國 立 交 通 大 學
應用化學系碩士班
碩士論文
以紅外線光譜探討氮-甲基丙醯胺的自結合現象
FT-IR Studies on the Self-Association of
N-methylpropionamide in Various Solvents
研 究 生：林偉智
指導教授：陳振興 博士
以紅外線光譜探討氮-甲基丙醯胺的自結合現象
FT-IR Studies on the Self-Association of
N-methylpropionamide in Various Solvents
研 究 生：
林偉智
Student：Wei-Chi Lin
指導教授：陳振興 博士 Advisor：Dr. Jenn-Shing Chen
國立交通大學
應用化學系碩士班
碩士論文
A Thesis
Submitted to M.S Program, Department of Applied Chemistry College of Science
National Chiao Tung University in Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master in
Applied Chemistry July 2011
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
I 以紅外線光譜探討氮-甲基丙醯胺的自結合現象 學生:林偉智 指導教授: 陳振興 博士 國立交通大學應用化學系碩士班 摘要 氫鍵對於蛋白質內胺基酸間的穩定性一直扮演著很重要的角色， 但胺基酸本身很容易自結合成多體。在過去數十年間，胺基酸間氫 鍵的熱力學參數並不易求得。胺基酸的衍生物之一，氮-甲基丙醯胺 同樣是很容易自結合成多體的化合物，但是在高度稀釋的氮-甲基丙 醯胺溶液中可視為只有單體與雙體存在。因此原本不易求得的熱力 學參數能夠利用本實驗室所發展出的新方法來精確的求出。FT-IR 光 譜儀則是此次用來研究單雙體自結合的工具。將 IR 光譜中受氫鍵擾 動 (N-H…O=C) 的線性雙體 N-H 基伸縮振動吸收鋒總吸收度數據， 代入公式 (2-19) 可以得到氮-甲基丙醯胺在不同溶劑與不同溫度下 的單雙體自結合平衡常數 K 與線性雙體總莫耳吸收係數 εd。標準焓 ΔHo與標準熵 ΔSo則利用不同溫度下的平衡常數 K 以 van’t Hoff 理 論作圖求得。反式單體 N-H 基總莫耳吸收係數 εm,t與線性雙體 N-H 端基總莫耳吸收係數 εm,2藉由 IR 光譜中反式單體的 N-H 基伸縮振動 吸收鋒總吸收度數據，代入公式 (2-36) 求得。為了確認氮-甲基丙 醯胺在不同溶劑與不同溫度下的雙體是以線性雙體存在，以 Am2/Ad
II
對製備濃度[B]0作圖可發現是一條斜率為正值的直線。理論計算 (見
附錄 A3) 亦表明氮-甲基丙醯胺的雙體為線性雙體。從不同溶劑下 所求出標準焓ΔH、標準熵 ΔSo及平衡常數 K 可觀察到會隨著隨溶劑
III
FT-IR Studies on the Self-Association of N-methylpropionamide in Various Solvents
Student:Wei-Chi Lin Advisor: Dr. Jenn-Shing Chen M.S. Program, Department of Applied Chemistry
National Chiao Tung University Abstract
The hydrogen bond between amino acids in proteins plays a crucial
role on its stability. In the past few decades the thermodynamic parameters for hydrogen bonding of amino acids and their derivatives
have been endeavored to obtain. N-methylpropioamide, the derivatives of
amino acids, is choosen for this study. In the very dilute solution, N-methylpropioamide exists trans monomer and linear dimer. And it becomes feasible to accurately study the self-association in various solvents at various temperatures. FT-IR has been employed to this purpose. Upon deconvolution of N-H stretching bands, the dimerization constant and the N-H stretching (N-H…O=C) molar absorptivity of the linear dimer N-H group can be obtained via fitting associated linear dimer N-H stretching (N-H…O=C) intergrated absorbance into equation (2-19). The enthalpy and entropy can be determined via a van’t Hoff plot from temperature-dependent dimeration constants. The N-H stretching molar absorptivities of the trans monomer N-H group and the end N-H group in linear dimer can be obtained via fitting trans monomer N-H stretching intergrated absorbances into equation (2-36). The linearity of dimer form has been confirmed by the plot of Am2/Ad against [B]0 , which
appears to be linear with positive slope. Theoretical calculation (appendix A3) also indicates linearity of dimer form. Solvent effect in this study
shows that as the dielectric constant of the solvent increases the dimerization constants, enthalpy and entropy will decrease.
IV
誌謝
由衷的感謝我的指導教授 陳振興老師在實驗及論文上，不厭其 煩的指導與修改，讓我能夠順利完成這個研究。同時，也非常感謝 蘇志明老師在理論計算上的幫忙，讓我在實驗上的結果能夠有理論 的支持。感謝我的口試委員 裘性天老師百忙中撥冗審閱論文，並給 予寶貴的意見。 謝謝在這段求學期間，陪伴我的學長葉葵廷，同學葉于榮、陳 穎輝與廖先德。最後也感謝我的家人，在這段求學間給予經濟上的 支持，讓我能夠更專注於研究上。V 總目錄 中文摘要 I 英文摘要 III 誌謝 ...IV 總目錄 ... V 圖目錄 ... VIII 表目錄 ... XVII 第一章 緒論 ... 1 1.1 紅外線光譜於生化上的應用 ··· 1 1.2 氫鍵的形成對於IR 光譜上的影響 ··· 5 1.3 由胜肽鍵 (peptide bond) 為骨幹所構成的蛋白質 ··· 5 1.4 氮-單取代醯胺類分子的自結合模型回顧 ··· 16 第二章 利用IR 光譜求取自結合平衡常數及總莫耳吸收係數之公式推導 ... 22 2.1 公式推導 ··· 22 2.2 實驗方法 ··· 32 2.2.1 儀器設備 ... 32 2.2.2 實驗藥品 ... 33 2.2.3 實驗步驟 ... 33 第三章 氮-甲基丙醯胺的在不同溶劑下的自結合 ... 35 3.1 前言 ··· 35 3.2 實驗數據 ··· 40 3.2.1 氮-甲基丙烯胺 (NMP) 於三氯乙烯 (C2HCl3) 系統 ... 40 3.2.2 氮-甲基丙烯胺 (NMP) 於二硫化碳 (CS2) 系統 ... 49 3.2.3 氮-甲基丙烯胺 (NMP) 於四氯乙烯 (C2Cl4) 系統 ... 58 3.2.4 氮-甲基丙烯胺 (NMP) 於四氯化碳 (CCl4) 系統 ... 67 3.2.5 氮-甲基丙烯胺 (NMP) 於環己烷 (cyclohexane) 系統 ... 76 第四章 實驗結果討論 ... 85 4.1 以單體數據求取平衡常數 ··· 85 4.2 理論計算與實驗數據比較 ··· 102 4.3 驗證氮-甲基丙醯胺 (NMP) 為線性自結合 ··· 110 4.4 文獻上氮-單取代醯胺的自結合研究與實驗結果比較 ··· 115 第五章 結論 ... 125
VI 附錄Appendix ... 127 附錄A1 ··· 127 附錄A2 ··· 130 附錄A3 ··· 133 A3.1 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 幾何結構最佳化 ... 133 A3.2 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 的 N-H 伸縮振動頻率與吸收係數 ... 140 A3.3 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 的能量和偶極矩 ... 145 參考文獻 ... 154
VIII
圖目錄
圖1.1 α-螺旋體 (α-helix) 示意圖，圖中的虛線表示氫鍵。 ... 3
圖1.2 β-摺疊片 (β-sheets) 示意圖，上為俯視圖，下為側視圖，圖中的虛線
表示氫鍵，R 代表烷氫基 (alkyl group)。 ... 3 圖1.3 低密度脂蛋白 (low-density lipoprotein)，以 A (胰蛋白酵素，trypsin)
與B (蛋白分解酶，proteinase K) 兩種不同酵素分解後，分別以羅倫茲 (Lorentzian) 曲線擬合圖。 ... 4 圖1.4 蛋白質中部分β-摺疊片 (β-sheets) 的反平行 (anti-parallel) 結構，圖中 虛線代表氫鍵。 ... 6 圖1.5 純液態時，氮-甲基乙醯胺 (NMA) 以分子間氫鍵所構成的類 β-摺疊 片，虛線代表氫鍵。 ... 7 圖1.6 氮-甲基乙醯胺 (NMA) 於四氯化碳下，在 20˚C、30˚C、40˚C、50˚C 時濃度對表觀偶極矩 ( 2 app μ ) 的影響。 ... 9 圖1.7 醯胺類分子具有的兩種平面構型，圖中R 代表烷氫基(alkyl group)。 10 圖1.8 氮-甲基乙醯胺 (NMA) 於四氯化碳中，濃度 1.144 M，溫度 30˚C 下 400MHz 1H NMR 氫譜，圖中順式與反式的訊號以 c 及 t 表示。 ... 11 圖1.9 氮-甲基丙醯胺(NMP) 於氘-三氯乙烷 (CDCl3) 中，濃度 0.0121M，室 溫25˚C 下所量測的氫譜。圖中順式與反式的訊號以 c 及 t 表示。 ... 12 圖1.10 將圖 1.9 的 2.5ppm 到 3.1ppm 處放大。於 2.8-2.9ppm 之間可以觀測到 兩種構型。 ... 13 圖1.11 羧肽酶中的部分片段，(X) 及 (Y) 為蛋白質片段中的殘基 (residues)，圖中的虛線代表氫鍵。 ... 15 圖1.12 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在四氯乙烯，298K 下，濃度由 3.0×10-2 M 到 4.6×10-3 M 的 IR 光譜圖。(由上而下濃度分別為 3.1×10-2、3.0×10-2、 2.7×10-2、2.5×10-2、2.1×10-2、1.9×10-2、1.6×10-2、9.7×10-3、 4.6×10-3 M ) ... 19 圖1.13 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在四氯乙烯，298K，3.1×10-2 M 下 IR 光譜的 適解曲線。 ... 20 圖1.14 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在四氯乙烯，298K，1.6×10-2 M 下 IR 光譜的適 解曲線。 ... 21 圖1.15 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在四氯乙烯，298K，4.6×10-3 M 下 IR 光譜的適 解曲線。 ... 21 圖3.1 2,2-二甲基-3-乙基-3-戊醇 (DMEP) 自結合示意圖，虛線代表氫鍵。 35 圖3.2 2,2-二甲基-3-乙基-3-戊醇 (DMEP) 在四氯乙烯，298K，0.1958 M 下 IR 光譜的適解曲線。 ... 36
