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研究成果

由胺基氮碳烯及同碳雙碳烯所建構非典型化學反應及催化活性
J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 12830-12836
W.-C. Chen*, W.-C. Shih, T. Jurca, L. Zhao, D. M. Andrada, C.-J. Peng, C.-C. Chang, S.-k. Liu, Y.-P. Wang, Y.-S. Wen, G. P. A. Yap, C.-P. Hsu, G. Frenking*, and T.-G. Ong*
Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 15207–15212
W.-C. Chen, J.-S. Shen, T. Jurca, C.-J. Peng, Y.-H. Lin, Y.-P. Wang, W.-C. Shih, G. P. A. Yap, and T.-G. Ong*
Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 2420–2424
Y.-C. Hsu, J.-S. Shen, B.-C. Lin, W.-C. Chen, Y.-T. Chan, W.-M. Ching, G. P. A. Yap, C.-P. Hsu*, and T.-G. Ong*
J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 914–917
W.-C. Chen, C.-Y. Lee, B.-C. Lin, Y.-C. Hsu, J.-S. Shen, C.-P. Hsu*, G. P. A. Yap, and T.-G. Ong*

新型胺基氮碳烯及同碳雙碳烯最近由王朝諺博土研究室率先開發,並發表一系列論文,這些新型配位基由於其獨特的電子特性,在形成錯合物後可調控金屬離子性質,使金屬錯合物具備前所未見的反應特性。王博土實驗室由錯合物的結構及基本的化學反應性研究中發現這些分子在催化、有機合成、藥物化學均有極其卓越的應用潛力,成為碳烯系列中最重要的前瞻研究領域。

由胺基氮碳烯及同碳雙碳烯所建構非典型化學反應及催化活性
以光控探針於特定時間及空間誘發神經毒性類澱粉纖維堆積並損害核質運輸過程
ACS Nano 2017, 11, 6795–6807
Ruei-Yu He, Shu-Han Chao, Yu-Ju Tsai, Chi-Chang Lee, Chu-Yi Yu, Hua-De Gao, Yung-An Huang, Eric Hwang, Hsien-Ming Lee*, and Joseph Jen-Tse Huang*

儘管肌萎縮性脊髓側索硬化症 ( 又稱為漸凍人症 ; ALS) 已被發現及研究了多年,但是目前臨床上對於此類疾病的早期診斷及治療依舊束手無策。近年來高度磷酸化的 TDP-43 蛋白已被證實為ALS 中包涵體的主要成分,此蛋白在致病機轉中所扮演的角色卻仍然不明。黃人則副研究員,偕同李賢明助研究員,以及交通大學生物科技系黃兆祺副教授,建構出可以在活體細胞中誘發 TDP-43 蛋白異常聚集的光控探針。此一具有螢光標記、並且可穿越細胞膜的探針,可在特定時間及空間上控制內生性 TDP-43 蛋白在細胞質內形成聚集體,並藉此影響核質運輸過程。由光控引發的 TDP-43 蛋白聚集體,亦會造成神經元的退化及死亡,可模擬神經細胞在退化疾病中的狀態。

以光控探針於特定時間及空間誘發神經毒性類澱粉纖維堆積並損害核質運輸過程
金屬有機配位化合物:白光與低能隙光電材料之應用
Adv. Mater. 2017, 29, 1605071
Muhammad Usman, Shruti Mendiratta, Kuang-Lieh Lu*
ACS Nano 2016, 10, 8366–8375
Golam Haider, Muhammad Usman, Tzu-Pei Chen, Packiyaraj Perumal, Kuang-Lieh Lu*, and Yang-Fang Chen*
NPG Asia Mater. 2016, 8, e333
Muhammad Usman, and Kuang-Lieh Lu*

