理學院
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學院概況
理學院設有數學系、物理學系、化學系、生命科學系、地球科學系、資訊工程學系6個系(均含學士、碩士及博士課程),及科學教育研究所、環境教育研究所、光電科技研究所及海洋環境科技就所4個獨立研究所,另設有生物多樣性國際研究生博士學位學程。全學院專任教師約180人,陣容十分堅強,無論師資、學術長現、社會貢獻與影響力均居全國之首。
特色理學院位在國立臺灣師範大學分部校區內,座落於臺北市公館,佔地約10公頃,是個小而美的校園,內含國際會議廳、圖書館、實驗室、天文臺等完善設施。
理學院創院已逾六十年,在此堅固基礎上,理學院不僅在基礎科學上有豐碩的表現,更在臺灣許多研究中獨占鰲頭,曾孕育出五位中研院院士。近年來,更致力於跨領域研究,並在應用科技上加強與業界合作,院內教師每年均取得多項專利,所開發之商品廣泛應用於醫、藥、化妝品、食品加工業、農業、環保、資訊、教育產業及日常生活中。
在科學教育研究上,臺灣師大理學院之排名更高居世界第一,此外更有獨步全臺的科學教育中心,該中心就中學科學課程、科學教與學等方面從事研究與推廣服務;是全國人力最充足,設備最完善,具有良好服務品質的中心。
在理學院紮實、多元的研究基礎下,學生可依其性向、興趣做出寬廣之選擇,無論對其未來進入學術研究領域、教育界或工業界工作,均是絕佳選擇。
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Item 四組份合成之有機鏻鹽在替代兩雜環耦合反應之應用 新型全碳 1,3-偶極體前驅物 3-Homoacyl Coumarin 用於鏡像選擇性 (3+2) 協同環化反應合成 Herbertenolide 衍生物之應用(2019) 陳奕儒; Chen, Yi-Ru第一章 四組份合成之有機鏻鹽在替代兩雜環耦合反應之應用 近年來,有機磷化物已被大量的使用在工業及實驗室之中,其中有機鏻鹽亦是重要的磷化物之一。有機鏻鹽的獨特性質讓其不只可以作為離子液體或是相轉移催化劑來輔助反應進行,更常見的是作為Wittig 反應的重要試劑。敝實驗室長期著墨在發展 Wittig 反應,直至目前為止已開發出兩類有機鏻鹽 Wittig 試劑的合成策略用以經由分子內 Wittig 反應合成不同的雜環分子。我們期望可以探索出新穎的可純化之穩定鏻鹽的合成策略,並利用此有機鏻鹽進行分子內 Wittig 反應來合成不同於以往的雜環分子。 在本章節中,我們成功的開發了一種四組份反應合成一系列可單離的穩定有機鏻鹽,並可藉由不同的組合路徑來達到相同的目標產物。其反應可由芳香環與2-雜原子取代苯甲醛或雜環取代醛在酸性條件下與有機膦試劑來進行合成。此經過設計的有機鏻鹽成亦功的經由敝實驗室的主要合成策略進行分子內 Wittig 反應,並得以高產率得到傳統需利用交叉耦合反應來合成的多種雙聯雜環(例如indole-benzofuran/indole-benzothiophen/indole-indole/pyrrole-benzofuran/thiophene-benzofuran),提供給欲合成此類產物的對象一種替代合成方案。 第二章 新型全碳 1,3-偶極體前驅物 3-Homoacyl Coumarin 用於鏡像選擇性 (3+2) 協同環化反應合成 Herbertenolide 衍生物之應用 地錢所分離出的天然物中,倍半萜烯 Herbertane 這類具有獨特生物活性的物質(例如抗菌或促進神經組織增生等性質)已經吸引許多科學家去對其進行研究。而其天然物或衍生物的合成亦為其重要議題之一,目前已有數個 herbertenolide 或其差向異構物的全合成以及其衍生物合成或其主要架構 tetrahydrocyclopenta[c]chromen-4-ones 的合成方法學研究被報導出來。然而,目前的策略遇到的困難是所需合成步驟較多或是所合成的物質取代基有限,使得合成的產物廣度受限,進而使得此類天然物的研究進展受到限制。