IX
圖3.3 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 的四種構型，分別為順式單體 (cis monomer，
左上)、反式單體 (trans monomer，右上)、環狀雙體 (cylic dimer，左 下) 與線性雙體 (linear dimer，右下)，圖中的虛線代表氫鍵。 ... 37
圖3.4 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在四氯乙烯，298K，7.1×10-3 mol L-1下IR 光
譜的適解曲線。圖中3469 cm-1、3426 cm-1與3370 cm-1處的吸收鋒分 別為反式單體 (trans monomer)、順式單體 (cis monomer) 與線性雙體 (linear dimer) 所貢獻的訊號。 ... 38
圖3.5 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 以反式單體 (trans monomer) 自結合成線性雙
體 (linear dimer) 的示意圖，圖中虛線代表氫鍵。 ... 39
圖3.6 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在三氯乙烯，298K 下的 IR 光譜圖。(由上而下
濃度分別為 0.01480 mol L-1、0.01362 mol L-1、0.01151 mol L-1、
0.009398 mol L-1、0.007407 mol L-1) ... 40 圖3.7 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在三氯乙烯，298K 下濃度 0.01480 mol L-1 IR 光譜的適解曲線。 ... 41 圖3.8 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於三氯乙烯，以 Ad對[B]0作圖。圖中四組溫度 為：288K(－■－)、298K(－●－)、308K(－▲－)、318K(－▼－)。 .... 45 圖3.9 利用公式 (2-19) 所得到氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於三氯乙烯下之線性 圖。圖中四組溫度為：288K(－■－)、298K(－●－)、308K(－▲－)、 318K(－▼－)。 ... 45 圖3.10 利用公式 (2-36) 所得到氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於三氯乙烯下的線性 圖。圖中四組溫度為：288K (－■－)、298K(－●－)、308K(－▲－)、 318K(－▼－)。 ... 47 圖3.11 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於三氯乙烯下的 van’t Hoff plot。 ... 47
圖3.12 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在二硫化碳，298K 下的 IR 光譜圖(由上而下濃
度分別為 0.007464 mol L-1、0.006405 mol L-1、0.005373 mol L-1、 0.004327 mol L-1、0.003339 mol L-1)。 ... 49 圖3.13 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在二硫化碳，298K 下濃度 0.005373 mol L-1 IR 光譜的適解曲線。 ... 50 圖3.14 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於二硫化碳，以 Ad對[B]0作圖。圖中四組溫度 為：288K(－■－)、298K(－●－)、308K(－▲－)、318K(－▼－)。 .... 54 圖3.15 利用公式 (2-19) 所得到氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於二硫化碳下之線性 圖。圖中四組溫度為：288K(－■－)、298K(－●－)、308K(－▲－)、 318K(－▼－)。 ... 54 圖3.16 利用公式 (2-36) 所得到氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於三氯乙烯下的線性 圖。圖中四組溫度為：288K (－■－)、298K(－●－)、308K(－▲－)、 318K(－▼－)。 ... 56
X
圖3.18 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在四氯乙烯，298K 下的 IR 光譜圖 (由上而下
濃度分別為0.008149 mol L-1、0.007134 mol L-1、0.005929 mol L-1、 0.004892 mol L-1、0.003585 mol L-1)。 ... 58 圖3.19 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在四氯乙烯，298K 下濃度 0.007134 mol L-1 IR 光譜的適解曲線。 ... 59 圖3.20 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯乙烯下，以 Ad對[B]0作圖。圖中四組溫 度為：298K(－■－)、308K(－●－)、318K(－▲－)、 328K(－▼－)。 ... 63 圖3.21 利用公式 (2-19) 所得到氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯乙烯下之線性 圖。圖中四組溫度為：298K(－■－)、308K(－●－)、318K(－▲－)、 328K(－▼－)。 ... 63 圖3.22 利用公式 (2-36) 所得到氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯乙烯下的線性 圖。圖中四組溫度為：298K (－■－)、308K(－●－)、318K(－▲－)、 328K(－▼－)。 ... 65 圖3.23 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯乙烯系統下的 van’t Hoff plot。 ... 65
圖3.24 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在四氯化碳，328K 下的 IR 光譜圖。(由上而下
濃度分別為0.01425 mol L-1、0.01231 mol L-1、0.009501 mol L-1、 0.007196 mol L-1、0.004781 mol L-1) ... 67 圖3.25 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在四氯化碳，328K 下濃度 0.009501 mol L-1 IR 光譜的適解曲線。 ... 68 圖3.26 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯化碳，以 Ad對[B]0作圖。圖中四組溫度 為：308K(－■－)、318K(－●－)、328K(－▲－)、338K(－▼－)。 .... 72 圖3.27 利用公式 (2-19) 所得到氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯化碳下之線性 圖。圖中四組溫度為：308K(－■－)、318K(－●－)、328K(－▲－)、 338K(－▼－)。 ... 72 圖3.28 利用公式 (2-36) 所得到氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯乙烯下的線性 圖。圖中四組溫度為：308K (－■－)、318K(－●－)、328K(－▲－)、 338K(－▼－)。 ... 74
圖3.29 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯化碳系統下的 van’t Hoff plot。 ... 74
圖3.30 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在環己烷，308K 下的 IR 光譜圖。(由上而下濃
度分別為0.003538 mol L-1、0.003266 mol L-1、0.002951 mol L-1、 0.002676 mol L-1、0.002380 mol L-1) ... 76 圖3.31 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在環己烷，308K 下濃度 0.003538 mol L-1 IR 光 譜的適解曲線。 ... 77 圖3.32 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於環己烷下，以 Ad對[B]0作圖。 圖中四組溫 度為：308K(－■－)、318K(－●－)、323K(－▲－)、 328K(－▼－)。 ... 81
XI 圖3.33 利用公式 (2-19) 所得到氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於環己烷下之線性 圖。圖中四組溫度為：308K(－■－)、 318K(－●－)、323K(－▲－)、 328K(－▼－)。 ... 81 圖3.34 利用公式 (2-36) 所得到氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯乙烯下的線性 圖。圖中四組溫度為：308K (－■－)、 318K(－●－)、323K(－▲－)、 328K(－▼－)。 ... 83 圖3.35 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於環己烷系統下的 van’t Hoff plot。 ... 83
