內共同 奮鬥的好夥伴，國峻、博仁、卿謹、橋瀚學長、佑芩、俞諼學姐在實

驗上的討論、分享及協助，總能在我迷惘時為我解惑。感謝堯舜、柏 瑋、大維同學的幫忙，恭喜我們順利走過這兩年，而今我們可以一起 畢業。當然也不能忘記感謝實驗室的思辰、仁斌、莛翃學弟們，你們 的幫忙我銘感在心，也祝福你們往後的實驗順利。最後，感謝我的家 人與男友柏廷無條件的支持及鼓勵，使我能無後顧之憂，專心來完成 碩士學歷。 僅以本論文獻給我最摯愛的家人，以及這一路上幫助我關心我 的師長及朋友，由衷的感謝你們，我願把這份喜悅和你們分享，謝謝！ 民國一○一年七月 游小嬋 於臺灣師範大學化學系

I

中文摘要

在先前的研究中，我們已經發展出配位基 7-Dipy 能與三當量的 [CuI(CH3CN)4](BF4) 配 位 形 成 三 核 銅 金 屬 簇 離 子 化 合 物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1)。且室溫、常壓下，此三核銅簇化物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 加入雙氧水可以有效催化氧化環己烷 (C6H12) 的碳氫鍵 (C－H 鍵能為 99.3 kcal/mol) 生成環己醇 (C6H12O) 和環己酮 (C6H10O)。而三核銅簇化物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 通 入氧氣或兩當量的雙氧水可得穩定的三核銅金屬含氧簇離子化合物 [CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4)2 (2)。

在我的研究中，藉由另外的實驗方法得到的 400 MHz 1

H-NMR

和 ESI-MS 光譜，再次證實 7-Dipy 加入三當量的[CuI

(CH3CN)4](BF4) 確實會生成三核銅簇化物[CuI CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1)。此外，在相同 的催化條件下，我們發現單銅金屬離子化合物[CuI (CH3CN)4](BF4) (3)、 [CuI(bispicolylamine)](BF4) (4) 相 較 三 核 銅 金 屬 簇 離 子 化 合 物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 對於環己烷的催化反應活性並不高。而 對 催 化 反 應 的 時 間 追 蹤 做 研 究 ， 發 現 三 核 銅 簇 化 物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 在反應 45 分鐘時 H2O2會被耗盡。 為了更進一步了解三核銅簇化物在進行催化反應時，是屬於自由 基反應還是經由單氧直接嵌入的一步反應機構，因此我們設計一系列

II 的實驗，利用對自由基相當靈敏的 DMPO 去檢測三核銅簇化物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 在加入雙氧水進行催化反應時，是否有 自由基反應的參與。 EPR 光譜圖顯示，可以排除三核銅簇化物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 加入雙氧水進行催化反應時是屬於自由 基反應機構。 關鍵字：微粒體甲烷單氧化酵素、三核銅金屬簇化物、催化

III

Abstract

In previous study, a ligand 7-Dipy has been synthesized, and it can coordinate with tree equivalents of [CuI(CH3CN)4](BF4) to form a

trinuclear copper complex [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1). This trinuclear

copper complex [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) catalyst is able to oxidize

the C － H bonds of cyclohexane (C － H BDE = 99.3 kcal/mol) to cyclohexanol and cyclohexanone with high turnover frequencies in the presence of H2O2 in acetonitrile under ambient conditions. The

oxygenation of [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) either by dioxygen or two

equivalents of H2O2 will obtain a stable

[CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4)2 (2).

In my study, 400 MHz 1H-NMR and ESI-MS spectra demonstrate that the 7-Dipy add tree equivalents of [CuI(CH3CN)4](BF4) will obtain

[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) complex. In the same catalytic conditions,

we found that mononuclear copper complexes [CuI(CH3CN)4](BF4) (3)

and [CuI(bispicolylamine)](BF4) (4) compared to trinuclear copper

complex [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) a significantly lower level of

cyclohexane is oxidized. A time-course study indicates that the H2O2 used

IV

catalyst for substrate oxidation is already exhausted within 45 min.

To further understand the trinuclear copper complex [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) carrying out catalytic reaction are free

radical mechanism or direct oxene insertion mechanism, therefore, we designed a series of experiments using very sensitive to free radicals DMPO, to detect the trinuclear copper complex [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4)

(1) by adding H2O2 for the catalytic reaction whether involvement free

radical mechanism. EPR spectra demonstrate that trinuclear copper complex [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) catalytic reaction can rule out the

involvement of free radical mechanism.

Key Word：Particulate Methane Monooxygenase、Trinuclear Copper Clusters、Catalysis

V

目錄

中文摘要 ... I 英文摘要 ... III 一 前言 ... 1 1.1 研究動機 ... 1 1.2 銅蛋白... 3 1.3 微粒體甲烷單氧化酵素之活性中心 ... 5 1.4 三核銅金屬簇化物 ... 11 二 實驗部分 ... 17 2.1 3,3’-(1,4-diazepane-1,4-diyl)bis(1-chloropropan-2-ol) (7-Cl) 之 合成... 18 2.2 3,3’-(1,4-diazepane-1,4-diyl)bis(1-(bis(pyridin-2-yl)methyl) amino)propan-2-ol) (7-Dipy) 之合成 ... 19 2.3 製備 Cu(I)化合物 ... 20 2.4 合成三核銅金屬簇離子化合物 [CuICuICuI(7-Dipy)]BF4 (1) 以及[CuIICuII(μ-O)CuII(7-Dipy)](BF4) (2) ... 21

VI 化合物結構與編號 ... 23 三 結果與討論 ... 24 3.1 三核銅金屬簇離子化合物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 之 400 MHz 1H-NMR 光譜圖... 24 3.2 三核銅金屬簇離子化合物[CuICuICuI(7-Dipy)](X), X = BF4 或 ClO4 與 CO 之反應 ... 27 3.3 三核銅金屬簇離子化合物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 的氧

化反應與[CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4 )2 (2) 的形成 ... 30

3.4 三核銅金屬簇離子化合物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 與環 己烷的催化反應 ... 34 3.5 單銅金屬離子化合物[CuI(CH3CN)4](BF4) (3)與 [CuI(bispicolylamine)](BF4) (4) 與環己烷的催化反應 ... 38 3.6 三核銅金屬簇離子化合物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 與環 己烷的催化反應之時間追蹤研究 ... 41 3.7 三核銅金屬簇離子化合物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1)與氧 氣反應形成三核銅金屬含氧簇離子化合物

VII

3.8 三核銅金屬簇離子化合物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1)與雙

氧水反應時中間物之 EPR 研究 ... 48 四 結論 ... 52 五 參考文獻 ... 53

VIII

圖目錄

圖 1-1 嗜甲烷菌中微粒體甲烷單氧化酵素 (pMMO) 的 X-ray 晶體 結構，主要由三個子單位所組成：pmoA、pmoB 及 pmoC (左 圖)；陳長謙院士實驗室推測在微粒體甲烷單氧化酵素的 D site 位置應包含一個三銅的結構 (右圖) 。 ... 4 圖 1-2 微 粒 體 甲 烷 單 氧 化 酵 素 (pMMO) 活 化 中 心 ， 含 有 兩 個 C-cluster 三核銅，及三個 E-cluster 三核銅，總共具有 15 個 銅離子，其位置及反應作用圖 ... 6 圖 1-3 三種推測的金屬簇離子化合物(1) bis(µ3-oxo)Cu(II)Cu(II)Cu(III)三核銅金屬簇離子化合物(2) bis(µ-oxo)Cu(III)2雙核銅金屬簇離子化合物(3) 混價的 bis(µ-oxo)Cu(II)Cu(III)雙核銅離子化合物。 ... 6 圖 1-4 陳長謙院士實驗室對 (1) bis(µ3-oxo)Cu(II)Cu(II)Cu(III)三 核銅金屬簇離子化合物直接將氧原子嵌入甲烷分子的 DFT 計算。 ... 7 圖 1-5 陳長謙院士實驗室對 (2) bis(µ-oxo)Cu(III)2 雙核銅金屬簇 離子化合物直接將氧原子嵌入甲烷分子之 DFT 計算。 .... 8

IX 圖 1-6 陳長謙院士實驗室對 (3) 混價的 bis(µ-oxo)Cu(II)Cu(III)雙 核銅金屬簇離子化合物與甲烷進行兩步的自由基反應形成 甲醇之 DFT 計算。 ... 9 圖 1-7 陳長謙院士實驗室對(1) bis(µ3-oxo)Cu(II)Cu(II)Cu(III)三核 銅金屬簇離子化合物(2) bis(µ-oxo)Cu(III)2雙核銅金屬簇離 子化合物(3)混價的 bis(µ-oxo)Cu(II)Cu(III)雙核銅離子化合 物在 300K 下與甲烷反應的 KH/KD值。 ... 10

圖 1-8 Stack 與 Solomon 研究團隊發展出混價(II , II, III)三核銅簇 錯化物。 ... 11 圖 1-9 陳長謙院士實驗室設計出一系列與理論計算相符合的三核

