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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    一、藉由高活性之亞烷基前驅物通過催化型分子內威悌反應合成非那烯[1,2-b]呋喃酮及呋喃[3,2-c]喹啉酮二、透過分子內威悌或𝛽-醯化反應合成二苯並環庚[1,2-b]呋喃酮或酮基官能化亞烷基茚二酮衍生物
    (2023) 張晴棻; Chang, Ching-Fen
    第一部分: 我們開發了一個以高活性之亞烷基前驅物做為起始物,、 來進行不需額外添加鹼 之催化型威悌反應。主要概念是加入芳基亞磺酸做為捕獲親核試劑(trapping reagent)來得到 3-芳碸烷基化合物,、 且能夠做在適當的反應條件下釋出穩定的 高活性亞烷基化合物,得以避免產生不必要的[2+1]副產物。 本部分的研究中,我們成功以 3-芳碸烷基非那烯酮及 3-芳碸烷基喹啉酮作為 起始物,並和磷、醯氯作用會合成出非那烯[1,2-b]呋喃酮和呋喃[3,2-b]喹啉酮。、 在優化的過程中,我們也發現可以透過溫度或是添加劑的調控能有助於反應的 進行,且在不需額外加入鹼的條件下及能獲得良好的產率,也進一步的推測: 反應中氧化磷被還原後得到的磷試劑不僅做為親核試劑和亞烷基化合物進行 加成,也做為鹼來推動去質子化的步驟順利地得到威悌產物。隨後我們也陸續 完成一些取代基效應的探討,研究其對電子效應或是立體效應的影響,並得到 更多樣性且結果良好的目標產物。 第二部分: 前半部是以二苯並環庚-5,7-二酮作為起始物,分別透過無鹼之催化行威悌反應 或是以三苯基磷誘導反應來得到二苯並環庚[1,2-b]呋喃酮。開發了兩種方法, 催化條件則能節省試劑的用量、使得反應廢棄物回復到催化循環中繼續反應且 提供了一個更快速有效的合成策略;而誘導條件則是使用非常溫和、容易取得 且價格便宜的三苯基磷也提供了一個更簡易、好上手的合成策略。同時,也發 現此反應取代基耐受性好,也利用控制實驗來探討磷試劑在此反應做為親核試 劑也能作為鹼的功用。後半部分則是發展了以順序的一鍋化合成法,以炔酮先藉由 MBH 合環後,、 再 經由磷誘導的威悌反應或是𝛽-醯化來得到二苯並環庚[1,2-b]呋喃酮或是酮基官 能化亞烷基茚二酮衍生物。透過針對五和七環亞烷基化合物的研究,發現其結 構不同的反應活性,更拓展了這些化合物的合成策略。
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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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    以理論計算探討:I.氮氧化物在鎳(111)表面的反應機構II.一氧化氮在鎳-鉑雙金屬的分解反應III.二氧化碳在碳化鎢與碳化鎢-鈷合金表面反應探討
    (2012) 吳亘曜; Wu, shiuan-yau
    摘 要 第一部分 :氮氧化物(NOx)在Ni(111)表面的反應機構之探討 利用空間週期性來探討不同的氮氧化物(包含NO、NO2和N2O)在Ni(111)表面的反應機構,進一步討論到不同的覆蓋率下可能的變化。其中,在覆蓋率小的情況下,吸附的分子無論是NO、NO2和N2O都會完全分解成吸附態的N和O原子,而克服了2.34 eV的活化能之後,表面的N原子會再結合成N2分子從表面脫附。但是當覆蓋率不斷的提升之後,還沒有完全分解的NO和表面的N 原子會進行再結合,在高覆蓋率的情況下,N2O可能會進行脫附或者進一步斷N-O鍵形成N2分子。而在高覆蓋率的情況下會有N2O的副產物也可以從實驗的觀察得到證實。   第二部分: 一氧化氮(NO)在鎳-鉑雙金屬表面分解反應的探討 利用空間週期性來探討一氧化氮在Ni-Pt雙金屬表面的吸附與分解反應。其中,我們利用到的Ni-Pt雙金屬表面有: xNi@Pt(111), NixPt4-x(111), 和(4–x)Pt@Ni(111) ( x = 0~4)。 在所有的雙金屬表面當中,NO傾向被吸附在表面上有較多Ni原子的位置,而吸附能會隨著表面上Ni原子的數量增加而上升。另外,在我們所探討的所有雙金屬組成當中,當出現了表層的組成相同而內層不同的情況下,依不同的內層,NO分子吸附能的順序依次為xNi@Pt(111) > NixPt4-x(111) > (4 – x) Pt@Ni(111)表面,而NO斷鍵所需的活化能則剛好相反,換言之,在我們所有的表面當中,吸附能越大,斷NO鍵所需要的能障就越小。另外,我們也利用了局部電子態密度的分析來探討不同內層組成所造成雙金屬效益的原因。   第三部分:二氧化碳在碳化鎢WC(0001)和碳化鎢-鈷合金WC-Co表面反應探討 利用空間週期性探討二氧化碳在碳化鎢(0001)和碳化鎢-鈷合金表面的吸附。並進一步探討在不同鎢鈷比例的情況下,二氧化碳分解與氫化的趨勢。其中,碳化鎢(0001)表面有明顯的局域化現象,而當表面的組成結構改變,伴隨鈷原子的比例增加,會改變表面的局域化情形,進一步影響到吸附與反應的趨勢。而當鈷的覆蓋率為0.25ML的情況下,二氧化碳在WC-Co(0.25ML)有最佳的吸附能,而當鈷的覆蓋率增加到0.50ML,二氧化碳的吸附能雖然略減,但在該表面有最小的分解活化能。而氫化反應的活化能則是隨著表面鈷原子的比例增加而遞減,顯示鈷原子對氫化反應的幫助。而在這個部分,我們利用了電子局域化函數分析來探討表面局域化情況對二氧化碳催化反應的影響。
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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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    微粒體甲烷單氧化酵素之結構與功能性之模型三核銅金屬簇化物之研究(IV)
    (2012) 游小嬋; You, Siao-Chan
