111 年 國立成功大學化學工程學系碩士班乙組《有機化學》

核心觀念

自由基氯化反應的起始步驟是氯分子在光照或加熱下均裂，形成兩個氯自由基：

均裂會使氯氯鍵斷裂；熵變則可由反應前後氣體粒子數的變化判斷。

解題方法

斷鍵需要吸收能量，因此此步驟為吸熱反應，$\Delta H^\circ>0$。

反應由 1 莫耳氣態分子生成 2 莫耳氣態自由基，氣體粒子數增加，無序度通常隨之增加，因此 $\Delta S^\circ>0$。

所以起始步驟的熱力學特徵為 $\Delta H^\circ>0$、$\Delta S^\circ>0$。

選項分析

• (A) $\Delta H^\circ>0$ 且 $\Delta S^\circ>0$：正確。 氯氯鍵均裂吸熱，且氣體粒子數由 1 增為 2。
• **(B) $\Delta H^\circ>0$ 且 $\Delta S^\circ<0$：錯誤。

核心觀念

本題考「過氧化物效應」：在過氧化物 $\mathrm{ROOR}$ 存在下，$\mathrm{HBr}$ 可透過自由基鏈反應加成到烯烴。過氧化物的 $\mathrm{O-O}$ 鍵較弱，受熱或光照時容易均裂，產生自由基，啟動反應鏈。

此反應通常使溴加到烯烴中較少取代的碳上，呈現反馬可尼可夫加成。

解題方法

判斷過氧化物的作用，可從反應機構切入：

1. 過氧化物受熱或光照後均裂，產生烷氧自由基 $\mathrm{RO\cdot}$。
2. 烷氧自由基與 $\mathrm{HBr}$ 反應，生成溴自由基 $\mathrm{Br\cdot}$。
3. 溴自由基加成到烯烴，形成新的碳自由基；接著碳自由基從 $\mathrm{HBr}$ 取得氫原子，生成產物並再生 $\mathrm{Br\cdot}$，使鏈反應持續。

因此，過氧化物負責產生自由基並啟動自由基鏈反應。

選項分析

核心觀念

分子吸收電磁輻射時，若光子能量符合兩個能階的能量差，就會引發能階間躍遷：

其中 $h$ 是普朗克常數、$\nu$ 是頻率、$c$ 是光速、$\lambda$ 是波長。分子軌域間的電子躍遷通常由紫外光或可見光引發；振動與轉動躍遷所需能量較低，分別常由紅外線與微波引發。

解題方法

依有機化學常見的分子光譜分類，辨認哪一類輻射常用來激發分子中的電子。紫外光的能量足以使電子從一個分子軌域躍遷至另一個分子軌域，因此選 (D) ultraviolet light。

選項分析

• (A) X-rays： X 光能量更高，也能引發內層電子躍遷或使電子游離；但基礎有機分子光譜題通常以紫外光代表分子軌域間的電子躍遷。

核心觀念

本題考的是羧酸衍生物進行親核醯基取代的相對反應性。親核試劑攻擊羰基碳後，反應能否順利進行，主要取決於兩件事：

1. 羰基碳的親電性：羰基碳越缺電子，越容易受親核試劑攻擊。
2. 離去基的能力：離去基越穩定、鹼性越弱，越容易離去，取代反應越有利。

常見反應性由高至低為：

解題方法

比較選項中的衍生物即可。酸酐比醯胺活潑，因為酸酐反應時可離去羧酸根；羧酸根具有共振穩定，且離去後相對穩定。醯胺若要離去，則會形成極強鹼性的含氮陰離子，因此醯胺較不容易進行親核醯基取代。

羧酸根帶有負電荷，負電荷又在兩個氧原子間共振分散，使羰基碳親電性降低，因此反應性最低。依此可判斷酸酐、醯胺、羧酸根的順序為：

選項分析

核心觀念

本題考的是氫化鋁鋰（$\mathrm{LiAlH_4}$）對醯胺的還原反應。一般而言，醯胺的羰基碳會被還原成亞甲基，碳氧雙鍵中的氧在反應後移除；醯胺氮上的取代基則保留。