銅簇離子化合物其配位基結構。 ... 12 圖 1-10 (a) 陳長謙院士實驗室研究三核銅簇離子化合物

[CuICuICuI(L)](X) ( L = 7-Me , 7-Et；X = BF4 , ClO4)與氧氣

的反應機制 (b) 陳長謙院士實驗室以 7-Et 當作配位基的

氧化受質後所形成的晶體結構[CuII

CuII(µ-O)CuII(7-Et)](X)2

X 圖 1-11 陳長謙院士實驗室研究三核銅簇離子化合物改變氧原子電 子自旋組態形成“singlet oxene”，並嵌入甲烷分子中的過 渡態示意圖。 ... 15 圖 1-12 陳長謙院士實驗室設計的 7-Me 和 7-Et 與本實驗室設計的 7-Dipy 配位基結構圖。 ... 16 圖 2-1 化合物 7-Cl 之合成圖。 ... 18 圖 2-2 化合物 7-Dipy 之合成圖。 ... 19 圖 3-1 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 的製備。 ... 24 圖 3-2 1 H-NMR 光譜圖 (400 MHz) (a) 7-Dipy 配位基；(b) [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1)在 25℃ CH3CN 溶液下； (c)[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4 ) (1) 1 H-NMR 光譜積分圖。 .... 26 圖 3-3 [CuI CuICuI(7-Dipy)](X) (1)的形成及通入 CO 反應後形成 [CuICuICuI(7-Dipy)(CO)2(X)2] +_{。 ... 27} 圖 3-4 [CuI CuICuI(7-Dipy)](X) (1)通入 CO 之 ESI-MS 光譜圖。 (a) [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4)] 三核銅金屬簇離子化合物； (b) [CuICuICuI(7-Dipy)](ClO4) 三核銅金屬簇離子化合物。 ... 29

XI 圖 3-5 [CuI

CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 的形成及通入 O2 氧化生成

[CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4 )2 (2)。 ... 30

圖 3-6 藉 O2 氧化 [Cu I

CuICuI(7-Dipy)](BF4 ) (1) 之 ESI-MS 全光

譜圖(a)主訊號的放大圖；(b)模擬的質譜圖。此光譜推測是 [CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4 )2 (2)三核銅金屬含氧簇離

子化合物。 ... 31 圖 3-7 [CuI

CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 的形成及通入 H2O2 氧化生成

[CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4 )2 (2)。 ... 32

圖 3-8 藉 H2O2 氧化 [Cu I CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 之 ESI-MS 全光 譜圖 (a)主訊號的放大圖；(b) 模擬的質譜圖。此光譜推測 是 [CuII CuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4 )2 (2) 三核銅金屬含氧 簇離子化合物。 ... 33 圖 3-9 1 當量的[CuI CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 與 500 當量的環己烷 以乙腈當溶劑，加入 50 當量 H2O2在室溫下攪拌之 GC-MS 層析圖(a) 滯留時間 t = 2.66 和 t = 2.73 min 分別是產物 環己醇和環己酮的訊號；(b) 滯留時間 t = 2.66 min 環己醇 的質譜圖；(c) 滯留時間 t = 2.73 min 環己酮的質譜圖。 35 圖 3-10 環己烷氧化生成環己醇及環己酮所需之氧化當量。 ... 36

XII 圖 3-11 利用 [CuI CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 催化 500 當量的環己烷 與 (a) 50 當量(b)100 當量 (c)150 當量 (d) 200 當量的 H2O2 用乙腈當溶劑，在室溫下反應 15 小時，可轉換成環己醇和 環己酮。正癸烷為氧化後加入的內標準品做為定量分析使 用。... 36 圖 3-12 利用 [CuI CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 催化 500 當量的環己烷 與 50 當量的 H2O2用乙腈當溶劑，在室溫下反應 15 小時， 進行 ESI-Ms 光譜分析。 ... 37 圖 3-13 [CuI(CH3CN)4](BF4) (3) 對環己烷的催化圖。 ... 38 圖 3-14 [CuI (bispicolylamine)](BF4) (4) 對環己烷的催化圖。 ... 38

表 3-15 利用[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1)；[Cu I (CH3CN)4](BF4) (3)； [CuI(bispicolylamine)](BF4) (4)，使用雙氧水催化環己烷生 成環己醇及環己酮的轉換率和 TON 產物分佈之結果。 .. 39 圖 3-16 在室溫下，用乙腈當溶劑利用[CuI (bispicolylamine)](BF4) (4) 對 500 當量環己烷催化，使用 200 當量的 H2O2反應 3 小時 後，得到的晶體結構。 ... 40 圖 3-17 [CuI CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 在室溫下分別加入 50 當量和 200 當量 H2O2催化 500 當量環己烷，在反應 5, 10, 15, 30, 45,

XIII 90, 180 分鐘的 TON 值。 ... 41 圖 3-18 1 當量[CuI CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1), [Cu(CH3CN)4](BF4) (3), [CuI(bispicolylamine)](BF4) (4) 分別在室溫下，加入 200 當 量 H2O2催化 500 當量環己烷，個別反應 5, 10,15, 30, 45, 90, 180 分鐘的 TON 值。 ... 43 圖 3-19 推論藉由 [CuI CuICuI(7-Dipy)]+ (1)加入雙氧水傳遞氧原子 催化環己烷之反應機構圖。 ... 45 圖 3-20 背景值之 CV 圖。實驗條件：Pt 工作電極、Pt 輔助電極、

Ag / Ag+ 参考電極、0.001 M TBAB / MeCN、掃瞄速度 0.5 V/s。 ... 46 圖 3-21 [CuI

CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 與氧氣反應後形成

[CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4)2 (2) 樣品之 CV 圖。實驗條

件：Pt 工作電極、Pt 輔助電極、Ag / Ag+ 参考電極、0.001 M TBAB / MeCN、掃瞄速度 0.5 V/s。 ... 47 圖 3-22 室溫 EPR 光譜圖 (a) [CuI

CuICuI(7-Dipy)](BF4 ) (b)

[CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4)2 (c) CuSO4·5H2O 化合物加

XIV

附圖目錄

附圖 1 7-Cl 之 400 MHz 1 H NMR 光譜 ... 59 附圖 2 7-Cl 之 400 MHz 13 C NMR 光譜 ... 60 附圖 3 7-Dipy 之 400 MHz 1 H NMR 光譜 ... 61 附圖 4 7-Dipy 之 400 MHz 13 C NMR 光譜 ... 62 附圖 5 7-Dipy 之 LCQ-ESI Mass 光譜 ... 63

1

微粒體甲烷單氧化酵素之結構與功能性

之模型三核銅簇化物之研究(IV)

一、 前言

1-1 研究動機

石化燃料能源(石油、柴油、天然氣)1_{，是目前世界上廣泛使用的} 能源，但其燃燒廢氣及儲存仍然存在著一些問題。替代能源如：太陽 能、風力、潮汐、地熱等，使用並不廣泛無法滿足人類生活上所需能 源。而核能占總發電量的 80%，是目前最主要的電能來源，但設備維 護放射性核廢料的儲存和處理，都是一項非常困難的問題。有些國家 甚至支持減少核能發電的使用。氫能則是一項環保的能源，它的燃燒 產物則是以水為主，是環保能源的一種，但卻存在著保存的問題，需 要特別的條件跟設備來保存，並存在著氫氣洩漏或爆炸的危險。 而甲醇則是容易保存(體積密度是汽油、柴油的一半)，且是乾淨 的綠色能源，甲醇燃料電池只需要補充甲醇便可重複使用，並具有高 效能發電的特性，其發電副產物為熱、水及少量二氧化碳。目前甲醇 的來源有兩種，一種是種植玉米、大麥等作物得到的生質能源，其缺 點是需要龐大的土地。另一種是工業上合成，將甲烷(CH4)轉換成甲 醇(CH3OH)，這是一個極具挑戰性的反應，因為甲烷上的 C-H 鍵能＝ 104 Kcal/mol 2 ，是屬於非常惰性(inert)的氣體。

2 甲烷是溫室氣體(greenhouse effect)之一，其每一百年所造成的溫 室效應是二氧化碳的 25 倍3_{，且蘊藏量豐富在天然氣中含有超過 80%，} 保守估計超過 5000 兆立方英尺，是屬於豐富且低成本的原料，其偏 遠地區運輸需要利用輸油管(中短程距離)或將天然氣液化輸送(長距 離)，而較佳的做法是將其轉換成燃料或原料再運輸到最終目的地。 BP 石油公司及其它能源公司，利用兩階段(two-stage)的氣體轉化 液體技術達成目標。第一階段，在 800-1000℃，20~30atm 下，利用 氣化技術將甲烷轉換成混合氣一氧化碳(CO)和氫氣(H2)。第二階段， 利用 Fisher-Tropsch 合成，在 200-300℃利用銅－鋅等觸媒將混合氣 轉化成液態的產物如甲醇。甲醇則是許多工業化學的產品、一些長鏈 碳氫化合物的原料，目前可被用來當作燃料電池的原料如直接甲醇燃 料電池(direct methanol fuel cell, DMFC)。因此，近年來研發簡易能將 甲烷轉化成甲醇，是一項重要且具挑戰的課題。

目前，石化工業上的製程必須使用昂貴的過渡金屬觸媒，在高溫 高壓下才能達成此反應，將其原料轉化成能源及燃料，至少浪費 70% 以上的能源在轉化反應上，其經濟效益不佳。

