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清華大學化學系所學位論文

國立清華大學,正常發行

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我們以帕爾-克諾爾反應(Paal-Knorr reaction)建構出一系列具有CB1接收器配基的吡咯(pyrrole)結構,並且對於新穎的1,5-二芳基吡咯醯胺CB1接收器配基其結構與活性的關聯性進行探討。具有(R)-1 - 羥基-3-甲基 - 1,1-二芳基-2-丁基吡咯醯胺化合物72 (IC50 = 4.2 nM) 與96 (IC50 = 1.9 nM) 對於CB1接收器具有高親和性與選擇性。具有環己基的吡咯醯胺64 (IC50 = 15.2 nM) 和94 (IC50 = 14.3 nM) 對於CB1接收器具有高親和性。此外,具有終端乙炔取代基的C-3醯胺吡咯化合物,其化合物包含了對稱與不對稱顯的烷基均對於CB1接收器有高親和力,而這些化合物包括了64,75,77,79和80。這些結果建議吡咯醯胺41和42可能是能夠對於CB1提供理化優勢的候選化合物。 具有環己基終端乙炔取代基的C-3的醯胺吡唑化合物104 (CB1 IC50 = 12.0 nM) 同樣顯現出對CB1接收器有高親和力,此種現象指出在CB1接收器在不活耀的狀態下,終端乙炔取代基不尋常地增強接收器與配基之間的作用。

