Synthesis and Characterization of N- Heterocyclic Carbene Copper(I) Complexes. The Catalytic Application on Huisgen Cycloaddition and Acetylation Reactions.

Synthesis and Characterization of N- Heterocyclic Carbene Copper(I) Complexes. The Catalytic Application on Huisgen Cycloaddition and Acetylation Reactions. 學生 : 李岳峰指導教授 : 于淑君博士日期 : 國立中正大學化學暨生物化學系

Outline Catalyst CV, XPS Acetylation of alocohol reaction
[Cu(bmim)2](OTf) [Cu(Mesbim)2](OTf) CV, XPS Acetylation of alocohol reaction 首先，我來簡單介紹今天的演講主題我們以含氮雜環碳烯當作配體，成功合成出兩種一價銅催化劑。它們之間最大的差異在於配體的三號位置，其中一個是甲基，另一個是均三甲苯基。利用立體阻礙較大的均三甲苯基進行修飾，能有效保護金屬中心，使得此催化劑能足夠穩定到額外利用循環伏安法偵測氧化還原的數值。此外更重要的，此催化劑是以固態存在，因此我們能利用只能以固態樣品進行偵測的XPS對它進行分析，以直接證據證明此催化劑是一價銅化合物。並且，我們將此兩種催化劑應用於醇類的乙醯化反應與Huisgen 環加成反應，並且在醇類的乙醯化反應部分，額外利用微波來輔佐反應進行，能大幅提高此反應的活性。 Huisgen cycloaddition reaction 2

Organometallic Catalyst
+ Metal Ligand Organometallic Catalyst Organometallic catalyst vs. inorganic salta Entry NHC‧HX Time (h) Conv. (%) 1 no ligand 24 00 2 02 99 皆下來是背景介紹的部分，我所合成的催化劑為有機金屬催化劑，它是由有機配體與金屬所結合而成的化合物當無機鹽類修飾成有機金屬催化劑時，金屬中心的催化活性可能會有巨大的改變舉個例子，以下為 Nolan 在 2004 年所發表酮類的矽氫化反應。當他未加入配體時，反應 24 小時後轉化率仍為零;而當他以 imidazoline 當做配體，以 in situ 的方式生成一價銅錯化合物直接催化此反應，兩小時轉化率即高達 99 %，此說明了配體的重要性 50 sec 3 aSteven P. Nolan et al. Organometallics. 2004, 23, 1157.

Choice of Ligand Reported –
Phosphines were used as ligand of transition metals, such as Cu, Ni, Pd, Pt, Rh, Mn et al.a,b ex: Ni(CO)(PMe3)3 Pd(PPh3)4 Pt(PPh3)4 RhCl(PPh3)3 Phosphines ligands enhance formation of C─N bondsb Entry R1 X Time (h) Yield (%) 1 H I 06 78 2 Br 36 73 3 Cl 49 在配體的選擇中，Phosphine 經常被用來當作過渡金屬的配體，這些金屬包括 Cu, Ni, Pd, Pt 等等，下面為以 phosphine 當作配體的簡單例子此外，在許多反應中，以 phosphine 當配體能有效提高其催化活性。像以下的例子，以 phosphine 當做配體能使銅一價化合物催化鍵生成反應中，比較難反應的，halide 為 bromide 甚至是 chloride 的鍵生成反應 33 sec aR. B. King et al. Inorg. Chem. 1971, 10, 1841. bVenkataraman, D. et al. Org. Lett. 2001, 3, 4315. 4

Advantage – Strong σ-donating and good -accepting abilitya
Electronically and sterically tunable Drawbacks – Air sensitive P─C、P─OR bond were unstable at high temperaturesb Metal leaching Environmental pollution ─ eutrophication Phosphine 的優點在於它有很強的 σ-donating 以及 -accepting 的能力; 此外，藉由改變 R group 可以微調金屬中心電子以及立體效應。不過它也有一些顯著的缺點，像是容易被氧化為五價磷，磷碳鍵與磷氧鍵容易在高溫或酸鹼的環境中斷裂。而上述皆會造成 metal leaching 的現象，此外，它亦會造成環境優養化的現象等。因此為了改善這些缺點，化學家不斷的尋找替代 phosphine 的配體。 45 sec aHerrmann, W. et al. Angew. Chem. Int. Ed. 1997, 36, 2162. bQuin, L. D. A Guide to Organophosphorus Chemistry, 2000. 5

