109 年 國立成功大學化學工程學系碩士班乙組《有機化學》

此題考驗酮-烯醇互變異構的平衡比例。在一般的酮類中，由於羰基的π鍵比烯醇中的碳碳雙鍵更穩定，且烯醇中的羥基會形成分子內或分子間氫鍵

此題考驗酯類和醯胺類在酸性水解條件下的產物。酸性水解是將酯或醯胺中的羰基與水分子反應，斷裂C-O鍵（酯）或C-N鍵（醯胺），並在酸催化下進行。

(A) 乙基丁酸酯 (ethyl butanoate) 在酸性水解下會生成丁酸 (butanoic acid) 和乙醇 (ethanol)。
$CH_3CH_2CH_2COOCH_2CH_3 + H_2O \xrightarrow{H_2SO_4} CH_3CH_2CH_2COOH + CH_3CH_2OH$

核心觀念

本題考查末端炔烴（Terminal alkyne）的水合反應（Hydration）之區域選擇性（Regioselectivity）與互變異構（Tautomerization）。

1. 酸催化水合（含氡離子催化）：末端炔烴在 $Hg^{2+}$ 與稀硫酸存在下進行水合反應，遵循馬可尼可夫法則（Markovnikov's rule），水分子中的羥基（$-OH$）加成在取代基較多的碳（內部碳 C-2）上，形成烯醇中間體（Enol），隨即經酮-烯醇互變異構反應（Keto-enol tautomerization）重排為甲基酮（Methyl ketone）。
2. 硼氫化-氧化反應（Hydroboration-oxidation）：使用立體障礙大的二級烷基硼烷（如 $Sia_2BH$ 或 $9\text{-BBN}$），遵循反馬可尼可夫法則（Anti-Markovnikov's rule），硼加在末端碳（C-1），經鹼性雙氧水氧化後生成烯醇，重排得到醛（Aldehyde）。

解題方法

題目要求將 1-己炔（1-hexyne，末端炔烴） 轉化為 2-己酮（2-hexanone，甲基酮）：

• 原料碳數為 6，生成物碳數亦為 6，屬於官能基轉換。
• 羰基（$C=O$）位於 C-2 上，代表水分子加成時親電性加成依循馬可尼可夫規則（$-OH$ 接在較多烷基取代的 C-2）。
• 反應過程：
  1. $Hg^{2+}$ 活化參鍵，水分子（$H_2O$）從較多取代基的 C-2 進行親核進攻。
  2. 脫質子與質子置換後，生成馬氏加成產物之烯醇（Enol）：$\text{CH}_3(\text{CH}_2)_3\text{C(OH)}=\text{CH}_2$。
  3. 烯醇在酸性條件下迅速互變異構為熱力學更穩定的酮型（Keto form），得到 2-己酮（2-hexanone）。
• 因此所需的試劑為 $Hg^{2+},\ H_2SO_4,\ H_2O$。

此題考驗醇類與鉻酸的氧化反應，即鉻酸測試 (chromic acid test) 的陽性反應。鉻酸測試是利用六價鉻($Cr^{6+}$)的氧化性，將醇氧化。這個測試對於第一級醇和第二級醇是陽性的，而對於第三級醇是陰性的，因為第三級醇沒有與羰基相鄰的氫原子可被氧化。

我們來分析各選項的醇類：

(A) tert-butanol (第三級丁醇): 結構為 $(CH_3)_3COH$。此醇為第三級醇，因為與羥基相連的碳原子連接了三個甲基。第三級醇在鉻酸測試中不會被氧化，因此是陰性反應。

此題考驗紅外光譜 (IR spectroscopy) 中特定官能基的吸收峰。題目問的是除了羰基 (C=O) 的伸縮振動外，還會出現 2700-2800 $cm^{-1}$ 範圍內的兩個特徵吸收峰的分子。這個範圍的吸收峰通常與醛基 (aldehyde, -CHO) 中的 C-H 伸縮振動有關。醛基的 C-H 伸縮振動通常在 2820-2695 $cm^{-1}$ 之間出現，並且常常是雙峰或較寬的單峰。

讓我們逐一分析選項：

(A) $(CH_3CH_2)_2CO$ (dipropyl ketone, 3-hexanone): 這是酮。酮的特徵吸收峰是羰基的伸縮振動，通常在 1715 $cm^{-1}$ 左右。它沒有醛基的 C-H 鍵，因此不會有 2700-2800 $cm^{-1}$ 的吸收峰。

