114 年 國立臺灣大學高分子科學與工程學研究所乙組《有機化學(B)》

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第 1 題3 分

(1) Which of the following will not undergo catalytic reduction in the presence of H2 and metal catalyst?
(A) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(B) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(C) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(D) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

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這一題的完整詳解

催化氫化反應(catalytic hydrogenation)是利用氫氣(H2)在金屬催化劑(如 Pd, Pt, Ni)的存在下,將不飽和鍵(如 C=C, C≡C, C=O, C=N)還原為飽和鍵。

(A) 圖片為一個環己酮,其中含有羰基(C=O)。羰基在催化氫化條件下可以被還原成醇。
(B) 圖片為一個氰基(C≡N)。氰基在催化氫化條件下可以被還原成胺。
(C) 圖片為一個苯環。

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第 2 題3 分

(2) Which of the following compounds would show the longest wavelength λmax\lambda_{max} in its UV spectrum?
(A) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(B) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(C) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(D) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

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這一題的完整詳解

UV-Vis 光譜中 λmax\lambda_{max} 的長短與電子躍遷的能量有關。π → π* 躍遷的能量越低,λmax\lambda_{max} 越長。影響 π → π* 躍遷能量的因素主要包括:

  1. 共軛體系的範圍:共軛體系越長,π 電子離域範圍越大,HOMO-LUMO 能隙越小,λmax\lambda_{max} 越長。
  2. 取代基的影響:給予電子基團(electron-donating group, EDG)或吸取電子基團(electron-withdrawing group, EWG)可以改變分子的電子分佈,進而影響能隙。

我們來分析各選項的結構:
(A) 含有一個苯環,π 共軛體系範圍有限。
(B) 含有一個苯環,並與一個羰基(C=O)共軛。

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第 3 題3 分

(3) The best reagents for accomplishing the below transformation are:
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(A) 1. OsO4, pyridine; 2. NaHSO3, H2O
(B) 1. Hg(OAc)2, H2O; 2. NaBH4
(C) 1. RCO3H, CH2Cl2; 2. H3O+
(D) 1. BH3, THF; 2. H2O2, -OH

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此題考驗對烯烴(alkene)官能基轉化的反應試劑的掌握。題目給出的反應是將一個環己烯衍生物轉化為一個1,2-二醇。具體來說,起始物是一個具有兩個甲基取代的環己烯,目標產物是一個具有兩個羥基(-OH)的1,2-二醇。

我們來分析各個選項提供的試劑組:
(A) 1. OsO4, pyridine; 2. NaHSO3, H2O
OsO4 (四氧化鋨) 在吡啶(pyridine)溶劑中,會將烯烴氧化生成順式-1,2-二醇(syn-1,2-diol)。隨後用 NaHSO3 或 Na2SO3 處理,可以將過量的 OsO4 還原,並水解中間產物。這個反應是合成順式-1,2-二醇的經典方法。

(B) 1. Hg(OAc)2, H2O; 2. NaBH4
這是羥汞化-脫汞反應(oxymercuration-demercuration)。第一步 Hg(OAc)2, H2O 會在烯烴上進行馬氏規則(Markovnikov)的加成,形成一個環狀汞中間體,然後水分子進攻,生成一個羥基。第二步 NaBH4(硼氫化鈉)是溫和的還原劑,用於脫去汞。這個反應最終會生成醇,但通常是馬氏規則加成產物,並且是反馬氏規則(anti-Markovnikov)的加水反應。對於對稱烯烴,會生成一個醇;對於不對稱烯烴,則按照馬氏規則加成。此題的目標是生成二醇。

(C) 1. RCO3H, CH2Cl2; 2. H3O+
RCO3H 是過氧酸(peroxy acid),如 m-CPBA。第一步過氧酸會與烯烴反應生成環氧化物(epoxide)。第二步用 H3O+ (酸性水溶液) 處理環氧化物,會發生酸催化的開環反應,生成反式-1,2-二醇(anti-1,2-diol)。

(D) 1. BH3, THF; 2. H2O2, -OH
BH3·THF (硼烷) 在烯烴上進行硼氫化(hydroboration),進行反馬氏規則的加成,將硼原子加到較少取代的碳上,氫原子加到較多取代的碳上。

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第 4 題3 分

(4) Choose the BEST reagent for carrying out each of the following conversions.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(A) (C6H5)3P=CHC6H5, THF
(B) 1. PhCH2MgBr, ether; 2. H3O+
(C) 1. PhMgBr, ether; 2. H3O+
(D) Li(C6H5)2Cu, ether

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核心觀念

本題考查酮的羰基轉換反應。起始物為環己酮,產物是將羰基的 C=OC=O 轉換成帶有苯基的碳碳雙鍵:

環己酮⟶環己烷環−C=CHC6H5\text{環己酮} \longrightarrow \text{環己烷環}-C=CHC_6H_5

Wittig 反應的一般形式為:

R2C=O+Ph3P=CHR′⟶R2C=CHR′+Ph3P=OR_2C=O+\mathrm{Ph_3P=CHR'} \longrightarrow R_2C=CHR'+\mathrm{Ph_3P=O}

其中鏻葉立德 Ph3P=CHC6H5\mathrm{Ph_3P=CHC_6H_5} 提供 =CHC6H5\mathrm{=CHC_6H_5},可將酮的羰基氧取代為碳碳雙鍵。

解題方法

觀察產物可知:

  1. 起始物的羰基氧消失。
  2. 原羰基碳仍位於環上。
  3. 原羰基碳與 CHC6H5\mathrm{CHC_6H_5} 形成碳碳雙鍵。

因此必須選擇能進行羰基烯化的 Wittig 試劑:

環己酮+Ph3P=CHC6H5→環己烷環−C=CHC6H5+Ph3P=O\text{環己酮}+\mathrm{Ph_3P=CHC_6H_5} \rightarrow \text{環己烷環}-C=CHC_6H_5+\mathrm{Ph_3P=O}

選項分析

  • (A) (C6H5)3P=CHC6H5, THF\mathrm{(C_6H_5)_3P=CHC_6H_5,\ THF}:正確

    這是穩定型鏻葉立德,可與環己酮進行 Wittig 反應,將羰基 C=OC=O 轉換成:

    C=CHC6H5\mathrm{C=CHC_6H_5}

    正好生成題目所示的烯烴產物。

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第 5 題3 分

Which of the following methods of preparation of amines can be used to prepare primary, secondary, and tertiary amines?

(A) reduction of a nitrile
(B) Gabriel synthesis from an alkyl halide
(C) reduction amination of a ketone
(D) Hofmann rearrangement of an amide

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核心觀念

本題考查各種胺類製備反應的產物級數。胺依氮原子所連接的碳基數目分類:

  • 一級胺:氮連接一個碳基,通式 RNH2RNH_2
  • 二級胺:氮連接兩個碳基,通式 R2NHR_2NH
  • 三級胺:氮連接三個碳基,通式 R3NR_3N

判斷各方法時,關鍵是看反應能否藉由選擇含氮反應物,分別導入一、二、三個碳基。

解題方法

逐一檢視各方法的產物範圍,找出能依含氮起始物的種類調整胺級數的方法。還原胺化中,酮先與含氮化合物形成亞胺或亞胺鎓離子,再經還原得到胺;使用不同級數的含氮化合物,能得到不同級數的胺。

選項分析

(A) 腈的還原:錯誤

腈還原時,C≡NC \equiv N 中的氮留在產物,主要生成一級胺:

R−C≡N→還原R−CH2−NH2R-C \equiv N \xrightarrow{\text{還原}} R-CH_2-NH_2

此方法不能直接製備二級胺與三級胺。

(B) Gabriel 合成:錯誤

Gabriel 合成以鄰苯二甲醯亞胺陰離子取代烷基鹵化物,再經水解或肼解釋放胺,產物為一級胺:

R−X⟶R−NH2R-X \longrightarrow R-NH_2
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第 6 題3 分

Rank the following monomers in order of increasing reactivity toward anionic polymerization (least reactive to most reactive).

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

(A) III, II, IV, I
(B) II, III, I, IV
(C) I, IV, III, II
(D) IV, III, II, I

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核心觀念

  1. 陰離子聚合反應機制(Anionic Polymerization Mechanism):
    陰離子聚合的鏈起始(initiation)與鏈成長(propagation)步驟,本質上皆為親核試劑(nucleophile)或增長中的碳陰離子(carbanion)對單體碳-碳雙鍵的親核加成反應(nucleophilic addition)。
  2. 單體反應活性決定因素:
    • 雙鍵的親電性(Electrophilicity):雙鍵碳上若接有吸電子基(electron-withdrawing group, EWG),會降低雙鍵的最低未佔據分子軌域(LUMO)能階,使雙鍵電子雲密度降低、親電性增加,有利親核試劑進攻。
    • 增長端碳陰離子的穩定度(Carbanion Stability):親核加成生成的碳陰離子越穩定,反應的活化能就越低、反應速率越快。吸電子基透過誘導效應(−I-I)與共振效應(−M/−R-M/-R)將負電荷有效分散與離域,可大幅提升聚合活性;反之,推電子基(electron-donating group, EDG)會使碳陰離子不穩定,大幅降低陰離子聚合活性。

解題方法

依原卷附圖(page 2 第 6 題),圖中各單體結構與取代基性質如下:

  • (I) 丙烯(propylene):結構為 CH2=CH−CH3\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}_3,雙鍵碳上接有一個甲基(−CH3-\text{CH}_3)。
  • (II) 2-氰基丙烯酸甲酯(methyl 2-cyanoacrylate):結構為 CH2=C(CN)CO2CH3\text{CH}_2=\text{C}(\text{CN})\text{CO}_2\text{CH}_3,同一個雙鍵碳上同時接有氰基(−CN-\text{CN})與甲酯基(−CO2CH3-\text{CO}_2\text{CH}_3)。
  • (III) 丙烯酸甲酯(methyl acrylate):結構為 CH2=CH−CO2CH3\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CO}_2\text{CH}_3,雙鍵碳上接有一個甲酯基(−CO2CH3-\text{CO}_2\text{CH}_3)。
  • (IV) 氯乙烯(vinyl chloride):結構為 CH2=CH−Cl\text{CH}_2=\text{CH}-\text{Cl},雙鍵碳上接有一個氯原子(−Cl-\text{Cl})。