圖4.1 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 以反式單體 (trans monomer) 自結合成環狀雙 體 (cylic dimer) 的示意圖，圖中的虛線代表氫鍵。 ... 86 圖4.2 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於三氯乙烯，以 Am對[B]0作圖。圖中四組溫度 為：288K(－■－)、298K(－●－)、308K(－▲－)、318K(－▼－)。 .... 87 圖4.3 利用公式 (2-26) 所得到氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於三氯乙烯下之線性 圖。圖中四組溫度為：288K(－■－)、298K(－●－)、308K(－▲－)、 318K(－▼－)。 ... 88 圖4.4 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於二硫化碳，以 Am對[B]0作圖。圖中四組溫 度為：288K(－■－)、298K(－●－)、308K(－▲－)、 318K(－▼－)。 ... 89 圖4.5 利用公式 (2-26) 所得到氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於二硫化碳下之線性 圖。圖中四組溫度為：288K(－■－)、298K(－●－)、308K(－▲－)、 318K(－▼－)。 ... 90 圖4.6 利用公式 (2-26) 所得到氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯乙烯下，Am對 [B]0作圖。圖中四組溫度為：298K(－■－)、308K(－●－)、 318K(－▲－)、328K(－▼－)。 ... 91 圖4.7 利用公式 (2-26) 所得到氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯乙烯下之線性 圖。圖中四組溫度為：298K(－■－)、 308K(－●－)、318K(－▲－)、 328K(－▼－)。 ... 92 圖4.8 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯化碳，以 Am對[B]0作圖。圖中四組溫度 為：308K(－■－)、318K(－●－)、328K(－▲－)、338K(－▼－)。 .... 93 圖4.9 利用公式 (2-26) 所得到氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯化碳下之線性 圖。圖中四組溫度為：308K(－■－)、318K(－●－)、328K(－▲－)、 338K(－▼－)。 ... 94 圖4.10 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於環己烷，以 Am對[B]0作圖。圖中四組溫度 為：308K(－■－)、 318K(－●－)、323K(－▲－)、328K(－▼－)。 .. 95 圖4.11 利用公式 (2-26) 所得到氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於環己烷下之線性 圖。圖中四度溫度為：308K(－■－)、318K(－●－)、323K(－▲－)、 328K(－▼－)。 ... 96
XII 圖4.12 虛線 ( ) 表示氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於三氯乙烯 298K 下， 0.01480 mol L-1的IR 光譜圖。垂直實線 ( ) 表示理論計算所得到 之吸收位置與強度 (箭頭所指的訊號為 IR 光譜圖的最大吸收鋒 位置)。 ... 103 圖4.13 虛線 ( ) 表示氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於二硫化碳 298K 下， 0.005373 mol L-1的IR 光譜圖，垂直實線 ( ) 表示理論計算所得到 之吸收位置與強度 (箭頭所指的訊號為 IR 光譜圖的最大吸收鋒 位 置)。 ... 104 圖4.14 虛線 ( ) 表示氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯乙烯 298K 下， 0.007134 mol L-1的IR 光譜圖，垂直實線 ( ) 表示理論計算所得到 之吸收位置與強度 箭頭所指的訊號為 IR 光譜圖的最大吸收鋒 位置)。 ... 104 圖4.15 虛線 ( ) 表示氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯化碳 328K 下， 0.009501 mol L-1的IR 光譜圖，垂直實線 ( ) 表示理論計算所得到 之吸收位置與強度 (箭頭所指的訊號為 IR 光譜圖的最大吸收鋒 位置)。 ... 105 圖4.16 虛線 ( ) 表示氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於環己烷 308K 下， 0.003538 mol L-1的IR 光譜圖，垂直實線 ( ) 表示理論計算所得到 之吸收位置與強度 (箭頭所指的訊號為 IR 光譜圖的最大吸收鋒位置)。 ... 105 圖4.17 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在三氯乙烯系統下，以A Am2 d1對製備濃度[B]0 作圖。圖中四組溫度為：288K(－■－)、298K(－●－)、308K(－▲－)、 318K(－◆－)。 ... 112 圖4.18 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在二硫化碳系統下，以A Am2 d1對製備濃度[B]0 作圖。圖中四組溫度為：298K(－■－)、308K(－●－)、318K(－▲－)、 328K(－◆－)。 ... 112 圖4.19 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在四氯乙烯系統下，以A Am2 d1對製備濃度[B]0 作圖。圖中四組溫度為：288K(－■－)、298K(－●－)、308K(－▲－)、 318K(－◆－)。 ... 113 圖4.20 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在四氯化碳系統下，以 2 1 m d A A 對製備濃度[B]0 作圖。圖中四組溫度為：298K(－■－)、308K(－●－)、318K(－▲－)、 328K(－◆－)。 ... 113 圖4.21 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在環己烷系統下，以 2 1 m d A A 對製備濃度[B]0作 圖。圖中四組溫度為：308K(－■－)、318K(－●－)、323K(－▲－)、 328K(－◆－)。 ... 114 圖4.22 氮-單取代醯胺 (N-monosubsutude) 化合物：NMP、NEA、NMA、 NiPA、NtBA、NBA、2-ACT、NBF、NMtCA (圖中括號為化合物名稱 縮寫)。 ... 116
XIII
圖A.1 以氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在四氯乙烯溶劑下，利用式 (A 1-15) 在不同
平衡常數K 下，以 η 對[B]0作圖。圖中的四種線條分別為K = 24
( )、K = 19 ( )、K = 14 ( )、K = 11 ( )。 ... 129
圖A.2 以 B3LYP/6-31G** 層次計算氮-甲基丙醯胺 (NMP) 的反式單體
(trans monomer，上圖) 與順式單體 (cis monomer，下圖) 幾何 結構圖。 ... 134
圖A.3 以 B3LYP/6-31G** 層次計算氮-甲基丙醯胺 (NMP) 的環狀雙體
(cylic dimer，上圖) 與線性雙體 (linear dimer，下圖) 幾何 結構圖。 ... 135
圖A.4 以 PBE1PBE/6-311++G**層次預測氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於三氯乙烯
系統中，順式單體 (cis monomer)、反式單體 (trans monomer)、線性雙 體 (linear dimer) 與環狀雙體 (cylic dimer) 的 N-H 基伸縮振動強度對 吸收位置圖。 ... 142
圖A.5 以 PBE1PBE/6-311++G**層次預測氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於二硫化碳
系統中，順式單體 (cis monomer)、反式單體 (trans monomer)、線性雙 體 (linear dimer) 與環狀雙體 (cylic dimer) 的 N-H 基伸縮振動強度對 吸收位置圖。 ... 142
圖A.6 以 PBE1PBE/6-311++G**層次預測氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯乙烯
系統中，順式單體 (cis monomer)、反式單體 (trans monomer)、線性雙 體 (linear dimer) 與環狀雙體 (cylic dimer) 的 N-H 基伸縮振動強度對 吸收位置圖。 ... 143
圖A.7 以 PBE1PBE/6-311++G**層次預測氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯化碳
系統中，順式單體 (cis monomer)、反式單體 (trans monomer)、線性雙 體 (linear dimer) 與環狀雙體 (cylic dimer) 的 N-H 基伸縮振動強度對 吸收位置圖。 ... 143
圖A.8 以 PBE1PBE/6-311++G**層次預測氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於環己烷系
統中，順式單體 (cis monomer)、反式單體 (trans monomer)、線性雙體 (linear dimer) 與環狀雙體 (cylic dimer) 的 N-H 基伸縮振動強度對吸收 位置圖。 ... 144 圖A.9 以 MP2/6-311+G(2d,p) 層次計算氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於真空 (vaccume)、環己烷 (C6H12)、四氯化碳 (CCl4)、四氯乙烯 (C2Cl4)、二 硫化碳 (CS2)、三氯乙烯 (C2HCl3) 下的標準焓 ΔHo。圖中的四種線條 分別代表順式單體 ( )、反式單體 ( )、線性雙體 ( )、環 狀雙體 ( )。 ... 147 圖A.10 以 MP2/6-311+G(2d,p) 層次計算氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於真空 (vaccume)、環己烷 (C6H12)、四氯化碳 (CCl4)、四氯乙烯 (C2Cl4)、二 硫化碳 (CS2)、三氯乙烯 (C2HCl3) 下的標準熵 ΔSo。圖中的四種線條 分別代表順式單體 ( )、反式單體 ( )、線性雙體 ( )、環
XIV 狀雙體 ( )。 ... 149 圖A.11 以 MP2/6-311+G(2d,p) 層次計算氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於真空 (vaccume) 、環己烷 (C6H12)、四氯化碳 (CCl4)、四氯乙烯 (C2Cl4)、 二硫化碳 (CS2)、三氯乙烯 (C2HCl3) 下的標準自由能 ΔGo。圖中的四 種線條分別代表順式單體 ( )、反式單體 ( )、線性雙體 ( )、環狀雙體 ( )。 ... 151 圖A.12 以 MP2/6-311+G(2d,p) 層次計算氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於真空 (vaccume)、環己烷 (C6H12)、四氯化碳 (CCl4)、四氯乙烯 (C2Cl4)、二 硫化碳 (CS2)、三氯乙烯 (C2HCl3) 下的的偶極矩。圖中的四種線條分 別代表順式單體 ( )、反式單體 ( )、線性雙體 ( )、環狀 雙體 ( )。 ... 153
XVII
表目錄
表1.1 蛋白質中的醯胺基依振動的本質分類Amide A 到 Amide VII 九種
