以VESI/MS探討鄰苯二胺與苯甲醛反應條件之影響

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(1)國立高雄大學應用化學系(碩士班) 碩士論文. 以 VESI/MS 探討鄰苯二胺與苯甲醛反應條件之影響. Study Effect of Reaction Condition on o-Phenylenediamine and Benzaldehyde by VESI/MS. 研究生：吳銘儒撰指導教授：何永皓博士. 中華民國一百零四年十一月. I.

(2) 謝誌其實從以前上大學開始就認為自己對於處理事情上經常都是以很隨興的態度來看待，尤其當遇到困難和挫折時往往就會很想放棄，很少會想去自己嘗試解決問題，因此再剛開始加入實驗室時對於面對問題發生時經常不知道該如何處理。但是非常感謝我的指導教授何永皓老師，在我碩士生涯 2 年多來不論是課業、實驗和思考邏輯上，總是不厭其煩地耐心教導我，也不斷提供想法、意見，促使我不僅能對於實驗上能更順利的進行，也讓我能夠慢慢地培養出有獨立思考的能力，以及也很感謝老師的激勵和鼓勵，使我在研究過程中能不斷的突破自己，另外生活上也讓我逐漸對於每件事情都能拿出該有的認真和謙虛的態度來面對，也因為這樣所以才讓我能更認真過著每一天，因此我覺得真的非常幸運能在求學的最後生涯能加入老師的實驗室來學習。也很謝謝郭老師和劉老師能百忙中抽空來當任我的口試委員，以及對於我的論文提供許多寶貴的意見和有機反應的知識，使我的論文能更完善。而這 2 年多來我也很謝謝實驗室的阿桂學姊，因為雖然我一開始進入實驗室時沒有表現出很積極的態度面對實驗和課業，但是阿桂學姊依然會不斷的提醒我的缺點，而且即使在學姐畢業之後依然會傳訊息關心以及幫忙，讓我的實驗可以更加順利。另外也非常謝謝碩士班的峻豪、 II.

(3) 維倫、哲珩、小黑、小珮、阿珮、荃聞、元中和聖翔等人，即使大家在不同的實驗室努力奮鬥，但是當實驗或是課業有問題發生時大家依然是不吝嗇的來幫忙或是提供意見，甚至願意犧牲晚上或是假日的休息時間一起出去喝一杯或是騎車出去散心，以及在生日的時候大家也會一起慶祝，讓我覺得非常窩心，還有也很謝謝實驗室學妹們的陪伴和幫忙，使實驗室經常有很熱鬧的氣氛，非常謝謝你們。最後還是很感謝家人的陪伴，在第一次跑這麼遠的地方讀書家裡的人依然無怨無悔的付出，所以很謝謝家人的體諒和包容，以及讓我可以不用煩惱基本生活的花費，可以更專心的在學校學習，以及也很謝謝經常也會打電話來關心和鼓勵我，在最後也謝謝這一路上所有幫助我的人。. 中華民國一○四年十一月二十五日吳銘儒. III.

(4) 目錄第一章前言 ................................................................................................... 4. 第二章文獻回顧 ........................................................................................... 6 2.1 以質譜作線上即時偵測 .......................................................................... 6 2.2 苯並咪唑化合成反應 ............................................................................ 11 2.2.1 溶劑效應........................................................................................ 12 2.2.2 取代基效應.................................................................................... 15 2.2.3 催化劑種類.................................................................................... 19. 第三章實驗方法 ......................................................................................... 26 3.1 藥品與配置........................................................................................... 26 3.2 儀器與裝置........................................................................................... 27 3.2.1 質譜儀 .......................................................................................... 27 3.2.2 質譜自動進樣裝置 ...................................................................... 27 3.3 自動進樣裝置進行即時分析苯並咪唑合成反應 .............................. 29 3.3.1 單管 VESI .................................................................................... 29 3.3.2 雙管 VESI .................................................................................... 30 IV.

(5) 第四章結果與討論 ..................................................................................... 32 4.1 溶劑效應............................................................................................... 34 4.2 取代基效應........................................................................................... 47 4.2.1 苯甲醛上取代基隊反應活性之影響 .......................................... 48 4.2.2 鄰苯二胺上取代基之影響 .......................................................... 69 4.2.3 取代基位置的影響 ...................................................................... 72 4.3 添加酸催化之影響............................................................................... 76 4.3.1 醋酸催化 ...................................................................................... 76 4.3.2 三氟醋酸 ...................................................................................... 84. 第五章結論 ................................................................................................. 88. 第六章參考文獻 ......................................................................................... 92. V.

(6) 表目錄表 2-1 不同溶劑對反應結果的影響 ............................................................. 13 表 2-2 不同的溶劑對於產率的影響 ............................................................. 13 表 2-3 探討溶劑效應對合成苯並咪唑的反應的影響 ................................ 14 表 2-4 利用改變鄰苯二胺和醛類的官能基合成苯並咪唑並探討對產率的影響 ......................................................................................................... 16 表 2-5 Naeimi 等人對於不同取代基進行探討............................................ 17 表 2-6 Perumal 團隊對於不同取代基進行探討 .......................................... 18 表 2-7 比較拉電子基與推電子基對於 BA 反應活性的影響..................... 19 表 2-8 探討催化劑含量和催化劑種類，對於反應結果的影響 ................ 20 表 2-9 利用改變催化劑 Fe/CeO2–ZrO2 的種類對於反應的影響 ............... 22 表 2-10 不同路易士酸和質子酸的催化劑對產率的影響 .......................... 23. VI.

(7) 圖目錄圖 2- 1 利用 API-MS 與汞燈作光化學反應裝置示意圖............................... 6 圖 2-2 以 Venturi effect 方式進樣，利用 EESI-MS 方式進行線上偵測之裝置示意圖 ................................................................................................... 7 圖 2-3 水楊酸乙酯水解成水楊酸的動力學曲線圖 ....................................... 8 圖 2-4 甜菊糖經過不同 pH 值得水解過程 .................................................... 9 圖 2-5 甜菊糖水解與 pH 值的相對強度圖 .................................................... 9 圖 2-6 以 ESI-MS 監測銅促進吡唑類合成的動力學曲線 .......................... 10 圖 2-7 文獻作者推測之合成苯並咪唑的反應路徑推測示意圖 ................. 12 圖 2-8 合成苯並咪唑的反應式 ..................................................................... 13 圖 2-9 氧化鋁硫酸催化下進行合成的反應式 ............................................. 14 圖 2-10 在 TFA 催化下合成的反應式 .......................................................... 18 圖 2-11 在 SDS 催化下進行合成的反應式 .................................................. 20 圖 2-12 在十二烷基硫酸鈉催化進行合成苯並咪唑的反應式……………21 圖 2-13 利用 Fe/CeO2–ZrO2 奈米粒子來催化劑的反應式 .......................... 22 圖 2-14 在無溶劑的情況下利用 Fe(ClO4)3 進行催化的反應式.................. 24 圖 3-1 sVESI 裝置圖 ...................................................................................... 28 圖 3-2 dVESI 裝置圖...................................................................................... 29 圖 3-3 利用升降台與磁力攪拌器協助 sVESI 裝置進行線上偵測反應.... 30 VII.

(8) 圖 3-4 VESI 雙重進樣與質譜的應用示意圖(雙重進樣)............................. 31 圖 4 1 推測 o-PD 與 BA 反應機制的過程 ................................................... 33 圖 4-2 以 sVESI/MS 進行即時偵測的實驗步驟: ....................................... 34 圖 4-3 在不同溶劑中加入 o-PD 溶液之質譜圖: .......................................... 35 圖 4-4 在不同溶劑中加入 BA 溶液後初始反應之質譜圖:......................... 36 圖 4-5 在不同溶劑中 o-PD 與 BA 反應 50 分鐘後之質譜圖: .................... 37 圖 4-6 在甲醇溶液反應中的各個分析物的 EIC 圖 .................................... 38 圖 4-7 在乙醇溶液反應中的各個分析物的 EIC 圖 ..................................... 39 圖 4-8 在水溶液反應中的各個分析物的 EIC 圖 ......................................... 39 圖 4-9 不同溶劑中的單取代中間產物生成速率比較 ................................ 40 圖 4-10 o-PD 與 BA 在甲醇反應，其生成化合物相對離子強度與反應時間趨勢圖 ..................................................................................................... 41 圖 4-11 o-PD 與 BA 在乙醇反應，其生成化合物相對離子強度與反應時間趨勢圖 ..................................................................................................... 41 圖 4-12 o-PD 與 BA 在水中反應，其生成化合物相對離子強度與反應時間趨勢圖 ..................................................................................................... 42 圖 4-13 利用 sVESI 針對 m/z 285.4 的 CID 實驗分辨同分異構物: .......... 44 圖 4-14 利用 sVESI 針對 m/z 285.4 的 CID 實驗的 EIC 圖: ...................... 45 圖 4-15 雙重進樣 VESI 裝置示意圖 ......................................................... 46 VIII.

(9) 圖 4-16 利用 dVESI 針對 m/z 285.4 的 CID 實驗: ...................................... 47 圖 4-17 o-PD 與 Cl-BA 在甲醇中反應不同時間點之質譜圖: .................... 49 圖 4-18 o-PD 與 Cl-BA 在甲醇反應之各個分析物的絕對強度與時間圖 . 50 圖 4-19 o-PD 與 CN-BA 在甲醇反應中不同時間點之質譜圖: .................. 51 圖 4-20 o-PD 與 CN-BA 在甲醇中不同時間之離線反應質譜圖: .............. 52 圖 4-21 o-PD 與 Cl-BA 在甲醇反應其生成化合物之相對離子強度與反應時間趨勢圖 ............................................................................................. 54 圖 4-22 o-PD 與 CN-BA 在甲醇反應其生成化合物之相對離子強度與反應時間趨勢圖 ............................................................................................. 55 圖 4-23 o-PD 與 CH3-BA 在甲醇中反應不同時間點之質譜圖: ................. 56 圖 4-24 o-PD 與 CH3-BA 反應的各個分析物之 EIC 圖: ............................ 57 圖 4-25 o-PD 與 OH-BA 反應之 TIC 圖 ....................................................... 58 圖 4-26 o-PD 與 OH-BA 離線反應的不同時間點之質譜圖: ...................... 59 圖 4-27 o-PD 與 OH-BA 在甲醇反應其生成化合物之相對離子強度與反應時間趨勢圖 ............................................................................................. 60 圖 4-28 o-PD 與 CH3-BA 在甲醇反應其生成化合物之相對離子強度與反應時間趨勢圖 ............................................................................................. 61 圖 4-29 不同苯甲醛取代基與 o-PD 反應之單取代中間產物的初使反應生成圖 ......................................................................................................... 62 IX.