可用下式表示：

解題方法

先辨認原料的結構：

這是三級醯胺，羰基碳連接乙基 $\mathrm{CH_3CH_2{-}}$，氮上連著兩個甲基。

$\mathrm{LiAlH_4}$ 提供氫化物，使醯胺羰基還原。反應的碳骨架保留，羰基的 $\mathrm{C=O}$ 還原成 $\mathrm{CH_2}$；氮上的兩個甲基也保留。因此產物為：

此產物是三級胺，對應選項（D）。

選項分析

核心觀念

本題考環烷烴的取代基命名，以及如何從椅式構象判斷取代基的相對立體化學。環己烷椅式構象中的取代基可分為軸向或赤道向；判斷順反時，則看取代基朝向環的上方或下方，而不是看它是軸向還是赤道向。

解題方法

圖中是環己烷椅式構象：溴接在一個碳上，叔丁基接在與它相隔一個碳的碳上，因此兩者位於 $1,3$ 位。溴為軸向朝上，叔丁基為赤道向朝下。

核心觀念

烯類命名先選出包含碳碳雙鍵的最長碳鏈作為主鏈，再從較靠近雙鍵的一端編號，使雙鍵取得最低位次；若雙鍵位次相同，則比較取代基位次，選擇較小的一組。

解題方法

將結構拆開觀察：

1. **選主鏈：**沿著其中一個左側甲基，經過異丙基的中心碳、雙鍵兩端碳，再接到右側乙基末端，可得包含雙鍵的最長主鏈，共六個碳，因此主鏈為己烯。

核心觀念

本題考環烷烴的取代基命名，以及如何從椅式構象判斷取代基的相對立體化學。環己烷椅式構象中的取代基可分為軸向或赤道向；判斷順反時，則看取代基朝向環的上方或下方，而不是看它是軸向還是赤道向。

解題方法

圖中是環己烷椅式構象：溴接在一個碳上，叔丁基接在與它相隔一個碳的碳上，因此兩者位於 $1,3$ 位。溴為軸向朝上，叔丁基為赤道向朝下。

核心觀念

本題考環烷烴的取代基命名，以及如何從椅式構象判斷取代基的相對立體化學。環己烷椅式構象中的取代基可分為軸向或赤道向；判斷順反時，則看取代基朝向環的上方或下方，而不是看它是軸向還是赤道向。

解題方法

圖中是環己烷椅式構象：溴接在一個碳上，叔丁基接在與它相隔一個碳的碳上，因此兩者位於 $1,3$ 位。溴為軸向朝上，叔丁基為赤道向朝下。

核心觀念

本題考環烷烴的取代基命名，以及如何從椅式構象判斷取代基的相對立體化學。環己烷椅式構象中的取代基可分為軸向或赤道向；判斷順反時，則看取代基朝向環的上方或下方，而不是看它是軸向還是赤道向。

解題方法

圖中是環己烷椅式構象：溴接在一個碳上，叔丁基接在與它相隔一個碳的碳上，因此兩者位於 $1,3$ 位。溴為軸向朝上，叔丁基為赤道向朝下。

核心觀念

本題考查鹵烷的親核取代反應與立體化學。水溶液中的 $\mathrm{KOH}$ 提供 $\mathrm{OH^-}$；對圖中的二級碘代烷，主要以背面進攻進行 $\mathrm{S_N2}$ 取代，使反應中心構型反轉。

解題方法

圖中底物讀作 $\mathrm{CH_3CH(I)CH_2CH_2CH_2CH_3}$，也就是 2-碘己烷；碘原子畫成虛線楔形鍵，反應中心的氫畫成實心楔形鍵。

核心觀念

本題考環氧化後的酸性水解，以及兩步反應的立體化學。過氧酸先將烯烴轉成環氧化物；接著環氧化物在酸性條件下開環，水從環氧橋的反面進攻，因此兩個羥基以反式關係加到原雙鍵的兩個碳上，屬於反式加成。

解題方法

圖中雙鍵兩端各連接一個甲基與一個乙基；兩個乙基位於雙鍵相反側，因此底物是 $(E)$-3,4-二甲基己-3-烯。試劑依序為 $\mathrm{CH_3CO_3H}$ 與 $\mathrm{H_3O^+}$。