N-Heterocyclic Carbenes
The property of ligand between NHCs and PR3 NHCs PR3 the ability of -acceptinga weak strong the ability of σ-donatinga stronger the ability of oxidantionb hard easy electronically and sterically tunable good environmental pollution – eutrophication Ligand Property 含氮雜環碳烯 (NHC) 為化學家最常用來取代 phosphine 的配體之一，以下為它常見的形式。與 phosphine 相比，雖然它 -accepting 的能力稍弱，但它同樣有強的 σ-donating 的能力。此外，NHC 不易被氧化，且同樣有著改變 R group 來調節中心金屬電子與立體效應的能力，亦不會造成環境優氧化的汙染，因此我們選擇以 NHC 取代 phosphine 當作有機金屬催化劑的配體。 46 sec aHerrmann, W. A. et al. Angew. Chem. Int. Ed. 1997, 36, 2162. bSong, W. et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 892. 6

Choice of Metal The consumption and recovery of copper in the worlda
Price – Copper is a relatively cheaper transition metal. The consumption and recovery of copper in the worlda 2006 2007 2008 2009 2010 2011 copper consumption (kt) 22753 23906 23841 22664 24538 25003 copper recycling (kt) 08332 08448 08611 07435 08442 08643 the percentage of copper recycling (%) 00037 00035 00036 00033 00034 Acute toxicity 在金屬的選擇部分，銅是價格比較便宜的過渡金屬。且它亦是地殼富含量高且容易回收的金屬之一，由於其容易回收的性質，在工業上亦有著綠色金屬的稱號。這張表是國際銅研究組織所提供的數據，最上面一排為年度銅使用量，單位為千公噸，中間則為年度銅回收量，平均銅回收量占據總使用量的三分之一，顯示著其優良的回收效率，代表著其不易造成枯竭的優勢最下面的則是金屬氯化物的急毒性數據，LD50 指的是能殺死一半試驗總體時的有害物質的劑量，因此數據越大顯示藥品毒性越低，此樣品在這裡指的是大鼠。由數據可看到，除了銀外，氯化銅的毒性與其它過渡金屬相比是較低的，因此顯示著銅有著毒性低的優點。70 sec CuCl2 ScCl3 PdCl2 ReCl3 AgCl YbCl3 GdCl3 LD50 (mg/kg) 584 314 0200 0280 1500 300 0378 7 aThe International Copper Study Group

The Catalytic Applications of Cu
Cu(II) O-arylation of phenols Diels-Alder reactions Acetylation of alcohols Asymmetric addition of dialkylzinc to imines Oxidation of alcohols C─X bond formation (X = C, O, S, N) Friedel-Crafts alkylation reactions Cu(I) O-arylation of phenols Hydrosilylation of ketones Epoxidation reaction Substitution reaction Kharasch-Sosnovsky reaction (allylic oxidations of olefins) Oxidation of alcohols C─X bond formation (X = C, O, S, N) Reductive aldol reaction Huisgen cycloaddition 在催化活性部分，銅金屬所能進行的催化反應有許多種，包括C─C鍵的生成及醇類的氧化反應等等，此外，在不同價數下亦有著不同的催化活性。本次研究的催化反應為醇類的乙醯化反應與 Huisgen 環加成反應，之所以會橫跨二價與一價的催化反應，在稍後會有進一步的解說。最後，我們選擇價格低廉、金屬富含量充足及急毒性低等優點的銅金屬來做為我們的催化金屬中心 8

Acetylation of Alcohol
Application : 1. protective agent 2. medicine synthesis, ex: aspirin 3. protein acetylation Reported apporaches : (1) Lewis basea 接下來介紹醇類的乙醯化反應。醇類的乙醯化反應在有機化學合成中占據著相當重要的地位，在合成精密化學品的過程中，往往會經歷多步驟的反應，為了避免醇基在這些反應步驟中被破壞，因此將醇基保護起來的反應是不可或缺的。除此之外，它也可以應用在藥物的合成，像是阿斯匹林的製備以及它也是生物體內蛋白質不可缺少的反應。在過去的催化文獻中，乙醯化反應可由 Lewis 鹼，像是 DMAP 這種 pyridin 的改質結構進行催化，在室溫下反應 6 小時可近乎完全反應。然而由於在鹼性太強的環境下容易干擾下一步驟反應的進行，甚至生成副產物，因此也有化學家以 Lewis 酸取代Lewis鹼來進行催化。 36 sec DMAP = 4-(N,N-Dimethylamino)pyridine aQingmin Wang et al. Org. Lett. 2014, 16, 236 9