因此,我們期望可以研發一類有效的合成方法學來進行 herbertenolide 衍生物的合成,特別是由環化反應來建構其環戊烷主架構的策略。 在各種類型的環化反應策略中,1,3-偶極環化反應被認為是建構環的強力策略之一。目前可利用多元的1,3-偶極試劑來建構多種含雜原子之環狀化合物,例如pyrrolidine或isoxazolidine。但當想要以此策略合成全為碳原子組成之環,例如 cyclopentane 時,卻鮮少有適當的全碳 1,3-偶極試劑可以被拿來運用,大多數的1,3-偶極試劑都是含有雜原子的。因此我們希望可以開發出新型的全碳1,3-偶極試劑,並運用其進行 (3+2) 環化反應策略建構出以 cyclopentane 為核心的herbertenolide 衍生物。 在這本章中,我們提出對全碳1,3-偶極試劑的歸納與描述,並提出3-homoacylcoumarin作為一種新型的全碳1,3-偶極試劑前驅物。我們成功的利用此試劑與 indandione alkylidenes 在掌性有機催化劑的催化下進行立體選擇性的 (3+2) 合環反應來得到高鏡像選擇性且高產率的 herbertenolide 衍生物。除此之外,我們也做了詳細的機構探討並發現此反應共有兩個反應路徑同時進行,其中具有高立體選擇性的協同反應路徑相對速度極慢的逐步反應路徑來說主導了反應的進行。Item 利用金屬和非金屬催化劑合成具有生物活性之分子(2013) 瑞迪; DONALA JANREDDY本論文的內容被分為三個章節,第一章節可被細分為三個部分,A部分主要是對於吲哚(indole)環的反應進行概述、分類及合成方法和相關文獻的說明。B部分的標題為「Carbazolones和2,3-disubstituted Indoles的簡易方法」,內容是介紹一個利用Fe/AcOH催化分子內還原3-hydroxy-2-(2-nitrophenyl)enones的含氮雜環化反應。C部分介紹2,3-disubstituted Indole在PdCl2催化下進行2-N-unprotected-2-alkynylanilines和多樣缺電子烯類的級聯反應(cascade reaction)。 第二章節介紹利用過渡金屬催化2-arylbenzoxazole衍生物和1,2,3-triazoles的合成。第二章節可被細分為三個部分,A部分主要是對於2-arylbenzoxazole衍生物進行概述、分類及合成方法的說明。此部分也對1,2,3-triazoles衍生物進行概述、分類及以azide和alkenes合成的方法說明。B部分介紹透過銅催化C-N和C-O鍵形成級聯反應,使2-arylbenzoxazole衍生物在芳香基團的鄰位上有胺或醯胺官能基的有效合成方法。C部分介紹一個新穎方法為透過銅催化在有氧環境下進行azide-alkene的氧化環加成反應。 第三章節介紹利用非金屬、過渡金屬催化合成naphthalene及其多元性導向的應用。第三章節可被細分為三個部分。A部分是naphthalene衍生物的概論及其合成方法。B部分描述一個有效率利用碘分子和2-(2-phenylethynyl)-Morita-Baylis-Hillman催化naphthalenes和iodo-substituted isochromene衍生物的合成。而iodo-substituted-derivatives則可以用來進行一連串的耦合反應如用硼酸、活化烯類、炔類分別可進行Suzuki coupling、Heck coupling、Sonogashira reaction。C部分介紹一個以PdCl2催化2-alkenylbenzaldehydes和缺電子烯類在有氧環境下分子間氧化環加成來合成naphthalenes的的有效路徑。Item 硝基烯與環狀1,3-雙羰基化合物在水的條件下進行反應之探討以及內環磺胺類衍生物之合成(2012) 巴朗; Barange Deepak Kumar本論文主要分為三個章節。在第一章節,主要是分為四個部分,其中A部分是回顧有關於在水的條件下所進行反應之相關文獻報導,在B部分和C部分是描述硝基苯乙烯與環狀1,3-雙羰基化合物在水的條件下進行反應以及內環磺胺類衍生物之合成,C部分則是介紹藉由矽膠在微波條件下進行一鍋化兩步合成以羥基亞胺基二氫苯呋喃類之衍生物。 