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Study on the Multifunctional Dinitrosyl Iron Complexes Containing Redox-Activated Nitric Oxide, Iron and Reducing Thiolate Ligand

早在四十五年前便已利用g值位於2.03之電子順磁光譜儀訊號鑑定出雙亞硝基鐵錯合物之存在，但雙亞硝基鐵錯合物在生物體內之原生生成仍需要進一步的探討。在亞硝基化錯合物[Fe(SR)4]2–/1–(R為Ph，Et或tBu)的過程中，會先形成中間物單亞硝基鐵錯合物[Fe(NO)(SR)3]–(1)再生成雙亞硝基鐵錯合物[(RS)2Fe(NO)2]–(2)。相較而言，錯合物[(SEt)2Fe(μ-S)2Fe(SEt)2]2–與一氧化氮則是經由一步反應生成雙亞硝基鐵錯合物2-Et。做為內生的一氧化氮傳遞者，雙亞硝基鐵錯合物[(NO)2Fe(C12H8N)2]–(2-Car)可釋放出不同氧化還原形式的一氧化氮([NO]+，‧NO 或 [NO]–)。然而此釋放的機制是控制於外來的配位基(S2CNMe2)2，(PyPepS)2 及 P(C6H3-3-SiMe3-2-SH)3)。此乃呼應了在生物體中雙亞硝基鐵錯合物所引發的氮原子或硫原子之亞硝基化、血基質的亞硝基化以及血管舒張。相較於在乙腈中錯合物2-tBu會轉換成帶負電之R氏紅酯[Fe(μ-StBu)(NO)2]2–(8-tBu)，以及在二氯甲烷中變成中性R氏紅酯[Fe(μ-StBu)(NO)2]2 (3-tBu)，中性的R氏紅酯3-tBu以及雙亞硝基鐵錯合物2-tBu在甲醇中的平衡共存說明了在生物體中，蛋白質中親水或疏水的環境會影響雙亞硝基鐵錯合物的轉換。搭配上{Fe(NO)2}9之雙亞硝基鐵錯合物位於g = 2.03以及帶負電R氏紅酯位於g = 1.997的特徵電子順磁光譜儀訊號，吾人可以利用從鐵的1s軌域到3d軌域之躍遷能量來鑑定出{Fe(NO)2}9/{Fe(NO)2}10單核雙亞硝基鐵錯合物以及雙核雙亞硝基鐵錯合物在生物體中的存在。此特徵吸收峰會位於7113.3到7113.8電子伏特之能量範圍內。經由([(NO)2Fe(SEt)2]– (2-Et)/ [(NO)2Fe(μ-SEt)2Fe(NO)2]– (8-Et)→ [(NO)2Fe(μ-SEt)(μ-S)Fe(NO)2]– (9-Et)→ [(NO)2Fe(μ-S)2Fe(NO)2]2– (10)→ [(SEt)2Fe(μ-S)2Fe(SEt)2]2–)的再組裝過程，雙亞硝基鐵錯合物可與三酚基甲基硫醇或雙甲基三硫化合物反應生成二鐵二硫錯合物。此也印證了在大腸桿菌中，不需外加鐵或其他蛋白質便可利用半胱胺酸去硫酶與半胱胺酸之協同作用修復雙亞硝基鐵錯合物回二鐵二硫錯合物。然而，利用單核雙亞硝基鐵錯合物2-Et/2-Ph、雙核雙亞硝基鐵錯合物3-Et/8-Et/9-Et/10以及二鐵二硫錯合物所展現出的不同之硫原子吸收光譜可偵測並追蹤雙亞硝基鐵錯合物轉換回二鐵二硫鐵錯合物之過程。除此之外，根據鐵原子吸收光譜中的前邊緣吸收能量佐以硫原子吸收光譜可得知雙亞硝基鐵錯合物的電子結構為{FeIII(NO–)2}9。硫原子吸收光譜也說明了單核雙亞硝基鐵錯合物2-Ph的單佔有分子軌域以及雙核雙亞硝基鐵錯合物3-Et的最低未占據分子軌域為鐵硫之反鍵結軌域。此結果進一步解釋了錯合物2-Ph可與[SEt]–經由配位基交換的反應生成錯合物2-Et以及錯合物3-Et可與[SEt]–經由橋接硫醇鍵斷裂的反應生成錯合物2-Et。除此之外，此也說明了化合物2-Et的硫配位基可還原三酚基甲基硫醇或雙甲基三硫化合物進而促使錯合物2-Et變成錯合物9-Et。除了做為可以提供不同氧化還原態之一氧化氮的內生一氧化氮傳遞者，雙亞硝基鐵錯合物亦攜帶具還原能力的硫醇配位基以促成二鐵二硫核心的組裝。甚至，雙亞硝基鐵錯合物更可在二鐵二硫鐵硫簇以及四鐵四硫鐵硫簇的生物合成中做為鐵的來源。

