理學院

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學院概況

理學院設有數學系、物理學系、化學系、生命科學系、地球科學系、資訊工程學系6個系(均含學士、碩士及博士課程),及科學教育研究所、環境教育研究所、光電科技研究所及海洋環境科技就所4個獨立研究所,另設有生物多樣性國際研究生博士學位學程。全學院專任教師約180人,陣容十分堅強,無論師資、學術長現、社會貢獻與影響力均居全國之首。

特色

理學院位在國立臺灣師範大學分部校區內,座落於臺北市公館,佔地約10公頃,是個小而美的校園,內含國際會議廳、圖書館、實驗室、天文臺等完善設施。

理學院創院已逾六十年,在此堅固基礎上,理學院不僅在基礎科學上有豐碩的表現,更在臺灣許多研究中獨占鰲頭,曾孕育出五位中研院院士。近年來,更致力於跨領域研究,並在應用科技上加強與業界合作,院內教師每年均取得多項專利,所開發之商品廣泛應用於醫、藥、化妝品、食品加工業、農業、環保、資訊、教育產業及日常生活中。

在科學教育研究上,臺灣師大理學院之排名更高居世界第一,此外更有獨步全臺的科學教育中心,該中心就中學科學課程、科學教與學等方面從事研究與推廣服務;是全國人力最充足,設備最完善,具有良好服務品質的中心。