在第二章節中,介紹藉由過渡金屬催化合成內環磺胺類衍生物以及其多方面的合成應用。在第二章節裡,主要是分為四個部分,其中A部分是回顧有關於合成內環磺胺類衍生物之相關文獻報導,這部分同時也簡要概述有關於三氮唑以往的合成方式和文獻探討。B部分是描述有效率且以一鍋化的方式,藉由銅催化[3+2]環加成反應來合成triazolothiadiazepine-1,1-dioxide之衍生物,以及利用上述的方法合成分別以吲哚啉和噻吩結合內環磺胺類之衍生物。而C部分是介紹一種新穎的合成策略,其藉由溴環化反應來合成出含有雙溴的呋喃結合內環磺胺類之衍生物,而此合成方法也可以應用於合成tetrahydrofuroisoquinolin-5(9bH)-one之衍生物。D部分是探討一種有效率且具有位向選擇性的合成方法,其藉由碘環化反應來合成出4-iodo-2,3-disubstituted-2H-thieno[3,2-e][1,2]thiazine-1,1-dioxide之衍生物。將所得到的產物4-iodo-2,3-disubstituted-2H-thieno [3,2-e] [1,2] thiazine-1,1-dioxide與一系列的硼酸(Suzuki偶聯反應)和活潑烯烴(Heck 偶聯反應)進行偶聯反應。經Sonogashira偶聯反應後的產物可以有效率地合成為疊氮化合物的前驅物,其可以多方面的合成應用於合成出三氮唑結合噻吩和內環磺胺類之衍生物。在第三章節中,主要是收錄整本論文中所有標記的化合物之1H和13C光譜圖以及X光晶體的數據。Item 金屬催化環丙烷及螺旋化合物之合成與分子內1,3-偶極環化加成反應(2010) 白蕙棻本文共有三個主題,分別為探討利用鈀金屬催化環丙烷之合成、金陽離子催化螺旋化合物之合成及分子內nitrile oxide與環形烯醇的1,3-偶極環化加成反應。 我們利用鈀金屬催化帶有雙酮基的1, 3-環己共軛雙烯及苯乙烯溴化物使形成環丙烷的結構,為單一非鏡像異構物。鈀金屬Pd(PPh3)4 先與苯乙烯溴化物配位形成鈀(II)的離子,再與碳酸銀結合形成鈀陽離子錯合物,此時鈀陽離子配位於酮基的氧上後使α位置氫的酸性增加而可以讓碳酸鉀拔除,再由下方同向接上雙烯位置,最後還原除去後我們可得到具有立體選擇性的雙環[4.1.0]庚烯衍生物。 利用金與銀共催化系統催化帶有炔基的烯醇化合物,經Claisen-type rearrangement形成了帶有雙鍵及酮基的螺旋化合物,不但反應時間快速,室溫條件及極高的產率也為此反應主要的優點,但是產物為一組非鏡像異構物,因此藉由氫化反應將雙鍵還原得到單一非鏡像異構物。 將帶醛肟的烯醇衍生物,以N–氯丁二內亞醯胺(NCS)和三乙基胺為環化條件,進行分子內環化加成反應,得到單一位向選擇性的nitrones衍生物或isoxazolines衍生物。Item 含有1,3-環己二烯π共軛骨架的有機雙極性染料用於染料敏化太陽能電池之研究(2010) 陳冠甫; Chen, Kuan-Fu本篇論文分為三個研究主題,第一個研究主題是我們研發以1,3-環己雙烯當作主要骨架的有機化合物染料來當作染料敏化太陽能電池的材料,並測試、探討其物理性質,以作為將來發展類似結構時的依據。在這些自行合成的染料結構中,除了 16 和 45 的結構,其他染料結構均包含了1,3-環己二烯的架構,希望藉由此環形的架構增加染料分子堆疊在二氧化鈦的程度,使染料在二氧化鈦上的吸附量增加,但是卻相對減少共軛分子間堆疊時常見到的 π – π 堆積作用力,進而增加染料的轉換效率。在物理性質方面,我們分別測試了染料個別的吸收光譜、螢光激發光譜和電化學性質。同時也將其製作成染料敏化太陽能電池的元件,利用太陽光模擬及特定波長光束輸出系統進行光電轉換效率與單色光轉換效率的測試,其中利用 14a 製備的元件其光電轉換效率可達到4.4 %,為利用 N719 製備元件的70 % (η = 5.87 %),也從4b和其對照組 (16 和 45) 應証了環己二烯結構的優點。 