113 年 國立成功大學化學工程學系碩士班乙組《有機化學》

芳香性（aromaticity）的判斷需要滿足以下四個條件：

1. 分子必須是環狀結構（cyclic）。
2. 分子必須是平面結構（planar）。
3. 分子必須是共軛系統（conjugated），即環內所有原子都參與 p-軌域的重疊。
4. π 電子的總數必須符合 Hückel 定律，即 $4n+2$ 個 π 電子，其中 $n$ 為非負整數（$n=0, 1, 2, ...$）。

我們逐一分析選項中的分子：

(A) 此分子為苯（benzene）。

1. 是環狀結構。
2. 是平面結構。
3. 共有 6 個 π 電子，環內所有碳原子皆為 $sp^2$ 混成，形成共軛系統。
4. π 電子數為 6，符合 $4n+2$ ($n=1$)。
   因此，苯是芳香性的。

(B) 此分子為苯胺（aniline）。

1. 是環狀結構。
2. 雖然有 $-NH_2$ 基團，但苯環本身是平面結構。
3. 苯環有 6 個 π 電子。$-NH_2$ 的氮原子上的孤對電子可以與苯環共軛，擴大了共軛系統。然而，芳香性的判斷主要依據環內的 π 電子。

紅外線光譜（IR spectroscopy）的吸收是基於分子振動時產生偶極矩的變化（change in dipole moment）。對於非極性分子，即使發生振動，其偶極矩也不會改變，因此不會在紅外線光譜中顯示吸收。

乙炔（ethyne, HC≡CH）是一個線性的、對稱的分子。

• C-H 鍵的伸長振動（stretching）確實會發生，但其頻率範圍與 C≡C 鍵的伸長振動重疊。

核心觀念

有機化學中，判斷氧化還原可觀察碳原子與氫、氧等原子的鍵結變化：

• 碳原子增加碳氫鍵，或減少碳氧鍵，通常代表還原。
• 碳原子減少碳氫鍵，或增加碳氧鍵，通常代表氧化。

此反應將順-2-戊烯轉變為戊烷，相當於在碳碳雙鍵上加成氫，使雙鍵變成單鍵。這類反應稱為氫化，屬於還原反應。

解題方法

比較雙鍵兩端碳原子的氫數：

• 在順-2-戊烯中，雙鍵兩端的碳各連接一個氫。
• 轉變成戊烷後，原本位於雙鍵兩端的碳各多連接一個氫。

核心觀念

本題考查立體異構物的關係判定：

• 結構異構物：原子連接方式不同。
• 對映異構物（enantiomers）：互為不可重疊的鏡像。
• 非對映異構物（diastereomers）：不是鏡像且不可重疊。
• 同一化合物：只要透過平移或三維旋轉即可完全重疊。

實心楔線表示鍵朝向觀察者，虛線楔線表示鍵背向觀察者；整個分子旋轉後，楔線與虛線在紙面投影中可以互換，這不代表立體中心發生改變。

解題方法

將左側分子沿著紙面內、通過兩個稠合環中央的水平軸旋轉 $180^\circ$：

1. 上方橋頭碳的實心楔線 $H$ 轉到下方，成為虛線楔線 $H$。
2. 右上方的虛線楔線 $Br$ 轉到右下方，成為實心楔線 $Br$。
3. 左下方的實心楔線 $Br$ 轉到左上方，成為虛線楔線 $Br$。
4. 稠合環的骨架與各原子的連接方式均完全吻合右側結構。

核心觀念

本題考查醇的官能基轉換，以及 $S_\mathrm{N}2$ 反應的立體化學。

• $TsCl$／pyridine 將醇轉化為良好離去基 tosylate（OTs）。
• $Br^-$ 再以 $S_\mathrm{N}2$ 方式取代 OTs。
• 第一步發生在硫原子上，醇碳原子的構型保留；第二步在醇碳上進行背面進攻，因此若該碳為立體中心，產生構型反轉。

