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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    二維中孔硒化鎘半導體材料合成、結構解析與應用
    (2020) 李尉賑; Lee, Wei-Chen
    本研究成功製備具中孔洞性的有機無機混合材料,用於光催化水分解及染料降解。此材料為二維單層奈米片其組成為CdSe(en)0.5 (en: H2NCH2CH2NH2),藉由硫化鈉 (0.1M-0.3 M) 在暗處與照光下進行結構中Se, N取代反應,發生科肯德爾效應 (Kirkendall effect) 以達化學修飾法之目的,並產生2-8 nm之中孔洞。此高表面積 (30-60 m2/g) 之中孔洞材料,可有效進行水分解產氫 (HER) 及染料降解等光催化反應,發現硫取代比例影響其催化活性,並以元素分析 (EA, ICP-OES)、電子顯微鏡、X光吸收與繞射技術 (XAS, XRD) 進行奈米材料結構及性質分析,探討其催化活性增強之因素。 另一方面藉由路易斯酸 (氯化鐵、氯化銦) 進行CdSe(en)0.5改質,透過路易斯酸與CdSe(en)0.5中en的胺基配位,使材料結晶結構由Pbca空間群轉變為纖鋅礦結構,形成多層二維無機材料,並透過元素分析、電子顯微鏡、X光吸收與繞射技術 (XAS, XRD) 進行材料結構轉變解析
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    壹、以氰化雙噁唑啉衍生之掌性氧釩錯合物催化不對稱硫醇共軛加成反應之研究 貳、以氧鉬金屬錯合物催化酯類以及醯化醣類化合物進行選擇性去醯基反應之研究
    (2011) 柳正元
    本論文的第一部分,我們成功地開發出新型的掌性氧釩錯合物,藉由掌性胺基醇衍生之氰化雙噁唑啉(cyano bis-oxazoline)以及正四價之乙醯丙酮釩(VO(acac)2)進行配基交換,可得到高產率以及高純度之掌性氧釩錯合物,而且只需簡單的再結晶步驟,即可得到X-ray單晶繞射純度之錯合物。同時,也成功地將其應用於催化不對稱硫醇共軛加成反應。我們藉由官能化修飾之後的共軛加成受質,與各種不同的硫醇反應,在此類型的掌性氧釩錯合物催化之下,能夠得到選擇性相當高的硫醇共軛加成產物。未來,預期將可應用於其他類型的不對稱催化反應。 在第二部分,經由數種不同氧金屬錯合物,以及路易士酸型催化劑的測試,我們發現以氧鉬金屬(MoO2Cl2)衍生之催化劑在以甲醇為溶劑、加熱或是室溫的條件下,對於去醯基反應展現出優良的催化效果以及選擇能力,特別是當受質當中具有不同之醚類以及各種醯基取代,更能達到高度選擇性以及反應性。此外,對於單醣以及雙醣衍生之受質,能夠進行選擇性地水解反應,為醣類化學的合成,提供了一個方便、有效率的合成路徑。
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    利用碘催化以及一鍋到底的方法合成具有生物活性的分子片段
    (2006) 林懏濝
    第一部份 中文摘要 在室溫下,利用碘(iodine)催化indole和pyrrol對nitroolefins進行Michael加成進而得到indolyl nitroalkane 5 和 pyrrolyl nitroalkane 7。相較於已知的路易士酸或貴重金屬當催化劑來說,此方法具有反應時間短及高產率的優點。 第二部份 中文摘要 在無溶劑的條件之下,利用碘 (iodine) 及2,4,6-trichloro﹝1,3,5﹞triazine (TCT) 加速醛 (aldehyde) 或酮 (ketone)、苯胺(aniline) 和亞磷酸三乙酯 (triethylphosphite)合成-胺基磷酸鹽類(-amino phosphonate),此反應可在室溫或是60 oC條件下,以一鍋的方式進行反應得到高產率的產物。 第三部份 中文摘要 在室溫下,利用碘(iodine)催化醛、苯胺和acetylcyclohenxene以具有選擇性的特性,一鍋合成trans-endo-decahydroquinolin-4-one;此方法具有易操作、反應時間短、高產率、單一產物已及溫和的反應條件的優點。 