(10) 圖 4-30 o-PD 與反應所生成單取代中間產物之結構圖 .............................. 63 圖 4-31 o-PD 與單取代中間產物的 m/z 213 之 CID 質譜圖: ..................... 64 圖 4-32 o-PD 與單取代中間產物的碎片訊號之 EIC 質譜圖: .................... 65 圖 4-33 o-PD 與三種不同取代基同時反應之質譜圖: ................................. 66 圖 4-34 比較 o-PD 與 R-BA 反應下各個單取代中間產物生成之 ............ 67 圖 4-35 三種不同取代基相互作用所形成的雙取代產物: ......................... 68 圖 4-36 o-PD 與 R-BA 反應之各個雙取代產物形成 .................................. 69 圖 4-37 不同時間點的 CH3-PD 與 BA 反應之質譜圖: .............................. 70 圖 4-38 CH3-PD 與 BA 在甲醇反應其生成化合物之相對離子強度與反應時間趨勢圖 ................................................................................................. 71 圖 4-39 o-PD 與 CH3-PD 反應速率比較圖................................................... 72 圖 4-40 不同時間點的 o-PD 與 m-BA 反應之質譜圖: ................................ 73 圖 4-41 o-PD 與 m-BA 在甲醇反應其生成化合物之相對離子強度與反應時間趨勢圖 ................................................................................................. 74 圖 4-42 取代基間位(meta)與對位(para)的單取代中間產物生成 .............. 75 圖 4-42 不同時間點的 o-PD/HOAc 與 BA 反應之質譜圖:......................... 77 圖 4-43 o-PD/HOAc 與 BA 在甲醇反應其生成化合物之相對離子強度與反應時間趨勢圖 ......................................................................................... 78 圖 4-44 o-PD 與 BA 反應所生成單取代中間產物之添加醋酸後的比較 .. 79 X.

(11) 圖 4-45 不同時間點的 o-PD/HOAc 與 OH-BA 反應之質譜圖: ................. 80 圖 4-46 o-PD/HOAc 與 OH-BA 在甲醇反應其生成化合物之相對離子強度與反應時間趨勢圖 ................................................................................. 81 圖 4-47 o-PD/HOAc 與 OH-BA 反應之單取代中間產物 EIC 圖 ............... 81 圖 4-48 不同時間點的 o-PD/HOAc 與 CN-BA 反應之質譜圖:.................. 82 圖 4-49 o-PD/HOAc 與 CN-BA 在甲醇反應其生成化合物之相對離子強度與反應時間趨勢圖 ................................................................................. 83 圖 4-50 不同時間點的 o-PD/TFA 與 CN-BA 反應之質譜圖: .................... 84 圖 4-51 o-PD/TFA 與 CN-BA 在甲醇反應其生成化合物之相對離子強度與反應時間趨勢圖 ..................................................................................... 85 圖 4-52 在 o-PD 與 CN-BA 反應中 HOAc 與 TFA 的單取代中間產物生成 ................................................................................................................. 86 圖 4-53 在 o-PD/TFA 與 CN-BA 反應中 m/z 178 的 EIC 圖...................... 87 圖 4-54 在 CN-BA 與 TFA 反應所生成 m/z 178 的 EIC 圖 ....................... 87. XI.

(12) 以 VESI/MS 探討鄰苯二胺與苯甲醛反應條件之影響探討鄰苯二胺與苯甲醛反應條件之影響指導教授：何永皓博士國立高雄大學應用化學系 (碩士班). 學生：吳銘儒國立高雄大學應用化學系 (碩士班). 摘要. 苯並咪唑類化合物合成反應的相關探討已有許多研究，但這些研究都著重於以離線方式探討產物的選擇性。本研究則利用文氏管電噴灑游離質譜法 (Venturi electrospray ionization mass spectrometry, VESI-MS)進行線上即時分析，觀測鄰苯二胺 (o-phenyldiamine，o-PD)與苯甲醛(benzaldehyde，BA)合成苯並咪唑(benzimidazole)時，不同合成條件下主要成分的生成變化趨勢；探討的反應條件包含改變溶劑、鄰苯二胺和苯甲醛上的取代基、酸的催化等條件。以甲醇為溶劑，在60分鐘的觀察時間內顯示中間產物快速生成後逐漸減少，伴隨著單取代產物的增加，雙取代產物的變化趨勢則不明顯。改以乙醇和水做為溶劑時，各種成分的變化趨勢也隨之改變，但中間產物於水中的變化量則顯示無太大的改變。當將BA上4號碳位置的-H以不同取代基置換時，屬於拉電子取代基的-CN和-Cl會抑制合成反應的進行，而-CN基的抑制效應強於-Cl基。相反的，推電子基-CH3則可以加速反應的進行。若將o-PD上4號碳位置的-H以-CH3取代，則也會減慢反應速率。o-PD 與CH3-BA反應時，將4號碳上-CH3改置於3號碳上，也會造成中間產物生成速率的變化。添加酸於o-PD與CN-BA反應液中可以明顯的增加反應速率，三氟醋酸(TFA)加速反應速率的效果勝於醋酸，但是TFA會與CN-BA進行副反應。本研究成功展示VESI-MS可以做為線上即時偵測苯並咪唑合成時各成分的即時變化，結果證明溶劑、取代基、酸都會影響反應速率，本研究所觀察的化合物生成變化是依據質譜圖中特定離子的強度變化，並不代表該化合物的實際產率，因此無法將實驗結果與已知合成條件對產物選擇性的影響做直接的比較。關鍵字: 關鍵字文氏管電噴灑游離質譜法、線上即時偵測、苯並咪唑、溶劑效應、取代基效應、酸催化. 1.

(13) Study Effect of Reaction Condition on o-Phenylenediamine and Benzaldehyde by VESI/MS Advisor: Dr. Yeung-Haw Ho Department of Applied Chemistry National University of Kaohsiung Student: Ming-Ju Wu Department of Applied Chemistry National University of Kaohsiung ABSTRACT Benzimidazole compound synthesis reactions have been many studies, however, these studies have focused on offline in order to explore the selective product. In this study, the use of Venturi Electrospray Ionization Mass Spectrometry ( VESI-MS) for online real-time analysis, change trend generate major component observation o-phenylenediamine and benzaldehyde under different synthesis conditions benzimidazole, discussion reaction conditions included changing the solvent, the substituents o-phenylenediamine and benzaldehyde on acid catalysis conditions. Methanol as solvent, displayed within 60 minutes of the observation time is gradually reduced after the intermediate product quickly generate, along with the mono-substituted product is increased, di-substituted product will not change significantly. When changed to ethanol and water as a solvent, change trend of the various components will be different, but the intermediate change in water no too much. When the BA of number 4 carbon positions at different substituents replacement, -CN and -Cl electron-withdrawing substituents can inhibit the synthesis reaction, and the inhibitory effect -CN group is stronger than the -Cl group. Instead, electron-donating substituents -CH3 can accelerate the reaction. If o-PD of –H on the 4th carbon position replace with –CH3, it will slow down the rate of reaction. When o-PD and CH3-BA reaction, the carbon on the 4th replace on the 3rd -CH3 change on carbon, can also cause changes in the rate of formation of the intermediate product. Adding an acid to o-PD and CN-BA reaction solution can significantly increase the rate of reaction, trifluoroacetic acid (TFA) to accelerate the reaction rate is better than the effect of acetic acid, but TFA and CN-BA will be side effects. This study successfully demonstrated VESI-MS can be used as real-time changes in 2.

(14) the components of online instant detection of benzimidazole synthesis, results show that solvent, substituent, acid will affect the reaction rate. A compound of changes observed in this study was based on intensity change in a particular ion mass spectrum, it does not represent the actual yield of the compound, and therefore can not directly affect the results of the comparison with the known synthetic conditions on the product selectivity to do Keywords: VESI, on-line monitoring, benzimidazole, solvent effect, substituent effect, acid-catalyzed. 3.

(15) 第一章. 前言. 反應機制的探討是尋求反應實驗條件最佳化過程中不可或缺的一環，對於能即時地監控實驗的反應過程可以在反應時提供較詳細的資訊，幫助我們更理解反應的機制。質譜儀 (Mass Spectrometry, MS)具有高靈敏度和專一性的特性，乃成為最有前景的分析工具，而質譜儀也可以提供在反應系統中所參與的物質的質量對電荷比值之資訊，使獲得的資料更加完善。質譜儀線上偵測的游離方式是由電噴灑游離法開始作應用，但為了改善前處理的步驟，在 2004 年由 Cooks1 等人所研發出來的脫附電噴灑游離法 (desorption electrospray ionization, DESI) 帶動了一連串新的常態游離方式的發展。然而已改善了不需要前處理的步驟，但大部分相關的研究依然需要改變質譜儀的游離源端來使樣品藉由不同的方式氣化且游離，因此本實驗室的楊瑞崎學長開發一套自動進樣裝置，稱為文氏管電噴灑游離質譜法 (Venturi electrospray ionization, VESI) ，藉由電噴灑游離源所使用的 desolvation gas 因高速流動在 ESI tip 的前端形成 Venturi effect 造成一壓力差來推動樣品液，使此裝置在不外加幫浦等設備，就能達到連續自動進樣的效果。此裝置在本實驗室中已經有被楊瑞崎學長 2 成功地運用在即時偵測水楊酸的水解反應過程，以及潘怡桂 3 學姊運用在更廣的層面上，例如苯並咪唑的有機反應、茶葉的實驗、果皮表面附著農藥之偵測和藍瓶實驗 4.