金屬有機配位化合物結合無機及有機單元之優點,具密度低、孔隙率高、結構及功能易調節等特性,具發展為光電材料之潛力。呂光烈研究員 2017 年發表於 Adv. Mater. 之論文,討論了金屬有機配位化合物半導特性、能隙以及在微電子元件之應用潛力, 闡明一個重要且新穎之研究方向。呂研究員亦與台大物理系陳永芳教授合作開發鍶金屬有機配位化合物為單一成份之白光材料,光譜具連續寛帶,和太陽光波譜極為接近,可改善目前市面大部分 LED 光源之缺點,且安定性佳,不需添加稀土元素,成本低廉。文章發表於 ACS Nano,該期刊亦發布新聞稿,使本成果廣受國際重視。本成果已獲美國專利與廠商之技術授權。

金屬有機配位化合物:白光與低能隙光電材料之應用
烴的氧化 : 甲烷單加氧酶、相關酵素及其仿生催化中三銅金屬簇異相觸媒可有效率地將具高奈米吸附性的甲烷轉化成為甲醇
Chem. Rev. 2017, 117, 8574-862
Vincent C.-C. Wang, Suman Maji, Peter P.-Y. Chen, Hung Kay Lee, Steve S.-F. Yu, Sunney I. Chan
Energy Environ. Sci. 2016, 9, 1361–1374
Chih-Cheng Liu, Chung Yuan Mou, Steve S.-F. Yu, and Sunney I. Chan*

嗜甲烷菌中甲烷單加氧酶,能在常溫常壓下轉換甲烷至甲醇;由於甲烷的選擇性氧化,是十分具挑戰性的研究議題,過去很多的研究工作,專注在了解這些酵素,是如何進行這些困難的化學轉換,尤其是利用這些知識,發展常溫常壓下,有效率的仿生異相觸媒,從事高選擇性地甲烷至甲醇的氧化,是非常重要的工作;模擬微粒體單加氧酶的活性中心,三銅金屬簇化合物,在之前的均相催化系統中,被驗證以乙腈作為溶劑,可有效率地利用過氧化氫, 高選擇性地將甲烷轉換成甲醇;延續之前的研究成果,陳長謙院土與俞聖法博土的團隊成員,將三銅金屬簇吸附在中孔洞矽材奈米粒子,可有效率地將具高奈米吸附性的甲烷轉化成為甲醇,此催化試劑是目前世界上,於常壓常壓下,具最高效能的甲烷催化活化平台。此項成果,彰顯了利用奈米粒子來輔助化學催化,以進行這類型化學轉化的重要優勢。

烴的氧化 : 甲烷單加氧酶、相關酵素及其仿生催化中三銅金屬簇異相觸媒可有效率地將具高奈米吸附性的甲烷轉化成為甲醇
紫質合成及紫質配位化學的新進展:八氟取代紫質合成及鈷異位紫質應用於一氧化氮轉換
Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 5035–5039
Chiranjeevulu Kashi, Chu-Chun Wu, Chi-Lun Mai, Chen-Yu Yeh* and Chi K. Chang*
Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 5190–5194
Chuan-Hung Chuang, Wen-Feng Liaw*, and Chen-Hsiung Hung*

金屬卟啉 ( 紫質 ) 扮演著殊多關鍵角色,如自然界之電子轉移、呼吸及光合作用、科技業之氧化催化、光電材料、生醫圏中之光動力療效、螢光技術等等,其重要性及多元性可謂無出其右者。特別是帶有多個氟置換之金屬卟啉,穩定性及化學活性自成一格。迄今多氟卟啉例子不少,但最經典的八氟卟啉 (OFP) 仍付闕如,理由並非缺少努力,過去有成串失敗的歷史,現今圓滿合成出來。另外,脫硝 (denitrification) 作用逐步還原氮氧化物並提供氮循環中固氮作用 將氮氣轉換為植物生長有用的氮素 (NH4+) 所需的氮氣。在一系列褐雜的脫硝作用過程中,具有非血基質及血基質雙金屬活性中心的一氧化氮還原酶負責將一氧化氮(NO) 還原為氧化亞氮。在此研究中,還原態的 {Co(NO)}9 鈷-氮碳異位紫質一氧化氮錯合物與甲醇形成氫鍵進而誘發與另一個未氫鍵鍵結的 {Co(NO)}9 分子作用形成氮氮化學鍵後產生氧化亞氮。此一將一氧化氮還原為氧化亞氮的反應亦可以用水或乙醇驅動發生,並且可以至少進行五個反應循環而沒有明顯降低氧化亞氮的產量。