第四部份 中文摘要 利用碘(iodine)催化醛和2-hydroxyacetophenone一鍋合成flavanone,此方法具有易操作、高產率、單一產物以及適用於各種官能基的優點。 第五部份 中文摘要 3-Amino chromans的衍生物在神經生物學及藥物學上,扮演極重要的腳色,因此發展有效率的合成方法為當務之急。我們利用salicylaldehyde 1 和nitromethane 經由 Knovenagel 反應路徑,接著走Michael 加成及aldol 的反應機構,在一鍋的條件下,合成出3-amino chromans的衍生物。
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    氧釩錯合物催化共軛加成及硫縮醛化反應之研究
    (2009) 林佑澤; Lin, Yow-Dzer
    第一章部份,我們報導了一種新的三氟甲磺酸氧釩VO(OTf)2催化系統,當應用於醛和酮類化合物的硫縮醛化反應 (thioacetalization),以及縮醛類化合物 (acetals) 的交換硫縮醛化反應 (transthioacetalization) 時,對於羰官能基有很高的化學選擇性,例如醛基相對於酮基、烯酮基相對於酮基等;而且與羥基 (hydroxy)、烷氧基 (alkoxy)、醯氧基 (acyloxy)、鹵化物 (halide)、胺基 (amino)、硝基 (nitro)、酸 (acid) 和酯 (ester) 等官能基,亦俱備了多元化的相容性。除了反應可在室溫下溫和地進行外,VO(OTf)2催化劑用量大都小於10 mol%,而且可以直接使用硫醇 (thiols) 或二硫醇 (dithiols) 當作親核劑反應物,這些結果均優於一般常用的布忍斯特酸 (Brønsted acids) 或路易斯酸 (Lewis acids) 催化劑,這也揭示了對於有機合成化學將有很大的應用性與實用性。此外,苯甲醛的二硫縮醛化合物的去保護基研究,經運用我們的Ac2O/VO(OTf)2催化系統在無溶劑條件下,可直接轉換為苯甲醛的二乙酸酯 (diacetate,acylal) 化合物,亦是另一項有趣的結果。 第二章部份,我們首次報導了使用三氟甲磺酸氧釩VO(OTf)2催化劑,來促進(hetero)Michael addition反應,以形成C-X和C-C鍵的成功範例。反應性較大的含硫親核劑,進行thia-Michael addition時可獲得很高的產率,而且與羥基 (hydroxy)、烷氧基 (alkoxy)、鹵化物 (halide)、嘧啶基 (pyrimidyl) 等官能基均有很好的相容性。反應性較弱的含氧、含氮親核劑,例如醇 (alcohols)、醯胺 (amides) 和磺酸鹽 (sulfonates) 等,亦可直接進行oxa-及aza-Michael addition反應。此外,氫膦化合物 (hydrogen phosphines) 和氫亞磷酸鹽 (hydrogen phosphites) 等含磷親核劑,在VO(OTf)2催化下亦能成為很有用的phospha-Michael addition的Michael donor;其中全新發展出來的同步、自動 (in situ) 生成的乙醯亞磷酸鹽 (acetylphosphite),經過VO(OTf)2催化劑活化後,可與α,β-烯酮化合物 (α,β-enones) 進行共軛加成反應。最後,在相同催化條件下,各種富含電子的 (雜環)芳族烴和α,β-不飽和羰基化合物,亦均能有效地進行Friedel- Crafts-type conjugate addition以形成碳-碳鍵,而且其反應步驟非常簡單、易操作。
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    似單氧化酵素之三鐵金屬簇化物之研究
    (2012) 辜大維