(2) Lewis acida (3) Metal triflatesb
以 Lewis 酸催化乙醯化反應的例子，像是 CoCl2 80 ℃ 反應2小時，即可得到不錯的產率。而效果最好的Lewis酸的催化文獻，則是採用強拉電子基當配體的 Metal triflate 進行催化乙醯化反應，像是 copper(II) triflate 在室溫下反應 0.5 小時即近乎完全反應，擁有相當好的催化效率。由於先前提到Nolan的例子，利用有機配體對金屬進行改質可大幅提高催化活性，因此我們原先希望透過 NHC 改質 Cu(II) triflate，希望得到更好的反應活性。但可惜的是，根據 XPS、1H NMR以及ESI-Mass的結構分析顯示，我所合成出來的催化劑應該是一價銅結構。為了試驗其對乙醯化反應的催化效率，我們分別以傳統加熱、微波的方式進行催化反應。由於目前我所看過的文獻中沒有人以銅一價催化此反應，因此我們的實驗可能是第一個以一價銅催化乙醯化反應的例子。 [Cu(bmim)2](OTf) and [Cu(Mesbim)2](OTf) may be the first CuI complexes to catalyze acetylation of alcohol reactions. aJaved Iqbal et al. J. Org. Chem. 1992, 57, 2001 bK. L. Chandra et al. Tetrahedron, 2002, 58, 1369 10

Huisgen Cycloaddition
Application : 1. dye 2. photosensitive material 3. UV resistance Reported apporaches : (1) Reduction of CuII salta 91 % (2) Ligand assisted CuI saltb 1. 我們另一個催化反應為 Huisgen 環加成反應，它的用途包括當作染劑、感光材料以及抗 UV 材料等等。 2. 在過去的催化文獻，有化學家利用硫酸銅直接以檸檬酸鈉還原，in situ 的方式催化環加成反應，8 小時達 91 % 的產率。此外，亦有化學家利用一價銅催化劑加入含氮的配體， 24 小時達 84 % 的產率。 38 sec aK. Barry Sharpless et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 2596 bFokin, V. V. et al. Org. Lett. 2004, 6, 2853 11

(3) Nanosized, activated Cu(0) powdera
[Cu(bmim)2](OTf) 、 [Cu(Mesbim)2](OTf) (4) NHC-CuI b 零價的銅奈米粒子同樣可以進行 Huisgen 環加成反應，不過需要高的催化劑量與提高溫度才有好的催化產率。效果最好的文獻則是以 NHC 配位在一價銅上的催化劑，在室溫下 0.3 小時即近乎反應完全。以NHC配位一價銅的形式根據陰離子的不同會有不同的配位數與不同的催化活性。我們選用的陰離子是配位能力極差的OTf，因此配位數為兩配位，並且我們的催化劑擁有不低於文獻的催化能力。36 sec aAlonso, F. et al. Eur. J. Org. Chem. 2010, 1875. bDíez-González, S. et al. Eur. J. 2006, 12, 7558. 12

The Design of Organometallic Catalyst
Ligand Ligand Ligand Ligand + + + + Metal Metal Metal Metal However … The products are (NHC)Cu(I)─structure determined by XPS、 ESI-Mass and 1H NMR. Catalytic application : (1) acetylation of alcohols (2) Huisgen cycloaddition. NHC Cu(OTf)2 + (NHC)Cu(II) complex expected 回到有機金屬催化劑的合成，我們希望藉由NHC來改質對乙醯化反應擁有相當好的催化活性的 copper(II) triflate，期待能獲得更佳的反應活性，然而結果卻讓我們有點挫折，因為所合成出來的催化劑在利用1H NMR偵測的結果，出現相當漂亮的訊號，與我們原先認定銅二價沒有 NMR訊號的認知不同，使我們無法斷定催化劑銅的價數直到 XPS與ESI-Mass的數據分析結果，斷定此催化劑為一價銅，我們才真正確認銅的價數。因此在催化部分，除了原先改質催化劑的目標，醇類的乙醯化反應外，又額外做了傳統一價銅的催化反應 Huisgen 環加成反應，檢驗其一價銅的催化活性。 44 sec 13