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單分子導電性之研究：分子與電極間接觸電阻及五核鎳釕異核金屬串分子之負微分電阻性質

本研究工作採掃瞄穿隧破裂接合法(scanning tunneling microscopy break junction)，研究金屬串錯合物的單分子電性。影響分子導電性的因子包括分子末端官能基、電極材料與分子主體，為了探究這些因素對導電值的影響，我們將研究工作分為"末端官能基與電極的接觸"及"分子主體的電阻"兩大類。對於研究"接觸電阻"的策略是採HOMO-LUMO能量差值大特性的飽和烷鏈取代金屬串錯合物複雜的分子主體，測量飽和烷雙異硫氰基與雙氰基分子在金、鈀和鉑三種金屬電極的導電值，研究末端官能基與電極間的接觸電阻(contact resistance)，並且比較電極-頭基組合對分子導電性的影響。結果顯示以鈀和鉑電極所量測這兩種飽和烷分子的結果優於金電極，特別是異硫氰基搭配鉑電極的接觸電阻最低，推測是末端官能基與金屬電極之間耦合程度的差別，影響了電子穿透此界面的難易度，密度泛函理論的計算也吻合於實驗結果。此外，我們摒除接觸電阻的影響後，求得三核鉻金屬串分子主體的電阻為112 kohm、三核鎳金屬串分子主體的電阻為330 kohm，而長度略短了0.5 Å的六亞甲基為6.5 Mohm。顯示出即使鍵序為0的鎳金屬串分子，其電阻仍比碳-碳單鍵的六亞甲基低了一個數量級。 本研究探討的兩種異核金屬串分子[Ru2Ni(dpa)4(NCS)2]及[Ru2Ni3(tpda)4(NCS)2]，其導電值分別為0.67 (± 0.13) microS (或8.6 (± 1.7) × 10-3 G0) 及0.16 (± 0.02) microS (或2.0 (± 0.3) × 10-3 G0)，G0 = 2e2/h, ~77.4 microS或(12.9 kohm)−1。藉由改變金屬串錯合物中心金屬原子的組成，影響了金屬-金屬的鍵序，進而調控分子的導電性。我們發現[Ru2Ni3(tpda)4(NCS)2]有負微分電阻現象，是因為電極的費米能階與分子軌域能量的匹配而進行電子的共振穿隧，在本論文以密度泛函理論計算分子軌域的能量加以說明。

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一、苯炔引發之烯化反應與其應用 二、具分子信號燈形式之核酸切割試劑的合成

於本篇論文中，本人發展新型苯炔引發反應方法以製備一系列烯類及烯醇式醋酸酯並完成數個1-去氧酮醣之全合成研究。除此之外，本人提出一個新的概念將光引導去氧核醣核酸切割試劑與分子信號燈相結合，形成一新型具有切割去氧核醣核酸能力之新型生物分子。 在本論文第一部分A章節中，本人報導具立體專一性之新型苯炔引發烯化反應。使用-胺基醇作為起始物與二硫化碳反應之後，再與苯炔進行反應可以成功形成烯類化合物。此一新方法之反應機構為[2 + 3]環化反應與反向之[2 + 3]環化反應。 在第一部分B章節中，利用新發展之合成策略本人成功合成出九個新型之烯醇式醋酸酯。本人亦報導使用這些烯醇式醋酸酯作為關鍵中間物以完成數個1-去氧酮醣之全合成研究。 在第二部分，光引導去氧核醣核酸切割試劑藉由醯胺鍵的生成及硫醇和馬林亞醯胺所產生之Micheal加成反應與分子信號燈相結合，形成一新型具有切割去氧核醣核酸能力之生物分子。

