具自組裝功能基團的紫質衍生物設計與合成及其形成之奈米微結構研究

Design and Synthesis of Porphyrin Derivatives with Self-Assembled Functional Groups and Characterization of their Nanostructures

10.6342/NTU.2012.02690

郭明承

紫質 ； 自組裝 ； 氫鍵 ； 雙縮脲 ； porphyrin ； self-assembly ； hydrogen bond ； biuret

臺灣大學化學研究所學位論文

2012年

博士

汪根欉

繁體中文

我們設計與合成了具有不同作用力的自組裝官能基團之紫質衍生物，研究分子結構與其自組裝微結構的相對關係，利用掃描式與穿透式電子顯微鏡等工具鑑定紫質化合物自組裝的奈米結構。T-dicZnP具烷類疏水性自組裝基團，自組裝形成一維柱狀結構，藉由高極性甲醇增加疏水性作用力強度，則形成二維片狀結構。T-p-ditdiuZnP具雙縮脲官能團經由自組裝形成奈米球結構，且奈米球的形成與否不太會受四氫呋喃與甲醇溶劑組成影響。T-p-dicdiuZnP分子同時具有T-dicZnP與T-p-ditdiuZnP的自組裝官能基團，高極性條件下疏水性作用力主導自組裝而形成一維柱狀結構。反之，在低極性條件下由親水性作用力主導自組裝而形成奈米球結構。 藉由改變雙縮脲基團與紫質核心的相對位置，研究分子結構與自組裝結構的相對關係。我們設計了T-m-ditdiuZnP、T-m-dicdiuZnP、T-p-ditdiuZnP和T-p-dicdiuZnP等分子，四個異構物在醇類溶劑皆形成奈米球結構，在非醇類溶劑則有不同的奈米結構與分子結構有密切關係。

We design a series of porphyrin derivatives with self-assembly motifs to study the correlation between molecular structure and self-assembled nanostructure. We use scanning electron microscopy and transmission electron microscopy as tools to identify the self-assembled structures of porphyrin derivatives. It is observed that the formation of different nano-morphologies such as nano-rod or hollow sphere can be manipulated either by the structural features and/or solvent compositions. In this regard, T-dicZnP with hydrophobic substitutions forms one-dimension rods, T-p-ditdiuZnP with hydrophilic substitutions gives hollow spheres. T-p-dicdiuZnP possessing the substituents of T-dicZnP and T-p-ditdiuZnP can interchange the nanostructure between one-dimension rods and hollow spheres through the control of solvent composition. We design a series of porphyrin isomers to map the correlation between molecular structure and self-assembled nanostructures. The porphyrin isomers form hollow spheres in protic solvent, but they give distinct nano-morphologies in aprotic solvent.