類型。 ... 2 表1.2 醯胺類化合物在純液態的介電常數。 ... 8 表1.3 20˚C 下 NMA 及 NMF 於順式單體上的含量。 ... 14 表2.1 密度 (g/ml) 與溫度 (K) 關係式為density A B 1- / CT n，式中 A、B、C、n 代表依化合物而不同的參數，T 為絕對溫度 K。表內分別 為C2HCl3、CS2、C2Cl4、CCl4和cyclohexane 的四個參數。 ... 34 表3.1 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在三氯乙烯，不同濃度與不同溫度下，單體與 雙體最大吸收鋒位置、半高寬與總吸收度。 ... 42 表3.2 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於三氯乙烯系統，不同溫度下所求得的單雙體 自結合平衡常數 K，雙體總莫耳吸收係數 εd、單體總莫耳吸收係數εm,t， 雙體端基總莫耳吸收係數εm,2以及由四組不同溫度下的平衡常數所求 得的單雙體自結合標準焓ΔHo和標準熵ΔSo。 ... 48 表3.3 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於二硫化碳，不同濃度與不同溫度下，單體與 雙體最大吸收鋒位置、半高寬與總吸收度。 ... 51 表3.4 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於二硫化碳系統，不同溫度下所求得的自結合 平衡常數K，線性雙體總莫耳吸收係數 εd、反式單體總莫耳吸收係數 εm,t，線性雙體端基總莫耳吸收係數εm,2以及由四組不同溫度下的平衡 常數所求得的單雙體自結合標準焓ΔHo和標準熵ΔSo。 ... 57 表3.5 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯乙烯系統中，不同濃度與不同溫度下， 單體與雙體最大吸收鋒位置、半高寬與總吸收度。 ... 60 表3.6 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯乙烯系統，不同溫度下所求得的單雙體 自結合平衡常數K，雙體總莫耳吸收係數 εd、反式單體總莫耳吸收係 數εm,t，線性雙體端基總莫耳吸收係數εm,2以及由四組不同溫度下的平 衡常數所求得的單雙體自結合標準焓ΔHo和標準熵ΔSo。 ... 66 表3.7 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在四氯化碳系統，不同濃度與不同溫度下，單 體與雙體最大吸收鋒位置、半高寬與總吸收度。 ... 69 表3.8 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯化碳系統，不同溫度下所求得的單雙體 自結合平衡常數K，雙體總莫耳吸收係數 εd、反式單體總莫耳吸收係 數εm,t，線性雙體端基總莫耳吸收係數εm,2以及由四組不同溫度下的平 衡常數所求得的單雙體自結合標準焓ΔHo和標準熵ΔSo。 ... 75 表3.9 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於環己烷系統中，不同濃度與不同溫度下，單 體與雙體最大吸收鋒位置、半高寬與總吸收度。 ... 78
XVIII 表3.10 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於環己烷系統，不同溫度下所求得的單雙體自 結合平衡常數K，雙體總莫耳吸收係數 εd、反式單體總莫耳吸收係數 εm,t，線性雙體端基總莫耳吸收係數εm,2以及由四組不同溫度下的平衡 常數所求得的單雙體自結合標準焓ΔHo和標準熵ΔSo。 ... 84 表4.1 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於三氯乙烯系統中，不同溫度下，由單體吸收 鋒總吸收度Am與製備濃度[B]0之間的關係式 (2-26) 所求得的平衡常 數K 與單體總莫耳吸收係數 εm。 ... 88 表4.2 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於二硫化碳系統中，不同溫度下，由單體吸收 鋒總吸收度Am與製備濃度[B]0之間的關係式 (2-26) 所求得的平衡常 數K 與單體總莫耳吸收係數 εm。 ... 90 表4.3 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯乙烯系統中，不同溫度下，由單體吸收 鋒總吸收度Am與製備濃度[B]0之間的關係式 (2-26) 所求得的平衡常 數K 與單體總莫耳吸收係數 εm。 ... 92 表4.4 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於四氯化碳系統中，不同溫度下，由單體吸收 鋒總吸收度Am與製備濃度[B]0之間的關係式 (2-26) 所求得的平衡常 數K 與單體總莫耳吸收係數 εm。 ... 94 表4.5 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於環己烷系統中，不同溫度下，由單體吸收鋒 總吸收度Am與製備濃度[B]0之間的關係式 (2-26) 所求得的平衡常數 K 與單體總莫耳吸收係數 εm。 ... 96 表4.6 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在三氯乙烯、二硫化碳、四氯乙烯、四氯化碳 與環己烷系統，不同溫度下，分別由單體數據及雙體數據所求得的單 體總莫耳吸收係數εm與反式單體總莫耳吸收係數εm,t。 ... 97 表4.7 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在三氯乙烯、二硫化碳、四氯乙 烯、四氯化 碳與環己烷系統，不同溫度下，分別由單體數據及雙體數據所求得的 平衡常數K。 ... 99 表4.8 以PBE1PBE/6-311++G**層次 (level) 預測氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在三 氯乙烯、二硫化碳、四氯乙烯、四氯化碳與環己烷系統，溫度298K 下，反式單體與線性雙體端基的N-H 基伸縮振動頻率以及由實驗的 IR 光譜圖所得到的最大單體吸收鋒位置。 ... 107 表4.9 以PBE1PBE/6-311++G**層次 (level) 預測氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在三 氯乙烯、二硫化碳、四氯乙烯、四氯化碳與環己烷系統，溫度298K 下，線性雙體受氫鍵擾動的N-H 基伸縮振動頻率以及由實驗的 IR 光 譜圖所得到的最大雙體吸收鋒位置。 ... 108 表4.10 文獻上各種氮-單取代醯胺 (N-monosubstitute amide) 溶質在不同 溫度，不同溶劑下的單雙體自結合平衡常數K 以及三體以上的自結合 平衡常數 K2。單雙體自結合標準焓∆Ho、標準熵∆So及三體以上的自 結合標準焓∆Ho2、標準熵∆So2。溶質結構與全名見圖4.17。表中不同 溶劑系統下的平衡常數K 或 K2僅列一組接近室溫的值做比較。 ... 121
XIX
表A.1 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 順式單體 (cis monomer) 在 Cartesian 座標下的
幾何參數。 ... 136
表A.2 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 順式單體 (trans monomer) 在 Cartesian 座標下
的幾何參數。 ... 137
表A.3 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 環狀雙體 (cylic dimer) 在 Cartesian 座標下的
幾何參數。 ... 138
表A.4 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 線性雙體 (linear dimer) 在 Cartesian 座標下的
幾何參數。 ... 139
表A.5 以 PBE1PBE/6-311++G**層次計算氮-甲基丙醯胺 (NMP) 的反式單體
(trans monomer)、順式單體 (cis monomer)、線性雙體端基 (linear dimer end group) 、線性雙體 (linear dimer) 與環狀雙體 (cylic dimer) 在環己烷、四氯化碳、四氯乙烯、二硫化碳與三氯乙烯中 (cylic dimer)
的N-H 基伸縮振動頻率及強度。吸收頻率 (Freq.) 單位為 cm-1、吸收
強度 (Intensity) 為單位為 cm-2 mol-1 L。 ... 141
表A.6 以 MP2/6-311+G(2d,p) 層次計算氮-甲基丙醯胺 (NMP) 的順式單體
(cis monomer)、反式單體(trans monomer)、線性雙體 (linear dimer) 與 環狀雙體 (cylic dimer) 在真空、環己烷、四氯化碳、四氯乙烯、二硫 化碳及三氯乙烯下的標準焓ΔHo。(表內單位均為 kJ mol -1) ... 146
表A.7 以 MP2/6-311+G(2d,p) 層次計算在氮-甲基丙醯胺 (NMP) 的順式單體
(cis monomer)、反式單體 (trans monomer)、線性雙體 (linear dimer) 與 環狀雙體 (cylic dimer) 在真空、環己烷、四氯化碳、四氯乙烯、二硫 化碳及三氯乙烯下的標準熵ΔSo。(表內單位均為 kJ mol -1) ... 148
表A.8 以 MP2/6-311+G(2d,p) 層次計算在氮-甲基丙醯胺 (NMP) 的順式單體
(cis monomer)、反式單體 (trans monomer)、線性雙體 (linear dimer) 與 環狀雙體 (cylic dimer) 在真空、環己烷、四氯化碳、四氯乙烯、二硫 化碳及三氯乙烯下的∆Go。(表內單位均為 kJ mol -1) ... 150
表A.9 以 MP2/6-311+G(2d,p) 層次計算在氮-甲基丙醯胺 (NMP) 順式單體
(cis monomer)、反式單體 (trans monomer)、線性雙體 (linear dimer) 與 環狀雙體 (cylic dimer) 在真空、環己烷、四氯化碳、四氯乙烯、二硫 化碳及三氯乙烯下的偶極矩，表內單位均為Debye。 ... 152
1
第一章 緒論
1.1 紅外線光譜於生化上的應用 IR 紅外線光譜法是決定分子結構的重要方法之一，因為 IR 對 分子結構及化學組成有很高的靈敏度。當應用在生物系統中時，也 能藉由紅外線光譜法來檢驗蛋白質結構1,2、反應機制3,4、摺疊 (fold-ing) 和去摺疊5,6(unfolding) 等。紅外線光譜甚至能在比蛋白質結構 更大的生物系統中得到豐富的資訊7，最突出的例子8是可以利用 IR 光譜來辨視細菌菌株 (bacterial strains )。蛋白質中的醯胺基 (amide group,RC(O)NHR')，會在 IR 光譜上表現出一些特定的吸收帶。依振 動上的本質可分類為九種，依頻率由高到低分別為Amide A，Amide B 以及 Amide I 到 Amide VII 九種類型9，見表 1.1。蛋白質共被分類為四種不同等級的結構，一級、二級、三級和 四級結構。位於1600~1700 cm-1的吸收帶I (Amide I) 最常拿來做為分 析蛋白質的二級結構 (secondary structure)。最常見的二級結構如 α- 螺 旋 體 (α-helix)10， 圖1.1 。 β- 摺 疊 片 (β-pleated sheets, 簡 稱 β-sheets)11，圖1.2。這些不同的二級結構的訊號組成了吸收帶I。因
此，IR光譜可實際應用在分析蛋白質的結構，藉由擬合 (curve-fitting) 吸收帶I (Amide I) 可得知是由哪些結構組成，圖1.3是一個例 子12。
2
表1.1 蛋白質中的醯胺基依振動的本質分類Amide A到Amide VII 九種類型。
[引自Table 6.5a in ref. 9, B. Stuart, Modern Infrared Spectroscopy (John Wiley & Sons, New York, 1996), p. 118.]
Amide 頻率(cm-1) 振動的本質 (nature of vibration) A B I II III IV V VI VII ~3300 N-H Stretching ~3110 Amide II overtone
~1653 80% C=O Stretching; 10% C-N Stretching 10% N-H Bending
~1567 60% N-H Bending; 40% C-N Stretching ~1299 30% C-N stretching; 30% N-H bending 10% C=O stretching
10% O=C-N Bending; 20% Other ~627 40% O=C-N Bending; 60% Other ~725 N-H bending
~600 C=O bending ~200 C-N torsion
3
圖1.1 α-螺旋體 (α-helix) 示意圖，圖中的虛線表示氫鍵。 [引自 Fig 2.6a in Ref. 10, J. Darnell, H. Lodish, and D. Baltimore,
Molecular Cell Biology, 2nd ed. (W.H. Freeman, New York, 1990), p. 48.]