Motivation 1. Based on economic and conservation of environment standpoint, we use copper metal as the metal center of organometallic catalyst 2. To avoid metal leaching, we use NHC ligands to replace phosphine ligands in organometallic catalyst 3. Synthesis of NHC-CuI complexes with well defined structures 4. Using the NHC-CuI complexes to catalyze acetylation of alcohols and Huisgen cycloaddition reactions 基於經濟與環境保護的觀點，我們使用銅金屬來當作有機金屬催化劑的金屬中心為了避免金屬離去的問題，我們的有機金屬催化劑使用 NHC 來取代 phosphine 配位基，並合成出結構明確的 NHC-CuI 催化劑燃後將此催化劑應用於醇類的乙醯化反應與 Huisgen 環加成反應 40 sec 14

Preparation of Copper(I) Complex Catalysts
Preparation of (bmim)HBr Yield : 95 % Preparation of [Cu(bmim)2](OTf) 6 eq 皆下來介紹一價銅催化劑合成的部分，我們一共有兩種催化劑，其中一種的合成方法如下我們使用 bromobutane 與 imidazole 在 60 ℃ 下反應 16 小時，即可得到 NHC 的前驅物 imidazoline 將此產物與 Cu(II) triflate 在 sodium tert-butoxide 的存在下室溫反應 4 小時，即可得到一價銅催化劑，我們之後以Cu(bmim)做簡稱。特別注意的是，與傳統NHC去質子化僅需相同當量數的鹼不同，在這裡我們需額外提供更大量的鹼才能促進此反應的發生，其原因在稍後的銅二價還原成銅一價的機制中會再次提到 32 sec 2 eq 1 eq Yield : 60 % 15

Preparation of 1-mesityl-1H-imidazole
Yield : 55 % Preparation of (Mesbim)HBr Yield : 92 % Preparation of [Cu(Mesbim)2](OTf) 1. 另一種催化劑合成如下 2. 先取 trimethylaniline 、乙二醛以及甲醛進行反應，生成 imidazole 3. 將此產物與 bromobutane 在 82 ℃下反應 24 小時即可得到 NHC 的前驅物 imidazoline 4. 將此 imidazoline 與 Cu(II) triflate 在 sodium tert-butoxide 的存在下室溫下反應 4 小時即可得到第二種一價銅催化劑，之後我們以 Cu(Mesbim) 做簡稱，同樣的，在這裡也需要大量的鹼來促進反應的進行。61 sec 6 eq 2 eq 1 eq Yield : 61 % 16

1H NMR Spectra of (bmim)HBr and
[Cu(bmim)2](OTf) * CHCl3 # H2O H3 H4 H1 H4 H3 H2 * H1 H2 (bmim)HBr # * [Cu(bmim)2](OTf) 此為 imidazoline 與 Cu(bmim) 催化劑的 proton NMR 光譜，H1的部分在加上金屬後便會消失，而在 H2 的位置會因環共振的減弱而有明顯的往 upfield 方向的化學位移。H3與H4則因為N上的正電荷減弱，導致遮蔽效應增強，而往upfield 方向位移透過 proton NMR 光譜我們可以猜測 NHC 確實接在了銅金屬上 25 sec 17

13C NMR Spectra of (bmim)HBr and
[Cu(bmim)2](OTf) C1 C2 * CDCl3 C1 C2 (bmim)HBr * [Cu(bmim)2](OTf) 1. 此為 imidazoline 與 Cu(bmim)催化劑的 carbon NMR 光譜，最明顯的位移為 C1 位置的訊號在接上金屬後會因為遮蔽效應的減弱而有很大的往 down field 方向位移，不過訊號相當微弱 18 sec 18

1H NMR Spectra of (Mesbim)HBr and
[Cu(Mesbim)2](OTf) H1 H2 H3 H4 (Mesbim)HBr H5 H6 [Cu(Mesbim)2](OTf) 1.此為另一催化劑 Cu(Mesbim) 催化劑與其前驅物的 proton NMR 光譜，H1的部分在加上金屬後便會消失，而在 H2 的位置則會因為環共振的減弱有明顯的往 upfield 的化學位移，其中一個氫與 CHCl3 位置重疊。 H4則因為N上的正電荷減弱，導致遮蔽效應增強，而往upfield 方向位移。 2.透過 proton NMR 光譜我們可以猜測 NHC 確實接在了銅金屬上 30 sec 19