    於先前實驗室研究結果,我們發展出配位基7-Dipy能與銅離子形成三核銅金屬簇離子化合物及三核錳金屬簇離子化合物,且在常溫常壓的狀態下,三核銅金屬簇離子化合物可加入雙氧水來有效催化環己烷(C6H14)的碳氫鍵(C-H鍵能99.3kcal/mol),將環己烷氧化成環己醇(C6H13OH)與環己酮(C6H12O)。三核錳金屬簇離子化合物則可加入TBHP來有效催化環己烷(C6H14)的碳氫鍵(C-H鍵能99.3kcal/mol),將環己烷氧化成環己醇(C6H13OH)與環己酮(C6H12O)。 在我的研究當中,嘗試使用鐵作為配位金屬,將7-Dipy加入三當量的FeIICl2,藉由ESI-MS光譜圖判斷,證實生成三核鐵金屬簇化物[FeIIFeIII(μ-O)FeIII(7-Dipy)(Cl)2]Cl2 (2) ,同時也對此三核鐵簇化物進行UV、CV和EPR的光譜分析。催化的部分,同樣是先選擇環己烷作為受質,加入TBHP或是雙氧水作為氧化劑,發現也可將環己烷氧化成環己醇與環己酮,對催化反應的時間追蹤做研究,也可發現反應直到10小時都可持續進行。接著便針對改變催化受質進行一連串的同質實驗,使用過的受質包括環戊烷、正戊烷、正己烷、正庚烷、正辛烷、甲苯。 而為了更進一步了解三核鐵簇化物在進行催化反應反應機構,因此我們利用對自由基相當靈敏的DMPO去檢測三核鐵金屬簇化物[FeIIFeIII(μ-O)FeIII(7-Dipy)(Cl)2]Cl2 (2) 在加入TBHP、受質環己烷與在甲醇溶劑底下進行催化反應後,立即偵測其EPR光譜,發現其光譜特性與HRP(horseradish peroxidase)/H2O2反應後類似。
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    似單氧化酵素之三核錳金屬簇化物之研究
    (2012) 莊堯舜
    本實驗室先前的研究中,我們發展出7-Dipy配位基成功合成出三核錳金屬簇離子化合物 [MnII(OAc)2MnII(μ-OAc)2MnII(7-Dipy)] (3) ,作為高價態的錳金屬簇離子化合物的前驅物,藉由加入二當量氧化劑TBHP氧化[MnII(OAc)2MnII(μ-OAc)2MnII(7-Dipy)] (3) ,可得一組16根特徵吸收之ERP光譜,在此假定得到一活性中間體[MnIIIMnIII(μ-O)2MnIV(7-Dipy)]4+ (4),在催化上,可藉由加入氧化劑TBHP可將環己烷氧化為環己醇與環己酮。 在我的研究中,將受質嘗試使用其他環烷類與長鏈烷類,包含 環戊烷、正戊烷、正己烷、正庚烷與正辛烷,皆能進行催化生成多碳位氧化的醇類及酮類。 為了解三核錳金屬簇離子化合物[MnII(OAc)2MnII(μ-OAc)2MnII(7-Dipy)] 催化反應,是自由基反應或是經由單氧直接嵌入的一步反應機構,我們利用DMPO對自由基物質相當靈敏的特性,將三核錳金屬簇化物加入DMPO進行實驗,由實驗的EPR光譜可以得到,我們推測三核錳金屬簇化物[MnII(OAc)2MnII(μ-OAc)2MnII(7-Dipy)] ,以甲醇為溶劑,加入TBHP進行催化反應立即所測知ERP光譜與DMPO=O之ERP光譜類似。
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    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(III)
    (2011) 藍國峻
    我們首先合成出全新的配位基 7-N3Et ,能與一價銅離子配位形成三核銅離子簇化物 [CuICuICuI(7-N3Et)](X) (X = ClO4, BF4) (2)。此配位基與早先實驗室研發出的 7-Dipy 配位基相似,尾端的兩個銅離子皆以N3進行配位,但本配位基在尾端修飾上八個乙基,模擬 pMMO活性中心的疏水性環境,並藉由 ESI-MS 光譜證實經氧氣或二當量H2O2、TBHP 均可得穩定的三核銅金屬含氧簇化物 [CuIICuII(-O)CuII(7-N3Et)](ClO4)2 (3)。加入過量TBHP氧化劑,此三核銅簇化物會對自身或是鄰近簇化物的乙基進行氮上去烷基反應 (N-dealkylation) 。 