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以呋喃并嘧啶化合物為極光激酶抑制劑之研究

本論文主旨在設計並合成可抑制極光激酶(aurora kinases)之呋喃并嘧啶化合物，希望以此發展為抗癌標靶藥物。由知識基礎設計(knowledge-based design)所篩選出之潛力化合物1為改進對象，利用循理性設計及混成設計，分別發展出潛力化合物20及48，再從化合物與Aurora-A之共結晶結構中，發現這兩個潛力化合物之蛋白質結構屬於DFG-out及類DFG-out構型，並以共結晶結構分析來解釋蛋白質構型與生物活性之關係。同時以高通量平行合成(high-throughput parallel synthesis, HTPS)方法來加快合成衍生物之速度，挑選出適當化合物加以進行結構上之修飾，在加入脲基及末端苯環後，成功地發現先導化合物183，並從共結晶結構分析瞭解其結構與激酶之作用力，導致蛋白質結構改變為DFG-in構型，而展現極光激酶抑制劑之特性。接著利用各種合成方法進行先導化合物之最優化，確認最好之側鏈結構為乙基苯脲苯，並得到化合物252，成功降低化合物之分子量及親油性，並提昇其細胞活性。

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(I) Polygalatenosides A , B及其衍生物之合成與活性研究; (II) 類茴香黴素小分子之設計、合成與活性研究

Abstract In this thesis, a convergent and straightforward synthetic route for preparation of polygalatenosides A, B, and a series of their derivatives was developed. I also explored the norepinephrine transporter (NET) and serotonin transporter (SERT) inhibition of polygalatenoside derivatives. In the meantime, the anisomycin-like derivatives were also synthesized and examined for inhibition of Saccharomyces cereuisiae, Candida albicans, and human breast cancer cell (MCF7). In part 1 of this thesis, a small compound library of new polygalatenoside derivatives were synthesized. The first total synthesis of polygalatenosides A and B was performed, and absolute D-configuration of galactoside moeity in A and B was also confirmed for the first time. The biological analysis showed that 3a and 5b did not show the significant inhibition of SERT. In part 2, seven new anisomycin-like derivatives were synthesized. Our successful synthetic strategy ultilized the structural transformation from amino acid through β-lactam and pyrrolidinone to the amino pyrrolidines. The biological analysis showed the 87d and 87g have little inhibition of MCF7.