3

1-2 銅蛋白

然而，自然界存在一種可以在常溫、常壓(25℃, 1atm)下將甲烷 轉化成甲醇的嗜甲烷菌(Methanotrophic bacteria)，其中含有兩種嗜甲 烷菌單氧化酵素 pMMO(particulate methane monooxygenase)與可溶性 甲烷單氧化酵素 sMMO(soluble methane monooxygenase)屬於水溶性 蛋白。甲烷單氧化酵素(MMO)對甲烷的 C-H 鍵氧化成甲醇的化學式 如下4-6_： 可溶性甲烷單氧化酵素(sMMO)為一非血紅素的雙鐵離子蛋白質， 其活化中心為含雙鐵離子的酵素，當雙鐵離子同時具有四價的高氧化 態時，可氧化氧氣分子進而氧化甲烷中的 C-H 鍵，其只能在一些扭 曲的嗜甲烷菌中單離出來。微粒體嗜甲烷單氧化酵素(pMMO)為一多 銅離子為活化中心的金屬酵素，被發現存在於所有嗜甲烷菌中，因為 活化中心為銅離子，並無法像 sMMO 中的雙鐵離子一樣可以具有四 價的高氧化態，因此在熱力學上被懷疑不易進行 C-H 鍵的氧化，所 以早先也有研究認為其上應具有鐵離子。雖然目前其晶體結構已被解 出，證實是含銅酵素但其銅離子的數目及反應機構仍存在爭論，這也 是本篇論文設計催化劑的重要關鍵。 微粒體甲烷單氧化酵素其晶體結構，由 Amy C. Rosenzweig 實驗 MMO + + 4 2 3 2

CH + NADH + H + O





CH OH + NAD + H O

4

室在 2005 年解出。是一種嵌入膜蛋白(integral protein)，由複雜的三 聚體蛋白質錯合體(αβγ)3組成，pmoA(β,~29 kDa)、pmoB(γ, ~43

kDa)、pmoC(γ, ~29 kDa)7。(圖 1-1)分別在 pmoA 中含一單銅金屬離 子，pmoB 中則含有一雙核銅金屬中心，此位置被認為是催化甲烷的 反應中心，但此處暴露在親水性環境下，如果進行甲烷氧化(C-H 鍵 能：104 Kcal/mol)，則可能氧化成甲醇(C-H 鍵能：98 Kcal/mol)，進 而繼續氧化成甲醛(C-H 鍵能：88 Kcal/mol)，甚至氧化成二氧化碳 (CO2)，而 pmoC 中存在一個單鋅金屬離子。然而此晶體的分離與純 化過程複雜，可能存在著一些爭議問題如：裡面的銅金屬是否會在純 化過程中掉出？其銅金屬掉出後是否依然具有活性？ 圖 1-1：嗜甲烷菌中微粒體單氧化酵素pMMO)的 X-ray 晶體結構，主要由三個 子單位所組成：pmoA、pmoB 及 pmoC(左圖)；陳長謙院士實驗室推測在微粒體 甲烷單氧化酵素的 D site 位置應包含一個三銅的結構(右圖) 8_。

5

1-3 微粒體甲烷單氧化酵素之活性中心

中研院陳長謙院士實驗室利用理論計算、氧化還原電位法及 EPR 光譜推測 pMMO 的酵素中心，應該具有一個三核銅簇中心，且位於 pmoA 子單元的疏水袋(hydrophobic pocket)中，也就是稱為“D site” 的位置，此位置可解釋反應有機物質如甲烷進入，而產生甲醇排出的 選擇性特性。 根據純化後的微粒體嗜甲烷單氧化酵素 pMMO，已證實具有多 銅離子中心，每單位酵素中約存在著 15 個銅離子9,10_{。根據文獻研究} (圖 1-2)，可以區分為五組三核銅金屬離子簇化物：其中兩組三核銅 金屬離子簇化物 (簡稱為 C-cluster) ，位於 pmoA 的膜蛋白表面，也 就是藉在疏水性與親水性的環境間，主要功能是同時將氧氣進行還原 成 -2 價氧離子，再使用其中一組將甲烷上的 C-H 鍵進行羥化反應； 其他三組三核銅金屬離子簇化物 (簡稱為 E-cluster)，位於 pmoB 的 親水性結構中，主要是扮演 C-cluster (catalytic copper sites) 的電子提 供者，源源不斷地將電子輸入到 C-cluster ，使 C-cluster 維持在一 個低氧化態，繼續對氧氣進行還原反應，而再次對外在受質甲烷進行

6 圖 1-2：微粒體甲烷單氧化酵素pMMO)活化中心，含有兩個 C-cluster 三核銅， 及三個 E-cluster 三核銅，總共具有 15 個銅離子，其位置及反應作用圖12_。 微粒體甲烷單氧化酵素(pMMO)，其活性位置根據推測有三種可 能的金屬離子錯化物(圖 1-3)，分別為(1)bis(µ3-oxo)Cu(II)Cu(II)Cu(III) 三核銅金屬簇離子化合物、(2)bis(µ-oxo)Cu(III)2雙核銅金屬簇離子化 合物、(3)混價的 bis(µ-oxo)Cu(II)Cu(III)雙核銅離子化合物 13_。 圖 1-3：三種推測的金屬簇離子化合物bis(µ3-oxo)Cu(II)Cu(II)Cu(III)三核銅金 屬 簇 離 子 化 合 物 (2) bis(µ-oxo)Cu(III)2 雙 核 銅 金 屬 簇 離 子 化 合 物 (3) 混 價 的 bis(µ-oxo)Cu(II)Cu(III)雙核銅離子化合物13。 先前的研究中，已針對此三種金屬簇離子化合物做理論計算。其 中(1)混價的三核銅金屬簇離化合物，因具有反鐵磁耦合作用，形成

7 電子基態自旋狀態為 S＝0，其與甲烷分子反應的過程會經一步的反 應機構，由單氧直接嵌入 C-H 鍵形成 C-OH 鍵。經由 DFT(density function theory)的計算，得知其在反應過程經過一活化能為 15.0 Kcal/mol (圖 1-4)。 圖 1-4：陳長謙院士實驗室對bis(µ3-oxo)Cu(II)Cu(II)Cu(III)三核銅金屬簇離子 化合物直接將氧原子嵌入甲烷分子的 DFT 計算13_。 而(2)雙核銅簇離子化合物，跟(1)混價的三核銅金屬簇離子化合 物相同，也具有反鐵磁耦合作用，形成電子基態自旋狀態為 S＝0， 其與甲烷分子反應的過程同樣經由一步的反應機構，由單氧直接嵌入

8 C-H 鍵形成 C-OH 鍵。經由 DFT 的計算，得知其在反應過程經過一 活化能為 20.0 Kcal/mol (圖 1-5)。 圖 1-5：陳長謙院士實驗室對bis(µ-oxo)Cu(III)2雙核銅金屬簇離子化合物直接 將氧原子嵌入甲烷分子之 DFT 計算13_。 最後，(3)混價雙核銅金屬簇離子化合物，因混價原因使其具有 與(1)混價的三核銅金屬簇離子化合物、(2)雙核銅簇金屬離子化合物 不同的電子基態自旋狀態 S＝1/2。所以其反應會經由兩步的自由基反 應，第一步先抓甲烷上的氫原子，形成·O-H 及·CH3自由基，接著 ·O-H 及·CH3自由基重新鍵結形成產物甲醇。其 DFT 的計算，得知

9

其在反應過程經過的速率決定步驟活化能為 19.1 Kcal/mol (圖 1-6)。

圖 1-6：陳長謙院士實驗室對混價的 bis(µ-oxo)Cu(II)Cu(III)雙核銅金屬簇離子 化合物與甲烷進行兩步的自由基反應形成甲醇之 DFT 計算13_。

此外，先前的研究也計算過在 300 K，經過量子穿隧效應修正後 的 kinetic isotope effect (KH/KD)，(1)混價的三核銅金屬簇離子化合物

為 4.3，(2)雙核銅簇金屬離子化合物為 3.8，(3)混價雙核銅金屬簇離 子化合物為 15.5 (圖 1-7)。而 pMMO 對乙烷的催化效果經量測 KIE=5.2~5.5。由此可知，(1)混價的三核銅金屬簇離子化合物反應所 經活化能為最小，其與(2)之 KIE 的理論計算值最接近單氧直接嵌入

10

的過渡狀態反應。由上述結果(1)混價的三核銅金屬簇離子化合物相 較於其他兩種金屬簇離子化合物而言，將氧原子傳遞至甲烷分子中是 較有效率的。

T (K) k (CH4)a(s-1) k (CD4)b(s-1) kH/kD

bis(µ3-oxo) trinuclear

copper(II, II, III) complex

300 2.912 × 104 (1.145 × 108) 6.829 × 103 (2.823 × 107) 4.264 (4.056) bis(µ-oxo)Cu(III)2 dicopper complex 300 5.673 × 10-1 (3.148 × 102) 1.491 × 10-1 (6.364 × 101) 3.805 (4.947) bis(µ-oxo)Cu(II)Cu(III) dicopper complex 300 1.188 × 102 (1.288 × 103) 7.653 (1.297 × 102) 15.523 (9.931) a

Rate constant for CH4 as substrate b

Rate constant for CD4 as substrate

圖 1-7：陳長謙院士實驗室對(1) bis(µ3-oxo)Cu(II)Cu(II)Cu(III)三核銅金屬簇離子

化 合 物 (2) bis(µ-oxo)Cu(III)2 雙 核 銅 金 屬 簇 離 子 化 合 物 (3) 混 價 的

11

1-4 三核銅金屬離子簇化物

第一個三核銅簇化物是由 Stack 與 Solomon 研究團隊合成及分析

(圖 1-8)14,15,16。雖然其混價結果與先前計算符合，但其與有機受質反

應性不高。根據 parallel mode EPR(電子順磁共振光譜)、MCD(磁原二 色光譜儀)及 SQUID(超導量子干涉磁量儀)等磁性分析，發現其電子 基態顯示為鐵磁耦合作用 S=1，與先前的理論計算高反應性的三核銅 簇化物的反鐵磁耦合不和。由此可知，反應性不只與金屬混價有關， 與金屬簇離子錯化合物的電子基態自旋態也密切相關。