(16) 的氧化還原反應，由此可知 VESI 的優點不僅能即時偵測有機反應，還能運用在更多不同的實驗上。VESI 裝置可分為單管進樣(sVESI)和雙管進樣 (dVESI)，在此研究中 s-VESI 主要就是運用在偵測合成苯並咪唑化合物反應的即時變化，在反應瓶中利用攪拌子均勻地攪拌，藉此再加入反應物進入反應瓶時能混合均勻後再進入質譜中偵測反應液的變化，因此 s-VESI 裝置的優點可以線上即時分析有機反應的過程，但缺點在於由於質譜的限制，所以只能用極性的溶劑來當作反應溶劑。在實驗觀察過程中有發現同分異構物的訊號形成，其為了分辨差異性，運用了 d-VESI 的優點，將兩者需要反應的溶液各別放置左右兩邊，在兩邊要交會時由於時間很短而使反應時間為只有數秒，因此可觀察快速形成的中間產物和緩慢形成的產物在 MS/MS 下 CID 質譜圖之間的不同。而本研究為了能收集苯並咪唑的合成反應的完整資訊，採用文氏管電噴灑游離(VESI)質譜法針對合成苯並咪唑來進一步深入的探討，藉由線上偵測的優勢進一步的得到反應時起始物的消耗速率及主要產物的生成，以及在改變反應條件時對於產物單取代和雙取代時兩者的相對產率進行探討。在合成反應的條件中主要有溶劑效應、取代基效應與酸催化劑對反應的影響，了解反應在不同條件中的反應速率與相對產率的變化，探討在改變反應條件中對於反應機制的影響，以及與文獻的實驗結果進行比較。 5.

(17) 第二章. 文獻回顧. 2.1 以質譜作線上即時偵測反應機制的探討是尋求反應實驗條件最佳化過程中不可或缺的一環，對於即時地監控實驗的反應過程可以在反應時提供較詳細的資訊，幫助我們更理解反應的機制。因此運用質譜進行線上即時偵測為很好的方法之一，能利用即時分析的優點去得知反應從一開始到最後的完整變化。近年來已經有多個研究團隊開發以質譜法進行有機反應的線上分析，在 1998 年 Brum 與 Dell’Orco4 利用線上的大氣游離法(atmospheric pressure ionization, API)方式設計液相實驗裝置(圖 2-1)，利用此裝置來進行光解的三苯乙烯分子溶於甲醇先作光化學反應的模擬實驗，再應用質譜來即時監控反應動力學的變化。. 圖 2- 1 利用 API-MS 與汞燈作光化學反應裝置示意圖 4. 6.

(18) 2011 年 McCullough5 等人利用 EESI-MS 質譜方式作有機反應的線上即時偵測，將分析物以 Venturi effect 方式進樣，與 ESI 電噴灑液作萃取使分析物帶電荷 (圖 2-2)，不需額外動力推送分析物進入質譜作反應的即時偵測，可以得到反應中的動力學曲線以及反應速率 (圖 2-3。即時監測水楊酸乙酯 (ethyl salicylate, m/z 165) 水解成水楊酸 (salicylic acid, m/z 137) 的動力學反應，其中發現此監測方法可以偵測到中間產物水楊酸甲酯 (methyl salicylate, m/z 151) 的訊號。. 圖 2-2 以 Venturi effect 方式進樣，利用 EESI-MS 方式進行線上偵測之裝置示意圖 5. 7.

(19) 圖 2-3 水楊酸乙酯水解成水楊酸的動力學曲線圖 5 在 2012 年 S. Santos6 等人以 ESI-MS 和 ESI-MS/MS 來進行監測天然甜味劑甜菊糖(Stevioside)在水解時產生的致癌物甜菊醇(steviol)進行分析，利用 ESI-MS 快速和高靈敏度來監測當甜菊糖分子在酸性水溶液中快速水解的過程(圖 2-4)，之後將甜菊糖(m/z 805 和 m/z 843)經過不同 pH 值來進一步的水解形成 m/z 643、m/z 481 和最後一個的甜菊醇(m/z 319)，再利用 ESI-MS/MS 鑑定其結構，最後將其水解變化做成一個 pH 值與相對強度做圖，最後作者添加真實樣品飲料進去，觀察每個飲料中在不同 pH 值的環境下甜菊糖的變化如何(圖 2-5)，目的在於可以觀察當進入人體之後甜菊醇所形成的含量會不會對人體有害。. 8.

(20) 圖 2-4 甜菊糖經過不同 pH 值得水解過程 6. 圖 2-5 甜菊糖水解與 pH 值的相對強度圖 6 2013 年 Hyvl7 等人應用 ESI-MS 來監測利用銅促進吡唑類合成，而此合成並不是為最新的合成方法，但是在 ESI-MS 監測中卻發現反應中有出 9.

(21) 現不穩定的中間物的生成，由於在一般的合成只會看到最終的產物，因此可以驗證質譜線上分析為很好的即時偵測方法，而作者也將反應的離子總和、中間產物和產物做成動力圖來展示(圖 2-6)。. 圖 2-6 以 ESI-MS 監測銅促進吡唑類合成的動力學曲線 7 運用質譜進行線上即時分析有機反應的進行是一個很好的分析方法，所得到的資訊與反應機制的了解往往比一般離線反應或是其他線上偵測的儀器還要來的多和完整，因此本實驗的楊瑞崎學長利用開發一套自動裝置，稱為文氏管電噴灑游離法(Venturi electrospray ionization,VESI)2，此裝置在不外加電力設備或是氣動裝置以及注射針幫浦的輔助下自動進樣，幫助質譜能大量的分析樣品，和已達到能長時間的即時監測整個有機反應的過程以及在反應中分析物快速變化的情況。而本實驗室也成功的利用 VESI 來進行偵測水楊酸的水解反應 2，以線上質譜分析來檢視水楊酸在不同環境下水解的過程和結果，另外除了 10.

(22) 能成功的在 VESI 上即時偵測水解過程之外，也能運用在許多不同的化學研究上，像是潘怡桂學姊 3 成功的線上偵測苯並咪唑的有機合成反應、茶葉的浸泡實驗、果皮表面附著農藥殘留實驗和藍瓶實驗的氧化還原反應，所以本研究就以深入探討苯並咪唑的有機合成反應為論文探討的主題，藉由 VESI-MS 線上即時偵測的優點來觀察在不同條件下合成苯並咪唑時的初始生成速率與產物的相對強度差異。. 2.2 苯並咪唑化合成反應苯並咪唑化合成反應苯並咪唑(benzimidazole)是一個雙環的芳香雜環化合物，傳統合成苯並咪唑的方法經常會利用到鄰苯二胺 (o-phenyldiamine, o-PD) 以及羧酸 (或是羧酸衍生物) 在脫水條件下的縮合反應。對於合成苯並咪唑以及衍生物在近年來已經有了許多研究結果，其中在藥物化學裡占有顯著的重要性，其衍生物的種類可大致分為單取代產物和雙取代產物，在 2010 年 Azarifar8 等人也利用鄰苯二胺和醛類化合物當作起始物來進行縮合反應，在以醋酸為溶劑與微波輻射的條件下合成了苯並咪唑，並且也進一步地推導可能發生的反應機制 (圖 2-7) ，在此篇文獻裡，作者推測了兩條反應路徑，路徑 A 會有 1 當量的苯二胺與 2 當量的苯甲醛反應形成雙亞胺，而後環化成雙取代的苯並咪唑產物，路徑 B 則是會先形成含有兩個環的化合物，而後在有氧氣的條件下脫氫. 11.

(23) 變成單取代產物。因此長期以來有許多文獻為了要得到預期的苯並咪唑衍生物，藉由改變不同的反應條件來得到最佳的產率、產物選擇性和最佳的反應速率，其反應條件有:不同的溶劑、催化劑種類、取代基的種類和改變溫度等其他變因條件。. 圖 2-7 文獻作者推測之合成苯並咪唑的反應路徑示意圖 8. 2.2.1 溶劑效應溶劑的選擇在有機反應中佔有很重要的一環，尤其當不同極性的溶劑來進行反應時，對於反應的路徑都會有一定的影響。2006 年時 Salehi9 等人在進行合成苯並咪唑時得知在反應中(圖 2-8)會形成雙取代的產物 (編號 3，product 3) 以及單取代的產物 (編號 4，product 4)，而作者用了許多不同的溶劑來進行合成反應(表 2-1)，發現隨著改變溶劑的極性也會對於反應結果有所影響，像是當溶劑換成乙醇時產率為 90%的雙取代產物，但是換成甲醇則是雙取代產物的產率為 40%，單取代產物的產率為 15%，另外對於反應的時間也會有所變異。 12.

(24) 圖 2-8 合成苯並咪唑的反應式 9 表 2-1 不同溶劑對反應結果的影響 9. 2007 年，Yulu10 也利用不同的條件來合成苯並咪唑，並且在文獻中對於溶劑對於產物的產率變化進行探討 (表 2-2)，發現在相同的條件下改變不同溶劑時雖然不會影響反應的生成路徑，但是會對於反應的最終產率有所影響。. 表 2-2 不同的溶劑對於產率的影響 10. 13.