(B) $CH_3CH_2CH_2CHO$ (butanal): 這是醛。它具有羰基 (C=O)，其伸縮振動約在 1725 $cm^{-1}$ (脂肪醛通常比酮的 C=O 鍵稍高)。它還具有醛基的 C-H 鍵。

此題要求根據給定的反應步驟繪製合成路線中的中間產物 A-D 以及最終產物 E 的結構。

反應步驟分析：

1. HC≡CNa + 1-bromo-5-methylhexane → A (C9H16)

   • HC≡CNa 是乙炔的鈉鹽，是一個強親核試劑。
   • 1-bromo-5-methylhexane 是一個鹵代烷。
   • 此反應是一個 $S_N2$ 取代反應，乙炔負離子進攻鹵代烷的碳原子，溴離子離去。
   • 1-bromo-5-methylhexane 的結構是 $Br-CH_2CH_2CH_2CH(CH_3)CH_2CH_3$。
   • 反應後，乙炔基連接到 1-bromo-5-methylhexane 的碳鏈上，形成一個九碳的炔烴。
   • 結構 A: $CH_3CH_2CH(CH_3)CH_2CH_2C \equiv CH$。分子式為 $C_9H_{16}$，符合。

2. A + NaNH2 / liq. NH3 → B (C9H15Na)

   • $NaNH_2$ 在液態氨中是強鹼。
   • 炔烴的末端氫是酸性的，可以被強鹼奪取。
   • 此反應是末端炔烴的去質子化，形成炔化物陰離子。
   • 結構 B: $CH_3CH_2CH(CH_3)CH_2CH_2C \equiv C^- Na^+$。分子式為 $C_9H_{15}Na$，符合。

3. B + 1-bromodecane → C (C19H36)

   • B 是炔化物陰離子，是一個強親核試劑。
   • 1-bromodecane 是一個鹵代烷 ($Br-(CH_2)_{10}CH_3$)。
   • 此反應是炔化物陰離子對 1-bromodecane 的 $S_N2$ 取代反應。
   • 炔化物陰離子進攻 1-bromodecane 的碳原子，溴離子離去。
   • 這將連接兩個炔烴片段，形成一個更大的炔烴。
   • 總碳數為 9 (來自 A) + 10 (來自 1-bromodecane) = 19。
   • 結構 C: $CH_3CH_2CH(CH_3)CH_2CH_2C \equiv C-(CH_2)_{10}CH_3$。分子式為 $C_{19}H_{36}$，符合。

4. C + H2, Ni2B (P-2) → D (C19H38)

   • $H_2$, $Ni_2B$ (P-2 催化劑) 是一種用於炔烴的林德拉催化劑 (Lindlar catalyst) 的變體，或者說是一種選擇性催化氫化，能夠將炔烴還原為**順式烯烴 (c

此題考驗苯環的親電取代反應活性，以及取代基對苯環活性的影響。題幹描述的是苯甲酸苯酯 (phenyl benzoate) 的一個苯環比另一個更容易發生親電取代。

苯甲酸苯酯的結構為 $C_6H_5-COO-C_6H_5$。它包含兩個苯環，一個是直接連接到羰基碳上的苯環（稱為「苯甲醯基苯環」），另一個是通過氧原子連接到羰基碳上的苯環（稱為「苯氧基苯環」）。

分析取代基效應：

1. 苯甲醯基苯環 (Phenyl ring attached to the carbonyl group):

   • 這個苯環直接連接著一個羰基 (-CO-)。
   • 羰基中的碳原子由於與氧原子形成雙鍵，是缺電子的。
   • 羰基是一個吸電子基團 (electron-withdrawing group, EWG)，它通過誘導效應 (inductive effect) 和共振效應 (resonance effect) 從苯環中吸取電子。
   • 吸電子基團會使苯環的電子密度降低，從而降低苯環對親電試劑的反應活性，使親電取代反應變得更困難。
   • 因此，這個苯環的活性較低。

2. 苯氧基苯環 (Phenyl ring attached to the oxygen atom):

   • 這個苯環通過一個氧原子連接著羰基。
   • 氧原子與羰基的碳原子之間有一個共振結構：$C_6H_5-C(=O)-O-C_6H_5 \leftrightarrow C_6H_5-C(O^-)=O-C_6H_5^+$。