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一、順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生之雙極型混成體於有機電激發光二極體之應用 有機電激發光二極體在過去幾年已對下一代全彩面板顯示器和固態照明進行深入的研究。然而,電洞與電子不平衡的載子傳輸速率一直是影響元件效率較差的其中一個重要因素。因此,我們成功合成以順式二苯乙烯/芴螺旋混成體系統為核心架構,在C3及C7位置接上相同或不同取代的推拉電子基團,以合成一系列具有電洞傳輸型 (HT-type)、電子傳輸型 (ET-type) 和雙極型 (ambipolar)的藍光、天藍光和藍綠光材料,應用於有機電激發光二極體上。這一系列的材料其玻璃轉換溫度可達120-167 oC,且熱裂解溫度皆高於400℃,擁有不錯的熱穩定性質。此外,我們所開發的材料擁有較為平衡的電洞和電子傳輸速率,其中藍綠光材料N-STIF-P(O)Ph2在電場7.3 105 V/cm下,其電洞傳遞速率為6.510-6 cm2/Vs,電子傳遞速率為5.110-6 cm2/Vs,是為一個良好的雙極性螢光發光材料,應用在單層元件有優越的效率表現 (元件結構:ITO/PEDT:PSS/ N-STIF-P(O)Ph2/LiF/Al),其元件的驅動電壓為2.5 V,在電流密度20 mA/cm2下的放光效能為3.29 cd/A;功率效能為2.84 lm/W;外部量子效率為1.28%,最大亮度在電流密度為5,611 mA/cm2 (操作電壓: 8.5 V) 下竟可高達7,3359 cd/m2 ,而CIE則座落於(0.21, 0.47)。在主體材料方面,以具有電子傳輸型 (ET-type) 的深藍光材料P(O)Ph2-STIF-P(O)Ph2作為主體材料,摻雜季昀教授所開發的紅光客體材料OS1 (元件結構:ITO/PEDT:PSS/NPB /TCTA/ P(O)Ph2-STIF-P(O)Ph2: 10 wt% OS1/3TPYMB/LiF/Al),其紅色磷光元件最大放光效能(Max. Current efficiency)達到22.2 cd/A;最大功率效能(Max. Power efficiency)達到23.3 lm/W;最大外部量子效率(EQE)達到16%,最大亮度在電流密度為1,759 mA/cm2 (操作電壓: 10 V) 下可達2,9602 cd/m2,而CIE則座落於(0.63, 0.36),與一般相關文獻的結果相符合,因此,P(O)Ph2-STIF-P(O)Ph2是一個良好的電子傳輸型 (ET-type) 的主體材料。在有機電激發白光的元件(WOLEDS)上,以主體材料Cbz-STIF-P(O)Ph2摻雜0.4%的橘黃光材料rubrene (元件結構: ITO/PEDT:PSS/NPB /TCTA/ Cbz-STIF-P(O)Ph2: 0.4 wt% Rubrene/TPBI/LiF/Al),其元件效能在操作亮度為1,000 cd/m2下,放光效能(Current efficiency) 為11.3 cd/A;功率效能 (Power efficiency) 為4.23 lm/W;外部量子效率 (EQE) 為3.62%,最大亮度在電流密度為1,719 mA/cm2 (操作電壓: 14.5 V) 下可達到87,800 cd/m2,CIEx,y色度座標為(0.45, 0.48),與理想白光光源的(0.33, 0.33),有36-45%的差距,但從肉眼來看已接近白光光源,同時整體元件效能也達到最佳且最為穩定的狀態。接著,我們嘗試以日本Adachi教授所開發的熱活化型延遲螢光 (Thermally activated delayed fluorescence, TADF)的相同元件結構作為藍光元件,其主體材料為DPEPO,選用Cbz-STIF-cbz作為TADF的客體材料 (元件結構:ITO/PEDOT:PSS/NPB/TCTA/CzSi/DPEPO: 10 wt% Cbz-STIF-cbz/DPPS/BmPyPB/LiF/Al)。雖然沒有觀察到TADF的現象發生於Cbz-STIF-cbz,然而在藍色螢光元件的效能表現還算出色。其元件的驅動電壓為4.1 V,最大亮度在電流密度為538 mA/cm2 (操作電壓: 13.5 V) 下可達2,778 cd/m2,而最大放光效能(Max. Current efficiency)為2.5 cd/A;最大功率效能(Max. Power efficiency)為2.19 lm/W;最大外部量子效率(EQE)達到3.81%,而CIE則座落於(0.15, 0.07)。最後,我們使用高效率且為雙極型材料的N-STIF-CN作為綠、黃和紅光PHOLED的電子傳輸層材料,相較於一般常用的電子傳輸層材料(例如:Alq3, TPBI, BmPyPB等),可明顯提升元件效能和壽命的表現。其中在綠光PHOLED上,採用業界的元件規格,在不加入電洞阻擋層的情況下,相對於業界採用的ET-01在綠色磷光元件效能增加率(PE: +29%; CE: +29%; EQE: +28% @1,000 cd/m2)。壽命測試方面,在初始亮度為1,000 cd/m2下,N-STIF-CN的元件半衰壽命約為210小時,非常接近ET¬-01的元件半衰壽命的270小時,顯示N-STIF-CN是相當具有潛力的電子傳輸層材料應用於PHOLED上。 二、順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生之雙極型混成體於染料敏化太陽能電池之應用 我們成功合成以順式二苯乙烯/芴螺旋混成體為主體π-核心模板,藉由在C3位置接上雙甲苯基胺作為電子予體,在C7位置接上不同取代的受體型之π-橋體,以合成具有D-π-π-A-A系統的染料N-STIF-T-BTD-CA和具有D-π-A-π-A系統的染料N-STIF-BTD-T-CA。這一系列染料其最大的UV吸收波長在470-523 nm之間,而莫耳吸收係數則為20,801-21,690 M-1 cm-1。在元件效率方面,表現最好的材料為染料N-STIF-BTD-T-CA,在AM 1.5標準太陽光照射下元件效率(η)最大可達4.26 % (Voc = 643 mV, JSC = 8.81 mA/cm2, FF = 0.74); 而光電轉換效率(IPCE)在400-550 nm的吸收範圍中,染料N-STIF-BTD-T-CA的光電轉換效率 (IPCE) 可達到49.3%。