(25) 在 2014 年 Bhar11 在進行氧化鋁硫酸溶液當作催化劑的條件下進行合成反應(圖 2-9)，發現當溶劑換成乙醇(Ethanol)、n-己烷(n-Hexane)和乙醚(Ether)等其他溶劑進行探討，從數據中(表 2-3)發現在相同的合成反應條件下乙醇的產率可達到 90%而甲苯溶劑的產率則只能到 28%。. 圖 2-9 氧化鋁硫酸催化下進行合成的反應式 11 表 2-3 探討溶劑效應對合成苯並咪唑的反應的影響 11. 2011 年，Beifuss12 利用緩衝溶液當作反應溶劑再添加漆酶來進行催化反應，發現到當改變不同比例和 pH 值得緩衝溶液進行合成反應時對於反應所生成的產率都有所影響，代表著除了不同溶劑會對反應結果有所影響，當在相同溶劑下不同比例或是 pH 值也會有所影響。. 14.

(26) 從以上的文獻中可以得知在相同的反應條件下，改變不同的溶劑來進行合成反應，不僅對於反應的最終產率會有所影響，對於反應的途徑和反應時間也會有所差異，但是相同溶劑在不同反應進行所得的結果也有所不同，由此可知會影響反應結果有許多的變因。. 2.2.2 取代基效應在探討反應條件中，最常見的就是取代基探討最為普遍，取代基種類通常可以分為拉電子基與推電子基來區別。2007 年，Nasreen 和 Adapa13 在 chloroform 溶劑中進行合成反應時發現當不論是改變 o-PD 的取代基或是改變醛類的取代基都會對於產率有所影響。像是當改變不同 o-PD 取代基時(表 2-4)可以發現在不考慮反應的時間下，當取代基為 H 的產率為最高，而取代基為雙甲基為產率最低，雖然理論來說推電子基比較容易得到電子，會有利於反應的進行，但是因為立體結構的關係形成立體障礙，所以影響了反應結果與理論有所差異。. 15.

(27) 表 2-4 利用改變鄰苯二胺和醛類的官能基合成苯並咪唑並探討對產率的影響 12. 16.

(28) 在 2004 和 2015 年 Naeimi14 等人和 Perumal15 團隊在進行合成反應時也有對於醛類的取代基種類進行深入的研究(表 2-5 和 2-6)，其中拉電子基部分有-Cl 和-NO2，而推電子基的部分則有-OCH3 和-CH3，而除了單獨比較拉推電子基之外也將醛類同時接上拉推電子的雙取代基來進行合成反應，雖然作者做出的結果產率差異不大，不過可得知取代基的變化可由單一取代變成不同的雙取代基。. 表 2-5 Naeimi 等人對於不同取代基進行探討 14. 17.

(29) 表 2-6 Perumal 團隊對於不同取代基進行探討 15. 在 2011 年 Mohammadizadeh16 等人在乙醇與水的混和溶液中添加三氟醋酸(TFA)中進行合成反應(圖 2-10)，發現到當改變不同的取代基時不僅會影響到反應的產率，還會影響產物的形成，當醛類取代基換成拉電子基時(表 2-7)，會促使反應容易形成單取代產物，而取代基為推電子基時則是雙取代產物。. 圖 2-10 在 TFA 催化下合成的反應式 16. 18.

(30) 表 2-7 比較拉電子基與推電子基對於 BA 反應活性的影響 16. 2.2.3 催化劑種類催化劑在有機合成中往往占的很重要的一環，因為催化劑能將原本需要很冗長的反應時間縮減到很短，也可以在合成反應中當作介質促使反應過程能更順利的進行，甚至近年來人們因為綠色化學提倡無溶劑的合成反應，催化劑的功用更是顯為重要。此外催化劑的種類也有許多，除了原本既有的液體和固體，更多了介面活性劑和奈米粒子來當作催化劑。像是 2011 年，Ghosh17 等人利用介面活性劑還當作催化劑在水溶液中進行合成反應(圖 2-11)，由實驗結果中作者得知改變催化劑的添加含量(表 2-8)在加到 10 毫克後就對於反應的產率影響並不大，不過在改變催化劑的種類後發現除了會改變產物的選擇性，其中也發現到雙取代中間產物的形成。. 19.

(31) 圖 2-11 在 SDS 催化下進行合成的反應式 17 表 2-8 探討催化劑含量和催化劑種類，對於反應結果的影響 17. 作者推測(圖 2-12)可能是因為催化劑在合成反應中因為 SDS 在水溶液中會形成 Schiff base，然後對於親電性高的碳原子上進行親核攻擊，之後再藉由閉環的步驟將 H 離子轉移，促使中間產物轉而形成產物。此外作者也提倡綠色化學，因此此文獻最後也有對催化劑進行能再利用進行探討，發現到當重覆使用六次時其回收率都很好，加上反應溶劑為水溶 20.

(32) 液，因此可以對環境的汙染降到最低。. 圖 2-12 在十二烷基硫酸鈉催化進行合成苯並咪唑的反應式 17 在 2011 年，Behbahani18 利用 Fe/CeO2–ZrO2 奈米粒子來當作催化劑 (圖 2-13)，在乙醇溶劑中進行反應，作者除了一開始在鄰苯二胺與對氯苯甲醛的反應條件下探討催化劑適合加入反應的量之外，也做了不同種類的奈米粒子催化劑探討。由表 2-9 可以看到用不同奈米粒子催化劑進行合成反應時會形成不同比例的單取代產物和雙取代產物之外，產率也會有所影響。而此文獻也是綠色化學的概念，因此也有對於催化劑的重覆性進行探討，減少對環境污染的傷害。. 21.

(33) 圖 2-13 利用 Fe/CeO2–ZrO2 奈米粒子來催化劑的反應式 18. 表 2-9 利用改變催化劑 Fe/CeO2–ZrO2 的種類對於反應的影響 18. 添加酸來進行催化在反應中往往是能得到較好的產率及加快反應速率，主要是因為酸在溶液中會解離出 H+，加快了反應中碳氧基上的氫氧基脫離和中間產物的閉環速率。因此在 2006 年 Wang Yong-Mei19 團隊利用在乙醇溶劑中改變不同的路易士酸(Lewis acids)和質子酸(protic acid) 催化劑(表 2-10)來進行探討，其中也包含了許多金屬鹽類的催化劑，但由作者的實驗結果來看 ZrCl4 催化劑(第 28 選項)效果最好，而作者也對其 ZrCl4 含量進行探討，得知直接加入一滴 ZrCl4 所得到的產率最高以及. 22.

(34) 反應時間最為快速，因此為最佳的反應條件，此外也可以得知當如果沒有添加催化劑時在經過 24 小時依然在此反應中沒有生成產物，因此路易士酸和質子酸在此反應中佔有相當重要的關鍵。. 表 2-10 不同路易士酸和質子酸的催化劑對產率的影響 19. 無溶劑的合成反應在近年來越來越受歡迎，除了因為可以減少實驗溶劑的成本之外，對於環境的汙染更是降到最低。在 2007 年 M. Heravi20 團隊在室溫下利用 Fe(ClO4)3 催化劑在沒有溶劑下進行苯並咪唑合成反應， 23.

(35) 此篇文獻在於合成反應的過程中不需要添加任何溶劑來當作反應的介質，就能很快的將 o-PD 與各種的醛類來進行合成反應，其產率也都相當高，其反應機制(圖 2-14)在於合成反應的過程中 Fe(ClO4)3 會先激發醛類上的碳基氧，使氧脫離醛類之後 Fe(ClO4)3 再與氮基鍵結產生閉環作用，進一步的促使中間產物形成五元環，最後在脫離氮基形成產物。. 圖 2-14 在無溶劑的情況下利用 Fe(ClO4)3 進行催化的反應式 17 而在傳統的合成反應中通常最常用的為離線分析，整個實驗的過程都是在經過很長的反應時間來進行合成完之後才運用其他分析儀器來進行鑑定，例如:NMR、GC-MS 和 LC-MS 等儀器，因此所得到的結果往往都是最終反應所形成的。而線上分析則是清楚的知道在反應過程中各個分析物的生成變化，改善離線分析時需要耗費冗長時間和繁瑣過程的缺點，因此在我的研究中將採用線上即時偵測來進行分析，藉此可以得到. 24.

(36) 反應過程中較為完整的資訊。本實驗主要是利用文氏管電噴灑游離法(Venturi electrospray ionization, VESI)連續進樣的方式，藉由即時偵測的優點，除了能夠深入的探討在不同反應條件產物生成的趨勢，也能得知反應初始的生成速率，以及中間產物的生成現象，與一般文獻中的離線反應還要能得到更多更完整的資訊，並可以使用動力學資料繪製出隨時間變化的動力學曲線圖。. 25.

(37) 第三章. 實驗方法. 3.1 藥品與配置藥品與配置藥品名稱. 廠牌. 分子量. Acetic acid. J.T.Baker. 60.05. 64-19-7. Benzaldehyde. Riedel-de haën. 106.12. 100-52-7. 4-Chlorobenzaldehyde. TCI. 140.57. 104-88-1. 4-Formylbenzonitrile. Alfa Aesar. 131.13. 105-07-7. 4-Hydroxybenzaldehyde. Alfa Aesar. 122.12. 123-08-0. o-Phenylenediamine. Aldrich. 108.14. 95-54-5. p-Tolualdehyde. Alfa Aesar. 120.15. 104-87-0. 4-Methyl-oPhenylenediamine. Alfa Aesar. 122.17. 496-72-0. m-Tolualdehyde. Alfa Aesar. 120.15. 620-23-5. Trifluoroacetic acid. J.T.Baker. 114.02. 76-05-1. CAS Number. 使用的溶劑有 HPLC 級甲醇(購買於 J.T.Baker)。所有樣品液的配置為秤取/吸取所需樣品的克數/體積，以 100% 甲醇(乙醇或水)作為溶劑配製成 1.2х 10-3 M 和 1.1х 10-2 M 的貯存溶液 (stock solution)，並利用超音波震盪器 (Sonicator，Brandsonic 5510R-DTH) 將樣品液均勻混合，配製完成的樣品液放置於冰箱中保存，等待後續實驗使用。待進行質譜分析時，各吸取 1 mL 貯存溶液並加入 15 mL 甲醇稀釋成約 5.75х10-4 M 溶液開始反應，進而進入質譜分析。 26.