在理學院紮實、多元的研究基礎下,學生可依其性向、興趣做出寬廣之選擇,無論對其未來進入學術研究領域、教育界或工業界工作,均是絕佳選擇。

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    理論化學之研究:1. 由氨基丙二腈生成甘胺酸之反應機制 2. 1,3-丁二烯與1,4-二氮-1,3-丁二烯進行共軛雙烯[四加二]環加成反應(Diels-Alder)時,位能曲面與分子軌域作用之關係
    (2006) 朱鴻舜
    本論文分為兩大主題:一、由氨基丙二腈生成甘胺酸之反應機制。甘胺酸是蛋白質結構中最小的胺基酸,實驗家透過化學演化(chemical evolution)反應,可以利用簡單的無機物分子,合成出包含甘胺酸在內的各種有機分子。此處,我們將研究從氨基丙二腈反應產生甘胺酸的各種反應機制,並且針對部分反應過程中,分子軌域的作用情況予以討論。本研究共分為兩個部分。 第一部分 利用ab initio計算方法,我們針對化學演化中,由氨基丙二腈(amino-malononitrile)到氨基乙腈(amino-acetonitrile)之各種可能的反應路徑加以考慮,並且根據反應物所擁有的各種活化位置,探討其分支反應及其反應機制。反應路徑上所有的駐留點(stationary point)均分別利用HF/6-311G(d,p)和MP2/6-311G(d,p)幾何優選,並利用counterpoise計算方法校正BSSE,以求得位能曲面上的相對能量。此處將主要的結論歸納如下:(i) 比較各種反應機制中所需要的活化能大小,可以確認化學演化之可能性。(ii) 起始物所選擇的反應方向可以利用前線軌域理論(frontier orbitals theory)加以分析,由於H2O HOMO的對稱特性,H2O傾向於和起始物的nitrile group進行反應。(iii) 反應起始物的nitrile group與H2O作用的活化能為49.00 kcal/mol,遠低於後續反應機制中所需之活化能,因此為本研究過程之速率決定步驟。當起始物之nitrile group與H2O作用後,所放出的能量即足以完成後續反應。(iv) Boys-Bernardi counterpoise計算顯示,所有在MP2層次下之BSSE能量修正值均高於HF計算結果。 第二部分 針對最簡單的胺基酸分子,glycine,在自然界中可能的生成過程,本研究利用ab initio分子軌域理論計算方法,討論由amino acetonitrile至glycine的多種反應機構及其分支反應。研究結果顯示,最可能的二種反應途徑,在MP2/6-311G**下,其速率決定步驟所需之活化能分別為46.11與52.38 kcal/mol。考慮water-assisted reaction時,僅需一個水分子的加入,即可使能障大幅降低至10.65與21.74 kcal/mol,顯示水分子的加入具有重要的作用。藉由NBO分析其中間產物與過渡狀態,發現反應過程中,分子內作用力將明顯影響反應物之幾何結構、穩定性與反應活化能。進行分子間反應時,前線軌域理論可以提供合理的解釋,從而判斷分支反應中最可能的反應路徑。 二、1,3-丁二烯與1,4-二氮-1,3-丁二烯進行共軛雙烯[四加二]環加成反應(Diels-Alder)時,位能曲面與分子軌域作用之關係。 利用B3LYP/6-311G**研究1,3-丁二烯與1,4-二氮-1,3-丁二烯的各種旋轉異構物,於Diels-Alder反應時可能產生的各種反應途徑與過渡狀態。由於1,3-丁二烯與1,4-二氮-1,3-丁二烯均可扮演diene或dienophile,因此將產生兩種反應途經相互競爭。研究結果顯示,1,3-丁二烯通常傾向於扮演diene的角色,此時HOMO-LUMO secondary interaction以及立體結構互斥作用將影響到反應的活化能。由於二分子相互靠近時,反應能障主要受到特定π軌域之間的互斥作用所影響,其餘各分子軌域之間的安定作用和排斥作用則將大致相抵。因此,當軌域的能量過於接近時,將導致互斥作用增加而能障提升。然而,若反應物MO間的能量間隙過大,幾何結構在反應過程需要大幅度扭轉變形以增加軌域間的重疊度,將導致活化能上升。
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    樟腦衍生之對掌輔助劑及對掌螯合劑在不對稱Baylis-Hillman及環氧化反應的應用 ; Hibarimicins的GH環合成研究
    (2005) 李威德
    本論文主要分為三個部分,摘要如下: 第一部分旨在研究提升反應速率並利用對掌路易士酸催化不對稱Baylis- Hillman反應的進行。利用-基壓克力酯,在DABCO (30 mol%)催化下,與各種脂肪族與芳香族醛類分子反應,可在二十分鐘內得到產率不錯(51-88%)之-hydroxy--methylene酯類產物。這是在常壓下,與各種醛類分子進行Baylis- Hillman反應,最好的加速反應速率的系統之一。結構新穎的樟腦衍生之二聚體對掌螯合劑,係由(+)-ketopinic acid與雙胺基分子在酸性條件下縮合製備而得。利用3 mol%之對掌催化劑,可在二十分鐘內與-基壓克力酯作用,得到極佳鏡像選擇性(最高95% ee)之Baylis-Hillman產物。 第二部分探討各種樟腦衍生之N-及O-烯酮分子與氧化劑進行環氧化反應。對於對掌輔助劑camphorpyrazolidinone及camphorsultam衍生之烯類分子,使用s-trans構形之受質,與methyl(trifluoromethyl)dioxirane及UHP/TFAA反應,可得到優異之非鏡像選擇性。另一方面,對掌輔助劑exo-10,10-diphenyl-2,10- camphanediol及exo-10,10-diphenyl-10-methoxy-2-camphanol衍生之烯類分子,在相同反應條件下,以s-cis構形之受質反應,得到極佳之非鏡像選擇性。因此,立體選擇性與對掌輔助劑的構形及其分子間的誘導效應有著密不可分的關係。 第三部分是hibarimicins的GH環合成研究。利用酒石酸衍生之dienophiles與1-(tert-butyldimethylsiloxy)-1,3-butadiene進行分子間之Diels-Alder反應,是建構六員環立體化學中心的關鍵步驟。當使用由pivolate保護的dienophile時,可建構正確立體化學組態之片段分子,能進一步應用於hibarimicins的全合成。