13C NMR Spectra of (Mesbim)HBr and
[Cu(Mesbim)2](OTf) C1 (Mesbim)HBr 1. 此為 imidazoline 與Cu(Mesbim)催化劑的 carbon NMR 光譜，最明顯的位移為 C1 位置的訊號在接上金屬後會因為遮蔽效應的減弱而有很大的往 down field 方向位移，兩催化劑有相同的情形 21 sec [Cu(Mesbim)2](OTf) 20

IR Spectra of (bmim)HBr and [Cu(bmim)2](OTf)
1226 cm-1 (H─C─C & H─C─N bending) 1169 cm-1 (H─C─C & H─C─N bending) (bmim)HBr [Cu(bmim)2] (OTf) Cu(OTf)2 1.此為 imidazoline 與 Cu(bmim)催化劑的 IR 光譜圖，最下面則是金屬起使物 Cu(II) triflate 的IR 圖譜。在過去實驗室的研究中，imidazoline 接上金屬後 H-C-C 與 H-C-N 的 bending 訊號會往高能量位移，然而因為 OTf 的訊號太強，使得此區間的位移完全被遮蔽，因此我們僅能從額外生成的 peak 分裂來猜測可能有此現象發生 37 sec 21

IR Spectra of (Mesbim)HBr and [Cu(Mesbim)2](OTf)
Cu(OTf)2 1201 cm-1 (H─C─C & H─C─N bending) 1226 cm-1 (H─C─C & H─C─N bending) 在 imidazoline 與 Cu(Mesbim) 催化劑的IR光譜也是如此，由於OTf訊號太強，使得此區間的能量位移完全被遮蔽，因此僅能從額外生成的 peak 分裂來猜測可能有 H-C-C 與 H-C-N bending 位移的現象發生 17 sec 22

Atomic Absorption Spectral Data of [Cu(bmim)2](OTf)
and [Cu(Mesbim)2](OTf) [Cu(bmim)2](OTf) (mol/mg) [Cu(Mesbim)2](OTf) (mol/mg) Calculated (Cu : L = 1:1) 2.85 * 10-6 2.19 * 10-6 ( Cu : L = 1:2) 2.05 * 10-6 1.44 * 10-6 Experimental 1.86 * 10-6 1.31 * 10-6 原子吸收光譜可以用來偵測樣品中的金屬含量，因此我們可以用來推估其化合物的配體數。最上面為 Cu:L = 1:1 時的預測值，中間則為Cu:L = 1:2 時的預測值，最下面則為實驗值。由實驗結果發現，實驗值與 Cu:L 的數目為 1:2的預測值最為接近，此結果與後面討論的ESI-Mass 所得的結果相符合 43 sec 23

ESI-Mass Spectral of [Cu(bmim)2](OTf)
339.20 242.06 此為 ESI-Mass 對 Cu(bmim) 催化劑的分析結果，其中兩組較大的訊號其 m/z數值分別為與 m/z ，首先分析 m/z 為的 isotope ，推測出其結構為中心金屬帶正一價且配位兩個 NHC 配體的結構。 30 sec 24

1. 而 m/z 為的 isotope ，推測出其結構為中心金屬帶正一價且配位一個 NHC 配體與一個CH3CN的結構。由於配置 ESI-Mass的溶劑為純的CH3CN，因此推測此結構可能為CH3CN置換下一個 NHC 的結果 28 sec 25

ESI-Mass Spectral of [Cu(Mesbim)2](OTf)
547.37 1. 此為 ESI-Mass 對 Cu(Mesbim) 催化劑的分析結果，其中最大訊號的 m/z 數值為，分析此訊號的 isotope ，推測出其結構為中心金屬帶正一價且配位兩個 NHC 配體的結構。根據兩催化劑的結構，其結果皆顯示催化劑為一價銅的存在 22 sec 26

X-Ray Photoelectron Spectral of [Cu(Mesbim)2](OTf) and Cu(OTf)2
satellite CuI (2p3/2) : 932 ~ 935 Va CuII (2p3/2) : 935 ~ 938 V 932 V [Cu(Mesbim)2](OTf) Cu(OTf)2 satellite 935 V 1. 此為 Cu(Mesbim)催化劑的X光射線電子能譜，其數據位於文獻中銅一價 2p3/2 常出現的能量之間，並且沒有銅二價的 satellite，因此我們斷定其為銅一價錯化合物。此為傳統二價銅的XPS圖譜，與起使物相同都會有非常明顯的二銅的satellite。 21 sec 27 aFrost, D. C. et al. Mol. Phys. 1972, 24, 861.