(38) 3.2 儀器與裝置儀器與裝置 3.2.1 質譜儀質譜儀為 Micromass Q-TOF，使用的游離源為電噴灑游離，操作模式為正電模式。質量分析器為四級桿質譜分析器 (Quadrupole mass analyzer)和時間飛行器(Time of flight)的串聯質譜儀，電噴灑游離裝置使用的霧化氣體 (Nebuliser Gas) 流速 20 liters/hour ，而去溶劑氣體 (Desolvation Gas) 的流速為 300 liters/hour。分析時質譜儀的最佳參數為 Source Block Temp: 100℃、Desolvation Temp: 180℃、TOF: 7200 V、MCP: 2700 V、Capillary Voltage: 2600 V、Cone: 25 V、Collision Energy: 3 V、 Gas Cell: 5 psi。離子碰撞誘導解離 (Collision Induced Dissociation，CID) 的碰撞氣體為氬氣 (Ar) 。進樣方式以本實驗室開發的自動進樣 (self-pumping pump)，操作流速約為 20.0-30.0 µL/min。. 3.2.2 質譜自動進樣裝置質譜自動進樣裝置以動力學法實驗應用在傳統電噴灑游離源 ESI 時，為了改善用注射針幫浦的體積限制，將利用電牽引自動進樣的裝置取代，改善了在質譜中分析有機反應的時間。此實驗是利用本實驗室所開發設計的自動進樣裝置-文氏管電噴灑游離質譜法 (Venturi Electrospray Ionization Mass Spectrometry,VESI-MS) 來進樣，希望在不外加電力設備或是氣動裝置及注射針幫浦下，藉由 desolvation gas 因高速流動在 ESI tip 的前端形成 Venturi effect 造成一. 27.

(39) 壓力差來推動樣品液，達到連續自動進樣的效果。自動進樣裝置設計為單管進樣 VESI(sVESI)，是將口徑 130um 的 PEAK 毛細管裁切成約 10 公分長度，作為連續進樣的管線，再將樣品瓶的瓶蓋打洞，方便讓 PEEK 毛細管穿入瓶蓋進入樣品瓶內，將 PEEK 毛細管的末端浸入溶液液面下，另一端以轉接頭連接到質譜儀的電噴灑游離源，而後自動進樣到質譜儀進行訊號偵測。此裝置可以藉由操作人員幫助質譜儀快速且大量的進行樣品的偵測。. 圖 3-1 sVESI 裝置圖. dVESI 自動進樣裝置的示意圖如圖 3-2，組裝時先將口徑為 130 μ m 的 PEEK 毛細管裁切成約 6.5 公分長度，作為自動進樣裝置的連接管線，再將微量離心管的蓋子打洞，方便讓 PEEK 毛細管穿入蓋子進入微量離心管內，並利用 T 型連接頭串連兩個 sVESI 裝置，將 PEEK 毛細 28.

(40) 管的末端浸入溶液液面下，另一端以 T 型轉接頭連接到質譜儀的電噴灑游離源，而後自動進樣到質譜儀進行訊號偵測。. 圖 3-2 dVESI 裝置圖. 3.3 自動進樣裝置進行即時分析自動進樣裝置進行即時分析苯並咪唑即時分析苯並咪唑合成反應苯並咪唑合成反應 3.3.1 單管 VESI 質譜搭配 sVESI 進行即時偵測合成苯並咪唑化合物反應的即時變化，並利用已知溶劑的流速來得知反應時間與偵測時間的延遲關係，以便能更了解反應進行的過程及其機制。反應溶液在樣品瓶內需經過攪拌子 (stir bar) 均勻攪拌，故架設升降台與磁力攪拌器 (hot plate) 來使攪拌子產生作用 (圖 3-3)。進行實驗之前，將鄰苯二胺溶於甲醇配置成 10-3 M 鄰苯二胺甲醇溶液 (o-PD/ MeOH (sol)). 備用，苯甲醛配置成 10-2 M 苯甲醛甲醇溶液(BA/MeOH)。於樣品瓶. 內盛裝 15 mL 甲醇作為反應溶劑，反應一開始先以 sVESI 進樣甲醇， 29.

(41) 收集兩分鐘偵測訊號當作背景值 (blank) ，三分鐘時藉由微量移液吸管 (micropipette) 將 o-PD/MeOH(sol) 1 mL 加到樣品瓶內，五分鐘時加入 BA/MeOH(sol) 1 mL，進行線上偵測苯並咪唑類化合物的化學反應。. 圖 3-3 利用升降台與磁力攪拌器協助 sVESI 裝置進行線上偵測反應. 3.3.2 雙管 VESI 藉由 T 型接頭的使用，VESI 除了單重進樣外也可進一步改良成雙重進樣，達連續自動進樣的效果，如實驗裝置示意圖(圖 3-4)。其主要功能在於分辨反應中所生成的同分異構物，利用做 CID 實驗來觀察其撞碎的碎片訊號有何不同處，在與單管的 CID 碎片訊號進行比較，藉此可以得知反應一開始所生成的訊號與單管反應較長時間的訊號不同之處。 30.

(42) 圖 3-4 VESI 雙重進樣與質譜的應用示意圖(雙重進樣). 實驗步驟於 dVESI 裝置兩邊之微量離心管內盛裝 1 mL 甲醇作為反應溶劑，反應一開始先以 dVESI 進樣甲醇，並收集一分鐘偵測訊號當作背景值，兩分鐘時快速地將左邊之微量離心管置換為盛裝 o-PD/MeOH(sol) 的微量離心管，確定樣品液穩定進樣後，三分鐘時再快速地將右邊的微量離心管置換為盛裝 BA/MeOH(sol) 的微量離心管，進行以雙管進樣線上即時偵測有機反應。. 31.

(43) 第四章. 結果與討論. o-PD 與苯甲醛的反應在許多的文獻中已被報導 8~17，而所推測出的反應機制如圖 4-1 所示，當 o-PD 與 BA 開始反應時會先產生醛類的縮合反應而形成中間產物，而中間產物的形成路徑有 2 個，一個是先形成單取代中間產物後再經由氫質子的轉移和氧化形成單取代產物，另一個則是會同時生成雙取代中間產物之後才又轉換成雙取代產物，但是在雙取代產物的形成路徑在我們的初步研究中認為應該是有 2 個形成的路徑，第二個的形成路徑與上述的不同在於反應時會先形成單取代中間產物之後才會與另一個醛類進行脫水反應，之後才形成雙取代中間產物然後再轉換成雙取代產物。而為了要探討在哪些反應條件會比較偏向反應路徑來進行，因此本研究主要就是利用 sVESI 連接質譜的方式對於此反應進行深入探討，運用質譜能即時分析的優點能詳細的收集反應的完整資料。. 32.

(44) 圖 4 1 推測 o-PD 與 BA 反應機制的過程. 實驗的操作流程為如圖 4-2，一開始將 15 ml 的溶劑加進樣品瓶中，質譜偵測收集 2 分鐘的溶劑圖當作背景值，2 分鐘後用微量移液吸管加入 1 mL 的 o-PD 溶液進入樣品瓶中，過了大約 1 分鐘質譜圖上有訊號上升的現象，收 3 分鐘左右，最後加入 1 mL 的 BA 溶液到樣品瓶中開始進行反應，記下加入的時間為反應的 0 分鐘，此時 o-PD 和 BA. 33.

(45) 的濃度依序為 5.75х10-4M 與 1.22х10-3M(比例:1:2)。 (B). (A). (C). 圖 4-2 以 sVESI/MS 進行即時偵測的實驗步驟: (A)溶劑和攪拌磁石加置樣品瓶中； (B)加入 o-PD 溶液溶液；(C)加入 BA 溶液在許多的文獻中已經被報導能成功地在不同條件下合成苯並咪唑化合物 8~17，因此本研究利用 sVESI 線上即時偵測不同實驗條件下 o-PD 與 BA 反應，將可協助對此反應最終產物之選擇性的了解。首先是檢視在不同溶劑中進行反應，利用 sVESI/MS 來觀察反應液中各個分析物的反應趨勢及變化。. 4.1 溶劑效應本研究在溶劑效應探討中主要選擇了三種溶劑甲醇、乙醇和水來進行比較，其原因在於除了因為在許多文獻中都幾乎都有利用這三種溶劑之外，其對於在實驗室中為最容易取得之溶劑以及成本廉價等原因，因此選用甲醇、乙醇和水來做為反應溶劑的比較。 34.

(46) 在開始收集資訊過程中，當加入 o-PD 溶液時可以由質譜圖上觀察到在甲醇溶液(圖 4-3 A)中有明顯的出現起始物[o-PD+H]+(m/z 109)和已知的 o-PD 光聚合衍生物(m/z 213)訊號，但是在乙醇溶液(圖 4-3 B)中 m/z 109 的訊號卻不明顯，此外也有出現 m/z 213 的訊號。而在水溶液(圖 4-3 C)中則是也能清楚的觀察到 m/z 109 和 m/z 213 的訊號。. (A). (B). (C). 圖 4-3 在不同溶劑中加入 o-PD 溶液之質譜圖: (A)o-PD/MeOH;(B) o-PD/EtOH;(C) o-PD/DI-Water. 在收圖 o-PD 溶液 2 分鐘之後，加入 BA 溶液到反應液中進行反應，. 35.