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代謝物與蛋白質在人體內扮演重要角色,參與生長、發育、繁殖等功能,當兩者濃度失常時常造成各種疾病。傳統偵測方法須經過一系列步驟,較不便且費時。 本論文中以螢光方式對磺胺類代謝物與 hCAII、avidin 蛋白進行偵測,在代謝物偵測上使用半合成生物感測器,蛋白質偵測則以螢光探針的形式進行檢測。半合成生物感測器是由 SNAP-hCA 融合蛋白與螢光探針所組成,以生物轉殖方法表現SNAP-hCA融合蛋白;螢光探針則是以 BG 基團搭配環境敏感螢光分子 SBD 並連接磺胺類基團組成。SNAP-hCA 融合蛋白中的SNAP 可辨識BG 基團,將螢光探針以共價鍵方式連接於 SNAP 蛋白上,磺胺類基團則可與hCAII 結合,使感測器形成環狀構型。環狀構型造成螢光分子周圍環境較為疏水,SBD 分子產生明顯螢光訊號。當目標磺胺類藥物加入後與探針競爭hCAII 活性位置,使構型呈開環狀態,降低環境疏水性,造成螢光訊號下降。蛋白質螢光探針利用環境敏感螢光分子GFP 與 Bodipy,連接苯磺醯胺(Benzene-sulfonamide)或生物素(biotin),可分別與hCAII、avidin形成專一性結合。探針與目標蛋白結合與否,會造成螢光分子周圍環境改變,使螢光訊號產生變化。

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一、 以植晶法水相合成立方體銀奈米晶體及其形貌變化 銀奈米粒子形狀合成通常是在高溫有機相中反應,若在水相中合成則可減少能源的消耗及達到以綠色化學為目的的製備方法,由文獻中得知,在水相中合成立方體銀奈米晶體仍需要較長的時間且高溫下反應,故本研究主要致力於能有效縮短反應時間及降低反應溫度的立方體銀奈米粒子合成方法,並且探討其反應速率對其形狀影響。 在本研究當中,我們利用植晶方法在水相系統中製備銀奈米晶體,以硝酸銀作為銀的來源、氯化十六烷基三甲基銨鹽作為保護劑及維生素C作為還原劑,反應溫度控制在60 ºC而約兩個小時可製備出成立方體銀奈米晶體。藉由粉末X–RAY 繞射鑑定、穿透式電子顯微鏡電子繞射鑑定與掃描式電子顯微鏡影像拍攝可證明為立方體銀奈米粒子且是由{100}的面所組成 。合成出的粒子大小其範圍在46至55奈米之間。另外,為了研究反應速率對其形狀演變我們加入氨水並發現在加速反應速率的情況下會促進{111}的面生成,反之減低反應速率會致使{100}的面生成。由不同時間點反應顏色的影像拍攝可佐證確實反應速率是會對形狀造成影響。 二、 製備系統性形狀演繹的金銀核殼結構及其光學性質探討 本研究中我們以菱形十二面體金奈米晶體作為板模使銀成長於其上並利用植晶法製備系統性形狀演繹銀包金核殼結構。立方體、截角立方體、截半立方體、截角八面體及八面體可利用硝酸銀、氯化十六烷基三甲基銨鹽、維生素C和氫氧化鈉這些試劑製得。形狀演變是藉由改變還原劑的濃度或是硝酸銀的量,此合成時間僅需50分鐘且在室溫下進行,故此方法可減少能量的消耗縮短反應時間。這些奈米粒子具有窄的大小分布情形所以其有很好的自組裝排列現象。藉由觀測不同反應時間的溶液顏色變化及調控溫度,得到還原反應速率快時會形成八面體而在反應速率較慢的情況下,立方體會產生。 立方體及八面體銀包金核殼結構大小是可調控的以及我們利用這些奈米粒子去探討其光學性質,利用紫外-可見光光譜可發現其光學吸收和金殼大小及外層銀的厚度是息息相關的,利用此一性質不僅可用調整粒子大小更可以利用調控金殼去改變其光學性質。