以過量TBHP (10~75當量) 作為氧化劑並加入環己烷或甲苯作為外加受質的情況下,可成功氧化環己烷 (CH 鍵能為 99.3 kcal mol-1) 以及甲苯 (CH 鍵能為 90.0 kcal mol-1) 的 CH 鍵。在外加受質存在時,我們發現同時會有分子間 (對受質) 與分子內 (對簇化物氮上乙基) 傳遞氧原子的競爭反應出現,且此現象隨受質的濃度與受質 C-H 鍵能的改變,競爭效果也更加明顯。說明這一系列三核銅簇化物的確具有很高的催化活性,能使靠近簇化物的受質快速地進行羥化反應。而在無外加受質存在時,加入過量TBHP氧化劑 (50當量),經由GC-MS證實有乙醛產物產生,推測此現象可能是簇化物氮上乙基的 -CH2- 位置先進行羥化反應,再經由氫離子的轉移,脫去乙醛分子。 關鍵字:微粒體甲烷單氧化酵素、三核銅金屬簇化物、催化
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    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(II)
    (2011) 姜博仁
    三核銅簇錯化物在進行羥化反應時,是經由單氧直接嵌入的過渡狀態的一步反應機構。而在反應中經由三核銅簇錯化合物的自旋態調控,使其中之一的氧原子被活化至1D狀態,而頂端第三個銅離子的存在,能有效降低反應時“oxo-transfer”的活化能。 在我的第一個研究中,為了瞭解三核銅簇系統中頂端銅離子的角色,修飾7-Me與7-Et系統的配位基,改變其七環頂端的官能基成-OH基,分別得到兩個全新的7-OH-Me與7-OH-Et的配位基,藉由改變第三個銅離子的配位環境,希望探討三核銅簇錯化物的反應活性。我們首先使用氧氣來氧化以7-OH-Me為配位基所得到的三核銅一價簇錯化物[CuICuICuI(7-OH-Me)](X) (X=BF4,ClO 4),結果使用不同陰離子氧化後的三核銅簇錯化物[CuIICuII (-O)CuII(7-OHMe)](X) (X=BF4,ClO 4),根據ESI-MS光譜 ,其主訊號分子量的差等於個別所含一個陰離子的分子量差異,推測其七環頂端的O-H基的氧配位在第三個銅離子上。此外,ESI-MS存在一組與主訊號峰相差m/z =14 amu的訊號,推測可能是氧化反應時,分子內反應,而使一個甲基脫掉所得。 接著我們分別使用氧氣、TBHP以及H2O2來氧化以7-OH-Et為配位基所得到的三核銅一價簇錯化物[CuICuICuI(7-OH-Et)](X) (X=BF4,ClO4),根據ESI-MS光譜,其主訊號峰均是 {[CuIICuII (-O)CuII(7-OH-Me)](X) (X=BF4,ClO 4) + m/z = 57 amu}的訊號,推測其可能是溶劑CH3CN氧化所造成。使用CD3CN代替溶劑,卻發現主訊號峰與原來相同,並未偏移 m/z =3 amu。推測可能跟原本使用銅離子來源[CuI(CH3CN)4](BF4)的配位溶劑相關。這系列7-OH-Me與7-OH-Et的兩個系統,使用200當量H2O2當作氧化劑,對環己烷進行氧化催化反應,得到的轉化率與TON並不佳。 在第二個研究中,根據本實驗室先前發展的[CuICuICuI(7-Dipy)] (X=BF4,ClO 4)系統,使用H2O2當作氧化劑,對環己烷進行氧化催化反應。對其七環頭上做-OH的官能基改變,根據氧化後的ESI-MS光譜,經由使用不同的陰離子(BF4 or ClO4),證實氧化後可得[CuIICuII (-O)CuII(7-OH-Dipy)](X) (X = BF4,ClO 4),推測七環上-OH基的氧原子並未配位在上方頂端銅離子上,使用200當量H2O2當作氧化劑,對環己烷進行氧化催化反應,得到的轉化率與TON與[CuICuICuI(7-Dipy)]+系統類似。利用此一特性,改變官能基-OH成-SH,利用-SH官能基可接在金薄膜電極表面上的特性,未來我們將進行一系列電催化反應。目前,在合成-SH鍵的配位基上,還未達到有較好產率的合成設計,必須進一步改良合成的步驟,來達到較高純度的產物。
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    理論計算探討乙醇在2Ru/ZrO2(111)表面之脫氫反應