第一步，過氧乙酸將雙鍵轉成環氧化物，保留原烯烴的相對立體配置。第二步，酸性水解時，水由環氧橋的反面進攻，開環後在原雙鍵兩端形成反式的兩個羥基：

核心觀念

本題考「烷氧汞化－去汞化」。烯烴在 $\mathrm{Hg(OAc)_2}$ 與乙醇中反應，接著以 $\mathrm{NaBH_4}$ 去汞化，整體效果是在雙鍵兩端加上 $\mathrm{H}$ 與 $\mathrm{OCH_2CH_3}$。

此反應遵循馬可尼可夫區位選擇性：$\mathrm{-OCH_2CH_3}$ 加到較多取代的烯碳，$\mathrm{H}$ 加到較少取代的烯碳；反應不經碳正離子重排。

解題方法

反應物為 1-丁烯，結構是 $\mathrm{CH_3CH_2CH{=}CH_2}$。雙鍵中，與乙基相連的碳取代程度較高，因此乙醇的乙氧基接到這個碳；末端的 $\mathrm{CH_2}$ 接上氫。

核心觀念

本題考 γ-內酯在乙氧基離子／乙醇中的鹼性醇解。內酯是環狀酯；乙氧基離子進攻酯羰基後，四面體中間體崩解並斷開酰基—氧鍵，使內酯開環形成乙酯。醇解不切斷環上碳—碳鍵，也不會直接改變環上立體中心的構型。

解題方法

圖中是橋環 γ-內酯，題示試劑為 $\mathrm{EtO^-}$、溶劑為 $\mathrm{EtOH}$。判斷產物時，先找出內酯的羰基與環氧，再沿酰基—氧鍵開環；原本與羰基相連的環上碳保留羧酸酯取代基，原本連著環氧的碳則在開環後成為羥基取代位置。

反應步驟如下：

核心觀念

本題考察醛與二元醇在酸催化下形成環狀縮醛。醛的羰基碳原本連接一個氫與一個苯基；反應後，羰基氧被兩個醇氧取代，形成縮醛鍵。

解題方法

圖中反應物是苯甲醛 $\mathrm{C_6H_5CHO}$ 與乙二醇 $\mathrm{HOCH_2CH_2OH}$，條件為微量 $\mathrm{HCl}$。乙二醇的兩個羥基會連到同一個醛基碳，形成五員環縮醛。

酸先活化羰基，乙二醇加成後經脫水，再由另一端羥基分子內進攻並去質子化，得到環狀縮醛。反應式為：

解題方法

圖中起始物是環戊烷環上的外烯甲叉基（$=\mathrm{CH_2}$）；產物則是同一環碳同時連接 $\mathrm{OH}$ 與苯基的三級醇。先把雙鍵轉成環戊酮，再以苯基格氏試劑對酮加成，可直接建立目標碳上的碳氧鍵與碳碳鍵。

核心觀念

烯烴經臭氧分解會在雙鍵位置斷鍵，生成羰基化合物。對環戊烷外側的甲叉雙鍵進行還原性臭氧分解，環上碳形成環戊酮，外側的 $\mathrm{CH_2}$ 形成甲醛。接著，格氏試劑中的苯基作為親核基進攻酮的羰基碳，酸化後得到醇。