在第二個主題中,我們探討了具有 TICT 態的染料對於 DSSCs 的效率影響,同時以相關數據證明了 4b 在激發態時會有 TICT 態。 TICT 態會使分子的偶極距增大,也會阻礙分子內電子的再結合。從相關的物性測試中,得知 D-π-A 分子具有 TICT 現象時會影響 Jsc 的數值,進而提高染料敏化太陽能電池的元件效率。 第三個題目是我們設計兩種新型 D-D-π-A 型式的有機染料,其中 D-π-A 的架構和第一個題目的結構 (4b和4c) 相似。我們希望藉由 D-D-π-A 的架構擴大染料的吸光範圍及消光系數,另一方面則是減少染料分子間的堆疊及提高熱穩定性,進而增加染料的轉換效率。目前此部份研究進行至化合物的合成。Item 應用丙烯基醋酸酯合成四取代之呋喃與萘併呋喃(2012) 黃琬澐; Huang, Wan-Yun合成多取代呋喃與呋喃衍生物為有機合成中具挑戰性及重要的一環,本文以丙烯基醋酸酯為前驅物,分別與容易取得的1,3-雙酮/α-拉電子取代基酮類起始物,經過一系列條件篩選及取代基探討,推測反應機構經由SN2’ 加成-脫去反應,進行Feist-Bénary type反應,合成高產率之四取代呋喃產物(up to 99%)。其中,以1,3-環戊酮為起始物,則得到吡喃為主產物。另一方面,若以萘醇為起始物,不需路易士酸催化,即進行Freidel-Crafts SN2'反應過程,接著,以oxa-Micheal 合環反應,有效合成萘併呋喃(up to 96%)。此方法能應用於丙烯基醋酸酯上,含有各種拉電子基、推電子基、雜環取代及烷基取代。然而,欲合成苯併吲哚並未得到預期結果,得到SN2反應而未環化的產物。Item 以 1,3-環己二烯及芴官能基為主體之有機染料研究及其染料敏化太陽能電池應用(2012) 謝毅穎本文中探討以芴基 (fluorenyl) 為推電子端,羧酸根為拉電子基團,而推拉電子基團中間以不同的共軛片段,如苯環、噻吩 (thiophene) 及1,3-環己二烯,設計成推電子端- 共軛-拉電子端 (Donor- conjugated system-Acceptor (D--A) 形式的染料 dh19、dh123、dh。本文中成功合成出染料 dh19 及 dh123,分別進行了核磁共振結構鑑定、高解析質譜結構鑑定、紫外光-可見光吸收光譜、循環伏特安培法、太陽能電池的光電轉換效率、EIS (electrochemical impedance spectroscopy) 等的實驗。以 AM 1.5 irradiation (100 mW/cm2) 所測得光電轉換效率,以 dh123 = 3.63% 為最高,其中 dh123 的 Jsc = 8.23 mA/cm2 高於 dh19 許多,推測可能原因是 dh123 有較出色的吸收光子能力,不論是消光係數還是紫外光-可見光吸收光譜波長涵蓋範圍,dh123 皆是較優秀的,而且 dh19 及 dh123 在吸附量上差異不大,因此 dh123 擁有較大的電流密度。Item 利用雙官能基硫脲為有機催化劑及1,5-雙氟基-2,4-二硝基苯合成掌性異噁唑類衍生物的研究(2011) 官巧之; Qiao-Zhi Guan本論文是延續本實驗室先前已畢業的研究生之研究,利用兩個分開的步驟來合成掌性的雙環異噁唑類化合物,首先,以β-硝基苯乙烯與丙二酸酯類衍生物作為起始物並以雙官能基硫脲有機催化劑提供不對稱環境進行1,4-共軛加成反應時引進一個立體化學中心,之後以此具光學活性之硝基烷化物進行分子內氧化腈經1,3-偶極環加成反應來合成具掌性的異噁唑類衍生物。Item 甲醇與雙官能基分子在Ge(100)表面上的吸附與熱分解反應(2011) 林琮翔; Tsung-Hsiang, Lin利用程溫脫附質譜儀 (TPD) 及X光光電子能譜 (XPS) 來研究甲醇 (CH3OH) 與雙官能基分子 (1,2-乙二硫醇、2-巰基乙醇及1,2-乙二醇) 在Ge(100)表面上的吸附與熱分解反應。 在100 K時,甲醇曝露到Ge (100)表面,部分分子會斷氧氫鍵形成表面甲基氧與表面氫,而其餘分子則以甲醇分子吸附在表面上。