紫質合成及紫質配位化學的新進展:八氟取代紫質合成及鈷異位紫質應用於一氧化氮轉換
醣啓動了調控活化 B 細胞存亡之樞紐
Nat. Commun. 2016, 7, 12526
Jung-Lin Wu, Hsin-Yi Wu, Dong-Yan Tsai, Ming-Feng Chiang, Yi-Ju Chen, Shijay Gao, Chun-Cheng Lin, Chun-Hung Lin, Kay-Hooi Khoo, Yu-Ju Chen*, and Kuo-I Lin*

O 連結乙醯葡萄氨糖修飾是細胞中的一種後轉錄調控修飾作用,在細胞中此種修飾是經由 OGT 酵素在蛋白質的絲氨酸和蘇氨酸進行催化完成,另一個酵素 OGA 則負責將此修飾移除。由於此種修飾是發生在絲氨酸和蘇氨酸上,其在細胞中所參與的許多作用被認為是藉由影響磷酸化修飾來達成。磷酸化蛋白質體和 O 連結乙醯葡萄氨糖修飾之同時分析,我們發現高達 313 個磷酸化點位受到乙醯葡萄氨糖之影響, 其中,Lsp1 蛋白會被 O 連結乙醯葡萄氨糖修飾在絲氨酸 209 位點上。並進而啓動絲氨酸 243 位點的磷酸化透過 Lsp1 蛋白不同的後轉譯修飾突變進行功能性分析時,我們觀察到 Lsp1 蛋白的 O 連結乙醯葡萄氨糖修飾和絲氨酸 243 位點的磷酸化會調控B 細胞的細胞凋亡作用之重要機制,實驗結果發現 Lsp1 蛋白的 O 連結乙醯葡萄氨糖修飾是藉由增加 Lsp1 蛋白和負責絲氨酸 243 位點的磷酸化之激酶,PKC-β1 的接合量來達成促進下游和細胞凋亡相關的訊息傳遞體之活化,及降低 BCL-2 和 BCL-xL 的表現來達成促進細胞凋亡的作用。綜合上述,我們的實驗結果闡述了蛋白 O 連結乙醯葡萄氨糖修飾和磷酸化修飾之間的動態交互作用決定了B 細胞受受體接合而活化後的細胞凋亡命運。

醣啓動了調控活化 B 細胞存亡之樞紐
金鈀合金及核殼奈米二十面體觸媒的選擇性合成以及其在電化學氧化及液相光還原的催化
Nano Lett. 2016, 16, 5514–5520
Shih-Cheng Hsu, Yu-Chun Chuang, Brian T. Sneed, David A. Cullen, Te-Wei Chiu, and Chun-Hong Kuo*