解題步驟

1. 以臭氧分解外側甲叉雙鍵，採還原性處理，例如 $\mathrm{O_3}$，再以 $\mathrm{Zn/H_2O}$ 處理，得到環戊酮。

核心觀念

題目未附多步反應的空格或試劑圖；以下依標準合成路線，使用丙醛先製備丙腈，再以正丁基格林納試劑加成並水解，合成 3-庚酮。

本題考查兩個反應：

1. 醛與羥胺形成肟；醛肟脫水可轉成腈。
2. 格林納試劑對腈加成，酸性水解後生成酮。腈的碳原子成為酮的羰基碳；格林納試劑提供酮的一側烷基。

解題方法

3-庚酮可寫成：

羰基一側是乙基，另一側是正丁基。丙腈的乙基連在腈碳上，因此可用正丁基格林納試劑提供另一側的正丁基。

依序進行以下四步：

第 1 步：丙醛形成丙醛肟

以羥胺處理丙醛：

第 2 步：肟脫水形成丙腈

使用脫水試劑，例如醋酸酐加熱：

因此，丙醛的三個碳轉成丙腈的三個碳，腈碳將成為目標產物的羰基碳。

第 3 步：丙腈與正丁基格林納試劑反應

在無水乙醚中加入正丁基溴化鎂：

解題方法

圖中起始物是苯胺（$\mathrm{C_6H_5NH_2}$），產物是苄胺（$\mathrm{C_6H_5CH_2NH_2}$）。合成的關鍵是先把苯胺轉成重氮鹽，再以氰基取代，最後將腈還原成一級胺。

核心觀念與步驟

1. **重氮化：**以亞硝酸鈉和鹽酸在低溫下將苯胺轉成苯重氮氯化物。
   $\mathrm{C_6H_5NH_2 \xrightarrow[\ 0\text{–}5^\circ C\ ]{NaNO_2,\ HCl} C_6H_5N_2^+Cl^-}$

2. **Sandmeyer 反應：**以氰化亞銅取代重氮基，生成苯甲腈。
   $\mathrm{C_6H_5N_2^+Cl^- \xrightarrow{CuCN} C_6H_5CN}$

核心觀念

本題使用丙二酸酯合成法：丙二酸二乙酯的中央亞甲基受兩個酯羰基穩定，能被乙醇鈉去質子化；生成的碳負離子可與一級烷基鹵化物進行 $S_\mathrm{N}2$ 烷基化。引入帶有末端溴原子的四碳鏈後，再次去質子化並進行分子內 $S_\mathrm{N}2$，即可形成五員環。

成環後的丙二酸酯經水解成二羧酸，再加熱脫去一分子二氧化碳，留下目標羧酸。

解題方法與反應步驟

起始物為丙二酸二乙酯，中央碳位於兩個酯基之間。利用丙二酸酯的兩次烷基化，先接上四碳鏈，再關環。

1. 第一次去質子化與烷基化

   以乙醇鈉去除中央碳上的一個氫，接著與過量 1,4-二溴丁烷進行 $S_\mathrm{N}2$ 烷基化，形成末端帶溴的單烷基化產物：

使用二溴丁烷過量，有助於讓丙二酸酯主要接上單一四碳鏈，保留末端溴原子供下一步關環。

2. 第二次去質子化與分子內關環

   再以乙醇鈉去除中央碳剩下的氫。形成的碳負離子進攻同一分子末端的 $\mathrm{CH_2Br}$，分子內 $S_\mathrm{N}2$ 關環：

核心觀念

共軛二烯與 HBr 反應會形成烯丙基碳正離子。溴離子進攻不同的共振位置，會得到 1,2-加成或 1,4-加成產物。低溫下以生成較快的動力學產物為主；較高溫下反應較易達到平衡，較穩定的熱力學產物為主。

解題方法

圖中的二烯為 $\mathrm{CH_2=C(CH_3)-C(CH_3)=CH_2}$；兩端雙鍵碳都是 $\mathrm{CH_2}$，兩個內側雙鍵碳各帶一個 $\mathrm{CH_3}$。先讓一端接受 $\mathrm{H^+}$，形成烯丙基碳正離子，再依溴離子的進攻位置判斷產物：

• **$-80^\circ\mathrm{C}$：1,2-加成為主。**溴離子進攻鄰近質子化端的碳，得到
  $\mathrm{CH_2=C(CH_3)-C(Br)(CH_3)-CH_3}$

核心觀念

本題考比較羧酸的酸性。羧酸解離後形成羧酸根；能穩定羧酸根的因素越強，酸性越強。鹵素具有吸電子誘導效應（$-I$），可經由 $\sigma$ 鍵拉走電子密度，穩定帶負電的羧酸根。這種效應會隨取代基與羧基距離增加而減弱。