圖 1-8：Stack 與 Solomon 研究團隊發展出混價(II , II, III)三核銅簇錯化物14,15,16。

先前陳長謙院士實驗室也設計出一系列與理論計算相符合的三 核銅簇離子化合物(圖 1-9)17_。[CuI

CuICuI(L)](X) (L＝6 or 7-Me,6 or 7-Et；X＝BF4, ClO4)，可以和氧氣作用進而氧化受質如乙腈(CH3CN)

12

Kcal/mol)18，以及 2,3-丁二酮(2,3-Butanedione)的 C-C 鍵(60 Kcal/mol)。 此系列三核銅簇化物推測其反應的活性中間體應與理論計算相類似， 可能為一混價[CuII

CuII(µ-O)2CuIII(L)](X)2 (X＝BF4, ClO4)，因其活性太

高無法藉由低溫 UV-Vis 光譜偵測捕捉或者獲得其晶體結構。目前只 有 得 到 其 氧 化 受 質 後 ， 形 成 的 三 核 二 價 銅 錯 離 子 化 合 物 [CuIICuII(µ-O)CuII(7-Et)](X)2 (X＝BF4, ClO4)的晶體結構(圖 1-10)。而

此三核二價錯化物並不具活性，卻可以經由安息香(Benzoin)當作還原

劑，使其還原成原本具活性的三核一價銅簇化物[CuI

CuICuI(L)](X) (X

＝BF4, ClO4)，只是安息香的環速率緩慢，加上氧化後形成二苯基乙

二酮(Benzyl)其 C-C 鍵弱，在氧化反應中會比受質優先被選擇反應。 而在 pMMO 系統中則可藉由 NADH 或 plastoquinol 迅速將反應過的 銅離子還原成最初的還原態，且對銅離子不會有其他反應上的干擾。

圖 1-9：陳長謙院士實驗室設計出一系列與理論計算相符合的三核銅簇離子化合 物其配位基結構17。

13

圖 1-10： (a) 陳長謙院士實驗室研究三核銅簇離子化合物[CuI

CuICuI(L)](X) ( L = 7-Me , 7-Et；X = BF4, ClO4)與氧氣的反應機制 (b) 陳長謙院士實驗室以 7-Et 當

作配位基的氧化受質後所形成的晶體結構[CuII CuII(µ-O)CuII(7-Et)](X)2 (X＝BF4, ClO4) 17。 先前文獻中對於單氧化酵素催化的羥化反應機制已提出兩種機 制。其中一種是經自由基的反應機制(radical mechanism)，反應時氧 (a) (b)

14 氣會先被酵素活化而產生高活性氧原子，此氧原子會去抓取碳氫化合 物上的氫原子而形成氫氧自由基(·O-H)，甲基自由基(·CH3)會與氫氧 自由基鍵結(radical-rebound)而產生醇類19,20_{。經由此機制產生的醇類，} 其反應後碳原子中心的立體組態，只有一部分會保持原本的立體組態， 其他則會改變其立體組態。原因是反應中形成碳原子中心的自由基， 氫氧自由基的再鍵結並沒有立體位向的選擇性。在可溶性甲烷單氧化 酵素對甲烷的反應中，其產物有一部分維持原本的立體組態，因此 Baik 等人提出其反應機制是進行自由基反應。 而近年來陳長謙院士實驗室提出另一反應機制，直接單氧嵌入機 制(concerted oxene insertion mechanism)，藉由氧氣進入形成高氧化態 的 三 核 銅 的 混 價 [CuII

CuII(µ-O)2CuIII]3+， 首 先 形 成 一 反 鐵 磁 耦 合

(antiferromagnetic)的自旋態離子化合物，並改變氧原子自旋態，使成 為高活性的“singlet oxene”，此高活性“singlet oxene”具有兩個反 平行(antiparallel)自由電子，易於和受質碳氫鍵中的碳和氫電子配對， 而形成 C-O 鍵和 O-H 鍵(圖 1-11)21,22_{。此種單氧原子直接嵌入 C-H 鍵} 中的反應機制，可以維持其碳原子中心原本的立體組態 11,23_，而 pMMO 系 統 對 於 直 鏈 狀 碳 氫 化 合 物 (C1-C5) 的 羥 化 反 應 (hydroxylation)，也具有高度立體組態選擇性，反應後醇類的立體組 態會維持原本的立體組態。

15 圖 1-11：陳長謙院士實驗室研究三核銅簇離子化合物改變氧原子電子自旋組態 形成“singlet oxene”，並嵌入甲烷分子中的過渡態示意圖11。 根據圖 1-11 氧原子被活化至1 D 狀態，是經由三核銅簇離子的自 旋態所調控。而第三個銅離子的存在，經由先前 DFT 理論計算發現 在進行 C-H 鍵羥化反應時，能有效降低“singlet oxene”的活化能， 使反應容易進行。 本研究所使用的有機受質主要以環己烷 (cyclohexane) 為主。因 為環己烷的 C-H 鍵能高達 99.3 Kcal/mol，與甲烷分子 C-H 鍵能 104 Kcal/mol 非常接近，而且在室溫下為液體方便處理，但缺點是它 與溶劑乙腈 (acetonitrile) 不互溶。此外，也有許多文獻提到環己烷氧 化後的產物，如環己醇(cyclohexanol)和環己酮(cyclohexanone)可當作 許 多 藥 品 製 程 中 的 中 間 物 ， 像 是 己 二 醇 (adipic acid) 、 耐 隆 -6,6(nylon-6,6)、聚醯胺-6(polyamide-6)、合成橡膠(urethanefoams)、 泡打粉中的酸化劑和潤滑油中的添加劑 24-28_{。目前市面上杜邦公司} (Dupont)利用環烷酸鈷(III)(Co(III) naphenae)當作催化劑，在 150℃空 氣 下 以 12 atm 進 行 環 己 烷 的 氧 化 ， 此 製 程 只 有 4％ 的 轉 換 率

16 (Conversion)及 85％的選擇率(selectivity)29。文獻中已嘗試朝更有效 率的製程發展29-33_{，如利用含多種不同過渡金屬(transition metal)的催} 化系統搭配多種不同氧化劑(oxidizing agent)，可在溫和的條件且有選 擇性的氧化環己烷。而在這些催化系統中，含銅金屬離子的催化劑具 有高度的潛力34-38_{，因為銅是的地表中蘊藏豐富的金屬元素，也是人} 體中少數金屬元素的量排行第三，且許多酵素的活化中心位置皆存在 著銅離子37-44_。 在本篇研究中，根據陳長謙院士實驗室先前發表文獻的理論計算 及三核酮金屬簇離子化合物13_{，我們進一步修飾並合成出含氮配位基} 7-Dipy(3,3’-(1,4-diazepane-1,4-diyl)bis(1-(bis(pyridine-2-ylmethyl)ami no)propan-2-ol))作為模型化合物研究(圖 1-12)，此配位基與先前陳長 謙院士實驗室所設計的 7-Me 和 7-Et 配位基，具有相同含氫氧基的骨 架可與頂端含氮七環軸向連接，但不同的是配位基下方具有兩個三配 位的 2,2’-bis(pryidlmethyl)amine。

圖 1-12：陳長謙院士實驗室設計的-Me 和 7-Et 與本實驗室設計的 7-Dipy 配位 基結構圖13。

17

二、 實驗部分

藥品與儀器

藥品 藥品 _{廠牌 純度 包裝 CAS No.} Homopiperazine Acros 98% 500 g 505-66-8 Epichlorohydrin Acros 99% 1 L 106-89-8 2,2’-Dipicolyamine TCI 98% 25 g 1539-42-0

Sodium hydroxide Osaka 95% 500 g 1310-73-2

Hydrogen peroxide Osaka 35% 500 mL 7722-84-1

Copper(II) tetrafluoroborate hexahydrate Strem 99% 250 g 38465-60-0 Copper(II) perchlorate hexahydrate Acros 98% 500 g 10294-46-9

Copper Powder Acros 99% 500g 7440-50-8

Cyclohexane Merck 99.5% 1 L 110-82-7

Cyclohexanol Aldrich 99% 25 mL 108-93-0

Cyclohexanone Acros 99.8% 25 mL 108-94-1

Decane Acros 99% 100mL 124-18-5

Tetrabutylammonium tetrafluoroborate (TBATFB) Fluka 99% 100 g 429-42-5 5,5-Dimethyl-Pyrroline-N-Oxide (DMPO) Sigma 97% 5g 3317-61-1

Triphenylphosphine (PPh3) Acros 99% 250g 603-35-0

儀器

NMR Bruker Avance 400 MHz

ESI-MASS Finningan TSQ 700 GC/LC/MS

GC-MS GC (HP6890)-MS (HP5973)

CV CHI 622B Electrochemcal work station

18

2-1 3,3’-(1,4-diazepane-1,4-diyl)bis(1-chloropropan-2-ol)

7-Cl 之合成

圖 2-1：化合物 7-Cl 之合成圖。 於室溫 25 ℃ 下，將配置好的 epichlorohydrin (3.16 g, 34.2 mmol) 的 CH3OH (15.0 ml) 溶液，緩緩地滴入 homopiperazine (1.72 g, 17.1mmol) 的 CH3OH (15.0 ml) 溶液。在低溫－5℃ 下攪拌 3 小時後， 將溶液移置真空系統下抽乾，即可得到透明黏稠狀固體化合物 7-Cl (4.66 g, 16.34 mmol)。 1 H NMR (CD3OD, 400 MHz) 1.72 (m, 2H, CH2); 2.55 (m, 4H, CH2); 2.71 (m, 4H, CH2); 3.52 (m, 4H, CH2); 3.80 (m, 2H,CH) (附圖 1); 13C NMR (CD3OD, 400 MHz) δ70.5, 62.2, 56.7, 56.2, 28.8 (附圖 2)。