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發展具DNA切割能力之新型奈米材料與鉑化合物

於本篇論文中，本人將光引導去氧核醣核酸切割試劑與第三股螺旋寡核苷酸鏈及奈米粒子相結合，形成新型具有專一性切割去氧核醣核酸能力之奈米材料。另外，本人也合成新型奈米材料作為新穎之去氧核醣核酸切割試劑。除此之外，本人也製備一系列鉑錯化物衍生物做為新型抗癌藥物之研究。 本論文第一部分，本人將光引導去氧核醣核酸切割試劑藉由第三股螺旋寡核苷酸鏈當架橋，與金奈米粒子相結合，形成新型具有專一性切割去氧核醣核酸能力之奈米材料。 第二部分中，本人成功製造出四種新型奈米材料，各為二種新型具鐵磁性之光引導去氧核醣核酸切割奈米粒子，其平均直徑為6.2奈米，可由核磁共振造影技術追蹤此奈米粒子，另二種為新型光引導去氧核醣核酸切割之金奈米粒子。此四種新型奈米材料皆可利用紫外光作為釋放有機分子的板機。 第三部分中，本人設計並合成出具有DNA切割能力及作為抗癌先導藥物之新型有機白金化合物。此外，本人亦利用紫外光照射白金化合物之方式，探討對X174 RFI去氧核醣核酸之切割效果。這些新型化合物具有抑制癌細胞之能力。其中活性最佳之有機白金化合物的抑制半數生長濃度為1.3 M。 In this thesis, I developed a novel DNA-nicking material for sequence specific cleavage of double-stranded DNA. New nanomaterials were synthesized as a novel DNA cleaving agent. Furthermore, I synthesized the platinum complex derivatives to act as a new class of anti-cancer agents. In part 1 of this thesis, a photo-induced DNA-cleaving nanowarhead was developed for accuracy cleavage of DNA at specific target sequences. The nanomaterial is comprised of nanoparticle-core and a monolayer of hydrazone-modified triplex-forming oligonucleotide (TFO), which recognize and nick the targeted DNA duplex. The attached hydrazone “warhead” specifically cleaves the targeted DNA at a specific nucleotide pair. This nanomaterial thus may be a new pathway for the development of in vitro gene-manipulation tools and in vivo gene-therapy strategies. In part 2, I reported our success in the development of four types of organic molecules-conjugated nanoparticles. Two phenylnitrone-conjugated nanoparticles and two phenylhydroxylamine-conjugated nanoparticles were synthesized by use of Fe3O4 and Au as the cores. The UV light could be as a trigger to release organic molecules. This nanomaterial improved the cleaving potency. In part 3, I used novel sulfoplatin as lead compound to develop a series of novel platinum anti-cancer drugs. Various new platinum complexes were synthesized, which exhibited ability for single-strand scission of DNA upon UV irradiation. The platinum complex can nick DNA at the concentrations as low as 6.7 M. In vitro growth inhibitory effect of those organoplatinum complexes were evaluated in human cancer cells (OECM1) by the MTT assay. The platinum complex inhibited cancer growth at an IC50 of as low as 1.3 M.

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α(2→9)唾液酸寡糖之固相合成

The thesis described the development of a solid-phase synthetic method for the synthesis of α(2→9) oligosialic acids. The TentaGel was chosen as the solid support and Wang linker was used to link with sialic acid. The use of 5-N,4-O-carbonyl protected thiosialoside as donor provided an excellent α selectivity on solid phase sialylation reaction. To achieve the synthesis of higher order oligosialic acids, a semiautomatic reaction system was used to keep the resin away form moisture. To increment the yield of sialylation reaction, sialyl phosphate donor and acetylation step to protect remained hydroxyl groups after sialylation was tested.

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有機金屬金、鉑催化應用於含氧雙環化合物及烯炔醛、二烯炔環化反應之研究

本論文分成三個章節，共四個部份，主要是利用過渡金屬金和鉑催化含氧雙環化合物、烯炔醛和二烯丙烯酯化合物的環化反應。 　　在第一章節中，我們利用金金屬催化含氧雙環化合物和2-取代烯丙基矽烷進行一個新的[4+3]環化反應，反應經過了烯丙基的SN2加成反應和進一步的分子內環化反應，而得到雙加成後的雙環化合物。 　　第二章節分為兩個部份，第一部份是使用鉑金屬在一氧化碳的環境下，於加熱的條件下催化苯環系統的烯炔醛化合物形成benzopyrilium中間體後，再和2-取代基烯丙基醇作[4+2]合環反應，在三環縮酮化合物及含氧三環酮類化合物的兩種產物競爭反應下，可以選擇性的只得到三環縮酮化合物，並且我們能對此縮酮化合物作選擇性開環反應進而得到三環醇類化合物。 　　第二章的第二部份則是利用鉑金屬和銀試劑所製備而成的鉑錯合物作為催化劑，於室溫下催化非苯環系統的烯炔醛化合物和2-取代基烯丙基醇作[4+2]合環反應，可以選擇性的得到含氧三環酮類化合物，而不是第一部份的縮酮產物，此反應有非常高的位置選擇性及立體位相選擇性。 　　第三章則是利用金金屬和銀試劑製備的金金屬錯合物來催化二烯丙炔酯化合物進行重排、Nazarov環化等一連串反應而得到環戊二烯化合物，並且能進一步將環戊二烯產物經由水解反應而得到環戊烯酮化合物。

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壹：開發新穎北極光激酶抑制劑於抗癌藥物之研究 貳：設計與合成新穎自溶酵素S抑制劑於抗癌症轉移之應用