解題方法

依原圖由左至右讀取四個結構：①為 $\mathrm{HOOC-CF_2-CH_2-CH_3}$，②為丁酸 $\mathrm{HOOC-CH_2-CH_2-CH_3}$，③為 $\mathrm{HOOC-CH_2-CH(Cl)-CH_3}$，④為 $\mathrm{HOOC-CH_2-CH_2-CH_2Br}$。其中③的氯在 $\beta$ 碳，④的溴在 $\gamma$ 碳；圖中沒有楔形或虛線鍵影響本題比較。

先比較鹵素取代基離羧基的距離與數目：①有兩個氟直接接在羧基旁的 $\alpha$ 碳，吸電子誘導效應最強；③的氯在 $\beta$ 碳，④的溴在更遠的 $\gamma$ 碳；②沒有鹵素取代基，缺少額外的吸電子誘導效應。

核心觀念

烯烴與 $\mathrm{Br_2}$ 進行親電子加成。反應先形成三員環溴鎓離子，再由 $\mathrm{Br^-}$ 從背面進攻開環，因此兩個溴原子以反式、反面加成的方式加到原雙鍵兩端。

解題方法

圖中底物是雙鍵其中一端帶有甲基的環己烯，試劑為 $\mathrm{Br_2}$，未標示水等親核溶劑。雙鍵消失後，兩個溴分別接到原雙鍵的兩個碳上，產物為反式鄰二溴化物。

1. 雙鍵的 $\pi$ 電子進攻 $\mathrm{Br_2}$ 的一個溴原子，同時 $\mathrm{Br-Br}$ 鍵異裂，產生 $\mathrm{Br^-}$。被進攻的溴同時與雙鍵兩端成鍵，形成三員環溴鎓離子。

核心觀念

本題利用分子式與核磁共振訊號數，判斷分子中具有幾種化學不等價的碳、氫環境。化學等價的原子在核磁共振中給出同一組訊號；訊號裂分則反映附近非等價氫的自旋耦合。

先由不飽和度確認分子是否含有環或多重鍵：

因此化合物為飽和、無環的烷類異構物。

解題方法

題目指出有 $3$ 組 $\ce{^{13}C}$ 訊號，表示七個碳原子須分成三種化學環境。又有 $3$ 組 $\ce{^{1}H}$ 訊號，裂分型態為雙重峰、三重峰與多重峰。

符合條件的結構為 2,4-二甲基戊烷：

此結構具有左右對稱面，因此碳分成三種環境：

核心觀念

本題考質譜中的分子離子裂解：電子游離形成分子自由基陽離子後，醚鍵或苄位附近的鍵可斷裂，電荷保留在較穩定的片段上。判讀時可用片段的分子式核對質荷比 $m/z$，並確認中性碎片與帶電碎片的質量總和符合母離子。

解題方法

圖中醚的結構為苯環–$\mathrm{CH_2-O-CH(CH_3)_2}$，即苄基異丙基醚；分子式為 $\mathrm{C_{10}H_{14}O}$，分子離子峰為 $m/z=150$。依序考慮苄位–氧鍵、氧–異丙基鍵，以及苯環–苄位碳鍵的裂解：

• $m/z=59$：異丙氧基片段
  苄位 $\mathrm{C-O}$ 鍵斷裂，電荷留在氧與異丙基組成的片段：
  $\mathrm{[C_3H_7O]^+} \quad (m/z=3\times12+7+16=59)$
  中性損失為苄基自由基 $\mathrm{C_7H_7^\bullet}$，質量為 $91$；$150-91=59$。

• $m/z=73$：異丙氧甲基片段
  苯環與苄位碳之間的鍵斷裂，電荷留在 $\mathrm{CH_2-O-CH(CH_3)_2}$ 片段：

核心觀念

本題考查酸催化酯交換反應，屬於酯的親核醯基取代反應。乙酸乙酯中的乙氧基被正丙氧基取代，生成乙酸正丙酯與乙醇：

酸先質子化羰基氧，使羰基碳更具親電性；正丙醇進攻後形成四面體中間體，再經質子轉移與消去反應完成取代。酸在反應末端再生，因此是催化劑。

解題方法：逐步反應機構

以下以 $\mathrm{Et=CH_2CH_3}$、$\mathrm{Pr=n\text{-}CH_2CH_2CH_3}$ 表示乙基與正丙基。箭頭描述的是電子對移動方向。