19

2-2

w

3,3’-(1,4-diazepane-1,4-diyl)bis(1-(bis(pyridin-2-yl)meth

yl)amino)propan-2-ol) 7-Dipy 之合成

圖 2-2：化合物 7-Dipy 之合成圖。 取化合物 7-Cl (9.75 g, 34.2 mmol)與 2,2’-bis(pyridylmethyl)amine (13.54 g, 34.2 mmol) 溶於 CH3OH (20.0 ml)，加熱迴流至 70℃攪拌 48 小時候，滴入 NaOH (1.37 g, 34.2 mmol) 的 CH3OH (5.0 ml) 溶液於深 黃色溶液中攪拌 1 小時候停止。過濾白色沉澱鹽類，將深褐色溶液置 於真空下抽乾，即得配位基 7-Dipy。 1 H NMR (CD3OD, 400 MHz) δ1.69 (m, 2H, CH2)；2.2~2.7 (m, 16H, CH2)；3.7~3.8 (m, 8H, CH2)；3.8 (m, 2H, CH)；7.2, 7.4, 7.7, 8.4 (m, 16H, pyridine)(附圖 3)；13C NMR (CD3OD, 400 MHz) δ160.3, 149.9, 138.8, 125.0, 123.7, 66.8, 63.3, 61.8, 60.7, 55.8, 55.5, 27.2 (附圖 4)；ESI-MS： 611.4 (M+H)+, 633.4(M+Na)+ (附圖 5)。

20

2-3 製備 Cu(I) 化合物

(a) [CuI(CH3CN)4](BF4) 45 秤取 2.5 g 的 Cu(II)(BF4)2 • 6H2O 以 20 ml CH3CN 溶解且加 熱迴流，再加入 2.5 g 的 Cu 粉以 70 o C 迴流 1 小時。將溶液趁熱 過濾，濾出尚未反應的 Cu 粉，再迅速將濾液移至冰水浴下 30 分鐘， 此時會逐漸析出白色固體。最後經過濾，保留白色固體並置於真空系 統下抽乾，儲存於手套箱中。 (b) [CuI(CH3CN)4](ClO4) 45 秤取 2.5 g 的 Cu(II)(ClO4)2 • 6H2O 以 20 ml CH3CN 溶解且加 熱迴流，再加入 2.5 g 的 Cu 粉以 70 o C 迴流 1 小時。將溶液趁熱 過濾，濾出尚未反應的 Cu 粉，再迅速將濾液移至冰水浴下 30 分鐘， 此時會逐漸析出白色固體。最後經過濾，保留白色固體並置於真空系 統下抽乾，儲存於手套箱中。

21

2-4 三核銅金屬簇離子化合物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 以及

[CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4)2 (2) 之合成

方法 (a) 通入 O2 取 7-Dipy (10.0 mg, 16.4 µmol) 溶於無水的 CH3CN (2 ml) 加入 3 當量 [CuI(CH3CN)4](BF4) (15.5 mg, 49.3 µmol) 溶於無水的 CH3CN (1 ml)，在高純度氮氣環境下室溫攪拌 2 分鐘，推測得到中間產物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 。於液面下通入高純度氧氣 5 分鐘，溶 液 顏色很快 地由淡 黃色轉變 為 綠色 ，由 ESI-MS 光 譜推測得 到 [CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4)2 (2)。

方法 (b) 加入 H2O2 取 7-Dipy (10.0 mg, 16.4 µmol) 溶於無水的 CH3CN (2 ml) 加入 3 當量 [CuI(CH3CN)4](BF4) (15.5 mg, 49.3 µmol) 溶於無水的 CH3CN (1 ml)，在高純度氮氣環境下室溫攪拌 2 分鐘，推測得到中間產物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 。於液體中加入 2 當量 35 % H2O2 水 溶液(1.9 µL, 32.9 µmol)，溶液顏色很快地由淡黃色轉變為綠色，由 ESI-MS 光譜推測得到 [CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)] (BF4)2 (2) 。

22

2-5 產物的鑑定

催 化 反 應 進 行 後 ， 加 入 內 標 準 品 (internal standard) 正 癸 烷 (Decane) 0.1 mmol (19.4 µL)，再加入乙醚，將溶液混和為同一相。使 用充填 silica gel 2 公分高的短滴管過濾出不含銅金屬離子簇化物的濾 液再由 GC-MS (Gas chromatography – mass spectrometry) 進行定量實 驗。

GC-MS 使 用 的 規 格 為 Hewlett-Packard GC (HP 6890)-MS (HP5973) 質量分析器，其中分離管柱為 5 % phenyl-arylene 及 95 % dimethylpolysiloxane ZB-5MS，長 30 m、寬 0.25 mm、厚 0.25 µm (購 自 Phenomenex, Inc 的 ZebonTM

corporation)。使用不分流注射方式， 注射溫度為 280 ℃。升溫程式為：先以 80 ℃ 維持 1 分鐘，接著以 每分鐘 15 ℃ 的升溫梯度升溫至 270 ℃ 並維持 5 分鐘平衡。總耗 時約 19 分鐘。

23

化合物結構與編號

配位基 (Ligands)

 3,3’-(1,4-diazepane-1,4-diyl)bis(1-chloropropan-2-ol) (7-Cl)  3,3’-(1,4-diazepane-1,4-diyl)bis(1-(bis(pyridin-2-yl)methyl)amino)pr opan-2-ol) (7-Dipy)

三核銅金屬簇離子化合物 (Tricopper complex)

 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1)

 [CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4)2 (2)

 [CuI(CH3CN)4](BF4) (3)  [CuI(bispicolylamine)](BF4) (4)  [CuIICuII(µ-O)2Cu III (7-Dipy)]+ (5)  [CuICuII(µ-O)2Cu III (7-Dipy)]+ (6)

24

三、 結果與討論

3-1 三核銅金屬簇離子化合物[Cu

I

Cu

I

Cu

I

(7-Dipy)](BF

4

) (1)

之 400 MHz

1

H-NMR 光譜圖

圖 3-1：[CuI CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 的製備。 在室溫下，取含氮配位基 7-Dipy (10.0 mg, 16.4 µmol) 以氘代乙 腈 (CD3CN) 為溶劑 (0.8 ml) 測 400MHz 1H-NMR 光譜(圖 3-2a)。另 外在室溫含高純度氮氣的環境下，取含氮配位基 7-Dipy (10.0 mg, 16.4 µmol) 與[CuI (CH3CN)](BF4)以 1：3 當量比例混合，並使用無水的乙 腈 (CH3CN) 為溶劑 (0.8 ml) 攪拌 30 分鐘後可得一黃色溶液，抽真 空後再加入氘代乙腈 (CD3CN) 為溶劑，測 400MHz 1H-NMR 光譜 (圖 3-2b)。 由於三核銅簇化物[CuI CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 對氧氣具有高反 應性，因此配製此簇化物時，必須在高純度氮氣環境下進行。已知乙 腈 (CH3CN) 的氮原子可利用自身的π *軌域與三核銅金屬簇離子化

25

合物 Cu(I, I, I)上的 Cu(I)金屬離子的空配位鍵結，使 Cu(I)金屬離子穩 定，因此乙腈溶劑在本反應中扮演穩定整個簇離子化合物的角色。

由 400MHz 1

H-NMR 光 譜 分 析 可 知 當 三 核 銅 簇 化 物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 形成時，由圖 3-2 (a) 和 (b) 對照後發現

原本吡啶環 (pyridyl rings) 上的化學位移訊號 (h, i, j, k) 數目從 4 減 少成 3 個，本來各別存在的化學位移訊號 (h ,j) 變成同一個，且積分 面積變 2 倍。而原本在七環頂點上的化學位移訊號 (a, b, c)，和二丙 醇 基 (propan-2-ol) 側 邊 上 的 化 學 位 移 訊 號 (d, e, f) ， 在 簇 化 物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 形 成 時 也 全 都 發 生 改 變 。 尾 端 bis(pyridin-2-yl)methyl)amino 上－CH2－的氫質子，化學位移訊號 (g) 在簇化物[CuI CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 形成時，這些氫質子會使三核 銅金屬簇離子化合物變成非鏡像立體異構 (diastereotopic) 的物質。 1 H NMR δ(400 MHz, CD3CN)：δ2.2 (br, 2H, CH2)；2.6 ~ 3.0 (br, 16H, CH2)；3.8 ~ 4.0(m, 8H, CH2)；4.1 (m, 2H, CH)；7.3, 7.8, 8.6 (m, 16H, pyridine)。 在圖 3-2 (c) NMR 光譜中，將氘代乙腈 (CD3CN) 溶劑附近的訊 號 放 大 發 現 ， 往 左 ~0.025 ppm 有 一 個 配 位 在 簇 化 物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 的 CH3CN 訊號出現，從化學位移訊號的 強度判斷鍵結溶劑分子的數量，估計每個簇化物大約有 3~4 個。

26 圖 3-2：1 H-NMR 光譜圖(400 MHz) (a) 7-Dipy 配位基； (b) [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 在室溫 25℃ CH3CN 溶劑下； (c) [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 1H-NMR 光譜積分放大圖。 註：(＊)是溶劑的訊號。