(47) 由甲醇溶液(圖 4-4 A)的質譜圖中可以觀察到在剛開始反應時就呈現單取代中間產物[M+H]+ (m/z 197)訊號的生成，除此之外也有訊號較弱的單取代產物[M+H]+ (m/z 195)和雙取代產物[M+H]+ (m/z 285)的生成，在乙醇溶液中(圖 4-4 B)在剛開始反應時質譜圖呈現訊號強度較小的 m/z 197 和 m/z 195 的生成訊號，不過 m/z 285 訊號卻沒有生成出現。水溶液中反應則是發現 m/z 195 訊號是比 m/z 197 訊號強度還要大，而且也發現到沒有 m/z 285 訊號生成，因此可以得知在不同溶劑下反應單取代產物的初始生成速率是有所差異的。. (A). (B). (C). 圖 4-4 在不同溶劑中加入 BA 溶液後初始反應之質譜圖: (A)o-PD+BA/MeOH;(B) o-PD+BA/EtOH;(C) o-PD+BA/DI-Water 36.

(48) 在經過反應 50 分鐘之後由質譜圖可以觀察到三種溶液都是單取代產物 m/z 195 為主(圖 4-5)，但是在水的反應液(圖 4-5 C)中依然可以看到訊號很強的起始物 m/z 109 的訊號，以及單取代中間產物 m/z 197 訊號也與單取代產物 m/z 195 的訊號強度接近，推測反應在水溶液中單取代中間產物的形成較為緩慢，因此起始物在經過 50 分鐘之後訊號依然很強。雙取代產物 m/z 285 的部分則是在甲醇反應液(圖 4-5 A)中訊號有明顯的生成，乙醇與水溶液則是訊號很微弱，顯示溶劑對於產物的選擇性有著一定的影響。. (A). (B). (C). 圖 4-5 在不同溶劑中 o-PD 與 BA 反應 50 分鐘後之質譜圖: (A)o-PD+BA/MeOH;(B) o-PD+BA/EtOH;(C) o-PD+BA/DI-Water 37.

(49) 將各個生成的產物做成絕對強度與時間進行疊圖，可以由圖中得知各個分析物在 sVESI-MS 的實驗中生成變化。由絕對強度圖中可以觀察到各個分析物的生成情形皆有所不同，像是 m/z 197 在甲醇溶液中一開始是很快的反應生成後有持續緩慢的上升一段時間，之後再緩慢的下降，而乙醇溶液的生成現象雖然與甲醇溶液相似，但是可以看出上升的幅度沒有甲醇溶液還要來的大，而水溶液則是在快速生成後就持續平緩的狀態直到實驗結束。而 m/z 195 訊號則是在甲醇中慢慢地上升一段時間，之後才呈現平緩的狀態直到實驗結束，乙醇溶液一開始也是緩慢的增加，不過隨著時間的增加生成的速率有逐漸變快的現象，而水溶液中則是在一開始反應時有快速生成的現象，之後才慢慢地上升直到實驗結束。m/z 285 訊號則是在這三種溶液中的生成訊號都是很微弱，在整個反應中幾乎是平緩狀態，沒有明顯的變化。. 圖 4-6 在甲醇溶液反應中的各個分析物的 EIC 圖 38.

(50) 圖 4-7 在乙醇溶液反應中的各個分析物的 EIC 圖. 圖 4-8 在水溶液反應中的各個分析物的 EIC 圖. 另外再比較三種溶液的起始反應，而由於三種溶液的黏性皆有所差異，所以當溶液進入質譜時的訊號出現的時間和訊號上升的幅度也都會不同，為了避免再判斷初始反應上被溶劑本身所影響，因此將比較初始反應速率的時間選為訊號上升後約 10~15 秒之後的生成速率，雖然對於. 39.

(51) 觀察反應的初始速率會有些微差異，但是可以避免溶劑對於反應速率的影響，而我將各個溶液在開始反應後訊號上升 10 秒左右定為圖 4-9 的時間 0 分鐘，藉此觀察各個溶液的單取代中間產物在一開始生成的速率差異。. 圖 4-9 不同溶劑中的單取代中間產物生成速率比較. 由圖 4-9 可以觀察到甲醇溶液的生成訊號比其他 2 個溶液還要來的強之外，訊號上升的幅度也是比較大，而再來就是水溶液的生成，乙醇溶液的生成速率為最慢，而我們可以由這樣的結果可以知道即使甲醇和乙醇的溶劑極性相似，但所呈現的現象卻有明顯的不同，另外也可以知道利用質譜來觀察反應不僅能得知產物的生成現象(圖 4-6~4-8)，也可以知道反應在不同溶液的初始生成速率的差異性。 40.

(52) o-PD+BA 1/2 in MeOH m/z 197. 1. m/z 195. m/z 285. Relative intensity(%). 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 45. 50. Time(min). 圖 4-10 o-PD 與 BA 在甲醇反應，其生成化合物相對離子強度與反應時間趨勢圖. o-PD+BA 1/2 in EtOH m/z 197. 0.9. m/z 195. m/z 285. Relative intensity(%). 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0. 10. 20. 30. 40. Time(min). 圖 4-11 o-PD 與 BA 在乙醇反應，其生成化合物相對離子強度與反應時間趨勢圖. 41. 50.

(53) o-PD+BA 1/2 in Water 0.8. m/z 197. m/z 195. m/z 285. Relative intensity(%). 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 45. 50. Time(min). 圖 4-12 o-PD 與 BA 在水中反應，其生成化合物相對離子強度與反應時間趨勢圖. 由圖 4-10~12 的相對強度圖可以看出各個生成物在不同溶液中的生成變化，像是在單取代產物的生成中甲醇溶液在反應結束時有 68%，乙醇溶液則是 83%左右，而在水中則是有 55%，所以可以得知在三種溶液中乙醇的單取代產物的相對強度是最大的。比照圖 4-9 得知反應速率最快的為甲醇溶液，但最終的單取代產物的相對強度卻不是最強的，因此推測初始的反應速率與產物的生成速率沒有正向的相對關係。另外也由以上的結果可以看出溶劑效應對於反應速率和產物的生成都有所影響。但是由介電常數來看乙醇與甲醇最為接近，而水溶液則是與其他兩種溶液差異最大，但是由圖 4-9~4-12 中發現單取代中間產物的初始生成速率是乙醇和水溶液較相似，而在產物生成的部分甲醇與乙醇的單取代. 42.

(54) 產物的相對強度差異也很大，所以可以推測溶劑的介電常數對於反應的影響沒有相對關係。將實驗結果的趨勢與 Salehi9 等人的結果有所不同，在他的研究中乙醇溶液中反應的雙取代產物的產率最高，但在我的研究中主要是為單取代產物為主，因此推測可能的原因在於文獻中所用的是 Cl-BA 和矽硫酸來催化，以及反應濃度是我實驗時的 10 倍，才使結果的數據有所差異。. 雙取代產物由圖 4-6 中觀察到在一開始反應時 m/z 285.3 的生成是先快速上升後又下降，之後訊號才又緩慢的上升，而其一開始的生成變化與中間產物的生成速率相似，以及在之前的反應機制中也有推測雙取代產物的生成是先由雙取代帶中間產物生成後才轉換為產物，但因為中間產物和產物為同分異構物，因此在一般反應中不容易觀察到，而為了確定一開始的生成現象是否為中間產物的訊號，所以本研究先是採用 CID 實驗來對於同分異構物進行鑑定，另外也搭配雙管(dVESI)的方式進行實驗結果的驗證。在 sVESI 的 CID 實驗中可以明顯地觀察到在開始反應時所呈現的質譜圖(圖 4-13 A)有碎片訊號 m/z 253.3 和母離子訊號 m/z 285.4，而在經過反應超過 5 分鐘(圖 4-13 B)之後可以看到碎片訊號有明顯的出現 m/z 91.3 的訊號，m/z 253.3 訊號強度也有明顯的不同，不過由於碎片訊號與母離 43.

(55) 子訊號差了 m/z 32，因此無法得知是由結構中的哪個官能基斷裂形成。由 EIC 圖(圖 4-14 A)可以觀察到 m/z 253.3 訊號在一開始反應時有突然上升後又下降的現象，與在反應中的 m/z 285.4 之 TIC 圖相同(圖 4-4 D)，而 m/z 91.3 訊號則是可以隨著時間的增加緩慢的上升，因此可以推測其 m/z 253.3 訊號為雙取代中間產物的訊號，而 m/z 91.3 訊號則是產物的訊號，不過由於無法得知 m/z 253.3 的化學結構，因此對於 m/z 91.3 的結構也無法得知，但是能當作產物與中間產物的區別。. (A). (B). 圖 4-13 利用 sVESI 針對 m/z 285.4 的 CID 實驗分辨同分異構物: (A)反應一開始的 CID 質譜圖;(B)反應超過 5 分鐘的 CID 質譜圖. 44.

(56) (A). (B). 圖 4-14 利用 sVESI 針對 m/z 285.4 的 CID 實驗的 EIC 圖: (A)m/z 253 的 EIC 圖; (B) m/z 91.3 的 EIC 圖. 利用 sVESI 裝置時，起始物、中間產物、最終產物都處在同一個反應容器內，起始物變為中間產物，而後形成最終產物，因此我們能夠明顯地觀測到彼此之動力學資訊，並繪製出隨時間變化的消長關係圖。理論上以 dVESI 方式進行反應，在 T 型轉接頭的兩端各放置鄰苯二胺甲醇溶液及苯甲醛甲醇溶液，唯有交會處才會發生反應，亦即 T 形轉接頭處反應才得以進行 (圖 4-15)，故以 dVESI 裝置觀測此反應之變化時，不會有消長關係發生，因起始物會合處只有短暫幾秒，反應時間也如此。. 45.