本論文包含兩個部分 第壹部分：開發新穎北極光激酶抑制劑於抗癌藥物之研究 利用次結構（sub-structure）進行小分子化合物庫的搜尋，找到了以呋喃[2,3-d]嘧啶為核心結構的化合物I-48，其具有不錯的北極光激酶抑制效果，伴隨著含脲側鏈之化合物I-197的發現與人類直腸結腸癌細胞株（HCT-116）生長抑制活性的展現之後。透過合成方法的建立，藉此瞭解化合物I-48與I-197的呋喃[2,3-d]嘧啶之5號及6號位置之結構與活性關係（SAR），經由許多結構的修飾來增進活性與類藥性質，總共合成了67個衍生物。 化合物類藥性質的改善策略為：將極性基團引入5號苯環，如化合物I-225；將氫原子、氯原子與羥基丁基取代5號苯環，如化合物I-214、I-216與I-225與將結構簡化且核心結構改變，如化合物I-229與I-239d，其中化合物I-225對於北極光激酶A的IC50為21 nM，且能在26 nM濃度下引起四倍體DNA積聚現象。透過核心結構的修飾能有效提升藥物的藥效性質，同時提升化合物抑制癌細胞生長的能力，使得這類五-六駢環雜環在抗癌藥物的開發上更具有發展潛力。 第貳部分：設計與合成新穎自溶酵素S抑制劑於抗癌症轉移之應用 目前有越來越多證據指出自溶酵素S（CTSS）與癌轉移之間的關連性，透過CTSS抑制劑的開發，並挑選出活性不錯的化合物進行抗癌症轉移的相關活性測試，希望可以瞭解CTSS與癌症轉移的關連且同時發展抗癌症轉移的藥物。 由文獻報導知道CTSS抑制劑的結構特徵為胜肽或胜肽類衍生物，藉由親電子性彈頭，如醛基或腈基引入抑制劑的P1端，能有效增進CTSS的抑制活性。因此，合成了17個二胜肽類CTSS抑制劑來進行結構與活性關係的探討，其中，以醛基為彈頭的化合物II-63具有相當不錯的CTSS抑制活性（IC50 = 2 nM），而化合物II-63的差向異購物（化合物II-82，IC50 = 2506 nM）活性下降了1000倍，表示抑制劑的掌性中心是很重要的。此外，將P1端彈頭固定為腈基，P3端為脲基團或硫脲基團連結之化合物II-91a與II-91b亦被合成出來。具有不錯CTSS抑制活性的化合物II-63更進一步的進行抑制腫瘤生長、遷徙與侵襲效果之評估，與抑制基質裂解的實驗結果將於此處進行討論。

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Design and Synthesis of α-Ketoamides as Cathepsin S Inhibitors for Potential Anti-Invasion and Anti-Angiogenesis Therapies

中文摘要 本研究論文主要是設計與合成-酮醯胺可逆型Cat S的抑制劑，並進一步評估此類抑制劑在抗癌侵襲及抗血管增生之抑制活性。我們建立ㄧ套96孔酵素免疫分析盤合成法，可快速合成且有效率篩選α -羥基醯胺化合物。本論文總共篩選789個α -羥基醯胺化合物，進ㄧ步合成71個-酮醯胺化合物，其中有51個化合物具有抑制Cat S活性之IC50 小於10 nM，以CL1-5和HUVEC遷移分析進一步篩選出有效化合物113及162。在體外抑制A2058黑色素細胞瘤細胞的侵襲、轉移及內皮細胞血管增生的實驗中，化合物113和162皆表現出極佳的抑制效果。本論文的另一部分是設計及合成小分子活性探針，探針的結構包含四個部分：結合基團、反應基團、鏈接區域及標記基團，將本論文所合成之探針192及193應用於標記癌細胞當中的Cat S，初步測試結果證實探針192可以成功標記基因表達之Cat S。藉由實驗室所發展之磁性奈米粒子可將Cat S由蛋白質混合物中專一性分離出來。 總結本論文成功合成出有效的-酮醯胺可逆型Cat S的抑制劑，此抑制劑無論是在酵素及體外細胞的試驗當中都可以表現出極佳抑制瘤細胞的侵襲、轉移及內皮細胞血管增生的效果。另外也成功合成出可標記rCat S的小分子活性探針