題目轉錄未保留醇的完整骨架，以下以原醇表示為：

$$\mathrm{R^1R^2CHOH}$$

其中 $\mathrm{R^1}$、$\mathrm{R^2}$ 代表原題所示的碳鏈或環狀結構。

解題方法

第一步：

$$\mathrm{R^1R^2CHOH} \xrightarrow[\text{pyridine}]{TsCl} \mathrm{R^1R^2CHOTs}$$

醇氧進攻 TsCl 的硫原子，形成 tosylate。此反應不會斷裂 $\mathrm{C-O}$ 鍵，因此醇碳的立體構型保持不變。

第二步：

$$\mathrm{R^1R^2CHOTs} \xrightarrow{NaBr} \mathrm{R^1R^2CHBr}$$

溴離子從與 OTs 相反的一側進行背面進攻，並排出 tosylate：

$$\mathrm{Br^- + R^1R^2CHOTs \longrightarrow R^1R^2CHBr + OTs^-}$$

核心觀念

本題考查烯烴的「同面加成二羥基化」與「鄰二醇的週期酸氧化裂解」。

1. $OsO_4、H_2O_2$ 將烯烴轉變為鄰二醇，兩個羥基以同面方式加成。
2. $HIO_4$ 可裂解具有相鄰羥基的碳—碳鍵，將兩個含羥基的碳分別氧化成羰基化合物。

整體反應可視為烯烴的氧化裂解：

$$R^1R^2C=CR^3R^4 \ \xrightarrow[\ H_2O_2\ ]{OsO_4}\ R^1R^2C(OH)-C(OH)R^3R^4 \ \xrightarrow{HIO_4}\ R^1R^2C=O+O=CR^3R^4$$

題目未提供起始烯烴的結構，因此無法指定實際產物的碳骨架；以下以一般式說明確定反應結果。

解題方法

第一步：$OsO_4、H_2O_2$ 生成鄰二醇

$OsO_4$ 會與烯烴的 $\pi$ 鍵反應，形成環狀鋨酸酯中間體，再經水解得到鄰二醇。

$$R^1R^2C=CR^3R^4 \longrightarrow R^1R^2C(OH)-C(OH)R^3R^4$$

兩個 $OH$ 加到原本雙鍵的兩個碳上，屬於同面加成；不過後續使用 $HIO_4$ 裂解時，產物的立體化學通常不影響羰基產物。

第二步：$HIO_4$ 裂解鄰二醇

鄰二醇與 $HIO_4$ 形成環狀中間體，接著斷裂兩個羥基碳之間的碳—碳鍵：

題目資訊

目前可辨識的題目只有「H₃C」「CN」「＋」及「Assume kinetic condition」，缺少完整結構式、反應物與反應條件，因此無法唯一判定本題要求的產物。以下依「考查羰基化合物在動力學條件下形成烯醇負離子」說明；要確定本題的具體產物，需補上完整反應式。

核心觀念

不對稱羰基化合物的 α-位有不同氫時，去質子化可形成不同位置的烯醇負離子。動力學控制下，反應速率較快、較容易生成的烯醇負離子為主產物，通常是由位阻較小的 α-位快速移除質子形成的較少取代烯醇負離子。

動力學選擇性常見於強而體積大的鹼、低溫及不可逆去質子化條件。相對地，熱力學控制允許烯醇負離子彼此平衡，較穩定、通常也較多取代的烯醇負離子比例較高。

解題方法

核心觀念

題目目前僅提供試劑「HBr」，未提供反應物結構、反應條件、產物選項或完整題幹，因此無法據此判定唯一反應結果。

若題意是判斷烯烴與 HBr 的加成反應，核心觀念如下：

• 一般離子型加成遵守 Markovnikov 規則。
• 反應經由碳正離子中間體進行。
• HBr 在有機過氧化物 $\mathrm{ROOR}$ 存在下，會改走自由基鏈反應，產生反 Markovnikov 加成；此特殊效應主要適用於 HBr。