而甲醇在鍺表面上的熱分解產物為H2、HCHO及CH3OH。當溫度升至300 K時,表面上的甲醇分子會有兩個競爭反應,一是直接從表面上脫附,另一則是斷氧氫鍵形成表面甲基氧與表面氫。當曝露量低時,表面甲基氧在470 K會藉由氫裂解形成甲醛,隨著升溫進而脫附;而曝露量較高時,表面甲基氧在530 K時會有兩個競爭反應,一部分與表面氫再結合形成甲醇分子脫附,另一部分則是經由氫裂解形成甲醛脫附。 為了比較醇與硫醇官能基的差異,我們選擇具有雙官能基分子 (1,2-乙二硫醇、2-巰基乙醇及1,2-乙二醇) 來研究。其中,1,2-乙二硫醇及2-巰基乙醇在高溫時皆會藉由斷裂碳氧鍵或碳硫鍵進而產生乙烯,2-巰基乙醇則有部分碳氧鍵未斷形成乙醛;相較之下1,2-乙二醇則是以相似於甲醇的方式進行氫裂解形成乙雙醛。此篇論文是針對上述化合物在Ge (100)表面的反應機制加以探討。Item 1,3,5-三(苯咪唑-1-基甲基)-2,4,6-三甲基苯配子與過渡性金屬離子自組裝合成、結構與性質探討(2011) 林少軒; Shao-Hsuan Lin本論文主旨為研究1,3,5-tris(benzimidazoyl-1-ylmethyl)-2,4,6 -trimethylbenzene (TBzIm)含羧酸根有機配子與過渡性金屬離子(CoII, ZnII, MnII, NiII)進行水熱自組裝反應,製備金屬-有機配位聚合物(metal–organic coordination polymers)。 本論文共合成八種配位聚合物,分別為4(H3O)+[Zn8(TBzIm)2(btc)4Cl8]•4H2O (1)、[Zn12(TBzIm)2(bdc)4Cl16]•3H2O (2)、[Co4(TBzIm)4(Hbtc)4] (3)、[Co2(TBzIm)2(bdc)2]•3H2O (4)、[Mn5Cl10(TBzIm)4]•1acetone (5)、[Co2(Fum)2(TBzIm)2]n (6) 、[Ni2(Fum)2(TBzIm)2]n (7)和[Co12(TBzIm)4(D-Cam)12] (8)。論文分成三部分探討,第一部分 (化合物1-4) 為經由柔性TBzIm搭配二價鋅金屬離子(ZnII) 或二價鈷金屬離子(CoII),並混合剛性均苯三甲酸(trimesic acid, H3Btc)、對苯二甲酸(terephthalic acid, H2Bdc)之含羧酸根有機配子進行水熱自組裝反應,形成二維或三維的金屬-有機配位聚合物;第二部分(化合物5)為經由TBzIm與二價錳金屬離子(MnII)進行水熱自組裝反應,形成三維金屬-有機配位子結構,該化合物顯現特殊之磁性行為;第三部分 (化合物6-8) 為經由TBzIm搭配二價鈷金屬離子(CoII)或二價鎳金屬離子(NiII),混合天冬胺酸(aspartic acid, Asp)、酒石酸(tartaric acid, Tar)、樟腦酸(camphanic acid, D-cam)等天然含羧酸根有機配子進行水熱自組裝反應,形成掌性金屬-有機配位聚合物。 第一部分的研究中,化合物1-3為二維層狀結構、化合物4為三維網狀結構,TBzIm與剛性含羧酸根有機配位子之立體阻障在結構的自組裝形成過程中,扮演相當重要的角色。第二部分之化合物5為三維網狀結構,由五個二價錳金屬離子(MnII)所形成的金屬中心展現出有趣地反鐵磁性(antiferromagnetic)行為,基態等於S = 15/2,甚為少見。第三部分的研究中,化合物6與7為等結構(isostructure),具掌性之螺旋型超分子結構,在水熱法的過程中天冬胺酸經由原位反應(in-situ reaction)轉換為反丁烯二酸(fumaric acid)。有趣的是若與直接使用反丁烯二酸進行化合物6與7的合成,則產率顯著降低;化合物8則為含有槳舵形(paddle wheel)進構單元(SBU)的掌性超分子結構。在本論文中,由TBzIm所合成的八種配位聚合物皆展現出良好的熱穩定性,其中以化合物3與8最為穩定,耐熱溫度可達480°C。