(57) 圖 4-15 雙重進樣 VESI 裝置示意圖. 收集一分鐘甲醇訊號作為背景值，一分鐘時 A 管快速置換裝有 o-PD/MeOH(sol) 1 mL 的微量離心管，收集 o-PD/MeOH(sol) 質譜圖一分鐘，兩分鐘時 B 管再快速置換裝有 BA/MeOH(sol) 1 mL 的微量離心管。而在 2 者反應溶液交會，開始反應時可以觀察到 CID 質譜圖呈現訊號很強的 m/z 253.3 碎片訊號(圖 4-16 A)，而由 EIC 圖也可以看到 m/z 253.3 訊號在上升之後就呈現平緩的狀態，因此可以再一次驗證其 m/z 253.3 訊號為中間產物的訊號，因為在雙管的裝置(dVESI)中短暫的反應時間內只有出現 m/z 253.3 碎片訊號，而沒有出現 m/z 91.3 的訊號。. 46.

(58) (A). (B). 圖 4-16 利用 dVESI 針對 m/z 285.4 的 CID 實驗: (A) m/z 285.4 的 CID 質譜圖;(B) m/z 253.3 的 EIC 圖. 4.2 取代基效應在許多合成苯並咪唑的文獻中，已經有對於取代基的改變的探討有著深入的了解，像是 Nasreen 和 Adapa13 等人在研究中對於取代基的種類進行探討，其主要可以分為推電子基和拉電子基 2 種，除此之外對於取代基接在醛類或是鄰苯二胺對於反應結果也有近一步的探討。此外 Naeimi14 對於同時接拉推電子基或是多個取代基在醛類與鄰苯二胺反應進行研究，而 Mohammadizadeh16 等人也對於接上不同位置的取代基也有所探討。因此在本研究中決定以苯甲醛上取代基、鄰苯二胺取代基和不同位置的取代基來進行探討，而苯甲醛上取代基又細分為拉電子基、推電子基和拉推電子基同時反應時來作為探討之重點。 47.

(59) 4.2.1 苯甲醛上取代基隊反應活性苯甲醛上取代基隊反應活性之影響隊反應活性之影響 4.2.1.1 拉電子基效應對反應活性的影響拉電子基效應對反應活性的影響在苯甲醛的拉電子基部分本研究採用強拉電子基-CN 和弱拉電子基 -Cl 在甲醇溶液中及其他相同條件下反應，觀察反應過程及比較拉電子基中強弱電子基對實驗結果的影響。. -Cl 取代基 o-PD 與 Cl-BA 在甲醇溶液中反應可以觀察到在開始反應(圖 4-17 A) 時實驗的質譜圖呈現除了有訊號很強的 m/z 109 訊號，單取代的中間產物 (m/z 231)和產物(m/z 229)訊號都很微弱，雙取代產物(m/z 353)則是沒有呈現在質譜中。在經過反應 50 分鐘(圖 4-17 B)之後質譜圖呈現 m/z 109 訊號訊號有下降的現象， m/z 229 訊號有明顯的增加成為主要的生成產物，m/z 231 訊號則是比一開始反應時所生成的訊號強度還大，與一般反應中間產物訊號較強的情形不同，另外也在反應最後沒有觀察到雙取代產物的生成，而由質譜圖中無法了解反應過程的完整變化，因此運用 EIC 圖來進行觀察(圖 4-18)。. 48.

(60) (A). (B). 圖 4-17 o-PD 與 Cl-BA 在甲醇中反應不同時間點之質譜圖: (A)反應 0 分鐘;(B)反應經過 50 分鐘之後. 將 EIC 圖做成絕對強度與時間作圖可以觀察到分析物隨著時間增加的消長關係，由圖 4-18 可以得知 m/z 109 訊號可以觀察到在反應經過 50 分鐘之後訊號下降並不多，在反應結束時訊號強度還有原本的一半左右。 m/z 231 訊號在開始反應時生成訊號是緩慢的增加，而 m/z 229 訊號則是在反應 10 分鐘後訊號強度就大於 m/z 231 訊號。. 49.

(61) 圖 4-18 o-PD 與 Cl-BA 在甲醇反應之各個分析物的絕對強度與時間圖. -CN 取代基將取代基換成拉電子基較強的-CN 取代基進行實驗。在反應實驗的質譜圖中發現到當反應經過 50 分鐘(圖 4-19 A)之後與起始反應(圖 4-19 B)的質譜同相同，並沒有生成任何的單取代中間產物(m/z 220)、單取代產物(m/z 222)以及雙取代產物(m/z 335)的訊號在質譜圖中，只有出現 m/z 186 的訊號，但之後發現 m/z 186 的訊號為 BA-CN 的衍生物，因為之後發現當只有加入-CN 進入甲醇中時 m/z 186 的訊號就為了會出現。. 50.

(62) (A). (B). 圖 4-19 o-PD 與 CN-BA 在甲醇反應中不同時間點之質譜圖: (A)反應 0 分鐘;(B)反應 50 分鐘之後. 為了要了解此反應是否是因為反應太慢而導致過了一小時沒有變化，或是無法在這實驗條件下進行反應，所以決定先運用離線反應的方式來進行。由離線反應的質譜圖中可以觀察到由反應 1 分鐘(圖 4-20 A)時只有微量的 m/z 222 訊號生成，在經過 2 小時的從質譜圖中觀察到反應依然沒有 m/z 220 的訊號生成(圖 4-20 B)，但有看到 m/z 222 帶鈉鹽的訊號(m/z 244)。反應直到 4 小時(圖 4-20 C)之後才由質譜圖中觀察到 m/z 222 的生成訊號，但是由整體來看生成的訊號依然微量，此外也有發現微弱的 [2M+Na]+訊號生成。在經過反應 12 小時(圖 4-20 D)由質譜圖中可以觀察 m/z 220 的訊號強度已經大於 m/z 222 訊號的現象，而在最後反應 48 小時 (圖 4-20 E)之後可以觀察到 m/z 220 訊號強度有明顯增加，但依然沒有生. 51.

(63) 成出雙取代產物 m/z 335 的訊號。. 圖 4-20 o-PD 與 CN-BA 在甲醇中不同時間之離線反應質譜圖: (A)反應 1 分鐘; (B)反應 2 小時;(C)反應 4 小時; (D)反應 12 小時;(E)反應 48 小時 52.

(64) 由於無法由質譜圖比較反應中所生成的化合物相對強度含量的變化，因此將數據繪製成相對強度與時間的動力曲線圖。在製作取代基-Cl 部分，由於在質譜圖中有 Cl35 與 Cl37 訊號強度 3:1 的同分異構物形成，造成了單取代中間產物(m/z 231)和單取代產物訊號(m/z 229)的同分異構物重疊，因此將 m/z 231 的訊號扣除 m/z 229 訊號的三分之一，剩餘的數值為真正 m/z 231 的訊號。由圖 4-21 可以看出一開始反應時中間產物(m/z 231)的生成佔了整體強度的 80%，隨著時間的增加訊號強度逐漸地降低，到反應 40 分鐘時可以看到生成的相對強度已經降到 10%，與圖 4-22 相比可以看出在一開始反應時單取代中間產物(m/z 222)已經 90%，在反應經過 48 小時之後單取代中間產物的相對強度還有 30%。其中也觀察到在-Cl 取代基反應的 7 分鐘時的取代產物的訊號已經大於單取代中間產物，而-CN 取代基反應則是要經過一天相對生成強度才比較接近。由以上實驗結果可以得知在 CN-BA 的單取代產物的生成速率是遠比弱拉電子基的 Cl-BA 還要慢許多，以及在產物的生成比較中可以觀察到在相同時間下 Cl-BA 的單取代產物的相對強度是比 CN-BA 還要來的強，因此可以得知在拉電子基中強弱不同的取代基對於實驗的速率和產物的生成是有明顯的影響。不過實驗結果與文獻中 Mohammadizadeh16 所做的結果趨勢相符合，雖然所得到的產物與 Mohammadizadeh 的研究結果不 53.

(65) 同，但是在實驗的結果中比較出在相同時間下當醛類的取代基為強拉電子基時的產率比弱的拉電子基的產率還要低，而產物結果之所以有差異可能是因為文獻所用的溶劑為乙醇和水的混和液以及是在三氟醋酸催化下進行，而我的研究則是在甲醇中不添加任何催化劑，因此所得到產物結果與實驗結果有所不同。. o-PD+Cl-BA in MeOH Relative intensity(%). 1. m/z 231. m/z 229. 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 45. Time(min) 圖 4-21 o-PD 與 Cl-BA 在甲醇反應其生成化合物之相對離子強度與反應時間趨勢圖. 54. 50.

(66) o-PD+CN-BA in MeOH. 1. m/z 222. m/z 220. 0.9. Relative intensity(%). 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0. 240. 480. 720. 960 1200 1440 1680 1920 2160 2400 2640 2880. Time(min). 圖 4-22 o-PD 與 CN-BA 在甲醇反應其生成化合物之相對離子強度與反應時間趨勢圖. 4.2.1.2 推電子基效應對反應活性的影響推電子基效應對反應活性的影響在討論完苯甲醛之拉電子基部分之後，對於推電子基也採用比較強弱電子基來進行實驗，強拉電子基為-OH 取代基，弱拉電子基則為-CH3 取代基。觀察兩者不同取代基的實驗結果與反應趨勢，能與拉電子基的比對反應的相對趨勢，討論其中的相異與相同處。. -CH3 取代基從質譜圖中可以觀察到在剛開始反應訊號上升時(圖 4-23 A)就呈現了單取代中間產物(m/z 211)的和 m/z 109 的訊號生成，以及也有微量的單取代產物(m/z 209)和雙取代產物(m/z 313)的訊號生成。在反應 50 分鐘(圖 55.

(67) 4-23 B)之後質譜圖可以明顯觀察到 m/z 209 訊號增強許多，而 m/z 211 訊號則是變成比 m/z 209 訊號還弱許多，m/z 109 訊號也有明顯降低的現象，不過 m/z 313 的訊號依然很微弱。. (A). (B). 圖 4-23 o-PD 與 CH3-BA 在甲醇中反應不同時間點之質譜圖: (A)反應 0 分鐘;(B)反應 50 分鐘之後. 在反應的生成中由於雙取代產物的生成訊號太低，因此將 EIC 圖部分各別來觀察，由圖中可以觀察到 m/z 109 訊號(圖 4-24 A)在開始反應時訊號上升之後，隨著時間的增加訊號逐漸地降低，到反應結束時還剩下原本的 50%。m/z 211(圖 4-24 B)則是在開始反應時訊號快速的上升，之後再緩慢地增加直到反應 20 分鐘後就趨漸平緩直到反應結束。m/z 209(圖 4-24 C)則是可以明顯地觀察到在反應開始時就緩慢的增加直到. 56.