1. (1) Whitesides, G. M.; Grzybowski, B. Science 2002, 295, 2418.
   連結：
2. (2) Whitesides, G. M.; Boncheva, M. PNAS. 2002, 99, 4769.
   連結：
3. (4) Chayen, J. Cell Biochem. Funct. 1996, 14, 75.
   連結：
4. (5) Thomas, E. L. Science 1999, 286, 1307.
   連結：
5. (8) Zhang, X.; Chen, Z. J.; Wurthner, F. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 4886.
   連結：
6. (14) Sun, Z. H.; Ni, W. H.; Yang, Z.; Kou, X. S.; Li, L.; Wang, J. F. Small 2008, 4, 1287.
   連結：
7. (15) Si, S.; Raula, M.; Paira, T. K.; Mandal, T. K. Chemphyschem 2008, 9, 1578.
   連結：
8. (20) Pramod, P.; Thomas, K. G.; George, M. V. Chem. Asian J. 2009, 4, 806.
   連結：
9. (26) Guldi, D. M.; Martin, N.; Editors Carbon Nanotubes And Related Structures: Synthesis, Characterization, Functionalization, And Applications; Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2010.
   連結：
10. (27) Tang, Q.; Li, H.; Liu, Y.; Hu, W. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 14634.
    連結：
11. (34) Sergeyev, S.; Pisula, W.; Geerts, Y. H. Chem. Soc. Rev. 2007, 36, 1902.
    連結：
12. (36) van, H. R.; Schon, P.; van, B. A. M.; Hoogboom, J.; Lazarenko, S. V.; Gerritsen, J. W.; Engelkamp, H.; Christianen, P. C. M.; Heus, H. A.; Maan, J. C.; Rasing, T.; Speller, S.; Rowan, A. E.; Elemans, J. A. A. W.; Nolte, R. J. M. Science 2006, 314, 1433.
    連結：
13. (37) Wang, C.; Yin, S.; Chen, S.; Xu, H.; Wang, Z.; Zhang, X. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 9049.
    連結：
14. (39) Privalov, P. L.; Gill, S. J. Adv. Protein Chem. 1988, 39, 191.
    連結：
15. (40) Kim, H.-J.; Kim, T.; Lee, M. Acc. Chem. Res. 2011, 44, 72.
    連結：
16. (41) Palmer, L. C.; Stupp, S. I. Acc. Chem. Res. 2008, 41, 1674.
    連結：
17. (42) De, G. T. F. A.; Smulders, M. M. J.; Wolffs, M.; Schenning, A. P. H. J.; Sijbesma, R. P.; Meijer, E. W. Chem. Rev. 2009, 109, 5687.
    連結：
18. (58) Jeong, E.-Y.; Park, S.-E. Res. Chem. Intermed. 2012, 38, 1237.
    連結：
19. (59) Zhu, S.; Cui, X.; Zhang, X. P. Eur. J. Inorg. Chem. 2012, 2012, 430.
    連結：
20. (61) Josefsen, L. B.; Boyle, R. W. Theranostics. 2012, 2, 916.
    連結：
21. (63) Yella, A.; Lee, H.-W.; Tsao, H. N.; Yi, C.; Chandiran, A. K.; Nazeeruddin, M. K.; Diau, E. W.-G.; Yeh, C.-Y.; Zakeeruddin, S. M.; Graetzel, M. Science 2011, 334, 629.
    連結：
22. (69) Schwab, A. D.; Smith, D. E.; Bond-Watts, B.; Johnston, D. E.; Hone, J.; Johnson, A. T.; De, P. J. C.; Smith, W. F. Nano Lett. 2004, 4, 1261.
    連結：
23. (72) Kojima, T.; Harada, R.; Nakanishi, T.; Kaneko, K.; Fukuzumi, S. Chem. Mater. 2007, 19, 51.
    連結：
24. (76) Choi, M.-S. Tetrahedron Lett. 2008, 49, 7050.
    連結：
25. (77) Eisfeld, A.; Briggs, J. S. Chem. Phys. 2006, 324, 376.
    連結：
26. (78) Morisue, M.; Morita, T.; Kuroda, Y. Org. Biomol. Chem. 2010, 8, 3457.
    連結：
27. (82) Yagai, S.; Goto, Y.; Lin, X.; Karatsu, T.; Kitamura, A.; Kuzuhara, D.; Yamada, H.; Kikkawa, Y.; Saeki, A.; Seki, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 6643.
    連結：
28. (86) Peng, J.; Han, Y.; Fu, J.; Yang, Y.; Li, B. Macromol. Chem. Phys. 2003, 204, 125.
    連結：
29. (3) Desiraju, G. R.; Gavezzotti, A. Acta Cryst. B 1989, 45, 473.
30. (6) Kumar, A.; Abbott, N. L.; Kim, E.; Biebuyck, H. A.; Whitesides, G. M. Acc. Chem. Res. 1995, 28, 219.
31. (7) Ozin, G. A.; Hou, K.; Lotsch, B. V.; Cademartiri, L.; Puzzo, D. P.; Scotognella, F.; Ghadimi, A.; Thomson, J. Mater. Today 2009, 12, 12.
32. (9) Aggeli, A.; Nyrkova, I. A.; Bell, M.; Harding, R.; Carrick, L.; McLeish, T. C. B.; Semenov, A. N.; Boden, N. PNAS. 2001, 98, 11857.
33. (10) Malaquin, L.; Kraus, T.; Schmid, H.; Delamarche, E.; Wolf, H. Langmuir 2007, 23, 11513.