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本研究利用具有橢圓截面孔道之中孔洞二氧化矽MMT-1做為載體,在中孔洞表面進行選擇性功能化及附載鈀奈米顆粒,並將之應用於催化苯酚選擇性氫化反應。由於合成MMT-1所使用的陽離子型界面活性劑cetyltrimethylammonium bromide (C16H33N(CH3)3Br, CTAB)與非離子型界面活性劑tetraethylene glycol dodecyl ether (C12H25(OCH2CH2)4OH, C12EO4)在孔洞內的分佈不均,兩者與孔壁的作用力亦不同,因此我們得以氯仿先萃取出作用力較弱的C12EO4,並將暴露出的表面以及材料外表面嫁接trimethylsilyl (-Si(CH3)3, TMS)官能基,再萃取出剩餘的CTAB,並以dimethylsilyl (-SiH(CH3)2, DMS)或trivinylsilyl (-Si(CHCH2)3, TVS)官能基修飾所暴露的表面,達成在MMT-1中進行選擇性功能化的目的。TMS官能基可在孔洞內形成較疏水的環境,有利於疏水分子在孔道中的擴散,而鈀金屬的附載可藉由以下兩種策略達成,第一個策略是使用具有還原力的DMS官能基將Pd(II)直接還原成鈀奈米顆粒,第二種則是利用TVS官能基與Pd(II)形成π鍵結錯合物,再將之還原。在苯酚的選擇性氫化反應中,選擇性嫁接TMS及TVS官能基並附載鈀奈米顆粒的MMT-1在水相、常壓氫氣(1 atm)及室溫(25℃)的反應條件下,可達到極高的苯酚轉化率(99%)與環己酮選擇率(98%),且在此反應條件下回收觸媒並重複反應十次,其苯酚轉化率(73%)與環己酮選擇率(98%)仍有不錯的表現。相較於商用Pd/C以及附載於隨機嫁接TMS及TVS官能基的MMT-1(或MCM-41)或內表面未功能化的MMT-1的鈀催化劑,使用選擇性嫁接TMS及TVS官能基並附載鈀奈米顆粒的MMT-1有最高的反應催化活性。

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蛋白質為人體之重要組成,調控人體許多新陳代謝。蛋白質失調會造成許多疾病,因此偵測蛋白質成為重要課題。偵測蛋白質之技術被廣為開發,其中以酵素免疫分析法最廣為人知。但這些技術皆需繁瑣的前處理,我們希望發展一個半合成訊號放大探針偵測蛋白質。 透過生物重組蛋白技術合成SNAP-hCAII,以SNAP-tag 標記上有機探針。此探針含有磺胺抑制劑結構(sulfonamide, SA)、O6-苄基鳥嘌呤(O6-benzylguanine,BG)及生物素(biotin)。磺胺抑制劑結構(sulfonamide, SA)可抑制人類碳酸酐II(hCAII)活性,形成封閉系統。加入抗生物素蛋白(avidin)後,產生立障效應(steric effect),使磺胺抑制劑結構(SA)脫離,hCAII恢復活性,得以水解Fluorescein diacetaete,產生訊號放大的螢光效果。此系統抑制效果不佳,探討SNAP蛋白是否會影響hCAII之抑制效果,嘗試以hCAII和SNAP-hCAII進行螢光測試,發現使用hCAII比SNAP-hCAII有更高的螢光增益。因此之後發展捨棄合成O6-benzylguanine,且蛋白質使用hCAII,不必經過生物選殖技術合成SNAP-hCAII,此探針具有更佳的螢光增益及便利性。