27

3-2 三核銅金屬簇離子化合物[Cu

I

Cu

I

Cu

I

(7-Dipy)](X), (X =

BF

4

或 ClO

4

) (1) 與 CO 之反應

圖 3-3：[CuI CuICuI(7-Dipy)](X), (X = BF4或 ClO4) (1) 的形成及通入 CO 反應後形 成[CuICuICuI(7-Dipy)(CO)2(CH3CN)2(X)2]+。 在室溫含高純度氮氣的環境下，取含氮配位基 7-Dipy (10.0 mg, 16.4 µmol) 與[CuI(CH3CN)](X), (X = BF4或 ClO4) 以 1：3 當量比例混

合，並使用無水的乙腈 (CH3CN) 為溶劑 (3.0 ml) 攪拌 30 分鐘，可

得一黃色溶液，接著在液面下通入高純度的一氧化碳 (CO) ，攪拌 5 分鐘後迅速地使用 ESI-MS (electrospray ionization mass) 偵測。(圖 3-2)

然而，三核銅簇化物[CuI

CuICuI(7-Dipy)](X), (X = BF4或 ClO4) (1)

對 氧 氣 具 有 高 反 應 性 ， 會 產 生 三 核 銅 含 氧 簇 化 物 [CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)]2+ (2)。因此，我們使用一氧化碳，因為一

28

由 ESI-MS 圖 顯 示 ， 最 高 峰 為 三 核 銅 含 氧 簇 化 物 [CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](X)2 (2) (m/z：990 amu, X = BF4；m/z：1014

amu, X = ClO4) ， 而 第 二 高 峰 則 是 三 核 銅 簇 化 物

[CuICuICuI(7-Dipy)(CO)2(CH3CN)2](X) (m/z ： 1126 amu,

[CuICuICuI(7-Dipy)(CO)2(CH3CN)2](BF4) ； m/z ： 1038 amu,

[CuICuICuI(7-Dipy)(CO)2(CH3CN)2](ClO4))。

結果如預期中相同，使用不同的陰離子時，訊號峰相差 m/z = 12 amu，剛好為一個陰離子分子量的差值 (ClO4-－BF4-)。但如果在樣品

注入 ESI-MS 之前，將樣品暴露在空氣中，則只會看到三核銅含氧簇 化物[CuII

29

圖 3-4：[CuI

CuICuI(7-Dipy)](X), (X = BF4或 ClO4) (1) 通入 CO 之 ESI-MS 光譜圖 。

(a) [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) 三核銅金屬簇離子化合物 ；

30

3-3 三核銅金屬簇離子化合物[Cu

I

Cu

I

Cu

I

(7-Dipy)](BF

4

) (1)

的 氧 化 反 應 與 三 核 銅 金 屬 含 氧 簇 離 子 化 合 物

[Cu

II

Cu

II

(µ-O)Cu

II

(7-Dipy)](BF

4

)

2

(2)的形成

(a)使用氧氣 (O2) 氧化

圖 3-5 ： [CuI

CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 的 形 成 及 通 入 O2 氧 化 生 成

[CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4 )2 (2)

在室溫含高純度氮氣的環境下，取含氮配位基 7-Dipy (10.0 mg, 16.4 µmol) 與[CuI(CH3CN)](BF4)以 1：3 當量比例混合，並使用無水

的乙腈(CH3CN)為溶劑(3.0 ml)攪拌 30 分鐘，可得一黃色溶液，接著

在液面下通入高純度的氧氣攪拌 5 分鐘，溶液快速地變成綠色，由 ESI-MS 光 譜 分 析 ， 推 測 可 得 到 三 核 銅 金 屬 含 氧 簇 離 子 化 合 物

31

[CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4)2 (2)。(圖 3-5)

根 據 ESI-MS 光 譜 ， 通 入 氧 氣 氧 化 後 主 訊 號 鋒 為 [CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4)2，荷質比範圍從 m/z = 985 到 m/z =

994 amu 為一個具多重質譜峰且帶正一價的簇化物，其中 m/z = 990 amu 為最高峰。因自然界中銅離子的含量有63Cu 和65Cu (含量分別 為 69 % 與 31 %)，使簇化物含有三核銅金屬離子造成質譜上顯現出 多重峰的訊號，藉由質量分析器 (mass calculator) 分析此分子式的訊 號，推測為{[CuII CuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4)2 ＋ H}+。(圖 3-6)

圖 3-6：藉由 O2 氧化 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 之 ESI-MS 全光譜圖 (a) 主

訊號的放大圖；(b) 模擬的質譜圖。此光譜推測是三核銅金屬含氧簇離子化合物 [CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4 )2 (2)。

32 (b)使用雙氧水 (H2O2) 氧化

圖 3-7 ： [CuI

CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 的 形 成 及 通 入 H2O2 氧 化 生 成

[CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4)2 (2)。

在室溫含高純度氮氣的環境下，取含氮配位基 7-Dipy (10.0 mg, 16.4 µmol) 與[CuI(CH3CN)](BF4)以 1：3 當量比例混合，並使用無水

的乙腈 (CH3CN) 為溶劑 (3.0 ml) 攪拌 30 分鐘，可得一黃色溶液，

接著在液面下加入兩當量 35%的雙氧水，溶液快速地變成綠色，由 ESI-MS 光 譜 分 析 確 定 也 可 得 到 三 核 銅 金 屬 含 氧 簇 離 子 化 合 物 [CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4)2 (2)。(圖 3-8)

已 知 雙 氧 水 是 一 個 可 同 時 扮 演 氧 化 劑 (oxidant) 和 還 原 劑 (reductant) 的 試 劑 ， 也 就 是 雙 氧 水 本 身 會 自 身 氧 化 還 原

33

(disproportionation) 生 成 H2O 和 O2， 而 產 生 的 氧 氣 可 先 氧 化

[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1)，進而得到三核銅金屬含氧簇離子化合物

[CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4)2 (2)，文獻中也有利用雙氧水可以氧

化還原的性質，成功的對含銅金屬離子進行反應 46_。

圖 3-8：藉由 H2O2 氧化 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 之 ESI-MS 全光譜圖 (a) 主

訊號的放大圖；(b) 模擬的質譜圖。此光譜推測是三核銅金屬含氧簇離子化合物 [CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4 )2 (2)。

34

3-4 三核銅金屬簇離子化合物 [Cu

I

Cu

I

Cu

I

(7-Dipy)](BF

4

) (1)

與環己烷的催化反應

根據先前本實驗室中所發展的 7-Dipy 系統，在室溫下以無水乙 腈 (CH3CN) 當溶劑，利用含氮配位基 7-Dipy (10.0 mg, 16.4 µmol)， 加入 3 當量的[CuI (CH3CN)4](BF4)，形成三核銅金屬簇離子化合物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1)，並加入 500 當量的環己烷受質(C－H 鍵 能 99.3 kcal/mol)，以 50 當量 35%的 H2O2 (47.4 µl) 當氧化劑做為氧 原子的來源，溶液很快的由黃色轉為綠色。為了對氧化後的產物做定 量分析，在氧化後加入 0.1 mmol 的內標準品正癸烷 (C10H20)，並以 矽膠 (silica gel) 除去三核銅金屬簇離子化合物後，測 GC-MS 層析圖。 (圖 3-9) 在 GC-MS 層析圖中，可以觀測到在滯留時間 (Retention time) t ＝ 1.40 min 為溶劑乙腈的訊號，而 t ＝ 1.60 min 為環己烷的訊號， 在 t ＝ 2.71 min 為環己醇及 t ＝ 2.79 min 為環己酮的訊號，最後 t ＝ 3.63 min 則是內標準品正癸烷的訊號。 我們根據氧化劑 H2O2的消耗量來計算環己醇和環己酮的轉化率 (conversion)。並藉由 GC-MS 層析圖中，波峰下的面積積分值與反應 後所加入 0.01 mmol 的內標準品正癸烷相對比例來計算雙氧水轉化率 與莫耳生成率。

35 其中公式如下： ＝ ＋ 圖 3-9： 1 當量的[CuI CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 與 500 當量的環己烷以乙腈當溶 劑，加入 50 當量 H2O2在室溫下攪拌之 GC-MS 層析圖 (a) 滯留時間 t = 2.66 和 t = 2.73 min 分別是產物環己醇和環己酮的訊號； (b) 滯留時間 t = 2.66 min 環己 醇的質譜圖；(c) 滯留時間 t = 2.73 min 環己酮的質譜圖。 環己醇的生成只需要 1 當量的 H2O2，所以環己醇的生成與 H2O2 的消耗比率為 1：1，故莫耳生成率乘以 1 為 H2O2消耗量，而環己酮 的生成需要兩當量的 H2O2，所以環己酮的生成與 H2O2的消耗比率為 1：2，故莫耳生成率乘以二為 H2O2消耗量，將兩者消耗率相加就可

36 得到全部 H2O2的轉化率。(圖 3-10) 圖 3-10：環己烷氧化生成環己醇及環己酮所需之氧化當量。 在室溫含高純度氮氣的環境下，以無水乙腈 (CH3CN) 當溶劑， 取 含 氮 配 位 基 7-Dipy (10.0 mg, 16.4 µmol) ， 加 入 3 當 量 的 [CuI(CH3CN)4](BF4) ， 形 成 三 核 銅 金 屬 簇 離 子 化 合 物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1)，分別與 50, 100, 150, 200 當量 H2O2當氧 化劑，對 500 當量的環己烷受質進行催化反應，反應 3 小時後的轉化 率 (conversion) 及 TON (turnover number)。(圖 3-11)