我們發展了一套綠色化學法,在水相中合成高均勻及高分散的金鈀合金與核殼奈米二十面體觸媒,尺度大小皆介於 15-17 奈米。選擇性形成的關鍵在於調整水相中氯與溴離子的相對濃度。這樣均勻且微小的尺度提供了非常高的比表面積,此外,二十面體具有二十個 111 的晶面與三十個孿晶晶界,因此表面能大大提高,兩種因素皆有利於乙醇電氧化產生能量。就結果而言,金鈀合金與核殼二十面體觸媒皆具有比市售純鈀觸媒與本實驗室製備之純鈀二十面體至少兩倍以上的乙醇電氧化活性。除了二十面體活潑的表面因素,金鈀結構中的奈米金成份因可在吸收可見光後,產生所謂區域性表面電漿共振的現象,此現象可以在某種程度上加強催化反應的效果。在本工作中,我們進行了水相的對硝基苯酚的還原反應以探討表面電漿共振增強催化活性的行為,進而發現合金與核殼結構的觸媒皆可加快反應速率,然而核殼結構很明顯的在速率上比合金結構增快了兩倍以上,原因在於核殼結構的核擁有相當高的奈米金晶像組成。我們的工作提出了於水相中控制鹵素離子開關的概念來調控觸媒製備的結果,此策略不僅是符合綠色化學的精神,並開啓了觸媒製備領域中,一步化學法以控制奈米觸媒表面的大門,更成為快速製備雙金屬光觸媒的典範。

金鈀合金及核殼奈米二十面體觸媒的選擇性合成以及其在電化學氧化及液相光還原的催化
竹節狀金屬有機奈米管
Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 8343–8347
Tien-Wen Tseng*, Tzuoo-Tsair Luo, Shi-Hao Liao, Kai-Hsiang Lu, and Kuang-Lieh Lu*

金屬有機奈米管為配位聚合物稀有之結構型態,其合成、構造、性質與應用仍處於早期研究階段。呂光烈研究員,以及台北科技大學化工與生物科技系曾添文教授, 建構出罕見之竹節狀金屬有機奈米管。該奈米管之建構單元六錸金屬苯環六氧基具上下各三支腳之幾何構型,可相互組裝成竹節狀奈米管。重要的是該建構單元之結構與配位型態為首次發現,於有機、無機化學文獻中未曾見過,且該奈米管可拆卸亦可再組裝,如鎖鑰般具可逆性,竹節之長度亦能適度調整,因此可製備一系列竹節狀奈米管,形狀恰如台北 101 大樓。

竹節狀金屬有機奈米管
以新穎蛋白質體定量平台解析人類細胞的蛋白質磷酸化之計量
Nat. Commun. 2015, 6, 6622
Chia-Feng Tsai, Yi-Ting Wang, Hsin-Yung Yen, Chih-Chiang Tsou, Wei-Chi Ku, Pei-Yi Lin, Hsuan-Yu Chen, Alexey I. Nesvizhskii, Yasushi Ishihama*, and Yu-Ju Chen*

蛋白質磷酸化為參與調控細胞功能最關鍵的蛋白質後轉譯修飾之一,藉由定量分析蛋白質體 ( 註 : 所有蛋白質 ) 之磷酸化修飾有助於解析訊息傳遞網路之全貌。為了分析單一細胞的磷酸化計量程度,陳玉如研究團隊發展一以特定序列標靶專向的蛋白質體定量平台。藉由結合蛋白激酶與其受質的反應專一性以及同位素標定定量法,可針對上千條磷酸化胜肽進行磷酸化計量掃描。並可藉由建立蛋白激酶與其受質的訊息網路來探討磷酸化計量改變是否與肺癌抗藥機制有關。在具有抗藥的肺癌細胞中, 研究團隊發現磷酸化計量改變的程度還高於蛋白質以及基因表現量,並找出具有潛力的肺癌抗藥標靶蛋白。

以新穎蛋白質體定量平台解析人類細胞的蛋白質磷酸化之計量
利用奈米魔鬼氈晶片開發純化系統用以萃取肺癌病人血液中的循環腫瘤細胞
ACS Nano 2015, 9, 62–70
Zunfu Ke*, Millicent Lin, Jie-Fu Chen, Jin-sil Choi, Yang Zhang, Anna Fong, An-Jou Liang, Shang-Fu Chen, Qingyu Li, Wenfeng Fang, Pingshan Zhang, Mitch A. Garcia, Tom Lee, Min Song, Hsing-An Lin, Haichao Zhao, Shyh-Chyang Luo, Shuang Hou*, Hsiao-hua Yu*, and Hsian-Rong Tseng*