解題方法：一般條件下的 HBr 加成

以不對稱烯烴為例：

$$\mathrm{RCH=CH_2 + HBr \longrightarrow RCHBrCH_3}$$

反應分為兩個主要步驟。

第一步：烯烴質子化

烯烴的 $\pi$ 電子進攻 $\mathrm{HBr}$ 的氫，$\mathrm{H-Br}$ 鍵斷裂形成 $\mathrm{Br^-}$。

質子會加到使碳正離子較穩定的位置，使中間體傾向形成三級碳正離子，其次為二級，最不利為一級：

$$\text{三級碳正離子} > \text{二級碳正離子} > \text{一級碳正離子}$$

因此，氫加到原本帶有較多氫的烯碳上，正電荷留在取代度較高的碳上。

第二步：溴離子進攻

生成的 $\mathrm{Br^-}$ 進攻碳正離子，形成烷基溴化物：

$$\mathrm{RCH^+CH_3 + Br^- \longrightarrow RCHBrCH_3}$$

所以在一般條件下，$\mathrm{Br}$ 會加到原本取代度較高的烯碳，產物符合 Markovnikov 方向。

有過氧化物時的特殊情況

若反應條件含有過氧化物 $\mathrm{ROOR}$，HBr 會進行自由基加成。

起始步驟可表示為：

核心觀念

本題要求依據反應物與產物的結構，判斷各步驟所需的試劑或起始化合物。解題必須分析官能基變化，例如：

• 醇的脫水消去：酸催化並加熱，生成烯烴。
• 烯烴的加成反應：可利用 $Br_2$、$HBr$ 等試劑導入溴原子。
• 鹵代烴的消去或取代：依鹼性、溶劑與反應條件判斷。
• 「$-H$」通常表示移除氫原子，需配合氧化、脫氫或消去反應判定。

解題方法

判斷此類合成題時，應由最終產物逆向分析：

1. 比較相鄰兩個結構的官能基差異。
2. 判斷是新增或移除何種鍵，例如 $C-Br$、$C-H$ 或 $\pi$ 鍵。
3. 依反應類型填入適當試劑。
4. 檢查碳骨架是否保持不變，以及溴原子的數量與位置是否合理。

然而，題目文字僅顯示：

核心觀念

Diels–Alder 反應是共軛二烯與親雙烯體進行的熱誘導環加成反應，形成一個六元環。其本質是 $[4+2]$ 環加成：

• 共軛二烯提供 $4$ 個 $\pi$ 電子。
• 親雙烯體通常提供 $2$ 個 $\pi$ 電子。
• 反應一次形成兩個 $\sigma$ 鍵，並保留一個位於六元環內的碳碳雙鍵。
• 反應具有高度立體專一性，屬於協同反應，不經過碳正離子或自由基中間體。

一般反應形式如下：

$$\text{共軛二烯}+\text{親雙烯體} \longrightarrow \text{環己烯衍生物}$$

最常見的親雙烯體為烯類或炔類，且在親雙烯體上具有吸電子基時，反應性通常較高，例如：

• $\ce{-CO2H}$
• $\ce{-CO2R}$
• $\ce{-COR}$
• $\ce{-CHO}$
• $\ce{-CN}$
• $\ce{-NO2}$