圖1.2 β-摺疊片 (β-sheets) 示意圖，上為俯視圖，下為側視圖， 圖中的虛線表示氫鍵，R代表烷氫基 (alkyl group)。 [引自 Fig 2.9 in Ref. 11, J. Darnell, H. Lodish, and D. Baltimore,
4
圖1.3 低密度脂蛋白 (low-density lipoprotein)，以 A (胰蛋白酵素， trypsin) 與 B (蛋白分解酶，proteinase K) 兩種不同酵素分 解後，分別以羅倫茲 (Lorentzian) 曲線擬合圖。
[引自Fig. 4 in ref. 12, E. Goormaghtigh, V. Cabiaux, J. D. Meutter, M. Rosseneu, and J. M. Ruysschaertt, Biochemistry 32, 6104 (1993).]
5 1.2 氫鍵的形成對於 IR 光譜上的影響 氫鍵是穩定蛋白質結構不可或缺的關鍵，而振動光譜是少數能 直接觀察到蛋白質醯胺基之間 (C=O…N-H) 或醯胺基與水 (C=O… H-O和N-H…O-H) 間的交互作用，C=O，N-H及O-H鍵會因受到氫鍵 的影響而導致振動光譜頻率的改變。舉例來說，對於乙基甲酯與水 在低溫氬氣間質 (Ar matrix) 中所形成的錯體中 (methylacetate-water complex) 13，水分子與乙基甲酯 (C=O) 形成一個氫鍵造成C=O的伸 張 (stretching) 振動頻率降低20cm-1
。根據密度泛函理論上的計算14 (density functional theory) 形成氫鍵 (C=O…H-O) 時C=O的σ＊
和π＊ 以及O-H的σ＊ 反鍵結 (antibonding) 軌域上的電子密度會增加，結果 會使得C=O以及O-H鍵結變弱且鍵長增加，因而振動鋒向低頻移動。 1.3 由胜肽鍵 (peptide bond) 為骨幹所構成的蛋白質 氫鍵在控制蛋白質結構和生化活性上扮演著重要的角色。但因 為蛋白質本身結構複雜且龐大，要直接進行氫鍵上研究是非常困難 的。也正因為如此，有一些保有部分蛋白質結構及特性的簡單分子 引起研究上的興趣。
6 檢視圖1.4蛋白質二級結構的β-折疊片 (β-sheets)15，可以發現蛋 白質是由許多胜肽鍵為骨幹所聚合而成的反式胜肽群 (trans peptide group)。氮-甲基乙醯胺 (N-methylacetamide)，簡稱NMA，是最小的 組成單位，因此它成為分析蛋白質的重要起點，在理論和實驗上都 有大量的研究16,17,18。 圖1.4 蛋白質中部分 β-摺疊片 (β-sheets) 的反平行 (anti-parallel) 結構，圖中虛線代表氫鍵。
[Adapted from Fig. 5 in ref. 15, T. W. Whitfield, G. J. Martyna, S. Allison, S. P. Bates, H.Vass, and J. Crain, J. Phys. Chem. B 110, 3624
7 理論上的研究15指出NMA，在純液態時主要是由氫鍵自結合所 形成的線型長鏈 (linear chain)，如圖1.5所示。模擬顯示在常溫下， 線型長鏈彼此會構成類似蛋白質的β-摺疊片 (β-sheets)。但是由氫鍵 所構成的線型長鍊與另一個長鍊之間的作用力很弱，真正的蛋白質 是由醯胺分子彼此先以很強的共軛鍵所鍵結，再透過氫鍵型成網狀 結構，圖1.4所示。 圖1.5 純液態時，氮-甲基乙醯胺 (NMA) 以分子間氫鍵所構成的 類β-摺疊片，虛線代表氫鍵。
[Adapted from Fig. 4 in ref. 15, T. W. Whitfield, G. J. Martyna, S. Allison, S. P. Bates, H. Vass, and J. Crain, J. Phys. Chem. B 110, 3624
8
實驗上的研究指出19，NMA 在純液態時，以反式組態透過分子 間氫鍵 (N-H…O=C) 形成很強的線型自結合，致使 NMA 的液體成 為極性最高的溶液之一。30˚C 時介電常數為 178.9，其它醯胺類化 合物在常溫的介電常數如表1.2 所示。表 1.2 中的氮-甲基乙醯胺 (N-methylacetamide) 簡稱 NMA、氮-甲基丙醯胺 (N-methylpropio
amide) 簡稱 NMP，氮-甲基甲醯胺 (N-methylformamide) 簡稱 NMF。
表1.2 醯胺類化合物在純液態的介電常數。
[引自Table II in ref. 19, S. J. Bass, W. J. Nathan, R. M. Meighan, and R. H. Cole, J. Phys. Chem. 68, 509 (1964).]
化合物 介電常數 溫度 NMA (N-methylacetamide) 178.9 30˚C NMP (N-methylpropioamide) 163.1 25˚C NMF (N-methylformamide) 171.0 25˚C 甲醯胺 (Formamide) 108.7 25˚C 氮氮-二甲基甲醯胺 (N,N-Dimethylformamide) 37.2 25˚C
9
在NMA 溶於四氯化碳溶劑中時，藉著量測介電常數，可得知
由溶質濃度對溶液表觀偶極矩 (apparent dipole moment, 2 app μ ) 的影 響20，如圖 1.6 所示。濃度越高表觀偶極矩亦增加，驗證了自結合是 以反式組態 (trans configuration) 構成。 圖1.6 氮-甲基乙醯胺 (NMA) 於四氯化碳下，在 20˚C、30˚C、 40˚C、50˚C 時濃度對表觀偶極矩 ( 2 app μ ) 的影響。 [引自Fig. 7 in ref. 20, K. Prałat, J. Jadżyn, and S. Balanicka, J. Phys. Chem. 87, 1385 (1983).]
10
蛋白質是由許多胜肽鍵所構成，圖1.7 中的胜肽鍵中心的碳與 氮原子以sp2軌域於其他鄰近的原子形成鍵結，形成一個胜肽平面。 而又因為 C=O 會與 N-H 產生兩性離子共振 (zwitterionic resonance)， 共因此胜肽鍵具有部分雙鍵 (partial double bond) 的性質。
圖1.7 醯胺類分子具有的兩種平面構型，圖中 R 代表烷氫基
(alkyl group)。
這兩種不同的平面構型 (cis or trans) 皆因能自身 C=O 與 N-H 的兩性離子共振而穩定下來。這兩者構型間的相互轉換 (intercon-version) 如果夠慢的話，在某些分子上如 NMA21，1H NMR (proton magnetic resonance) 可以直接觀測到，圖 1.8。
11
圖1.8 氮-甲基乙醯胺 (NMA) 於四氯化碳中，濃度 1.144 M，溫 度30˚C 下 400MHz 1H NMR 氫譜，圖中順式與反式的訊號 以c 及 t 表示。
[引自 Fig. 1 in ref. 21, M. Akiyama, and H. Torii, Spectrochimica Acta Part A 56, 137 (1999).] 在本論文實驗中所研究的NMP 溶於氘-三氯乙烷 (CDCl3) 下 1H NMR 觀測到的 N-CH 3訊號有兩種，分別為順式單體及反式單體 所產生的，見圖1.9。在圖 1.9 中，額外觀測到 1.593ppm 與 1.254ppm 兩根訊號，根據文獻分別為 H2O 及 HDO22，7.263ppm 則 為CHCl3的訊號。
12 t N-CH 3 H2 O HDO C-CH 3 CHCl 3 TMS c t c t : trans c: cis 圖 1.9 氮 -甲基丙醯胺 (NM P ) 於氘 -三氯乙烷 (CDCl 3 ) 中，濃度 0.0121M ，室溫 25 ˚C 下所量測的氫譜 。 圖中順式與反式的訊 號以 c 及 t表示。 [交通大學貴儀中心高解析核磁共振光譜儀， V
arian Unity Inova 500 NMR]
N-H
N-CH
13 圖1.10 將圖 1.9 的 2.5ppm 到 3.1ppm 處放大。於 2.8-2.9ppm 之間 可以觀測到兩種構型。 由圖1.10 1H NMR 可得知 NMP 於 2.8-2.9ppm 之間可觀測到兩 種構型。由積分的比例上可得知，順式含量約佔3.3%左右。 H3C C H2 O N CH3 H NMP (N -methylpropionamide) H3C C H2 O N H CH3 NMP (N -methylpropionamide) 順式 (cis) ～3.3% 反式 (trans) ～96.7% trans cis
side band side band
14 Radzicka 等人23利用400MHz 1H NMR，在 20˚C 下，研究 NMA 及 NMF 在不同溶劑中順反兩式 N-CH3 的分佈比例，見表 1.3。表 1.3 中 NMA 因為在 C6D12受限於溶解度訊號不佳，<2%為估計值。 研究結果顯示NMA 及 NMF 在常溫下以反式為主。 表1.3 20˚C 下 NMA 及 NMF 於順式單體上的含量。
[引自 Table I in ref. 23, A. Radzicka, L. Pedersen, and R. Wolfenden, Biochemistry 27, 4538 (1988).]
在自然界生物系統，由胜肽鍵為骨幹所構成蛋白質中，同樣能 發現到胜肽鍵的順式與反式兩種結構，但一般以反式居多。少數胜 肽鍵會因立體障礙形成順式，如羧肽酶 (carboxypeptidase A) 的 非-脯氨酸順式胜肽鍵24 (non-proline cis-peptide bond)，如圖 1.11 所 示。 NMA NMF 溶劑 濃度(M) % Cis 溶劑 濃度(M) % Cis D2O 0.025 1.88% .D2O 0.05 8.0% CDCl3 0.025 2.87% CDCl3 0.025 8.7% C6D12 0.02 .<2% C6D12 0.025 9.25%
15
圖1.11 羧肽酶中的部分片段，(X) 及 (Y) 為蛋白質片段中的殘基 (residues)，圖中的虛線代表氫鍵。
[引自 Inset in Table 5 in ref. 24, D. Pal and P. Chakrabarti, J. Mol. Biol.