Cyclic Voltammetry of [Cu(Mesbim)2](OTf)
0.805 V (oxidation peak) Reporteda 1. 此為 Cu(Mesbim) 催化劑的循環伏安法的數據，其有一不可逆的氧化峰，且此電位落於文獻中 NHC-CuI 的另一邊為推電子基CH3與拉電子基CF3之間，因此在循環伏安法中亦間接佐證催化劑可能為銅一價結構 28 sec 28 aKieltsch, I. et al. Organometallics 2010, 29, 1451.

Reduction Mechanism from CuII to CuI
Reporteda Proposed mechanism for catalyst synthesis 2 由於上述諸多鑑定，我們確認此催化劑為一價銅的存在，因此下面便來探討銅二價環原成銅一價的可能機制在過去文獻中發現，配位兩個OtBu的銅二價，在 150 ℃下會自身環原成熱穩定性的一價銅Cu(OtBu) 。因此我們推測在合成催化劑時的可能機制:在銅的部分，Cu(II) triflate 會先被部分的OtBu所置換形成與文獻相同結構的Cu(OtBu)2，並且自發環原成一價銅化合物而在配體部分，Imidazoline 去質子化後形成 NHC 當它與一價銅化合物碰撞時，變會取代 (OtBu)而形成NHC-CuI的結構，最後在進行陰離子置換便形成我們的催化劑最下面則是他的淨反應式，這也是我們合成過程中需要加入大量鹼促使反應進行的原因 65 sec aTsuda, T. et al. J. Am. Chem. Soc. 1972, 94, 658. 29

NHC-CuI Catalyzed Acetylation Reactions of ROH with Acetic Anhydride
Entry Alcohol or Phenol [Cu(bmim)2](OTf) [Cu(Mesbim)2](OTf) Yield (%) 1 98 99 2 3 92 95 4 97 5 59 60 6 35 42 在結構鑑定結束之後，接下來則是應用於催化部分。我們將兩催化劑應用於醇類的乙醯化反應，在催化劑量為2 mol%下， 60 ℃反應3小時，除二級碳上的醇外皆近乎反應完全。從結果來看，催化劑的配體在三號位為甲基或是立障較大的Mes 似乎對此反應沒有顯著影響 29 sec 30

Entry Alcohol or Phenol [Cu(bmim)2](OTf) [Cu(Mesbim)2](OTf) Yield (%)
7 97 95 8 98 99 9 96 10 11 12 13 92 1. Entry 7~13 也有著相似的催化產率。其中，Entry 13為酚類化合物，顯示我們的催化劑有著將酚類進行乙醯化反應的能力 21 sec 31

Entry Alcohol or Phenol [Cu(bmim)2](OTf) Yield (%) 1 90 2 93 3 95 4 92
6 1. 為了要比較不同醇類間拉電子機團Entry2-3、推電子基團Entry4-5與立體障礙Entry6的影響，我們減少反應時間至 1.5 h，以Cu(bmim) 催化劑來催化此反應，結果並未發現明顯電子或立體效應 17 sec 32

Entry Alcohol or Phenol [Cu(Mesbim)2](OTf) Yield (%) 1 75 2 77 3 85 4
74 6 66 1. 而當我們減少反應時間至 1 h，以Cu(Mesbim) 催化劑來催化此反應，發現對位為強拉電子機團 NO2 時有特別高的催化活性，但其它推拉電子機團則無顯著差異，顯示其非電子校應所造成的結果，此外鄰位為碘的醇類其產率稍低，顯示當催化劑的配體為立體阻礙較大的均三甲苯基時，其會有立體效應的影響存在 25 sec 33 33

Reported Mechanisms for Acetylation of Alcohols
Mechanism (i)a Mechanism (ii)b 1. 參考過去文獻的反應機制，當催化劑為 Lewis 酸時，其會與氧有微弱鍵結，造成羰基上的碳更容易被醇類上的氧進行親核反應而形成產物 2. 下面部分則 metal triflate 的反應機制。由於在催化過程中，偵測到 AcOTf 的存在，因此作者推測是由 OTf取代OAc而形成更易離去的中間產物，之後羰基上的碳被醇類上的氧進行親核反應而形成產物 40 sec aWack, H. et al. Org. Lett. 1999, 1, 1985. bK. L. Chandra et al. Tetrahedron, 2002, 58, 1369. 34