37 圖 3-11：利用 [CuI CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 催化 500 當量的環己烷與 (a) 50 當 量 (b)100 當量 (c)150 當量 (d) 200 當量的 H2O2用乙腈當溶劑，在室溫下反應 3 小時，可轉換成環己醇和環己酮。正癸烷為氧化後加入的內標準品做為定量分析 使用。 我們在進行催化反應後，對氧化後的溶液進行 ESI-MS 光譜分析， 發 現 主 要 產 物 仍 然 是 三 核 銅 金 屬 含 氧 簇 離 子 化 合 物 [CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4)2 (2)的訊號(圖 3-12)，顯示此三核銅簇

化 物 是 一 強 健 的 催 化 劑 ， 在 催 化 反 應 後 不 會 有 分 解 的 現 象 。

圖 3-12：利用 [CuI

CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 催化 500 當量的環己烷與 50 當量的

38

3-5 單 銅 金 屬 離 子 化 合 物 [Cu

I

(CH

3

CN)

4

](BF

4

) (3) 與

[Cu

I

(bispicolylamine)](BF

4

) (4) 與環己烷的催化反應

圖 3-13：[CuI (CH3CN)4](BF4) (3) 對環己烷的催化圖。 在室溫含高純度氮氣的環境下，以無水乙腈(CH3CN)當溶劑，直 接拿[CuI (CH3CN)4](BF4) (3) 加入 500 當量的環己烷當受質，以 200 當量 H2O2當氧化劑反應 3 小時，藉由 GC-MS 層析圖計算環己醇和 環己酮的轉化率及 TON。(圖 3-14) 圖 3-14：[CuI (bispicolylamine)](BF4) (4) 對環己烷的催化圖。 在室溫含高純度氮氣的環境下，以無水乙腈(CH3CN)當溶劑，取 含氮配位基 Dipy (6.0 mg)加入 1 當量[CuI (CH3CN)4](BF4)，形成單銅 離子化合物[CuI (bispicolylamine)](BF4) (4)，並加入 500 當量的環己烷 當受質，以 200 當量 H2O2當氧化劑反應 3 小時，藉由 GC-MS 層析 圖計算環己醇和環己酮的轉化率及 TON。(表 3-15)

39 H2O2 Catalyst a Products (equiv.) TONb Total conversion (%) A B H2O2 c C6H12 d 50 500 (1) 5.3 5.5 17 33 2.2 100 500 (1) 13.6 10.8 36 35 4.9 150 500 (1) 19.8 17.3 55 36 7.4 200 500 (1) 30.9 25.3 82 41 11.2 200 500 (3) 1.0 3.1 7 4 2.1 200 500 (4) 2.2 2.9 8 4 2.6 表 3-15 ： 利 用 [CuI CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) ； [CuI(CH3CN)4](BF4) (3) ； [CuI(bispicolylamine)](BF4) (4)，使用雙氧水催化環己烷生成環己醇及環己酮的轉 換率和 TON 產物分佈之結果。 a_{催化劑：[Cu}I

CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 為 1 當量(16.4 µmol)； [CuI(CH3CN)4](BF4) (3) 為 1 當量(25 µmol)； [CuI(bispicolylamine)](BF4) (4) 為 1 當量(25 µmol). b 每莫耳催化劑可以產生產物的次數：(A＋2×B) / 催化反應 3 小時 c 每莫耳的雙氧水可以轉換受質形成產物的轉換率：(A＋B) / H2O2 d_{每莫耳的環己烷可以轉換受質形成產物的轉換率：(A＋B) / C} 6H12 由上述圖表可知，單銅金屬離子化合物[CuI (CH3CN)4](BF4) (3) 與[CuI (bispicolylamine)](BF4) (4)，相較本研究中的三核銅金屬離子簇 化物[CuI CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1)，對於環己烷的催化反應活性並不高。 其中[CuI (CH3CN)4](BF4) (3)，在反應 90 分鐘後，溶液顏色突然變深黃 色，推測已不是原本單銅結構，可能有溶劑已配位在銅金屬上。另外 [CuI(bispicolylamine)](BF4) (4)，反應後得到的晶體結構(圖 3-16)，已

40 經破壞其原本結構特性，推測其反應過程可能有分子內的氧化而破壞 其結構。這兩個單銅結構所進行的反應推測為 Fenton-type chemistry。 圖 3-16：在室溫下，用乙腈當溶劑利用[CuI (bispicolylamine)](BF4) (4) 對 500 當 量環己烷催化，使用 200 當量的 H2O2反應 3 小時後，得到的晶體結構。

41

3-6 三核銅金屬簇離子化合物 [Cu

I

Cu

I

Cu

I

(7-Dipy)](BF

4

) (1)

與環己烷的催化反應之時間追蹤研究

在室溫含高純度氮氣的環境下，以無水乙腈(CH3CN)當溶劑，利 用 含 氮 配 位 基 7-Dipy (10.0 mg, 16.4 µmol) ， 加 入 3 當 量 的 [CuI(CH3CN)4](BF4) ， 形 成 三 核 銅 金 屬 簇 離 子 化 合 物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1)，並加入 500 當量的環己烷當受質，分別 加入 50 當量和 200 當量 35%的 H2O2當氧化劑，反應 5, 10, 15, 30, 45, 90, 180 分鐘，對氧化後的產物做定量分析，在氧化後加入 0.1 mmol 的內標準品正癸烷(C10H20)，並以矽膠(silica gel)除去三核銅金屬簇離

子化合物後，測 GC-MS 層析圖計算出 TON 值(C6H12O＋2×C6H10O)。

(圖 3-17)

圖 3-17：[CuI

CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 在室溫下分別加入 50 當量和 200 當量 H2O2

42 由 時 間 過 程 曲 線 圖 中 ， 發 現 三 核 銅 簇 化 物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 催化環己烷受質，在反應 45 分鐘時 H2O2 已被耗盡，且每消耗三莫耳的 H2O2會進行一次的催化反應，這顯示 H2O2 的量會限制催化反應的進行。藉由[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 當催化劑加入 200 當量 H2O2當氧化劑，500 當量的環己烷當受質， 反應 5, 10, 15, 30, 45, 90, 180 分鐘中，實驗觀察到的數據，可推導出 在 200 當量雙氧水濃度下 TOF ≈ 1 × 10-1 s-1。 在室溫下，以無水乙腈(CH3CN)當溶劑，分別將單銅金屬離子化 合物[CuI (CH3CN)4](BF4) (3)、[CuI(bispicolylamine)](BF4) (4) 加入 500 當量的環己烷當受質，以 200 當量 H2O2當氧化劑，在反應不同時間 5, 10, 15, 30, 45, 90, 180 分鐘下，測量其催化的 TON 值。三核銅金屬 簇離子化合物[CuI CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 在相同條件的催化反應下， 與 單 銅 金 屬 簇 離 子 化 合 物 [CuI (CH3CN)4](BF4) (3) 、 [CuI(bispicolylamine)](BF4) (4)時間過程曲線比較圖如下。(圖 3-18)

43 圖 3-18 ： 1 當 量 [CuI CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) ； [Cu(CH3CN)4](BF4) (3) ； [CuI(bispicolylamine)](BF4) (4) 分別在室溫下，加入 200 當量 H2O2催化 500 當量 環己烷，個別反應 5, 10, 15, 30, 45, 90, 180 分鐘的 TON 值。 因此，我們針對[CuI CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 與氧化劑 H2O2和環 己烷受質的反應，推測一個可能的催化反應機構(圖 3-19)。在此催化 反應的起始步驟(initation step)，起初並無氧氣的存在，而是利用兩當 量的 H2O2進行自身氧化還原以提供氧氣來源，氧化起始的三核銅金 屬簇離子化合物[CuI CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1)，形成高活性的中間物

[CuIICuII(µ-O)2CuIII(7-Dipy)]+ (5)，此時高活性的中間物將氧原子快速

嵌 入 環 己 烷 受 質 的 C － H 鍵 中 ， 接 著 形 成 混 價 的 [CuICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)]+ (6)，在延續步驟中(propagation step)，H2O2

可 以 氧 化 [CuI

CuII(µ-O)CuII(7-Dipy)]+ (6) 回 到 高 活 性 的 中 間 物 [CuIICuII(µ-O)2CuIII(7-Dipy)]+ (5)，繼續對環己烷羥基做催化反應，其

44

中包含了部分的環己醇轉換成環己酮直到催化反應終止。在終止步驟 (termination step) 時 ， [CuII

CuII(µ-O)2CuIII(7-Dipy)]+ (5) 和

[CuICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)]+ (6) 這兩者分子間的電子傳遞生成穩定的 [CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)]+ (2) 簇化物。

45

圖 3-19：推測藉由[CuI

CuICuI(7-Dipy)]+ (1) 加入雙氧水傳遞氧原子催化環己烷之 反應機構圖。

46

3-7 三核銅金屬簇離子化合物 [Cu

I

Cu

I

Cu

I

(7-Dipy)](BF

4

) (1)

與 氧 氣 反 應 形 成 三 核 銅 金 屬 含 氧 簇 離 子 化 合 物

[Cu

II

Cu

II

(µ-O)Cu

II

(7-Dipy)](BF

4

)

2

(2) 之電化學研究

電化學中一般最常使用的電極系統為三電極系統，包括了工作電 極 (working electrode)、輔助電極 (counter electrode) 及參考電極 (reference electrode)。而進行循環伏特安培法，電極表面周圍會發生 氧化還原，給予的正或負電位越大時，溶液中反應物質擴散的速率比 氧化或還原速率慢，造成電極表面濃度極化，電流因此下降，所得到 的伏特安培圖為波的形狀。 在室溫下，配置 50 mL 的輔助電解質 0.001 M TBATFB / MeCN， 取適量輔助電解質加入電解槽中，通入氮氣除氧約 5 分鐘後，接上 Pt 工作電極、Pt 輔助電極，以 Ag / Ag+為參考電極，設定掃描速度 為 0.5 V/s，即可得到 CV 圖。(圖 3-20)