解題方法

遇到 Diels–Alder 題目時，依序判斷下列事項。

1. 找出共軛二烯

共軛二烯必須具有連續排列的四個 $\pi$ 電子，例如：

$$\ce{C=C-C=C}$$

反應時二烯必須採取 s-cis 構形，使兩端碳原子靠近親雙烯體。

$$\ce{C=C-C=C} \quad\text{必須能轉成}\quad \text{s-cis}$$

若二烯只能固定在 s-trans 構形，兩端無法有效接近，通常不能順利進行 Diels–Alder 反應。

2. 找出親雙烯體

親雙烯體通常是下列結構之一：

$$\ce{C=C} \qquad\text{或}\qquad \ce{C#C}$$

若雙鍵或三鍵連接吸電子基，親雙烯體的反應性增加。原因是吸電子基降低 $\pi^\ast$ 軌域能量，使共軛二烯的最高佔據分子軌域較容易與其作用。

常見反應性趨勢可表示為：

$$\text{帶吸電子基的烯類} > \text{未取代烯類}$$

3. 建立六元環骨架

將二烯的兩端分別與親雙烯體的兩個碳形成新的 $\sigma$ 鍵，二烯中央的兩個碳之間保留雙鍵。

以一般編號表示：

$$\ce{C1=C2-C3=C4 + C5=C6} \longrightarrow \text{六元環}$$

形成的環中：

• $\ce{C1-C6}$ 與 $\ce{C4-C5}$ 為新形成的 $\sigma$ 鍵。
• 原本二烯中央的 $\ce{C2=C3}$ 成為產物中的碳碳雙鍵。
• 親雙烯體上的取代基位置關係會被保留。

4. 判斷區域選擇性

若二烯與親雙烯體均具有取代基，主要產物通常可利用電子效應預測：

• 給電子基取代的二烯端，傾向與親雙烯體較缺電子的一端形成鍵。
• 吸電子基取代的親雙烯體端，會影響新鍵形成方向。
• 反應通常具有類似鄰位與對位的主要區域異構物關係；實際主產物需依取代基位置與電子效應判定。

考試作答時，先畫出可能的六元環，再檢查原本各取代基的相對位置是否正確，不可任意旋轉單一端點造成取代基關係改變。

立體化學

同面加成

核心觀念

本題考內酯的還原反應。內酯是環狀酯，使用氫化鋁鋰（$\mathrm{LiAlH_4}$）還原並經水解處理後，酯鍵開環，生成兩端帶有羥基的二醇。

解題方法

圖中起始物是五員環內酯，含有一個羰基與一個環內氧；產物是四碳直鏈二醇，兩端各有一個 $\mathrm{-OH}$。

核心觀念

本題考內酯的還原反應。內酯是環狀酯，使用氫化鋁鋰（$\mathrm{LiAlH_4}$）還原並經水解處理後，酯鍵開環，生成兩端帶有羥基的二醇。

解題方法

圖中起始物是五員環內酯，含有一個羰基與一個環內氧；產物是四碳直鏈二醇，兩端各有一個 $\mathrm{-OH}$。

核心觀念

本題考交叉羥醛縮合（aldol condensation）。有 α-氫的酮在鹼性條件下形成烯醇負離子，與醛反應後再脫水，生成共軛 α,β-不飽和酮。

解題方法

圖中起始物是呋喃-2-甲醛（糠醛）與一個待填的羰基化合物；產物是呋喃環連接 $\mathrm{CH=C(CH_3)-C(=O)-Ph}$ 的共軛烯酮。由產物逆推，羰基旁的碳必須同時連著甲基並形成新的碳碳雙鍵，因此起始酮應提供 $\mathrm{PhCOCH_2CH_3}$ 骨架。

核心觀念

本題考查逆合成分析、格氏試劑對酮的親核加成，以及醇的威廉森醚合成。目標分子中，中心碳連接苯基、甲基、環丁基與乙氧基；可先合成相應的三級醇，再將醇的羥基轉成乙氧基。

解題方法

圖中的目標結構是苯基、甲基、環丁基與乙氧基連在同一個碳上；沒有楔形或虛線鍵標示立體化學。逆推時，將中心碳上的乙氧基暫時換成羥基，得到三級醇 $\mathrm{PhC(OH)(CH_3)(cyclobutyl)}$。