34. (11) Kumnorkaew, P.; Ee, Y. K.; Tansu, N.; Gilchrist, J. F. Langmuir 2008, 24, 12150.
35. (12) Mirkin, C. A.; Letsinger, R. L.; Mucic, R. C.; Storhoff, J. J. Nature 1996, 382, 607.
36. (13) Fialkowski, M.; Bishop, K. J. M.; Klajn, R.; Smoukov, S. K.; Campbell, C. J.; Grzybowski, B. A. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 2482.
37. (16) Boal, A. K.; Ilhan, F.; DeRouchey, J. E.; Thurn-Albrecht, T.; Russell, T. P.; Rotello, V. M. Nature 2000, 404, 746.
38. (17) Klajn, R.; Olson, M. A.; Wesson, P. J.; Fang, L.; Coskun, A.; Trabolsi, A.; Soh, S.; Stoddart, J. F.; Grzybowski, B. A. Nat. Chem. 2009, 1, 733.
39. (18) Olson, M. A.; Coskun, A.; Klajn, R.; Fang, L.; Dey, S. K.; Browne, K. P.; Grzybowski, B. A.; Stoddart, J. F. Nano Lett. 2009, 9, 3185.
40. (19) Grzelczak, M.; Vermant, J.; Furst, E. M.; Liz-Marzan, L. M. Acs Nano 2010, 4, 3591.
41. (21) Kim, F. S.; Ren, G. Q.; Jenekhe, S. A. Chem. Mater. 2011, 23, 682.
42. (22) Zhao, Y. S.; Fu, H. B.; Peng, A. D.; Ma, Y.; Liao, Q.; Yao, J. N. Acc. Chem. Res. 2010, 43, 409.
43. (23) Hu, J.; Odom, T. W.; Lieber, C. M. Acc. Chem. Res. 1999, 32, 435.
44. (24) Xia, Y.; Yang, P.; Sun, Y.; Wu, Y.; Mayers, B.; Gates, B.; Yin, Y.; Kim, F.; Yan, H. Adv. Mater. 2003, 15, 353.
45. (25) Nozik, A. J.; Beard, M. C.; Luther, J. M.; Law, M.; Ellingson, R. J.; Johnson, J. C. Chem. Rev. 2010, 110, 6873.
46. (28) Zhang, Y.; Dong, H.; Tang, Q.; Ferdous, S.; Liu, F.; Mannsfeld, S. C. B.; Hu, W.; Briseno, A. L. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 11580.
47. (29) Coropceanu, V.; Cornil, J.; da Silva, D. A.; Olivier, Y.; Silbey, R.; Bredas, J. L. Chem. Rev. 2007, 107, 926.
48. (30) Kozbial, M. Przem. Chem. 1991, 70, 3.
49. (31) Bentsen, J. G.; Chou, S.-h.; Cross, E. M.; Halverson, K. J.; Trend, J. E.; Kipke, C. A.; Yafuso, M.; Patil, S. L.; Minnesota Mining and Manufacturing Co., USA . 1999, p 55 pp.
50. (32) Hoeben, F. J. M.; Jonkheijm, P.; Meijer, E. W.; Schenning, A. P. H. J. Chem. Rev. 2005, 105, 1491.
51. (33) Wu, J.; Pisula, W.; Muellen, K. Chem. Rev. 2007, 107, 718.
52. (35) Kastler, M.; Pisula, W.; Wasserfallen, D.; Pakula, T.; Muellen, K. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 4286.
53. (38) Zhang, W.; Dichtel, W. R.; Stieg, A. Z.; Benitez, D.; Gimzewski, J. K.; Heath, J. R.; Stoddart, J. F. PNAS. 2008, 105, 6514.
54. (43) Bong, D. T.; Clark, T. D.; Granja, J. R.; Ghadiri, M. R. Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 988.
55. (44) Luo, J.; Lei, T.; Wang, L.; Ma, Y.; Cao, Y.; Wang, J.; Pei, J. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 2076.
56. (45) Ishida, Y.; Shimada, T.; Masui, D.; Tachibana, H.; Inoue, H.; Takagi, S. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 14280.
57. (46) Uetomo, A.; Kozaki, M.; Suzuki, S.; Yamanaka, K.-i.; Ito, O.; Okada, K. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 13276.
58. (47) Chappaz-Gillot, C.; Marek, P. L.; Blaive, B. J.; Canard, G.; Burck, J.; Garab, G.; Hahn, H.; Javorfi, T.; Kelemen, L.; Krupke, R.; Mossinger, D.; Ormos, P.; Reddy, C. M.; Roussel, C.; Steinbach, G.; Szabo, M.; Ulrich, A. S.; Vanthuyne, N.; Vijayaraghavan, A.; Zupcanova, A.; Balaban, T. S. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 944.
59. (48) Mongwaketsi, N.; Khamlich, S.; Klumperman, B.; Sparrow, R.; Maaza, M. Phys. B 2012, 407, 1615.
60. (49) Warnan, J.; Pellegrin, Y.; Blart, E.; Odobel, F. Chem. Commun. 2012, 48, 675.
61. (50) Glatzel, T.; Zimmerli, L.; Kawai, S.; Meyer, E.; Fendt, L.-A.; Diederich, F. Beilstein J. Nanotechnol. 2011, 2, 34.