(68) 結束時依然有持續上升的現象，而 m/z 313(圖 4-24 D)生成訊號雖然很微量，但是也能觀察到在反應時訊號有慢慢增加的現象，直到反應 20 分鐘時才逐漸平緩。. (A). (B). (C). (D). 圖 4-24 o-PD 與 CH3-BA 反應的各個分析物之 EIC 圖: (A)m/z 109;(B)m/z 211;(C)m/z 209;(D)m/z 313 -OH 取代基在 o-PD 與 OH-BA 反應中觀察到其反應過程在 sVESI 下生成訊號並不穩定(圖 4-25)，重覆做幾次後情況依然發生相同現象，而這會造成對於在進行初的數據整與真實反應結果有所差距，因此決定採用 LC-MS 的離. 57.

(69) 線反應方式進行實驗。. 圖 4-25 o-PD 與 OH-BA 反應之 TIC 圖. 由質譜圖中觀察到在剛開始反應 1 分鐘(圖 4-26 A)時有 m/z 109 訊號和[OH-BA+Na]+(m/z 145)的訊號呈現在質譜圖中，產物部分只有單取代中間產物(m/z 213)和帶鈉鹽的 m/z 235 的訊號生成，單取代產物(m/z 211)和雙取代產物(m/z 317)則無法看到。在反應 10 分鐘後(圖 4-26 B)可以觀察到有少量的 m/z 211 和訊號生成出來，此外除了能看到單取代中間產物帶鈉鹽訊號之外也能觀察到單取代產物帶鈉鹽(m/z 233)的訊號，而在反應經過 30 分鐘後(圖 4-26 C)除了 m/z 211 訊號有明顯上升之外，也有發現很微量的 m/z 317 訊號出現，但是在經過 180 分鐘之後(圖 4-26 D) m/z 317，不過 m/z 211 訊號則是增強許多，而在反應經過 240 分鐘之後(圖 4-26 E) 發現 m/z 317 依舊訊號強度沒有明顯增加的現象，m/z 211 則是繼續的增加到比 m/z 213 訊號還強，而 m/z 109 和 m/z 145 也是有明顯下降的現象。. 58.

(70) (A). (B). (C). (D). (E). 圖 4-26 o-PD 與 OH-BA 離線反應的不同時間點之質譜圖: (A)反應 1 分鐘;(B)反應 10 分鐘;(C)反應 30 分鐘; (D)反應 180 分鐘;(E)反應 240 分鐘. 59.

(71) 將實驗數據結果已相對強度圖來看當在相同時間下當取代基為 CH3-BA 時單取代產物的相對強度是大於 OH-BA 的，但是由於 OH-BA 的反應在質譜偵測中不是訊號很穩定，因此無法比較 CH3-BA 和 OH-BA 之間反應速率的差異。. o-PD+OH-BA in MeOH Relative Strength(%). 1. m/z 213. m/z 211. m/z 317. 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0. 30. 60. 90. 120 Time(min). 150. 180. 210. 圖 4-27 o-PD 與 OH-BA 在甲醇反應其生成化合物之相對離子強度與反應時間趨勢圖. 60. 240.

(72) o-PD+CH3-BA in MeOH m/z 211. 1. m/z 209. m/z 313. 0.9. Relative intensity%). 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. Time(min). 圖 4-28 o-PD 與 CH3-BA 在甲醇反應其生成化合物之相對離子強度與反應時間趨勢圖. 在相對強度圖中與弱推電子基-CH3 比較(圖 4-27、28)，當單取代產物的相對強度中反應 50 分鐘時(圖 4-27 之 m/z 211 與圖 4-22 之 m/z 209) -CH3 生成到 70%，而-OH 取代基則是大約只有 20%，因此可以看出在推電子基中-CH3 比-OH 還容易生成單取代產物。另外實驗結果也與文獻中 Naeimi 的研究結果有所差異，他在研究中也有探討著苯甲醛上-H、-Cl、 -CH3 和-OH 取代基的反應，結果發現這 3 者的單取代產物在反應時間差異不大的情況下所生成的產率相似，差異範圍在 5%，不過因為作者有添加催化劑在反應中，所以可能才使結果有所不同。. 61.

(73) 另外將 5 種不同取代基來比較單取代中間產物的初始反應速率，而上述的圖 4-20 可以得知 CN-BA 的反應速率極為緩慢，以及 OH-BA 的收圖訊號不是很穩定，所以無法來進行比較，因此將剩下的 BA、Cl-BA 和 CH3-BA 進行比較單取代中間產物的初始生成速率，而因為都是在甲醇溶液中進行反應，因此就沒有不同溶劑在一開始進入質譜時訊號強弱的問題。由圖 4-29 中可以看到雖然 CH3-BA 和 BA 的訊號在一開始反應時都是先快速上升一小段後才變成較緩的上升，但如果將 CH3-BA 的訊號拉到跟 BA 相同的基準，就可以清楚的比較出訊號上升的幅度是 BA 比較大，而反應速率最慢的就是 Cl-BA 的反應。. Intermediate 1600. BA. Cl-BA. CH3-BA. 1400 1200 Date. 1000 800 600 400 200 0 5. 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. Time. 圖 4-29 不同苯甲醛取代基與 o-PD 反應之單取代中間產物的初使反應生成圖. 62. 5.5.

(74) 而實驗結果與推論有所不同，因為理論上當苯甲醛上的取代基為拉電子基時，將反應中苯環的電子給拉走一部分，促使反應中鄰苯二胺對於對氯苯甲醛的親核攻擊增加，因此推測可能是動力學反應與熱力學反應之間的差異，但是其造成的主要原因則不清楚。. m/z 213 同分異構物訊號在觀察 o-PD 與 OH-BA 反應的質譜圖時發現到反應中所生成的單取代中間產物訊號與 o-PD 光照出的衍生物 m/z 213 訊號與為同分異構物(圖 4-30)，由於 o-PD 所生成的照光衍生物是難以避免的訊號，因此為了要釐清 o-PD 光照出的衍生物是否會影響反應的單取代產物，決定在雙管的裝置下利用 CID 模式來進行鑑定，觀察照光後 o-PD 的 m/z 213 斷片訊號與單取代中間產物的 m/z 213 斷片訊號的差異。. 圖 4-30 o-PD 與反應所生成單取代中間產物之結構圖. 在一開始時先收 2 分鐘的甲醇溶劑訊號，2 分鐘時雙管的一邊換上照光的 o-PD 溶液收圖 3 分鐘，之後再 5 分鐘時另一邊甲醇溶液再換上. 63.

(75) OH-BA 溶液來進行反應。由 CID 的質譜圖中可以觀察到在 o-PD 溶液(圖 4-31 A)中與反應所形成的單取代中間產物(圖 4-31 B)有出現碎片訊號 m/z 214 和 m/z 197，但在 o-PD 溶液(圖 4-31 A)中還有出現了訊號微弱的 m/z 107 訊號，但在單取代中間產物中卻沒有出現，而利用 EIC 圖來觀察可以看到 m/z 197 和 m/z 214 訊號都隨著更換溶液訊號有呈現相同的增加情形(圖 4-32 B、C)，但 m/z 107(圖 4-32 A)則是在換上 OH-BA 反應時就很快速的下降到沒有，因此表示 o-PD 的照光訊號在開始反應時就會很快的被反應完，所以對於反應所產生的單取代中間產物影響不大。. (A). (B). 圖 4-31 o-PD 與單取代中間產物的 m/z 213 之 CID 質譜圖: (A)o-PD 溶液; (B) 單取代中間產物. 64.

(76) (A). (B). (C). 圖 4-32 o-PD 與單取代中間產物的碎片訊號之 EIC 質譜圖: (A) m/z 107;(B)m/z 214;(C)m/z 197. 4.2.1.3 拉電子與推電子基的混和反應在探討完各個取代基在獨立系統中的反應的生成速率與生成的產物趨勢後，本研究為了要更進一步的深入探討拉電子基與推電子基對產物生成的影響，因此將原本獨立反應的-H、-Cl 和-CH3 三種的不同取代基在相同環境中同時與 o-PD 進行反應，將原本 o-PD 的莫爾濃度提高到原本的三倍，觀察不同的拉推電子中同時反應時所生成的產物和生成速率變化，藉此也能得知其反應中取代基的競爭電子能力。. 65.

(77) (A). (B). 圖 4-33 o-PD 與三種不同取代基同時反應之質譜圖: (A)反應 0 分鐘;(B)反應 50 分鐘之後. 在開始反應時質譜圖呈現了各個不同取代基的單取代中間產物和單取代產物的形成，由質譜圖(圖 4-33 A)所呈現的生成訊號來看取代基-CH3 的單取代中間產物(m/z 211)的生成訊號強度為最強，最弱的則是拉電子基的-Cl 為生成訊號最弱，但是在雙取代產物生成的部分則是-H 所生成的訊號(m/z 285)比-CH3 的生成訊號(m/z 313)較強，-Cl 的取代基則是沒有看到雙取代產物生成現象。反應 50 分鐘之後由質譜圖(圖 4-33 B)可以觀察到已經生成出各個取代基的單取代產物，其中-H 取代基的單取代產物(m/z 195)訊號強度與 -CH3 的單取代產物訊號(m/z 209)強度相似，而-Cl 取代基的單取代產物則是生成訊號(m/z 299)最弱，雙取代產物則是 m/z 285 與 m/z 313 訊號有明. 66.