16 1.4 氮-單取代醯胺類分子的自結合模型回顧 分子的自結合會造成 IR 光譜上自結合吸收鋒 (self-association band) 的出現 (見第 1.2 節)、分子在表觀偶極矩的異常 (見第 1.3 節) 以及滲透壓理想性上的偏離 (見附錄 A1)、溶沸點上升、表觀分子量 增加、汽化熱增加等。
M. Davies 和 D. K. Thomas 兩人25,26在 1955 年對 NMA 分子做了 有系統的自結合研究。他們所用的模型表示如下
B B B2 K (1-1)
2
+1 B Bn K Bn n2 .. (1-2) 上式平衡常數假設K K 2 K3 Kn，[B]為單體濃度，
Bn 為 n-mer 濃度。對於任何形式的自結合平衡常數皆可用K及K2表示。 舉例來說，雙體
B 與三體2
B 結合成五體3
B 的平衡常數5 K'可以 K 及K2表示為
' 2 3 5 B B K B K' K22 K (1-3)17
Davies 和 Thomas 兩人使用衡壓法 (isopiestic method) 及熱電滲 透壓計 (thermoelectric osmometer) 研究氮-甲基乙醯胺 (N-methyl acetamide, 簡稱 NMA) 溶於苯 (benzene) 時的平均自結合度 f (mean degree of association)，利用公式 (1-4)，(1-5) 以求得平衡常數 K 及 K2、標準焓ΔHo、標準熵ΔSo。 ( 1)2 (2 ) f f K N f (1-4) 1/2 2 1 (2 ) ( 1) K K f N N f . (1-5) 上式中 [B ] [B ] n n n n n f
， [B ]n n N
。 [B ]n n n
為製備的單體總濃度。 [B ]n n N
為所有n-mer 的有效莫爾濃度。因滲透壓 [B ]Rn n T
(R 為氣體常數，T為絕對溫度)，故可利用滲透壓計量測溶液的滲透 壓來得到有效莫耳濃度 [B ] R n n T
。I. M. Klotz 和 J. S. Franzen 兩人27及Ӧjelund 等人28利用Davies 和 Thomas 平衡常數上的假設為基礎，做了進一步的數學處理推導至式 (1-6)，見附錄 A2。
18 1/ 2 1/ 2 1/ 2 b f b 2 f b f b [B] [B] [B] ([B] [B] ) K K ([B] [B] ) (1-6) f [B] ：每個 n-mer 皆有一個未經氫鍵結合 (free) 的 N-H 基，總濃度 定義為 f 1 [B] [B ]n n
，[B ] ( =1, 2, 3, ...)n i 為平衡時 n-mer 的濃 度。 b [B] ：形成氫鍵的 N-H 基濃度，定義為 [B] =[B]b t [B]f，[B]t為製 備的單體總濃度， t 1 [B] [B ]n n n
。 [B]f與[B]b的濃度可藉由光譜上的測量 (IR 或 NMR) 所得到， 平衡常數 K 及 K2則可利用公式 (1-6) 中 1/ 2 b f b [B] ([B] [B] )對 1/ 2 f b f b [B] [B] ([B] [B] ) 作圖所得到的截距及斜率求得。Klotz 與 Franzen 成功的應用公式 (1-6) 在 NMA溶於苯 (benzene) 溶劑系統27。 為精確求取單雙體的自結合平衡常數及單體與雙體的莫耳吸收 係數，本實驗室發展出新的應用公式。為達到此目的，需控制在濃 度極稀下以達到只有單雙體結合是主要的平衡，三體以上可以忽略 不計。例如氮-甲基丙醯胺 (N-methylpropioamide，簡稱 NMP) 在四 氯乙烯下，檢視 IR 光譜 3550~3150 cm-1 的 N-H 基伸縮振動，19 圖 1.12 所示。光譜顯示受氫鍵擾動的 N-H 基伸縮振動吸收鋒強度及 形狀會隨濃度不同而改變，且在高濃度時吸收鋒形狀為非對稱，意 味它可能是由許多不同的多體所貢獻。 3550 3500 3450 3400 3350 3300 3250 3200 3150 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 Absorba nc e Wavenumber / cm-1 圖1.12 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在四氯乙烯，298K 下，濃度由 3.0×10-2 M到4.6×10-3 M的IR光譜圖。(由上而下濃度分別 為 3.1×10-2、3.0×10-2 、2.7×10-2 、2.5×10-2、 2.1×10-2、 1.9×10-2、1.6×10-2、9.7×10-3、4.6×10-3 M ) 我們從圖1.12中選擇三種不同濃度下的IR 光譜做適解 (curve fitting)，濃度由高至低依序為3.0×10-2 M、1.6×10-2 M及 4.6×10-3M。 在3.0×10-2 M下，至少需要四根吸收鋒來完成適解，見圖 1.13。在 1.6×10-2 M下，至少需要三根吸收鋒來完成適解，見圖 1.14。在濃度 N-H Stretching N-H…O=C
20 極稀時，4.6×10-3 M ，見圖 1.15，只需要兩根吸收鋒即可完成適解， 我們認為這兩根吸收鋒主要是單體 (~3475cm-1) 及雙體 (~3375cm-1) 所貢獻。由於圖1.13及圖1.14在 3425cm-1~3150cm-1之間的訊號需 要兩根以上的吸收鋒來完成適解，3425cm-1~3150cm-1之間的訊號除 了由雙體所貢獻外，還有三體以上的訊號。在後續的實驗上，我們 皆以光譜上的擬合結果做為判斷依據，只對沒有多體存在的情況下 做進一步的分析。 3550 3500 3450 3400 3350 3300 3250 3200 3150 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 Ab so rban ce Wavenumber / cm-1 圖1.13 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在四氯乙烯，298K，3.1×10-2 M 下 IR光譜的適解曲線。
21 3550 3500 3450 3400 3350 3300 3250 3200 3150 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 A bso rb an ce Wavenumber / cm-1 圖1.14 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在四氯乙烯，298K，1.6×10-2 M 下 IR光譜的適解曲線。 3550 3500 3450 3400 3350 3300 3250 3200 3150 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 A bs orb an ce Wavenumber / cm-1 圖1.15 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在四氯乙烯，298K，4.6×10-3 M 下 IR光譜的適解曲線。
22
第二章 利用 IR 光譜求取自結合平衡常數及總莫耳吸收係
數之公式推導
2.1 公式推導 單體與雙體分別以B及 B2表示，單雙體自結合系統表示如下 B B B2 . (2-1) 平衡常數K表示如下 B2 2 B a K a . . (2-2) 上式的aB及 2 B a 分別為單體 B 與雙體 B2 的活性 (activity)。aB與aB2 表示如下： aB B
Bo BCB C ， CB
Bo C . (2-3)
2 2 2 2 2 B B o B B B a C C ， CB2
B2o C , (2-4) 其中B、 2 B 為單體及雙體的活性係數 (activity coefficient)。[B]為單 體的體積莫耳濃度，[B2]為雙體的體積莫耳濃度。Co代表標準狀態 體積莫耳濃度，定義為1 mol L-1。23 考慮在稀薄溶液下，B1、 2 B 1 ，則公式 (2-2) 改寫為 2 2 2 B B 2 B B a C K C a . (2-5) 上式的CB與 2 B C 為稀薄溶液下，單體 B與雙體B2的活性 (activity)。 單體濃度[B]、雙體濃度[B2]與製備濃度[B]0關係為
B 0 [B] 2 B
2 .. (2-6) 我們將上式等號的左右兩邊同除以Co，則上式可寫成 2 B B 0 2 C C C . . (2-7) 其中C0
B /0 Co。 公式 (2-5) 可改成下式 2 B B B 1 C C KC .. (2-8) 式 (2-8) 再改寫為 2 2 B B B B B B 2 2 1 2 1 2 C C C C KC KC . (2-9) 我們將式 (2-7) 代入式 (2-9) 得24 2 B B 0 B B 2 1 2 1 2 C C C KC KC . .. . . . (2-10) 利用式 (2-10) 中的最後一個等式並整理如下 2 0 B B 1 2 C C KC . . (2-11) 由式 (2-5) 得CB與CB2的關係 2 B B C C K . (2-12) 將式 (2-12) 帶入式 (2-11) 整理成 2 2 0 B B 1 2 C C KC .. . (2-13) 根據Beer’s Law，在光徑為b與濃度為[B2]時，單一波數ṽ 下的雙體 N-H基伸縮振動 (stretching vibration) 吸收度 Ad(ṽ)表示為
d( ) d( ) B2 A v v b (2-14) εd(ṽ) 為單一波數ṽ下的雙體莫耳吸收係數。25
我們可以使用Galactic公司出版的曲線擬合 (curve fitting) 軟體
