中央研究院化學研究所－學術研究
研究方向
化學所配合優質生活與永續社會願景，因應國際上基礎化學與永續材料、永續能源、永續生命等研究領域及「綠能科技」、「生技醫療」等創新研發計畫，擬定達成研究創新、學術卓越、永續發展的目標，將材料化學、合成化學、觸媒化學、化學生物學等領域列為重點研究方向，進行創新性研發。除了基礎科學研究，同仁也著力於將研究成果進行專利佈局及技術轉移。藉由執行國家型計劃，化學所亦致力於運用創新科技對台灣社會面臨的環境、能源、健康議題提供前瞻技術。
一、材料化學研究
有機光電材料的應用與奈米材料的設計開發是化學所材料化學的重點研究方向，多個相關次領域的研究成果在國際上佔有重要的學術地位。主要研發成果包括應用在有機發光二極體的高效能藍色螢光有機材料、結合金奈米粒子與五環素所構成有機場效電晶體、首次製作出穩定的六環素單晶材料所構成的有機薄膜電晶體、成功設計製備出罕見巨型單壁金屬有機管狀奈米材料、將金屬有機結構的應用推展至光電材料及半導體材料，以及開發多種高效能材料應用於染料敏化、鈣鈦礦和有機光伏電池。另外，智慧應答分子、核殼奈米材料及生物材料也是研發的重點。最近重要成果報導之一為：藉由仿生結構設計，開發了適合生物機電介面電極的新穎導電高分子，用其組成奈米薄膜可獲得奈米生物電子界面，在此界面上利用電刺激的方式，可讓神經突觸有前所未見的增生效果。
二、化學合成方法開發及新穎催化反應
近年來，隨著能源催化及綠色合成化學技術需求，本所合成化學及觸媒化學研究也整合成為跨領域的研究團隊推動尖端合成及催化反應的技術發展及應用。目前，合成化學領域重點為合成方法開發及藥物合成，觸媒化學則以替代能源相關催化反應為主軸。本所近年在化學催化及合成領域代表性研究成果包括：(1) 合成方法學：鋰化矽醚建構苯環上鄰位羥基之酮類化合物，微波輔助一鍋化合成脫水醣及具位置選擇性保護基的硫苷醣，合成智慧型螢光探針應用於生物正交醣類標定 ; (2) 配位化學：新穎氮異環碳烯的合成及超高活性的金屬錯合物催化反應，新穎紫質錯合物應用於小分子活化，生物工程改變細胞色素及烷基羥基化酵素用以研究烷類至醇類轉換 ; (3) 替代能源催化：高效率氫氣製備及反應機構研究， 孔洞材料嵌入三銅錯合物進行甲烷至甲醇活化，木質纖維素分解及高值化。除了基礎科學研究外，本領域同仁也積極將研究成果申請專利技術並有兩項技術分別技轉至國內化工廠及新藥開發廠商。
三、化學生物學 : 從前瞻材料與方法創新展望健康永續策略
從生化巨分子的結構層次解析生物體內細胞功能與其作用機制，進而瞭解這些複雜的機制在重要疾病中扮演的角色，衍生出可能的藥物與檢測/治療方法，是化學所在化學生物學發展的重點。目前本所化學生物學領域研究主題涵蓋 (1) 開發新穎生物材料及應用，(2) 發展化學探針與尖端影像技術及結構生物學技術，(3) 癌症、感染性疾病、神經退化疾病的致病機制及治療藥物開發，(4) 開發蛋白質體方法探索疾病標記。本所在這些研究領域近年來的研究成果包括發展以質譜儀技術為基礎之新穎膜蛋白體及磷酸化蛋白質體定量技術，闡釋疾病機制及應用於生物標記開發以熱響應性奈米魔鬼氈作為關鍵元件，研發循環腫瘤細胞萃取系統，有效便捷地從血液樣品中萃取癌細胞及進行基因檢測。本所同仁也將觸角伸入神經退化性疾病「蛋白質的異常摺疊」在的相關研究，首度發現漸凍人中 TDP-43 蛋白的 C 端胜肽片段所產生的類澱粉狀纖維，並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。在研究巨分子結構和基因轉錄的機制方面，不但成功地應用螢光共振能轉移效率， 定位出核醣核酸聚合酶上的核醣核酸出口通道，更以冷凍電子顯微鏡解析 Gdown1 蛋白質透過新型立體干擾促進對調控哺乳類的轉譯作用之了解。本所同仁亦成功建立以紅外線活化的激酶-上轉換粒子平台以控制細胞內信號傳遞。
負載於水滑石氧化物之原子級分散銅觸媒的合成並應用於選擇性加氫5-羥甲基糠醛生成2,5-雙(羥甲基)呋喃
Facile Synthesis of the Atomically Dispersed Hydrotalcite Oxide Supported Copper Catalysts for the Selective Hydrogenation of 5-Hydroxymethylfurfural into 2,5-Bis(hydroxymethyl)furan
Appl. Catal. B Environ. 2023, 329, 122547.