Proposed Mechanism for Acetylation of Alcohols
結合上述二種機制，因此推測本篇的反應機制為一價銅擔任 Lewis 酸的作用與氧形成微弱鍵結，而離子態的 OTf則取代OAc形成中間產物，在由醇類上的氧對羰基上的碳進行親核反應而形成最終產物在本篇催化劑之所以達不到 metal triflate 在室溫下短時間即可反應完全的優勢，其可能原因為一價銅的 Lewis 酸強度不足，因此需要溫度來輔助催化 40 sec 35

Convection transition
Thermal vs. Microwave Heating microwave thermal 1. 為了要提升此反應的催化活性，我們決定以微波輔助的方式進行反應 2. 與傳統加熱的對流方式不同，微波是利用分子間的振動與轉動來吸收能量，因此有著較高的效率。如右圖所示，傳統加熱的方式僅部分能量作用於反應物，而微波則能減低能量的耗損，將大部分能量作用於反應系統中。33 sec Convection transition 36 Kappe, C. O. Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 6250.

NHC-CuI Catalyzed Acetylation Reactions of
ROH with Acetic Anhydride under MW Irradiation Entry Alcohol or Phenol [Cu(bmim)2](OTf) [Cu(Mesbim)2](OTf) Thermal (3 h) MW (30 s) Yield (%) 1 98 99 2 3 92 89 95 96 4 97 5 59 94 60 82 6 35 65 42 61 1. 此為兩催化劑微波與傳統加熱的數據比較，微波條件 300 W, 30 sec 即可達到傳統加熱 3 小時的成果，並且在二級碳上醇類的乙醯化有著顯著的提升，證明了此催化劑能借由微波輔助來大幅提升其催化活性 , 33 sec 37

Entry Alcohol or Phenol [Cu(bmim)2](OTf) [Cu(Mesbim)2](OTf) Thermal
MW (30 s) Yield (%) 7 97 93 95 8 98 99 9 96 10 11 12 13 92 1. 而在entry 7~13 有著類似的高反應性 5 sec 38

PPTS (Pyridinium p-toluenesulfonate) 100 700 3 94a 2B NaOH 12.5 530 4
Reported Entry Catalyst Cat Conc. (mol %) MW (W) Time (min) Yield (%) 1A PPTS (Pyridinium p-toluenesulfonate) 100 700 3 94a 2B NaOH 12.5 530 4 96b [Cu(bmim)2](OTf) (2) 2 300 0.5 97c [Cu(Mesbim)2](OTf) (5) 與文獻微波輔助醇類的乙醯化反應相比，我們所合成的催化劑應用於催化反應上，無論是催化劑量、反應瓦數與反應時間皆優於文獻，因此利用微波輔助催化醇類的乙醯化反應是相當成功的，此亦是目前我所知第一個以一價銅催化醇類的乙醯化反應並成功例子 Reaction condition :a alcohol : Ac2O (1 : 1.5), solvent = neat, b alcohol : Ac2O (1 : 2), solvent = neat, c alcohol : Ac2O (1 : 8), solvent = neat. AJong Chan Lee et al. Bull. Korean Chem. Soc. 2004, 25, 1295. BPatnam, R et al. Journal of Chemical Research 2002, 301. 39

NHC-CuI Catalyzed Huisgen Cycloaddition
Entry Azide Time (min) Yield (%) Time (h) 1 10 >99 1.5 2 3 4 5 1.0 在證明所合成的催化劑能在微波下對乙醯化反應有不錯的效果後，我們同時驗證此催化劑是否保有對傳統一價銅的催化反應有著顯著的催化活性此為利用 Cu(bmim)催化劑進行 Huisgen 環加成反應，在炔類為苯乙炔時有著顯著的催化活性，在室溫下反應十分鐘及反應完全。而當炔類為辛炔時，其需要在室溫下反應1.5 小時才能完全反應，此差異在於末端炔的酸性不同，造成其與銅的配位速率不同所導致 47 sec 40

Entry Azide T (℃) Time (min) Yield (%) (h) 1 rt 10 >99 1.5 >41
50 1.0 2 3 4 5 0.5 1. 這張表格則是 Cu(Mesbim) 催化劑進行Huisgen 環加成反應，在炔類為苯乙炔時有著顯著的催化活性，在室溫下反應十分鐘及反應完全。 2. 然而在炔類為辛炔時，在室溫下反應並不理想，必須以提高溫度才能維持其催化活性。其可能原因為催化劑配體在三號位為立體阻礙大的均三甲苯基阻礙了炔基的配位，所導致的結果 40 sec 41