循環腫瘤細胞 (circulating tumor cells, CTCs) 是指從原生腫瘤或轉移性腫瘤脫離並進入血液循環系統的腫瘤細胞。透過觀察循環腫瘤細胞的數量變化以及分析它們的基因特性,可以幫助判斷病情以及決定治療方針。此次由中研院化學研究所以及合作的研究團隊開發的循環腫瘤細胞萃取系統,其關鍵元件為熱響應性奈米魔鬼氈晶片,魔鬼氈表面是由許多矽奈米線構成的奈米稻草田,這些奈米線上覆有能吸引循環腫瘤細胞的抗體 ( 如 anti-EpCAM),還有嫁接了會隨著溫度變化而轉換構形的聚合物 (poly(N-isopropylacrylamide)。利用這樣顯著的構形變動,使得抗體與腫瘤細胞的接觸程度產生變化,因此可藉切換高/ 低溫控制魔鬼氈捕捉和釋放循環腫瘤細胞。研究團隊更進一步整合了溫控系統與微流道技術等相關部件, 建構循環腫瘤細胞萃取系統。並以萃取血液樣本中的非小細胞肺癌之循環腫瘤細胞為例, 展現此系統具備可經數位控制找出最佳萃取條件的特點,而且經萃取後的腫瘤細胞存活率高並保有完整性。除此之外,此套系統搭配基因突變分析後,可成功偵測非小細胞肺癌指標病患在整個療程中,其腫瘤細胞的上皮生長因子接受器 (EGFR) 之點突變情況。

利用奈米魔鬼氈晶片開發純化系統用以萃取肺癌病人血液中的循環腫瘤細胞
以微波輔助一鍋化合成 1,6- 脫水醣及位置選擇性交錯保護的硫苷醣
J. Am. Chem. Soc. 2014, 136(41), 14425–14431.
Yen-Chun Ko, Cheng-Fang Tsai, Cheng-Chung Wang*, Vijay M. Dhurandhare, Pu-Ling Hu, Ting-Yang Su, Larry S. Lico, Medel Manuel L. Zulueta, and Shang-Cheng Hung*

碳水化合物已知在生物體內扮演許多重要的角色。但在碳水化合物的合成過程中的諸多瓶頸裡,具適當保護基的醣單元的製備是一大挑戰。因此藺單、快速與高效率的合成方法一直是化學家努力的目標。本院化學研究所王正中副研究員,偕同基因體中心洪上程研究員建立了一個由未保護醣分子在微波照射輔助下,以一鍋化的方式直接合成極具應用價值的單醣單元。此一方法係經由一個在反應中直接進行全三甲基矽化單醣反應所產生的中間體, 以三氟甲基磺酸三甲基硅酯或碘化鋅為路易土酸俚化劑,在微波照射下直接合成 1,6- 脫水醣以及硫苷醣。將這方法亦成功地結合一鍋化位置選擇性醣分子保護,而合成了一系列的硫苷醣單元。他們並以這些單元醣基化所得的全矽化單醣,在一鍋化的環境下,直接由未保護醣分子得到具生物活性的雙醣。此一方法讓化學家得以在最短的時間及最少的純化步驟之下完成多醣分子的合成。

以微波輔助一鍋化合成 1,6- 脫水醣及位置選擇性交錯保護的硫苷醣
矽烷基醚的鋰化反應 ; 鄰位羥基苯酮化合物的快速合成法
Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9026–9029
Hong-Jay Lo, Chin-Yin Lin, Mei-Chun Tseng, and Rong-Jie Chein*