步驟一：質子化羰基氧

羰基氧的孤電子對接受酸提供的質子，使羰基碳的親電性增加：

步驟二：正丙醇進攻羰基碳

正丙醇氧的孤電子對進攻羰基碳，同時羰基的 $\pi$ 電子移向羰基氧，形成四面體中間體：

此時新鍵是醯基碳與正丙醇氧之間的鍵；正丙醇氧仍帶有一個氫，因此帶正電。

步驟三：質子轉移，活化離去基

核心觀念

本題考查醛的自我醇醛縮合。有 α-氫的醛在氫氧根作用下形成烯醇負離子，進攻另一分子醛的羰基，先生成 β-羥基醛；加熱時再脫水，形成共軛 α,β-不飽和醛。

4-甲基戊醛的結構為：

羰基旁的 α-碳是 $CH_2$，具有 α-氫，因此能形成烯醇負離子並進行自我醇醛縮合。

解題方法與機構

令 $R=\mathrm{CH_2CH(CH_3)CH_3}$，原料可寫成 $\mathrm{OHC{-}CH_2{-}R}$。

1. **形成烯醇負離子：**氫氧根移除一個 α-氫，形成由 α-碳負電荷與羰基氧負電荷共振穩定的烯醇負離子。

2. **進攻另一分子醛：**烯醇負離子的 α-碳進攻另一分子的羰基碳，羰基 $\pi$ 鍵移至氧，形成烷氧負離子。

3. **質子化：**烷氧負離子從水取得質子，生成 β-羥基醛。

核心觀念

核磁共振的訊號數取決於分子中化學環境不同的核數；由分子對稱性互相對應的原子，在相同條件下會給出相同訊號。質子去耦的 $^{13}\mathrm{C}$ NMR 會消除碳與氫之間的裂分，因此以訊號數判斷不同的碳環境。

解題方法

圖中 A 的苯環有三個相鄰位置接上甲基，等同於 $1,2,3$-三甲基苯；B 的甲基位於 $1,3,5$ 位，是 $1,3,5$-三甲基苯。比較兩者的對稱性，以及甲基、芳香環氫和芳香環碳各自的等價環境，即可區分。

• **化合物 A：**有一個對稱面，使兩個外側甲基等價、兩個對稱位置的芳香環氫等價。
  • $^{1}\mathrm{H}$ NMR：甲基有兩種環境，積分分別為 $6\mathrm{H}$ 與 $3\mathrm{H}$；芳香環氫有兩種環境，積分分別為 $2\mathrm{H}$ 與 $1\mathrm{H}$。因此共有 4 組訊號。芳香環氫可概略呈現 $2\mathrm{H}$ 雙峰與 $1\mathrm{H}$ 三峰，細部裂分可能受長程耦合影響。

核心觀念

Diels–Alder 反應是共軛二烯與親二烯體進行的環加成。若親二烯體是炔烴，反應後會留下兩個環內雙鍵。逆向拆解時，找出二烯端與親二烯體端之間形成的兩條新單鍵，即可還原反應物。

解題方法

圖中產物是六員環，環內有兩個雙鍵：其中一個雙鍵的碳帶有甲基，另一個雙鍵的碳連著 $\mathrm{CO_2CH_3}$。逆向拆解兩條連接這兩組碳的單鍵，帶有 $\mathrm{CO_2CH_3}$ 的雙鍵端還原成炔鍵，得到親二烯體 $\mathrm{HC{\equiv}C{-}CO_2CH_3}$；

核心觀念

對映異構物在相同測量條件下，旋光度大小相等、方向相反。已知 $(-)$-乳酸的比旋光度為 $-3.8^\circ$，因此 $(+)$-乳酸的比旋光度為 $+3.8^\circ$。

混合物的旋光效應可按各成分的質量比例加成。對一對對映異構物而言，混合物的比旋光度可用對映體過量（$ee$）乘上純對映異構物的比旋光度：

其中：

解題方法