以苯乙酮為酮類前驅物，讓環丁基格氏試劑對羰基加成，可建立目標醇的三級碳骨架。接著以乙基化試劑將醇轉成乙醚。

合成步驟：

1. **製備苯乙酮：**苯與乙醯氯進行傅–克醯化。

   $\mathrm{C_6H_6 \xrightarrow{CH_3COCl,\ AlCl_3} PhCOCH_3}$

2. **製備環丁基格氏試劑：**環丁醇先以三溴化磷轉成溴環丁烷，再與鎂反應。

   $\mathrm{cyclobutanol \xrightarrow{PBr_3} bromocyclobutane \xrightarrow{Mg,\ ether} cyclobutylMgBr}$

3. **形成三級醇：**環丁基格氏試劑加成至苯乙酮，酸性處理後得到三級醇。

核心觀念

一般 $^{13}\mathrm{C}$ NMR 會顯示所有碳；DEPT 則依碳上的氫數目區分訊號：

• DEPT-90：只顯示 $\mathrm{CH}$。
• DEPT-135：$\mathrm{CH}$、$\mathrm{CH_3}$ 向上，$\mathrm{CH_2}$ 向下。
• 四級碳 $C_q$ 在兩種 DEPT 中都不出現。

解題方法

圖中有兩個烯碳訊號，約在 $\delta 131.21$ 與 $124.79$；前者沒有出現在 DEPT，後者則在 DEPT-90 中出現，表示前者是沒有氫的四級烯碳，後者是烯烴 $\mathrm{CH}$。其餘訊號的 DEPT-90 訊號則對應另一個脂肪族 $\mathrm{CH}$。因此，整個分子有兩個 $\mathrm{CH}$，並包含一個四級烯碳。

選項分析

核心觀念

本題考酸催化的頻哪醇重排（pinacol rearrangement）。鄰二醇中的一個羥基先質子化並以水離去，鄰近碳上的碳碳鍵接著遷移至形成的碳正離子；另一個羥基則形成羰基。若遷移的是環上的碳碳鍵，會造成環擴大。

解題方法

圖中起始物是相鄰的二醇：環上的碳連有一個羥基，旁邊的碳連有一個羥基及兩個甲基。產物是六員環酮，羰基位於原本帶羥基的環碳，旁邊的環碳帶有兩個甲基。

先讓帶兩個甲基的三級碳所連羥基質子化。水離去後，該三級碳形成碳正離子；接著，原環上的一條碳碳鍵遷移至此碳正離子，使五員環擴大為六員環，同時原環羥基的氧形成羰基。最後去質子化，得到中性酮。

機構步驟

1. **質子化羥基：**硫酸提供質子，使帶兩個甲基的碳上的羥基轉成 $\mathrm{-OH_2^+}$，提高其離去能力。

解題方法

圖中底物含有一個鏈內烯烴與一個環氧基；環氧基較多取代的碳連有兩個甲基。試劑為 $\mathrm{H_2SO_4}$、$\mathrm{H_2O}$。產物是六員環，帶有環外雙鍵與環上的羥基。

先辨認酸催化環氧基開環會在哪一端形成較穩定的碳正離子，再追蹤同一分子內的烯烴如何進攻、閉合成環，最後由消除反應形成產物的環外雙鍵。

核心觀念

此反應是酸催化的串聯環化：環氧氧先質子化，環氧基在較多取代端開環，形成較穩定的三級碳正離子；分子內烯烴隨後進攻此碳正離子，形成六員環並在烯烴另一端留下三級碳正離子。最後以消除相鄰環碳上的氫形成環外雙鍵。