GRAMS/32 AI 對IR光譜圖以高斯-羅倫茲混和函數 (mixed
Gauss-Lorentz function) 進行適解，則單體吸收鋒與雙體吸收鋒即可分離出 來。我們可以將分離出來的雙體吸收鋒以積分表示： d d
Band d A
A v v . (2-15) 上式中Ad為雙體的總吸收度。 將式 (2-14) 代入 (2-15) 我們可得到 d d
2
2 d d
2 Band Band ( ) B d B ( )d B A
v b v b
v v b .. (2-16) 其中 d d Band ( )dv v
為雙體總莫耳吸收係數。我們由式 (2-16) 可得 知雙體濃度[B2]為
d 2 d B A b . . (2-17) 其中
B2 C CB2 o。上式可改寫為 B2 d o d 1 A C b C . (2-18)26 將式 (2-18) 代入式 (2-13) 並利用
o 0 B /0 C C 整理後我們可得到 o 0 d d d d [B] 2 C 1 A b K b A CCC C (2-19) 公式 (2-19) 為雙體總吸收度 Ad與製備濃度[B]0之間的關係式。Ad 可由雙體吸收鋒的求得，製備濃度[B]0 與光徑 b 皆為已知的物理量。 我們利用 0 d [B] A 對 d 1 A 作圖可得到截距q為 d 2 b 、斜率p為 o d C K b ，平衡常數K與雙體總莫耳吸收係數 εd為： o 2 2 q K C p . .. (2-20) d 2 qb (2-21) 公式 (2-20) 和 (2-21) 是利用雙體總吸收度Ad與製備濃度[B]0 之間的關係式來求得。同樣的，我們可以利用單體總吸收度Am與製 備濃度[B]0之間的關係式來求得平衡常數K與單體總莫耳吸收係數 εm。27 我們利用式 (2-10) 中的第一與第三項等式，整理如下 0 B B 1 2 C KC C ... (2-22) 同式 (2-16) 的推導，在光徑為 b和濃度[B]時單體吸收鋒的總吸收 度Am可以表示如下 m m
m m
Band Band ( ) B d B ( )d B A
v b v b
v v b (2-23) 上式中Am(ṽ)代表在光徑為b和濃度[B]時，單一波數ṽ下的單體吸 收度。 m m Band ( )dv v
為單體總莫耳吸收係數。 我們由 (2-23) 可得到單體濃度[B]為
m m B A b . (2-24) 其中
B C CB o，上式可改寫為 m B o m 1 A C b C . (2-25) 將式 (2-25) 代入式 (2-22)，並利用C0
B /0 Co整理如下28 0 m 2 o m m m [B] 1 2 ( ) K A A b b C . . (2-26) 公式 (2-26) 為總吸收度 Am與製備濃度[B]0之間的關係式。利用
0 m B A 對Am作圖可得到截距 q為 m 1 b 、斜率p為 2 o m 2 ( ) K b C 。則平衡 常數K與單體總莫耳吸收係數 εm可由截距q和斜率p來得到： o 2 2 p K C q . . . (2-27) m 1 qb (2-28) 若雙體為環狀雙體，我們由公式 (2-20) 和公式 (2-27) 所求得 的值都代表單雙體自結合平衡常數K。除了誤差所導致的不同外， 在本質上都是一樣的。在2,2-二甲基-3-乙基-3-戊醇 (DMEP) 的自結 合實驗30已經驗證了這一點。 在雙體是由兩個反式單體 (trans monomer) 所組成的線性雙體 (linear dimer) 時，我們無法總吸收度 Am與[B]0之間的關係式 (2-26) 來求得平衡常數K。因為反式單體與線性雙體的終端基 (terminal group) N-H基伸縮振動 (stretching) 頻率很接近，從NNP的IR光譜 上無法分離出這兩種訊號，所以只觀察到一個吸收鋒Am：29 m m,t
m,2
Band Band d d A
A v v
A v v . (2-29) 由Beer’s Law可知Am,t
v m,t
v b [B]與Am,2
v m,2
v b [B ] 2 。
m,t A v 與Am,2
v 分別為單一波數ṽ 下、光徑為b，反式單體濃度 [B]與線性雙體終端基濃度[B ] 2 時的吸收度。m,t
v 與m,2
v 分別 為反式單體與線性雙體終端基在單一波數ṽ 下的莫耳吸收係數。 吸收鋒Am可改寫為 m m,t
2 m,2
Band Band [B] d [B ] d A b
v v b
v v . . (2-30) 其中 m,t m,t Band ( )dv v
為反式單體總莫耳吸收係數， m,2 m,2 Band ( )dv v
為線性雙體終端基總莫耳吸收係數。 我們再將式 (2-30) 以m,t及m,2改寫為 Am m,tb[B]m,2b[B ]2 . (2-31) 上式等號兩邊同除以[B]0與光徑b得 m m,t m,2 2 0 0 [B] [B ] [B] [B] A b . . (2-32) 由式 (2-6) 得知
B = [B]02[B ]2 (2-33)30 將式 (2-33) 代入式 (2-32) 置換掉[B]得到 m m,2 2 m,t m,t 0 0 2[B ] [B] 2 [B] A b (2-34) 另外定義雙體的莫爾分率 fd如下， 2 B2 d 0 0 2 2[B ] [B] C f C .. . (2-35) 其中
2 2 B o B C C 與C0
Bo0 C ，Co 1 mol L-1。 則公式 (2-34) 可改寫為 m m,2 m,t m,t d 0 [B] 2 A f b (2-36) 藉由式 (2-5) 與式 (2-7) 的關係，我們可解出 2 0 B 0 0 1 8 1 1 2 1 8 1 KC C C KC … (2-37) 將式 (2-37) 代入式 (2-35) 整理得到31 0 d 0 1 8 1 1 8 1 KC f KC . . (2-38) 利用公式 (2-20) 求得自結合平衡常數 K後，我們可再進一步利 用公式 (2-36) 以 m 0 [B] A b對 f d作圖，由截距q和斜率p可求得m,t與 m,2 ： m,t q .. (2-39) m,2 2p2q . . (2-40)
32 2.2 實驗方法
2.2.1 儀器設備
1. 傅立葉轉換紅外線光譜儀 Digilab Excalibur HE Series FTS3100。 儀器解析度 (resolution) 為2cm-1。
2. 電子溫度計 Omega Model HH22 用以連接至樣品槽即時監控溫 .度。(溫度誤差控制在 ± 1˚C以內)
3. 恆溫控制水槽 Thermo NESLAB RTE17。
4. 氟化鈣鹽片 Buck Scientific CaF2 (32x3mm) 與鉛製墊圈1mm。我 .們以氰基丙烯酸酯 (cyanoacrylate) 黏合墊圈及鹽片。
5. 電子天平 Ohaus Explorer (E10640)，可顯示至0.1mg。
6. 注射針筒 Hamilton syringe。容量及型號分別為：250μl (1725RN)、
.500μl (1750RN)，1ml (1001RN) 及特浦Top Surgical 10ml。
7. 樣品瓶Nichiden-Rika Glass 10ml、50ml 及Kimble Glass 4ml。
33 2.2.2 實驗藥品 1. 氮-甲基丙醯胺 (N-methylpropionamide)：TCI 藥廠，純度99 %。 2. 環己烷 (cyclohexane)：Tedia藥廠，純度99.95 %。 3. 四氯化碳 (tetrachloromethane)：Merck藥廠，純度99.8 %。 4. 四氯乙烯 (tetrachloroethene)：Tedia 藥廠，純度99.98 %。
5. 二硫化碳 (carbon disulfide)：Tedia藥廠，純度99 %。
6. 三氯乙烯 (trichloroethene)：Alfa Aesar藥廠，純度 98 %。
2.2.3 實驗步驟 溶液配置： (1) 取10ml樣品瓶置於電子天平中歸零後以 250μl注射針筒抽取溶 質氮-甲基丙醯胺 (N-methylpropioamide) 至10ml 樣品瓶內並記 錄重量。紀錄完取樣重量後歸零，取 10ml注射針筒抽取溶劑至 樣品瓶後記錄重量。最後以血清塞蓋上，並以封口膜 (parafilm) 密封做為母液。 (2) 準備新的10ml空樣品瓶準備做第一次稀釋。拿 1ml注射針筒抽 取步驟 (1) 所配置的母液至10ml樣品瓶後，再以 10ml注射針 筒抽取溶劑稀釋。記錄下取樣重量後以血清塞及封口膜密封。
34 (3) 取新的 4ml 樣品瓶做第二次稀釋。以 1ml 注射針筒抽取步驟 (2) 中所配置的稀釋液到 4ml 樣品瓶中，再以另一隻1ml注射針筒 抽取溶劑做稀釋。記錄下抽取重量後以血清塞及封口膜密封。以 同樣步驟重複配置 10瓶不同濃度的樣品待測。 (4) 在配置過程中所記錄的數值均為重量 (g)。但是在後續計算所使 用的單位均為體積莫耳濃度 M ( mol L-1)。因此需查詢溶劑在不 同溫度下的密度後，再將重量換算成體積。不同溫度下的溶劑密 度可由查詢密度隨溫度變化的公式29所得到。實驗上用的溶劑整 理於表 2.1。 表2.1 密度 (g/ml) 與溫度 (K) 關係式為density A B 1- / CT n ， 式中A、B、C、n代表依化合物而不同的參數，T為絕對 溫度K。表內分別為C2HCl3、CS2、C2Cl4、CCl4和 cyclohexane的四個參數。
[引自Ref. 29, C. L. Yaws, Thermophysical Properties of Chemicals and
Hydrocarbons (William Andrew Inc., New York, 2008).]