62. (51) Koepf, M.; Conradt, J.; Szmytkowski, J.; Wytko, J. A.; Allouche, L.; Kalt, H.; Balaban, T. S.; Weiss, J. Inorg. Chem. 2011, 50, 6073.
63. (52) Sedghi, G.; Garcia-Suarez, V. M.; Esdaile, L. J.; Anderson, H. L.; Lambert, C. J.; Martin, S.; Bethell, D.; Higgins, S. J.; Elliott, M.; Bennett, N.; MacDonald, J. E.; Nichols, R. J. Nat. Nanotechnol. 2011, 6, 517.
64. (53) Sedghi, G.; Esdaile, L. J.; Anderson, H. L.; Martin, S.; Bethell, D.; Higgins, S. J.; Nichols, R. J. Adv. Mater. 2012, 24, 653.
65. (54) Aggarwal, A.; Qureshy, M.; Johnson, J.; Batteas, J. D.; Drain, C. M.; Samaroo, D. J. Porphyrins Phthalocyanines 2011, 15, 338.
66. (55) Doctorovich, F.; Bikiel, D.; Pellegrino, J.; Suarez, S. A.; Larsen, A.; Marti, M. A. Coord. Chem. Rev. 2011, 255, 2764.
67. (56) Zou, C.; Wu, C.-D. Dalton Trans. 2012, 41, 3879.
68. (57) Finn, C.; Schnittger, S.; Yellowlees, L. J.; Love, J. B. Chem. Commun. 2012, 48, 1392.
69. (60) Di, B. S.; Dragonetti, C.; Pizzotti, M.; Roberto, D.; Tessore, F.; Ugo, R. Top. Organomet. Chem. 2010, 28, 1.
70. (62) Ballut, S.; Makky, A.; Chauvin, B.; Michel, J.-P.; Kasselouri, A.; Maillard, P.; Rosilio, V. Org. Biomol. Chem. 2012, 10, 4485.
71. (64) Xu, H. Y.; Hu, C. H.; Feng, C. Yingyong Huagong 2011, 40, 1451.
72. (65) Kadish, K. M.; Smith, K. M.; Guilard, R.; Editors The Porphyrin Handbook; Volume 1, Synthesis and Organic Chemistry; Academic Press, 2000.
73. (66) Doan, S. C.; Shanmugham, S.; Aston, D. E.; McHale, J. L. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 5885.
74. (67) Milic, T.; Garno, J. C.; Batteas, J. D.; Smeureanu, G.; Drain, C. M. Langmuir 2004, 20, 3974.
75. (68) Lee, S. J.; Hupp, J. T.; Nguyen, S. T. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 9632.
76. (70) Wang, Z.; Medforth, C. J.; Shelnutt, J. A. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 15954.
77. (71) Wang, Z.; Medforth, C. J.; Shelnutt, J. A. J Am Chem Soc 2004, 126, 16720.
78. (73) Li, C.; Ly, J.; Lei, B.; Fan, W.; Zhang, D.; Han, J.; Meyyappan, M.; Thompson, M.; Zhou, C. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 9646.
79. (74) Jeukens, C. R. L. P. N.; Lensen, M. C.; Wijnen, F. J. P.; Elemans, J. A. A. W.; Christianen, P. C. M.; Rowan, A. E.; Gerritsen, J. W.; Nolte, R. J. M.; Maan, J. C. Nano Lett. 2004, 4, 1401.
80. (75) Yuasa, M.; Oyaizu, K.; Yamaguchi, A.; Kuwakado, M. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 11128.
81. (79) Kiba, T.; Suzuki, H.; Hosokawa, K.; Kobayashi, H.; Baba, S.; Kakuchi, T.; Sato, S.-i. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 11560.
82. (80) Li, Y.; Li, X.; Li, Y.; Liu, H.; Wang, S.; Gan, H.; Li, J.; Wang, N.; He, X.; Zhu, D. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 3639.
83. (81) Wang, Y.; Fu, H.; Peng, A.; Zhao, Y.; Ma, J.; Ma, Y.; Yao, J. Chem. Commun. 2007, 1623.
84. (83) Widawski, G.; Rawiso, M.; Francois, B. Nature 1994, 369, 387.
85. (84) Hernandez-Guerrero, M.; Stenzel, M. H. Polym. Chem. 2012, 3, 563.
86. (85) Maruyama, N.; Karthaus, O.; Ijiro, K.; Shimomura, M.; Koito, T.; Nishimura, S.; Sawadaishi, T.; Nishi, N.; Tokura, S. Supramol. Sci. 1998, 5, 331.
87. (87) Maruyama, N.; Koito, T.; Nishida, J.; Sawadaishi, T.; Cieren, X.; Ijiro, K.; Karthaus, O.; Shimomura, M. Thin Solid Films 1998, 327-329, 854.
88. (88) Fang, F.-C.; Chu, C.-C.; Huang, C.-H.; Raffy, G.; Del, G. A.; Wong, K.-T.; Bassani, D. M. Chem. Commun. 2008, 6369.
89. (89) Osuka, A.; Marumo, S.; Mataga, N.; Taniguchi, S.; Okada, T.; Yamazaki, I.; Nishimura, Y.; Ohno, T.; Nozaki, K. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 155.
90. (90) Senge, M. O.; Ryppa, C.; Fazekas, M.; Zawadzka, M.; Dahms, K. Chem. Eur. J. 2011, 17, 13562.