環氧氧在開環後保留於分子中，因此產物的 $\mathrm{OH}$ 來自原環氧氧；水在最後提供鹼性作用，移除氫並再生酸。

反應機構

1. 質子化環氧氧
   $\mathrm{H_2SO_4}$ 提供質子，環氧氧接受質子，使環氧鍵更容易斷裂。

核心觀念

本題考查以分子量、紅外光譜（IR）、氫核磁共振（¹H NMR）及碳核磁共振（¹³C NMR）判定醚類結構，並以酸催化醇分子間脫水說明其形成機構。

解題方法

原卷提供的資訊為：反應溶劑是 2-甲氧基乙醇，蒸餾所得高沸點餾分的沸點為 $162^\circ\mathrm{C}$、分子量為 $134$；IR 有 C–O 訊號而沒有 O–H 訊號。¹H NMR 的訊號集中在約 $3.4$–$3.7\ \mathrm{ppm}$，¹³C NMR 約有三組訊號，位於約 $58$、$71$、$72\ \mathrm{ppm}$。

2-甲氧基乙醇的結構是 $\mathrm{CH_3OCH_2CH_2OH}$，分子式為 $\mathrm{C_3H_8O_2}$。兩分子經分子間脫水後，生成分子式為 $\mathrm{C_6H_{14}O_3}$ 的產物：

$$2\,\mathrm{C_3H_8O_2}-\mathrm{H_2O} =\mathrm{C_6H_{14}O_3}$$

其分子量為 $6(12)+14(1)+3(16)=134$，符合質譜數據。IR 沒有 O–H 訊號，表示產物不含醇羥基；配合 C–O 訊號，支持產物是醚。

結構判定與 NMR 指認

產物為二分子 2-甲氧基乙醇脫水形成的對稱醚：

$$\mathrm{CH_3OCH_2CH_2-O-CH_2CH_2OCH_3}$$

此結構有三種化學環境不同的碳，因此 ¹³C NMR 出現三組訊號：

• 約 $58\ \mathrm{ppm}$：甲氧基 $\mathrm{OCH_3}$ 的碳。
• 約 $71$–$72\ \mathrm{ppm}$：兩種與氧相連的 $\mathrm{CH_2}$ 碳；分子對稱性使兩端相同位置的碳彼此等效。

核心觀念

本題考查酸鹼反應與親核取代反應的相容性。醇在酸中質子化後，$\ce{-OH}$ 可轉成較好的離去基 $\ce{H2O}$；但甲氧基負離子 $\ce{CH3O^-}$ 是強鹼，遇到質子化醇會先進行酸鹼中和，不能直接當成反應中的親核試劑。

解題方法

圖中先以 $\ce{H2SO4}$ 處理末端醇，生成帶正電的 $\ce{ROH2+}$；接著加入 $\ce{Na+ OCH3^-}$，目標產物則是末端甲基醚 $\ce{ROCH3}$ 與水。判斷時要檢查第二步的試劑是否能在酸性條件下存留，以及它與質子化醇接觸時最先發生的反應。

甲氧基負離子會先從質子化醇取得質子：

核心觀念

目標產物是甲基正丁基醚，結構為 $\mathrm{CH_3OCH_2CH_2CH_2CH_3}$。適合用威廉森醚合成法製備：讓烷氧負離子對甲基或一級烷基鹵化物進行 $S_\mathrm{N}2$ 取代。由於目標含有甲基與正丁基，兩種斷鍵方向都能設計成有利的 $S_\mathrm{N}2$ 反應。

解題方法

依原圖第 7.1 題，起始物是 1-丁醇；題目先以硫酸將醇質子化，再加入甲醇鈉，目標產物是甲基正丁基醚與水。這種安排會使甲醇鈉先被酸中和，無法有效作為親核試劑，因此應改用能直接進行 $S_\mathrm{N}2$ 取代的反應物搭配。

合成一：以正丁基鹵化物作為親電試劑

讓甲醇鈉攻擊 1-溴丁烷，溴離子離去：

$$\mathrm{CH_3ONa + CH_3CH_2CH_2CH_2Br \longrightarrow CH_3OCH_2CH_2CH_2CH_3 + NaBr}$$