核心觀念

本題考查：

• 強鹼 $n$-BuLi 對酸性氫的去質子化。
• 稠合環系統的共軛與芳香性。
• Hückel 規則：具平面、連續共軛的環狀系統若含有 $4n+2$ 個 $\pi$ 電子，具有芳香穩定性。

原分子為具有兩個環接碳—氫鍵的稠合雙五元環，分子式為 $C_8H_8$。

解題方法

$n$-BuLi 的丁基負離子抓取環接位置的兩個氫：

去除的兩個氫必須是兩個稠合環接碳上的氫。去質子化後，這兩個碳各形成一個負電荷，並以孤電子對進入相鄰的 $p$ 軌域。因此產物可表示為：

也就是在原有稠合雙五元環骨架上，兩個環接碳各帶一個形式負電荷，實際負電荷可藉由共振分散於整個八碳骨架。

穩定性的原因

產物共有：

• 原有三個雙鍵：$3\times 2=6$ 個 $\pi$ 電子；
• 兩個負電荷的孤電子對：$2\times 2=4$ 個 $\pi$ 電子。

因此總共有：

此題要求繪製給定反應的機制。反應物是苯酚 (phenol) 和磷酸 ($H_3PO_4$)，在加熱條件下反應，生成物是苯甲醚 (anisole) 和其他產物。然而，題目圖片中顯示的反應物是苯酚，催化劑是磷酸，但箭頭指向的產物卻是苯甲醚（anisole）和水。磷酸在此反應中作為酸催化劑，苯酚的羥基被質子化，然後離去形成苯鎓離子，再被水攻擊。這通常是製備苯酚的反應，而不是生成苯甲醚。

仔細觀察圖片中的反應物和產物：

• 反應物: 苯酚 (phenol, $C_6H_5OH$)。
• 催化劑: 磷酸 ($H_3PO_4$)。
• 產物: 圖片中顯示了一個帶有甲氧基 ($OCH_3$) 的苯環，這應該是苯甲醚 (anisole, $C_6H_5OCH_3$)。同時還標示了水 ($H_2O$)。

分析反應類型：
如果反應物是苯酚，催化劑是酸，並且產物是苯甲醚，這意味著苯酚的羥基被甲基化了。通常，酚的甲基化是通過與甲基化試劑（如硫酸二甲酯 $(CH_3)_2SO_4$ 或碘甲烷 $CH_3I$）在鹼性條件下反應來進行的。

但是，題目給出的反應是「苯酚 + 磷酸 → 苯甲醚 + 水」。磷酸是酸，不是甲基化試劑。

重新解讀題目圖片：
圖片中的反應物是苯酚。箭頭上的試劑是 $H_3PO_4$。箭頭指向的產物是「苯甲醚」和「水」。
這表明反應是：
$C_6H_5OH + \text{methylating agent} \xrightarrow{H_3PO_4} C_6H_5OCH_3 + H_2O$

假設題目中缺少甲基化試劑。
最常見的酸催化甲基化酚的試劑是甲醇 (methanol, $CH_3OH$)。
所以，一個可能的反應是：
$C_6H_5OH + CH_3OH \xrightarrow{H_3PO_4} C_6H_5OCH_3 + H_2O$

機制繪製 (假設甲基化試劑是甲醇)：

這個反應是一個親電取代反應，其中甲醇被質子化後，作為甲基化試劑，進攻苯酚的氧原子。

步驟 1: 甲醇的質子化
甲醇的氧原子上的孤對電子進攻磷酸提供的質子，生成質子化的甲醇。
$CH_3OH + H^+ \rightleftharpoons CH_3OH_2^+$

步驟 2: 苯酚的親核進攻
苯酚的氧原子上的孤對電子進攻質子化甲醇的甲基碳原子，將 $CH_3OH_2^+$ 中的 $CH_3$ 部分連接到苯酚的氧原子上，同時 $H_2O$ 離去。這是一個 $S_N2$ 機制。
$C_6H_5OH + CH_3OH_2^+ \rightarrow [C_6H_5O^+-CH_3 \cdot H_2O \cdot H^+]$ (過渡態)
$\rightarrow C_6H_5O^+H-CH_3 + H_2O$

步驟 3: 脫質子化
生成的質子化的苯甲醚 ($C_6H_5O^+H-CH_3$) 是一個氧鎓離子，它會失去一個質子，恢復其穩定結構，生成苯甲醚。
$C_6H_5O^+H-CH_3 \rightleftharpoons C_6H_5OCH_3 + H^+$