    在先前的研究中,我們已經發展出配位基7-Dipy能與三當量的[CuI(CH3CN)4](BF4)配位形成三核銅金屬簇離子化合物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1)。且室溫、常壓下,此三核銅簇化物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 加入雙氧水可以有效催化氧化環己烷 (C6H12) 的碳氫鍵 (C-H鍵能為99.3 kcal/mol) 生成環己醇 (C6H12O) 和環己酮 (C6H10O)。而三核銅簇化物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 通入氧氣或兩當量的雙氧水可得穩定的三核銅金屬含氧簇離子化合物[CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4)2 (2)。 在我的研究中,藉由另外的實驗方法得到的400 MHz 1H-NMR 和ESI-MS光譜,再次證實7-Dipy加入三當量的[CuI(CH3CN)4](BF4)確實會生成三核銅簇化物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1)。此外,在相同的催化條件下,我們發現單銅金屬離子化合物[CuI(CH3CN)4](BF4) (7)、[CuI(bispicolylamine)](BF4) (8)相較三核銅金屬簇離子化合物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 對於環己烷的催化反應活性並不高。而對催化反應的時間追蹤做研究,發現三核銅簇化物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 在反應45分鐘時H2O2會被耗盡。 為了更進一步了解三核銅簇化物在進行催化反應時,是屬於自由基反應還是經由單氧直接嵌入的一步反應機構,因此我們設計一系列的實驗,利用對自由基相當靈敏的DMPO去檢測三核銅簇化物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 在加入雙氧水進行催化反應時,是否有自由基反應的參與。EPR光譜圖顯示,可以排除三核銅簇化物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 加入雙氧水進行催化反應時是屬於自由基反應機構。 關鍵字:微粒體甲烷單氧化酵素、三核銅金屬簇化物、催化
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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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    銅金屬催化合成胍與苯併咪唑
    (2014) 曾乾哲; ZENG, Cian-Jhe
    本論文共分為三個部分:第一與第二部分著重在 cyanamide 化合物的合成應用,以合成 guanidine 與 benzimidazole 化合物為目標。第三部分則是以研究基因修飾核苷酸 5-hydroxymethylcytidine 化合物的合成方法為主。 在論文第一部分,我們以苯環上具不同取代基的 N-phenylcyanamide 化合物,在一價碘化銅做為催化劑,Xantphos做為配體,與各種一級與二級胺類化合物進行反應,可以合成出一系列的具有雙取代基的 guanidine 化合物。我們的研究提供一個簡便的方法合成 N-alkyl-N’-arylguanidine 化合物。 論文的第二部分,我們以 o-bromophenylcyanamide 化合物,在一價碘化銅做為催化劑、1,10- phenanthroline 做為配體,和各種一級與二級胺類化合物進行反應,合成環外胺基具取代的 2-aminobenzimidazole 化合物。同時,我們設計一系列中間物反應,證實銅催化合成 2-aminobenzimidazole 化合物的反應機構與區位選擇性。 論文的第三部分,我們由 cytidine 合成醣上具保護基的 5-cyanocytidine 化合物,希望使用 DIBAL 試劑還原 5-位置的 cyano 官能基,合成 5-hydroxymethylcytidine 化合物。雖然成功合成預期產物,但產率並不佳。因此我們更換合成策略,希望在鹼基 cytosine 5-號位置引進乙烯基,進行氧化裂解的方式合成產物。所以我們以 5-iodouracil 化合物做為模型進行,Heck 反應進行碳-碳鍵的生成,並將成功的實驗條件套用至 5-iodocytidine 化合物,亦成功的合成醣上具保護基 (E)-5-(2’-Methoxycarbonylvinyl)cytidine 產物。
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    修飾奈米碳管以模仿雙核有機金屬催化劑
    (2016) 黃雨柔; Huang, Yu-Jou
    面臨能源短缺和環境汙染問題,發展永續能源是當務之急。太陽能驅動的水裂解反應(Water splitting)是解決能源危機和環境污染問題的一個理想途徑。其中,水氧化步驟為此反應過程的瓶頸反應,所以如何製備出高效能水氧化催化劑(Water oxidation catalysts, WOCs)是一個重要的議題。因此,在本研究中,我們運用理論計算方法建構一個氮參雜單層奈米碳管(N-doped single wall carbon nanotube)的化學分子模型,並探討此催化劑在水裂解反應過程中的催化效果。 首先,我們利用自旋極化密度泛函理論(spin-polarized DFT)來探討不同曲率之碳管模型的穩定性以及其水分子吸附能。此外,在電化學催化部分,除了使用密度泛函理論之外並加入凡德瓦爾(Van der Waals)作用力(DFT-D3)作計算。我們預想模型中的兩個活化位皆發生氧化反應,則可得知在水氧化過程中中間物(intermediate)的自由能大小及反應過電壓。 管徑為(5,5)、(6,6)、(7,7)、(8,8)、(10,10)之奈米碳管皆可進行水氧化反應,其過電壓大約在0.477至0.605伏特之間,比大部分的金屬塊材與金屬氧化物來的小。因此,這類的奈米碳管有較好的水氧化催化效果。然而,管徑為(12,12)之奈米碳管無法形成1212_1_2O的模型。在本研究中,我們成功地建構出高效能的水氧化催化劑——氮參雜單層奈米碳管。此模擬結果對未來水氧化催化劑的合成與應用具有重要的意義。