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本論文使用密度泛函理論研究路易斯鹼催化丙二烯酯反應性。實驗觀察到膦與胺催化丙二烯酯與烯酮分子會分別產生五員環與六員環產物。計算結果顯示,穩定的膦ylide 中間物有利於最後產物五員環的形成。胺無法穩定此 ylide 中間物,因此不利於[3+2] 環加成反應。當缺電子的烯酮分子被使用當反應物時,胺則催化 [2+4] 環加成反應。路易斯鹼與丙二烯酯形成的加合物化學性質也被研究,例如溶劑效應、質子親合力、親核性與環加成反應性。路易斯鹼與丙二烯酯會形成 Z或 E加成物。比起膦或胺,螫合性氮異環碳烯會與丙二烯酯形成更穩定且放熱的加成物,因此螫合性氮異環碳烯不適合使用催化相關二烯酯反應。三苯基膦催化 [3+2] 環加成反應的位向選擇性也被研究。苯基的立體障礙導致 Z加成物,而有利於 γ 產物的形成。 此外,我們研究鎳金屬催化芳香醚鍵切斷的反應機構。整個催化反應中,速率決定步驟為芳香醚鍵切斷。接下來,甲氧配位基會氧化形成甲醛,同時還原苯基配位基。計算顯示,氫氣主要用於還原甲醛,避免形成一氧化碳配位基的穩定鎳錯合物。

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本實驗室利用雙氮基脒Li[HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]為配基合成出第一個雙鉬五重鍵錯合物Mo2[μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]2 (1),其具有低價數、低配位的特性,其中錯合物1擁有兩個δ鍵兩個π鍵及一個σ鍵,因此我們好奇是否能進行一些類似炔類的配位化學。錯合物1與一當量的Co2(CO)8反應,可得錯合物(OC)3Co(μ-κ2-CO){κ1-Mo[(OC)3Co(μ-κ2-CO)]Mo(CO)[μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]2} (2)與[(OC)3Co(μ-κ2-CO)][μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]Mo(μ-CO)Co(μ-CO)(κ1-CO)Mo[μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2] (3)其中2是動力學產物而3是熱力學產物,在此我們無法得到以六羰基二鈷當保護基形成Mo2Co2(CO)6[μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]2的結構。 將錯合物1與一當量的W(CO)5THF反應,1在此為配位基,配位在鎢金屬上,得到 (OC)4W{κ2-Mo2[μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]2]} (4),錯合物1為四個電子的予體配位基。將錯合物1與一當量的Fe2(CO)9沒有得到類似4的產物而單離出產物[(OC)3Fe](μ-κ2-CO)MoMo(CO)[μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]2 (5),Fe(CO)4與其中一個鉬原子有雙鍵的鍵結。為了得到以多重鍵配位在鐵金屬上,改成使用雙鉬四重鍵錯合物Mo2[μ-κ2-PhB(N-2,6-iPr2C6H3)2]2 (6)當配位基,令人高興的是在6與Fe2(CO)9 的反應中產生錯合物 (OC)4Fe{κ2-Mo2[μ-κ2-PhB(N-2,6-ίPr2C6H3)2]2} (7),而且鐵金屬的π反饋能力會讓錯合物7變回雙鉬四重鍵錯合物。 三核金屬錯合物5中的鉬原子具缺電子的性質,錯合物5與兩當量苯甲腈反應產生[(OC)3Fe](μ-κ2-CO)Mo(κ1-NCPh)Mo(CO)(κ1-NCPh) [μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]2 (8),但是苯甲腈的碳-氮三鍵並沒有被削弱,因此改用推電子能力較強的2,4,6-三甲基苯甲腈,得到了[(OC)3Fe](μ-κ2-CO)Mo(CO) Mo(κ1-NC-2,4,6-(Me)3C6H2)[μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]2 (9),可能由於立體阻礙的因素,5只與一當量的2,4,6-三甲基苯甲腈反應,最後我們嘗試用較缺電子的苯甲醯氰與5反應,得到了與錯合物9類似的化合物[(OC)3Fe](μ-κ2-CO)Mo(κ1-NCC(O)Ph)Mo(CO) [μ-κ2-HC(N-2,6-iPrC6H3)2]2 (10)。另一方面,錯合物1與具有較強推電子能力的二甲基氰胺反應產生兩分子的二甲基氰胺經碳-氮耦合反應形成一新穎胍基接在錯合物1上,最後得到了一個雙鉬配位有三個配基的錯合物Mo2[μ-κ2-NCNMe2]2[μ-κ3-N(Me2)CNC(NMe2)N][μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]2 (11)。