Raju Kumar, Hsin-Hui Lee, En Chen, Yuan-Peng Du, Chan-Yi Lin, Warot Prasanseang, Thanasak Solos, Kittisak Choojun, Tawan Sooknoi, Rui-Kun Xie, Jyh-Fu Lee, Po-Wen Chung*
Figure 1. (a) XAS (R-space (no phase correction)) spectra of Cu-foil, CuO, Cu2O, r-Cu(x)HTO, (b) HAADF-STEM micrograph of r-Cu(5)HTO with Cu elemental mapping, (c) H2/N2O/H2-TPR chemisorption profile of r-Cu(5)HTO, and (d) HMF conversion and BHMF yield over r-Cu(5)HTO and r-Cu(4)@HTO catalysts (Reaction conditions: catalyst (10 mg) in 4 mL IPA (0.08 mmol HMF) under 5 bar of H2 at 125 °C for 1 h).
本所鍾博文副研究員團隊研發出一簡易合成技術能將銅觸媒以原子等級分散於混和氧化物的表面。我們以數種表面鑑定分析，確認了單核銅原子確實存在於水滑石氧化物載體表面，並發現在銅含量高達 20 mol% 的總金屬含量下仍可維持其原子級分散性。此銅觸媒在溫和條件下對 5-(羥甲基)糠醛的氫化反應具備高活性，並以高選擇性生成 2,5-雙(羥甲基)呋喃。其卓越的催化表現由實驗證明並歸因於觸媒表面的單核銅原子活性點，在此活性點上，異相解離的 H2 分子可對 5-(羥甲基)糠醛的羰基進行加氫反應，以達到高活性與選擇性。
Website at: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092633732300190X
The rational design of catalysts for biobased chemical production from biomass is crucial for achieving decarbonization and sustainable technologies. Recently, catalysts based on hydrotalcite-derived oxides (HTO) materials have gained attention due to their facile tailorable physicochemical properties. Atomically dispersed supported metal catalysts have emerged as intriguing materials which enable to bridge between homogeneous and heterogeneous catalysis, offering unique structural and electronic properties that enhance selective catalysis. However, these materials often require multiple synthesis steps and limited to low active metal loading. In this study, we successfully synthesized an atomically dispersed HTO supported copper catalyst (r-Cu(x)HTO; x = mol% of Cu) with up to 20 mol% copper content. The catalyst was prepared through a straightforward coprecipitation method of metal precursors in a methanolic solution at tuned pH. Comprehensive characterization techniques, including powder X-ray diffraction (PXRD), transmission electron microscopy (TEM), chemisorption (H2/N2O/H2-temperature programmed reduction (TPR)), and X-ray absorption spectroscopy (XAS), confirmed the presence of atomically dispersed copper on the HTO surface. XAS measurements specifically demonstrated the formation of mononuclear copper species in the r-Cu(x)HTO catalysts, as depicted in Figure 1a. Furthermore, H2/N2O/H2-TPR analysis, well supported by TEM (Figure 1b), revealed the dispersion of copper atoms >99% on the surface of r-Cu(5)HTO catalyst, as shown in Figure 1c. Importantly, the reduced Cu(5)HTO (r-Cu(5)HTO) catalyst exhibited excellent hydrogenation activity, completely converting HMF into BHMF under mild conditions. In contrast, the HTO supported copper nanoparticles (r-Cu(4)@HTO) displayed poor reactivity, as shown in Figure 1d. The superior catalytic performance of r-Cu(5)HTO can be attributed to the finely dispersed copper species, which selectively hydrogenate the carbonyl group (C=O) of HMF using heterolytic dissociated H2 molecules.