藉由苯環鄰位定向基團的專引,二異丙基氨基鋰可選擇性鋰化烷基矽氧上的 α- 質子,繼以發生分子內親核取代反應達成"矽→碳"烷基轉移的效果。這個方法突破了長久以來矽醚保護基的單一用途,並開啓矽醚類化合物在有機合成上的新發展。在本研究中,我們進一步拓展此反應的應用性,開發出陰離子性 Snieckus-Fries 重排的延伸反應(圏一)。此官能基轉換包含了三個重要概悆:(1) 利用錯合物引專的概悆進行去質子化步驟;(2) α- 矽基碳陰離子和醯胺基間進行分子內 Peterson 類型反應;(3) β- 含氧矽化物中間體的快速降解(式一)。此方法更可進一步應用在天然物或藥物合成,縮短合成路徑以提升合成效率,如 PI3K 抑制劑 LY294002 的合成 ( 以鄰苯基苯酚為起始物經四步得到 LY294002,總產率 68%)。

矽烷基醚的鋰化反應 ; 鄰位羥基苯酮化合物的快速合成法
仿細胞膜導電高分子及其於電刺激細胞工程上的應用
Nat. Commun. 2014, 5, 4523
Bo Zhu, Shyh-Chyang Luo, Haichao Zhao, Hsing-An Lin, Jun Sekine, Aiko Nakao, Chi Chen, Yoshiro Yamashita, and Hsiao-hua Yu*

利用生物電子元件來進行電刺激神經細胞的生長是一個在再生醫學上很有潛力的研究方向。然而,免疫系統的防衛機制會隔離殖入電極,從而降低了裝置的壽命。理想的生物機電介面的電極材料,不但能夠應該與神經元有選擇性且能高效率地結合之外,並目應該要能盡量減少免疫系統的防衛效應,這在實際應用上相當中重要的。在本所有機智慧材料實驗室中,藉由模仿生物細胞膜的功能與分子結構,尤嘯華副研究員和工作同仁開發了適合生物機電介面電極的新穎導電高分子以及用其組成的奈米薄膜。這種新型的導電高分子奈米薄膜,不但具有高的生物相容性、高水溶液穩定性,同時可以抵擋非專一性的蛋白質以及細胞的吸附,從而辨認和促進與目標細胞的長時間電信號連通。這種材料也具有低電阻抗, 可以有效傳遞電訊號並產生生物刺激。藉由這型新穎的材料,該實驗室建構了先進的奈米生物電子界面,並在此界面上利用電刺激的方式,讓神經突觸的增生得到了破紀錄的增強, 大幅地提高了神經細胞的分化及成長效率。相同的奈米生物電子界面,也同時運用在利用電流刺激增加蛋白質的分泌的研究以及應用上。

仿細胞膜導電高分子及其於電刺激細胞工程上的應用
稠六苯的合成,晶體結構,以及其電荷傳導性質
Nat. Chem. 2012, 4, 574–578
Motonori Watanabe, Yuan-Jay Chang, Shun-Wei Liu, Ting-Han Chao, Kenta Goto, Md. Minarul Islam, Chih-Hsien Yuan, Yu-Tai Tao, Teruo Shinmyozu, and Tahsin J. Chow*

有機化學材料作為半導體基材製作光電元件是近來蓬勃發展的研究方向,有機材料的優點在於結構多變化、柔軟度佳、價廉而目容易大量製作。長遠來看,有機材料廣泛使用於光電元件是未來的主流趨勢。本研究的重點即是運用改良的製程,生產高純度的稠苯化合物, 並組裝成高效率的有機薄膜電晶體。稠苯類化合物可視為碳烯的線狀衍生物,深具發展成為新世代光電材料的潛力,本研究使用新合成方法,獲得穩定性佳的稠六苯, 並以其單晶組裝出有效的電晶體元件,測得的電荷遷移率高達 4.28cm2V-1s-1,開關比為 1×105,表現優於稠五苯。這是首次在實驗室中測得稠六苯的半導體性質,所獲得的資訊有助於今後開發更高階的稠苯化合物。

稠六苯的合成,晶體結構,以及其電荷傳導性質