核心觀念

本題以 $4$-甲基苯甲醛為共同反應物，考查下列反應：

1. Grignard 反應：醛基接受烷基負離子性片段，形成二級醇。
2. 高溫高錳酸鉀氧化：醛基與苄位甲基皆可被完全氧化為羧酸。
3. 交叉 aldol 縮合：苯乙酮形成烯醇負離子，與無 $\alpha$-氫的芳香醛縮合。
4. 冷、稀高錳酸鉀氧化：醛基氧化為羧酸，苄位甲基通常保留。
5. Wittig 反應：醛基中的 $C=O$ 被置換為碳碳雙鍵。

令起始物表示為：

其中 $p$-表示對位，即甲基與醛基位於苯環的對位。

解題方法與各小題分析

(a) $CH_3CH_2MgBr$，再以 $H_3O^+$ 處理

Grignard 試劑中的乙基具有強親核性，可視為提供 $CH_3CH_2^-$。它進攻醛基羰基碳：

酸化後，烷氧基鎂鹽轉變為醇：

醛基原本的羰基碳連接了氫、芳基、羥基與乙基，因此產物為二級醇，且產生一對對映異構物。

產物：

即 1-(4-甲基苯基)丙-1-醇，為外消旋混合物。

(b) 熱 $KMnO_4$、$OH^-$，再以 $H_3O^+$ 處理

熱的鹼性高錳酸鉀具有強氧化性，會使：

1. 醛基氧化

酸化後變為羧酸：

2. 苄位甲基氧化

芳環上的 $-CH_3$ 直接連接芳環，具有苄位氫；在熱高錳酸鉀作用下會被完全氧化為羧酸：

酸化後：

因此，原本對位的醛基與甲基都轉變為羧酸，形成苯環 $1,4$-位的兩個羧基。

產物：

即 對苯二甲酸（terephthalic acid）。

(c) $CH_3COC_6H_5$、$OH^-$

此反應物為苯乙酮：

苯乙酮具有 $\alpha$-氫，在氫氧根作用下可形成烯醇負離子：

此烯醇負離子進攻 $4$-甲基苯甲醛的羰基碳。由於 $4$-甲基苯甲醛沒有 $\alpha$-氫，不能自行進行 aldol 自縮合，因此可進行交叉 aldol 反應。

先形成 $\beta$-羥基酮：

核心觀念

Diels–Alder 反應是共軛二烯與親二烯體的 $[4+2]$ 環加成。逆合成時：

• 產物中保留的 $C=C$ 是原二烯的內部雙鍵。
• 產物中由兩個新 $C-C$ 單鍵連接的兩個飽和碳，原本屬於親二烯體的雙鍵。
• 親二烯體上的順、反立體關係會保留在產物中。
• 二烯需採 $s$-cis 構形。

(a) 解題

產物左側的雙鍵上各有一個甲基，因此原二烯的內部兩個碳各帶有甲基：

此物為 2,3-二甲基-1,3-丁二烯。

產物右側兩個相鄰碳各連接一個 $\mathrm{-CO_2CH_3}$，這兩個碳是親二烯體原本的雙鍵碳，因此親二烯體為：

若依圖示將兩個酯基判讀為同面，應使用 dimethyl maleate（順式草酸二甲酯）。原掃描圖未以楔線、虛線明示立體化學；若題意指定酯基為反式，則改用 dimethyl fumarate，骨架判斷不變。

(b) 解題

核心觀念

Dieckmann condensation（狄克曼縮合）是分子內 Claisen condensation。酯的 $\alpha$-氫先被強鹼移除形成烯醇鹽，接著進攻另一個酯基，經四面體中間體並脫去乙氧基，形成環狀 $\beta$-酮酯。

本題的關鍵在於：

1. 單一分子 diethyl succinate 只能形成三員環，環張力極大，不是合理產物。
2. 生成物分子式顯示有兩個 diethyl succinate 分子參與反應。
3. 兩次 Claisen 型縮合同時形成兩個新的碳—碳鍵，產生六員環。

解題方法

Diethyl succinate 的分子式為：

若兩個分子進行雙重縮合，每次縮合脫去一分子乙醇：

恰好符合題目給出的分子式。因此，產物是由兩個 succinate 單元經兩次縮合所形成的六員環化合物。

其環骨架可表示為：

末端的 $\ce{CH2}$ 與開頭的 $\ce{CH}$ 相連形成六員環。依照環上官能基編號，結構名稱為：