A B C n C2HCl3 0.5132 0.27543 571.00 0.28571 CS2 0.4759 0.28740 552.00 0.32260 C2Cl4 0.6687 0.32883 620.00 0.35630 CCl4 0.5573 0.27137 556.35 0.29000 cyclohexane 0.2734 0.27368 553.54 0.28511
35
第三章 氮-甲基丙醯胺的在不同溶劑下的自結合
3.1 前言 本實驗室的新公式架構在單雙體自結合，公式本身的特點就是 能獨立從IR光譜上的單體吸收鋒求到自結合平衡常數 K與單體的莫 耳吸收係數εm。同樣的，從IR光譜上的雙體吸收鋒也能獨立求得自 結合平衡常數K，雙體的莫耳吸收係數εd。並且由單體吸收鋒所求 到的平衡常數能夠與雙體吸收鋒所得到的平衡常數互相比較。 新公式已成功應用在高立體障礙的2,2-二甲基-3-乙基-3-戊醇 (2,2-dimethyl-3-ethyl-3-pentanol, 簡稱DMEP)30的自結合，見圖3.1。 圖3.2 為DMEP溶於四氯乙烯下的 IR光譜。在3620 cm-1與3520 cm-1的吸收鋒分別為單體和環狀雙體的訊號。 圖3.1 2,2-二甲基-3-乙基-3-戊醇 (DMEP) 自結合示意圖，虛線代 表氫鍵。36 3700 3600 3500 3400 3300 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 A bs or ban ce Wavenumber / cm-1 圖3.2 2,2-二甲基-3-乙基-3-戊醇 (DMEP) 在四氯乙烯，298K， 0.1958 M 下IR光譜的適解曲線。
[Adapted from Fig. 2 in ref. 30, J. S. Chen, C. C. Wu and D. Y. Kao,
Spectrochimica Acta Part A 60, 2287 (2004).]
DMEP分子的 O-H基旁有許多的支鏈。因此DEMP 在自結合時
會有很大的立體障礙，不容易形成三體以上的多體。相反的，NMP 分子的 N-H 基旁沒有太多的支鏈，在濃度較高的情況下易形成多體。 因此需要控制NMP 溶液的濃度，並且以光譜上的擬合結果做為判斷 依據，只對沒有多體存在的情況下做進一步的分析。 NMP 的自結合方式與DMEP不同，DMEP 的單體與雙體各只 有一種構型。但NMP 的單體與雙體則各有兩種構型，分別為順式單
體 (cis monomer)、反式單體 (trans monomer)、環狀雙體 (cylic
di-mer) 與線性雙體 (linear dimer)，見圖 3.3。因為共有四種可能的構
37
也無法直接的去指認這兩根吸收鋒只來自於單體 (順式或反式) 及雙 體 (順式或反式) 的N-H 基伸縮振動。因此必須借助理論計算 (見
附錄A3.2)，以 PBE1PBE/6-311++G**層次 (level) 所計算的N-H 基
伸縮振動頻率來判別IR光譜中的各個不同吸收位置的吸收鋒是由哪 些構型的N-H 基伸縮振動所貢獻。 H2C CH3 N C H3C O C H2 CH3 N C H3C O C H2 CH3 N C H3C O C H2 CH3 N H C H3C O H2C CH3 H N C H3C O CH2 H3C N C CH3 O
cis monomer trans monomer
cyclic dimer linear dimer
H
H
H H
圖3.3 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 的四種構型，分別為順式單體 (cis
monomer，左上)、反式單體 (trans monomer，右上)、環狀
雙體 (cylic dimer，左下) 與線性雙體 (linear dimer，右下)，
38
cis monomer N-H stretching (3426cm-1)
linear dimer N-H stretching (3370cm-1)
以NMP在四氯乙烯，濃度7.1×10-3 mol L-1，溫度 298K下的 IR 光譜圖為例，見圖3.4。從 NMP在 CDCl3，溫度 298K下的 NMR氫 譜 (圖 1.9) 已量測到反式單體 (trans monomer) 的含量高達 96.3%， 順式單體含量很少，可以判定NMP 主要是以反式單體存在。理論計 算則預測反式單體的N-H 基伸縮振動頻率在3459 cm-1，順式單體為 3418 cm-1。圖3.4 中位於3469 cm-1的吸收鋒可合理認為是由反式單 體的N-H 基伸縮振動的訊號，而3426 cm-1 處觀察到的微弱訊號則 是少量的順式單體N-H 基伸縮振動的訊號。 3550 3500 3450 3400 3350 3300 3250 3200 3150 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 Ab so rb ance Wavenumber / cm-1 圖3.4 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在四氯乙烯，298K，7.1×10-3 mol L-1下IR 光譜的適解曲線。圖中3469 cm-1、3426 cm-1 與3370 cm-1處的吸收鋒分別為反式單體 (trans monomer)、
順式單體 (cis monomer) 與線性雙體 (linear dimer) 所貢獻
的訊號。
39 理論計算預測的線性雙體最大吸收鋒位置為3367 cm-1，環狀雙 體為3200 cm-1。圖3.4 位於在3370 cm-1的吸收鋒可確定是由線性雙 體 (linear dimer) 所貢獻。環狀雙體的吸收鋒從圖3.4 中則完全未觀 察到。 實驗結果NMP 在CDCl3下的氫譜、C2Cl4下的IR光譜及理論計 算皆支持NMP 的自結合是以反式單體 (trans monomer) 自結合成線 性雙體 (linear dimer)，見圖 3.5。下一節將以第二章推導出的新公式 來求取此類 (圖 3.5所示) 自結合光譜上的各項參數，包括反式單體 N-H基伸縮振動總莫爾吸收係數、線性雙體端基 (linear dimer end
group) N-H基伸縮振動總莫爾吸收係數、線性雙體受氫鍵擾動的
N-H基伸縮振動總莫爾吸收係數及單雙體自結合平衡常數。
圖3.5 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 以反式單體 (trans monomer) 自結 合成線性雙體 (linear dimer) 的示意圖，圖中虛線代表氫鍵。
40 3.2 實驗數據 3.2.1 氮-甲基丙烯胺 (NMP) 於三氯乙烯 (C2HCl3) 系統 圖 3.6 為氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在三氯乙烯 (298K 下的介電常 數為3.422) 298K下0.007407 mol L-1到0.01480 mol L-1的IR光譜圖。 圖3.7 為圖3.6中濃度為 0.01480 mol L-1的 IR光譜圖，利用Galactic
公司出版的曲線擬合 (curve fitting) 軟體 GRAMS/32 AI 對圖 3.6的 IR光譜圖以高斯-羅倫茲混和函數 (mixed Gauss-Lorentz function) 進 行適解以分離出單體與雙體吸收鋒。
圖3.6 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在三氯乙烯，298K 下的 IR 光譜圖。 (由上而下濃度分別為 0.01480 mol L-1、0.01362 mol L-1、
0.01151 mol L-1、0.009398 mol L-1、0.007407 mol L-1)
3500 3450 3400 3350 3300 3250 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 Absorbanc e Wavenumber / cm-1
41 圖3.7 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在三氯乙烯，298K下濃度 0.01480 mol L-1 IR光譜的適解曲線。 從圖 3.7 的 IR 光譜適解曲線可知單體與雙體最高吸收鋒位置分 別在 3465 cm-1與 3354 cm-1、半高寬為16 cm-1與 83 cm-1、總吸收度 為 4.944 cm-1與 1.248 cm-1。總共分析了 NMP 在三氯乙烯系統於四 組不同溫度下，各十組濃度時的單體與雙體最大吸收位置、半高寬 及單體總吸收度Am與雙體總吸收度Ad，結果整理於表3.1。 3500 3450 3400 3350 3300 3250 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 Absorba nce Wavenumber / cm-1
42 表3.1 氮-甲基丙醯胺 (NMP) 在三氯乙烯，不同濃度與不同溫度下，單體 與雙體最大吸收鋒位置、半高寬與總吸收度。 單體吸收峰 雙體吸收峰 [B]o 最大吸收位置 半高寬 總吸收度 最大吸收位置 半高寬 總吸收度 / mol L-1 / cm-1 / cm-1 / cm-1 / cm-1 / cm-1 / cm-1 T = 288K 0.00955 3465.9 16.2 3.489 3356.1 77.3 0.717 0.01041 3465.8 16.2 3.816 3353.0 76.3 0.828 0.01149 3465.8 16.2 4.189 3354.1 80.7 0.977 0.01246 3465.8 16.1 4.535 3353.0 78.5 1.119 0.01356 3465.8 16.2 4.911 3353.1 80.7 1.288 0.01466 3465.8 16.1 5.312 3354.6 80.4 1.454 0.01572 3465.8 16.1 5.694 3353.4 78.7 1.637 0.01669 3465.8 16.1 6.021 3353.0 79.5 1.801 0.01780 3465.8 16.1 6.377 3354.8 78.8 1.981 0.01990 3465.8 16.1 7.119 3353.7 77.8 2.370 T = 298K 0.00636 3466.2 16.4 2.177 3357.5 80.1 0.290 0.00740 3466.2 16.4 2.517 3357.2 80.0 0.380 0.00847 3466.2 16.4 2.872 3357.1 80.4 0.475 0.00939 3466.2 16.4 3.186 3356.6 80.6 0.577 0.01053 3466.2 16.4 3.549 3358.3 80.7 0.703 0.01151 3466.2 16.4 3.873 3357.6 81.9 0.818 0.01251 3466.2 16.4 4.197 3357.8 85.5 0.941 0.01362 3466.2 16.4 4.576 3357.6 80.7 1.083 0.01480 3466.2 16.4 4.944 3356.7 83.6 1.248 0.01578 3466.2 16.4 5.316 3357.9 83.6 1.386