47 圖 3-20：背景值之 CV 圖。實驗條件：Pt 工作電極、Pt 輔助電極、Ag / Ag+ 参 考電極、0.001 MTBATFB / MeCN、掃描速度 0.5 V/s。 在室溫下，配置 50 mL 的輔助電解質 0.001 M TBATFB / MeCN， 取適量輔助電解質加入電解槽中，通入氮氣除氧約 5 分鐘後，加入 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 與 氧 氣 反 應 後 形 成

[CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4)2 (2) 之樣品，再通入氮氣除氧約 5 分

鐘後，接上 Pt 工作電極、Pt 輔助電極，以 Ag / Ag+_{為參考電極，設}

定掃描速度為 0.5 V/s，即可得到 CV 圖。(圖 3-21)

圖 3-21 ： [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 與 氧 氣 反 應 後 形 成

[CuIICuII(µ -O)CuII(7-Dipy)](BF4)2 (2) 樣品之 CV 圖。實驗條件：Pt 工作電極、Pt

輔助電極、Ag / Ag+

48

3-8 三核銅金屬簇離子化合物 [Cu

I

Cu

I

Cu

I

(7-Dipy)](BF

4

) (1)

與雙氧水反應時中間物之 EPR 研究

一般銅金屬催化劑，是利用過氧化酶 ([O－O] 2-) 氧化環己烷生 成環己醇和環己酮，在反應中可以活化雙氧水形成·OH 和·OOH 自由 基，氧化 C－H 鍵形成產物，通常經自由基反應機構。為了證明我們 的三核銅簇化物[CuI CuICuI(7-Dipy)]+ (1) 反應機構是經由單氧直接嵌 入 (O-atom insertion)，所以必須設計一系列實驗，檢測三核銅簇化物 [CuICuICuI(7-Dipy)]+ (1) 在催化反應中是否有自由基的參與。 實驗(A)，在室溫含高純度氮氣的環境下，以無水乙腈 CH3CN (1 ml)當溶劑，利用含氮配位基 7-Dipy (19 µmol)，加入 3 當量的 [CuI(CH3CN)4](BF4)，形成化合物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1)，再加

入對自由基物質相當靈敏的 10 當量 5,5-dimethyl-pyrroline-N-oxide (DMPO, 190 µmol) 和 200 當量環己烷攪拌 15 分鐘，最後加入 50 當 量 35%的 H2O2 (80 µl ~962 µmol) 當氧化劑，直接測室溫 EPR 訊號(圖

49

在圖 3-22 (a) 中發現 EPR 圖譜，沒有 DMPO 物質捕捉到·OH 或·OOH 形成 DMPO-OH 或 DMPO-OOH 自由基的訊號，只存在 CuII 訊號，而 g 值 (gavg) 分別為 2.05, 2.09, 2.11，相對應等同性

的 CuII_{超精細耦合常數(hyperfine constant from copper atom, a} Cu) 為 65, 72, 96 G，與模擬圖有相似的訊號，若沒有加入環己烷時， EPR 訊號也與 (a) 圖相同。 實驗(B)，在室溫含高純度氮氣的環境下，以無水乙腈 CH3CN (1 ml)當溶劑，將三核銅簇化物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 通入氧氣生 成的三核銅含氧簇化物[CuII

CuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4)2 (2) (19 µmol)，

加入 10 當量 DMPO (190 µmol)，再加入 50 當量 35%的 H2O2 (80 µl ~962 µmol)，測室溫 EPR 訊號(圖 3-22b)。 在圖 3-22 (b) 中，在 g = 2.006 有一組 1：2：2：1 的訊號分裂， 這是由14 N 和 1H 超精細耦合常數疊加的結果(aN, aHβ ≈ 12.8 G)，為氮 氧自由基 DMPO-OH 的特徵鋒，相對於 CuII_{訊號，氮氧自由基的訊} 號強度相對較弱。 實驗(C)，在室溫含高純度氮氣的環境下，以無水乙腈 CH3CN (1

50

µmol)，再加入 50 當量 35%的 H2O2 (80 µl ~962 µmol)，測室溫 EPR

訊號(圖 3-22c)。

在圖 3-22 (c) 中，有一組相對於實驗(B)很強的 DMPO-OH 訊號，

但沒有看到 CuII_{的光譜訊號，這是因為 Cu}II_{已經全部被還原成 Cu}I_，

51

圖 3-22：室溫 EPR 光譜圖 (a) [CuI

CuICuI(7-Dipy)](BF4 ) (b) [CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)]

(BF4)2 (c) CuSO4·5H2O 化合物加入雙氧水和 DMPO 以乙腈(1 mL)當溶劑。EPR 参數：

微波頻率(microwave frequency), 9.77 GHz；微波功率(microwave power), 2 mW；調 節幅度(modulation amplitude), 在 100 kHz 時 2 G；轉換時間(conversion time), 40.96 ms；時間常數(time constant), 81.96 ms。

從實驗(A) ~ (C)的室溫 EPR 圖中，可以發現三核銅簇化物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 和 三 核 銅 含 氧 簇 化 物

[CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4)2 (2) 有 明 顯 的 差 異 ， 這 顯 示

[CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4)2 (2) 的氧化涉及·OH 自由基的反應機

構 。 假 如 · OOH 自 由 基 也 包 含 其 中 ， 表 示 生 成 的 主 要 產 物 為 cyclohexylhydroperoxide (CyOOH)，而產物環己醇 (C6H12O) 和環己 酮 (C6H10O) 的生成，則是由 CyOOH 自動解離還原而得。然而，剩 下 的 CyOOH 可 藉 由 加 入 triphenylphosphine (PPh3) 被 還 原 並 用 GC-MS 偵測到，但實驗結果發現加入 PPh3後，產物環己醇 (C6H12O) 和環己酮 (C6H10O) 的生成和沒有加入 PPh3的產率相近，這個結果可 以排除三核銅簇化物藉由 H2O2還原，形成自由基物質氧化 C6H12的 可能。 Triphenylphosphine (PPh3)

52

四、 結論

1. 本 實 驗 室 首 先 合 成 出 三 核 銅 金 屬 離 子 簇 化 物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 當氧化催化劑，對 C－H 鍵進行羥化反 應，並使用環己烷當受質去評估在室溫常壓下的效能。這個三核銅金 屬離子簇化物己被證實，在室溫乙腈溶劑中加入 H2O2，可有效地持 續氧化催化環己烷生成環己醇和環己酮。 2. 此三核銅簇化物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 催化環己烷受 質，在反應 45 分鐘時 H2O2會被耗盡，且每消耗三莫耳的 H2O2會進 行一次的催化反應，這顯示 H2O2的量會限制催化反應的進行，藉由 H2O2提供的訊息可推測其反應機構過程。 3. 我們利用 DMPO 對自由基物質相當靈敏的性質，設計一系列 實驗，由實驗得到的 EPR 圖譜中，我們可以排除三核銅簇化物 [CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 加入 H2O2 進行催化反應時是屬於自由 基反應機構。針對三核銅簇化物[CuI CuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 藉由 H2O2 產生過渡態的活性中間物，我們推測此活性中間物可將單氧直 接嵌入 C－H 鍵的受質中，類似微粒體甲烷單氧化酵素 pMMO 的反 應機制。

53 五、 參考文獻

1. Olah; George, A. Beyond oil and gas: The methanoleconomy; Wiley-VCH: Weinheim, ALLEMAGNE, 2005, 44.

2. Periana, R. A.; Bhalla, G.; Tenn, W. J.; Young, K. J. H.; Liu, X. Y.; Mironov, O.; Jones, C. J.; Ziatdinov, V. R., Perspectives on some challenges and approaches for developing the next generation of selective, low temperature, oxidation catalysts for alkane hydroxylation based on the CH activation reaction. J. Mol. Catal. A-Chem. 2004, 220 (1), 7-25. 3. Shindell, D. T.; Faluvegi, G.; Koch, D. M.; Schmidt, G. A.; Unger, N.; Bauer, S. E., Improved Attribution of Climate Forcing to Emissions.

Science 2009, 326 (5953), 716-718.

4. Rosenzweig, A. C.; Frederick, C. A.; Lippard, S. J.; Nordlund, P.

Nature 1993, 366, 537.

5. Lipscomb, J. D. Annu. Rev. Microbiol. 1994, 48, 371.

6. Choi, D. W.; Kunz, R. C.; Boyd, E. S.; Semrau, J. D.; Antholine, W. E.; Han, J. I.; Zahn, J. A.; Boyd, J. M.; de la Mora, A. M.; DiSpirito, A. A. J.

Bacteriol. 2003, 185, 5755

.

7.Chan, S. I.; Yu, S. S. F. Accounts Chem. Res. 2008, 41, 969.

8.Chan, S. I.; Wang, V. C. C.; Lai, J. C. H.; Yu, S. S. F.; Chen, P. P. Y.; Chen, K. H. C.; Chen, C. L.; Chan, M. K. Angew. Chem.-Int. Edit. 2007,

46, 1992.

9.Lieberman, R. L.; Rosenzweig, A. C., Crystal structure of a membrane-bound metalloenzyme that catalyses the biological oxidation of methane. Nature 2005, 434 (7030), 177-182.

10. Yu, S. S. F.; Chen, K. H. C.; Tseng, M. Y. H.; Wang, Y. S.; Tseng, C. F.; Chen, Y. J.; Huang, D. S.; Chan, S. I., Production of high-quality particulate methane monooxygenase in high yields from Methylococcus