Mechanism for Huisgen Cycloaddition
pKa : 19 pKa : 25 此為一價銅催化 Huisgen 環加成反應的反應機制，首先炔基與銅進行配位，脫去的質子則與掉下來的NHC形成imidazoline，接著 N3 與銅進行配位，率先形成六元環的結構，並迅速發生還原脫去而形成五元環。之後與銅鍵結的碳進行質子化的步驟而得到產物，NHC則從新與銅配位一開始炔基配位的過程為速率決定步驟，因此脫去H的能力強弱會大幅度的影響反應的進行。此外擁有立體阻礙的均三甲苯基亦會阻攔炔基的進入，使得本來就不易脫氫的辛炔，需額外加溫才能維持高反應效率 42

Conclusions We have successfully synthesized [Cu(bmim)2](OTf) and
[Cu(Mesbim)2](OTf) complexes. Their structures were characterized by using 1H- and 13C-NMR, IR, AAS, XPS, ESI-Mass and CV spectroscopy. 2. We have successfully demonstrated the catalytic activity of [Cu(bmim)2](OTf) and [Cu(Mesbim)2](OTf) on the acetylation of alcohol and Huisgen cycloaddition reactions. 3. Further acceleration on the rate of the [Cu(bmim)2](OTf)─and [Cu(Mesbim)2](OTf)─catalyzed acetylation of alcohols can be achieved under microwave irradiation conditions. 我們成功合成出兩種不同的一價銅催化劑，並且利用氫、碳譜 NMR，IR，AAS，XPS，ESI-Mass及CV進行鑑定。我們成功證明了此兩種催化劑具有催化醇類的乙醯化反應與 Huisgen 環加成反應的能力為了進一步增加其催化醇類的乙醯化反應，我們利用微波輔助其反應，並得到不錯的結果 35 sec 43

謝誌指導老師 : 于淑君博士口試老師 : 梁孟博士曾炳墝博士實驗室成員 : 張朝欽、陳思婷、潘慶豪、王建舜、林羲尹、謝承祐
口試老師 : 梁孟博士曾炳墝博士實驗室成員 : 張朝欽、陳思婷、潘慶豪、王建舜、林羲尹、謝承祐無機組全體成員首先感謝我的指導老師三年來對我研究的指導以及論文的修改，以及兩位口試老師不遲辛勞的觀看我的論文並參與這次的口試。其次感謝實驗室的全體成員一起共同努力，以及討論問題的解決方法最後感謝無機組所有成員無論是精神上以及實驗中的幫助，我的演講到此結束，謝謝大家 44

The Mechanism of Copper-Catalyzed Hydrosilylation of Ketones
aSteven P. Nolan et al. Organometallics. 2004, 23, 1157.

The Price of P and C 中國化工產品網黃磷 (P4) 15000 / ton 煤炭 (C) 500 / ton

Kieltsch, I. et al. Organometallics 2010, 29, 1451.

NHC 的配位形式

[Cu(Mesbim)2](OTf) 以 CDCl3當溶劑，在擁有大量 CH3CN 下的 NMR 光譜圖

[Cu(Mesbim)2](OTf) 以 d-DMSO 當溶劑偵測

乙醯化的自發反應 Entry Alcohol or Phenol Yield (%) 1 37 2 43 3 31 4 32 5 16 6

Entry Alcohol or Phenol Yield (%) 7 16 8 34 9 24 10 20 11 29 12 28 13
────────────────────────────────── Entry Alcohol or Phenol Yield (%) 7 16 8 34 9 24 10 20 11 29 12 28 13

[Cu(Mesbim)2](OTf) (2 mol%) 75
──────────────────────────────────── Entry Catalyst Yield (%) 1 None 40 2 [Cu(Mesbim)2](OTf) (2 mol%) 75

Huisgen cycloaddition
────────────────────────────────────── Entry Azide [Cu(Mesbim)2](OTf) T (℃) Time (h) Yield (%) 1 50 0.5 65 2 78 3 73 4 97 5 99

Synthesis and Characterization of N- Heterocyclic Carbene Copper(I) Complexes. The Catalytic Application on Huisgen Cycloaddition and Acetylation Reactions.

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