    (2009) 陳育偉; CHEN,YU-WEI
    本論文分為兩大主題: 第一部分:乙醇在2Ru/ZrO2(111)表面之脫氫反應 我們使用週期性的密度泛函理論來研究乙醇在2Ru/ZrO2(111)表面催化下之脫氫反應,我們計算出來乙醇有最大吸附能的結構是以乙醇的O原子接在表面的Ru原子上,而這個結構接續的反應會經由O-Ru路徑,即斷鍵的順序是:O-H鍵→βC-H鍵→C-O鍵而最後得到乙烯吸附在表面上;另外一個有第二大吸附能的結構是以乙醇的αC原子吸附在表面的Ru原子上,這個結構接續的反應會經由αC-Ru路徑,即斷鍵的順序是:αC-H鍵→O-H鍵→(βC-H鍵) →C-C鍵而最後得到氫氣。最後,我們也計算了吸附在表面上的H原子結合成氫氣的反應位能面,其所計算出來的能障大約是20-30 kcal/mol。這個結果象徵著使用參雜Ru的ZrO2表面可能是個頗為有效的催化劑來催化乙醇的脫氫反應。 第二部分:在ZrO2表面參雜Ru與否對催化乙醇脫氫反應的影響 我們使用週期性的密度泛函理論來研究乙醇在ZrO2(111)表面以及2Ru/ZrO2(111)表面催化下之脫氫反應的差別,發現在ZrO2(111)表面脫氫反應所需克服的活化能比在2Ru/ZrO2(111)表面還要高,特別是斷βC-H鍵的過程,其活化能的差距為36.05 kcal/mol,這導因於斷βC-H鍵產生的吸附物非常的不穩定。試著了解造成這個現象的原因,我們做了態密度以及變形能的分析,而分析的結果發現這導因於兩個因素:(1) 乙醇的O、C原子與2Ru/ZrO2表面的Ru原子的作用力強過與ZrO2表面的Zr原子的作用力;(2) 乙醇在ZrO2(111)表面催化下斷βC-H鍵所得到的吸附結構,其表面的變形能比起在2Ru/ZrO2(111)表面催化下的情形大很多(30.41 kcal/mol)。
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    理論計算探討在 2Ru/γ-Al2O3(110) 表面之乙醇脫氫及水氣轉移反應機構
    (2009) 廖正豪; Cheng-Hao Liao
    本篇論文我們利用週期性密度泛函數理論(DFT)的計算方法,探討在2Ru/γ-Al2O3(110)表面上對於乙醇脫氫以及水氣轉移(WGS)的反應機構。我們計算出乙醇最穩定的吸附結構是乙醇以氧端吸附於表面的Al原子上,βC端靠近表面的Ru原子,我們將此位向的乙醇脫氫路徑稱為βC path。此路徑的斷鍵順序為βC-H鍵 → C-O鍵,而其活化能為:0.109 → 1.159 eV,最後形成CH2CH2(a) + OH(a) + H(a)在表面上。第二穩定的乙醇吸附位向是以氧端吸附於表面的鋁原子上,αC端靠近表面的Ru原子,此脫氫路徑稱為αC path,此路徑最主要的斷鍵順序為αC-H鍵 → O-H鍵 →αC-H鍵 → C-C鍵 → βC-H鍵,而其活化能為:0.234 → 0.992 → 0.349 → 0.899 → 0.223 eV,最後產生CH2 (a) + CO(a) + H(a)在表面上。結果顯示理論計算與實驗上相符合。 水氣轉移反應的機制主要分為兩種:(1) carboxyl mechanism; (2) redox mechanism。在進行水氣轉移反應前我們先計算出一個一氧化碳與一個水分子在表面吸附能最佳的位置。水氣轉移反應第一步的水分子解離後不管是經由carboxyl mechanism或是redox mechanism反應都會遇到2 eV以上的能障導致反應無法繼續。於是採用將三個水分子同時吸附在表面上第一層的三個鋁原子上與一氧化碳進行水氣轉移反應。 計算三個水分子的系統後我們發現在2Ru/γ-Al2O3(110)表面上的水氣轉移反應較傾向經由redox mechanism路徑。此路徑會先進行 OH(a) → H(a) + O(a)步驟,活化能大小為1.219 eV;接下來會經由 CO(a) + O(a) → CO2(a) 產生二氧化碳,其活化能為1.497 eV。而carboxyl mechanism路徑的活化能比redox mechanism高,且中間產物也較不穩定。