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  • 學位論文

本論文研究以高立體障礙的以雙氮基脒作為配基的雙鉬五重鍵錯合物Mo2[μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]2 (1),利用其δ電子與第十族鎳金屬形成δ錯合物並進一步探討其反應性;另外,亦利用錯合物1低價數、低配位的特性將其與有機化合物小分子反應。錯合物1與Ni(PEt3)4和兩當量苯甲腈反應得到產物{μ-κ2-[κ2-NC(C6H4)-Ni(PEt3)2]}[μ-NC(H)Ph]Mo2[μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]2 (2),其中一分子苯甲腈的氮原子鍵接至一鉬原子,該苯甲腈分子2號碳上有發生碳-氫鍵斷裂導致2號碳配位至一另一鉬原子上而形成一Mo2C3N六員環構型;同時氫原子轉移至第二分子苯甲腈腈基上的碳原子而形成苯亞胺基。錯合物1與Ni(PEt3)4和苯乙炔反應,得到碳-氫斷鍵且鎳原子與雙鉬金屬形成的δ錯合物[(PEt3)(η1-PhCC)Ni](μ-H){κ2-Mo2[μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]2} (3);接著,將錯合物2與三甲基矽乙炔反應,得到具有亞乙烯基(Vinylidene)官能基的錯合物[μ-η1-PhC(H)C][μ-η1-TMSCC][μ-Ni(PEt3)](μ-H) {κ2-Mo2[μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]2} (4);將錯合物2再與苯乙炔反應,得到兩分子苯乙炔於鎳原子和雙鉬金屬上以尾對尾的型式發生碳-碳耦合反應的錯合物[(η2-PhCCH)Ni(PEt3)][μ-η2:η1:η1-PhCC(H)C(H)C(Ph)]Mo2[μ-κ2-HC-(N-2,6-iPr2C6H3)2]2 (5);將雙鉬四重鍵錯合物Mo2(μ-Cl)[(μ-Cl)2Li(OEt2)][μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]2與Pd(PEt3)3反應,得到一分子的三乙基膦與鉬原子鍵結的錯合物(η1-PEt3)(η1-Cl)(μ-Cl)Mo2[μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]2 (6)。此外,將錯合物 1與三甲基矽乙炔反應,形成具有芳香性的六員環雙鉬錯合物(μ-κ2-3,5-(Me3Si)2C4H2)Mo2[μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]2 (7);錯合物1與腈類分子如苯甲腈反應,經由腈基團上的碳原子進行碳-碳耦合反應得到六員環燈籠型雙鉬錯合物[μ-κ2-NC(Ph)C(Ph)N]Mo2[μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]2 (8);而1與立體阻礙較大的2,4,6-三甲基苯甲腈反應,可得到其以腈基團上氮原子配位至雙鉬金屬上的錯合物[η1-NC(Mes)]2Mo2[μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)(N-2-iPr-6-CH(κ1-CH2)CH3-C6H3)][μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2] (9)。錯合物1與白磷分子反應則得到(μ-η4︰η4-P4){Mo2[μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]2}2 (10),白磷分子從正四面體轉變成平面四方形的構型橋接於兩分子的1之間;錯合物1與苯甲酸乙酯反應,得到其苯環配位至鉬-鉬鍵上的錯合物(μ-η2-1,2︰η2-4,5-PhCOOEt)Mo2[μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]2 (11);與富勒烯(C60)反應則得到其亦以其上的三個六員環配位至三分子之雙鉬五重鍵錯合物1,形成錯合物[[(μ:μ:μ-η2:η2:η2:η2:η2:η2-C60){Mo2[μ-κ2-HC(N-2,6-iPr2C6H3)2]2}3 (12)。

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