活性由低至高(least reactive to most reactive)之比較分析:

  1. (I) 丙烯(活性最低):
    甲基具推電子的誘導效應(+I+I)與超共軛效應(hyperconjugation),使雙鍵電子雲密度增加,不利親核進攻;且生成的碳陰離子中間體 ∼CH2−CH−−CH3\sim\text{CH}_2-\text{CH}^--\text{CH}_3 為推電子基所去穩定化,一般條件下無法進行陰離子聚合,在四者中活性最低。
  2. (IV) 氯乙烯:
    氯原子電負度高,具吸電子的誘導效應(−I-I),雙鍵電子雲密度略低於丙烯,對陰離子加成較丙烯有利;然而氯原子僅具微弱的誘導吸電子效應,缺乏能藉由共振有效分散負電荷的不飽和共軛結構,且反應中容易發生 β\beta-消除副反應脫去氯離子,故活性遠低於含有共振吸電子基的酯類或氰基單體。活性大小為 I<IV\text{I} < \text{IV}。
  3. (III) 丙烯酸甲酯:
    酯基(−CO2CH3-\text{CO}_2\text{CH}_3)為強吸電子共軛基(−M-M)與誘導吸電子基(−I-I)。
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第 7 題3 分

What is the order of decreasing reactivity towards nucleophilic acyl substitution for the carboxylic acid derivatives? (most reactive first)

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

(A) I, II, III, IV
(B) I, III, IV, II
(C) II, IV, III, I
(D) II, I, III, IV

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核心觀念

羧酸衍生物進行親核醯基取代時,親核試劑進攻羰基碳,接著離去基離開。反應性主要取決於兩點:羰基碳的親電性,以及離去基的穩定性。離去基越穩定、越容易離去,通常反應性越高;若取代基能以共振有效供電子,則會降低羰基碳的親電性。

解題方法

依原卷圖辨認,(I) 是乙酸酐,(II) 是 N,NN,N-二甲基乙醯胺,(III) 是乙酸甲酯,(IV) 是 2-甲基丙酸甲酯。先依官能基比較反應性,再比較兩個酯:酐的離去基較穩定,醯胺因氮原子的共振供電子而反應性最低;兩個酯中,(IV) 的羰基旁有較大的異丙基,立體阻礙較大,且烷基供電子較強,因此比 (III) 不易受親核進攻。

反應性排序

  • (I) 乙酸酐:最活潑。 親核取代後可離去的乙酸根具有共振穩定,離去能力佳。
  • (III) 乙酸甲酯:比 (IV) 活潑。 羰基周圍立體阻礙較小,烷基供電子效應也較弱。
  • (IV) 2-甲基丙酸甲酯:比 (III) 不活潑。 羰基旁的異丙基造成較大立體阻礙,且烷基供電子會降低羰基碳的親電性。
  • **(II) N,NN,N-二甲基乙醯胺:最不活潑。
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第 8 題3 分

Which of the following could successfully undergo a Friedel-Crafts alkylation? Assume an appropriate catalyst.

(A) chlorobenzene reacting with benzene
(B) 2-chloroethene reacting with benzene
(C) 2-chloropropane reacting with benzaldehyde
(D) 2-chlorobutane reacting with benzene

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核心觀念

傅–克烷基化屬於親電芳香取代反應,反應需要兩個條件:

  1. 芳香環要有足夠的親核性,能進攻親電試劑。
  2. 烷基化試劑要能形成有效的親電物種,常由烷基鹵化物在路易士酸催化下產生碳正離子或具類似反應性的複合物。

芳香環上的強吸電子基會降低環的反應性;烯基鹵化物則不易形成穩定的烯基碳正離子。

解題方法

逐項確認反應物中是否同時具備可反應的芳香環與可提供烷基的試劑:

  • 芳香環是否受到強烈去活化?
  • 鹵素是否連在烷基碳上?若連在芳香環或烯基碳上,通常無法提供所需的烷基親電物種。

選項分析

(A) 氯苯與苯:錯誤。
氯苯是芳香族鹵化物,氯原子直接連在芳香環上,不能像烷基鹵化物那樣產生烷基親電物種。此組反應物也沒有提供烷基的試劑,因此不能進行傅–克烷基化。

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第 9 題3 分

Consider the two lines shown on the energy diagram below. In an SN2S_\mathrm{N}2 reaction, these compare the effect of the:

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

(A) substrate.
(B) nucleophile.
(C) leaving group.
(D) solvent.
(E) nucleophile or solvent.
(F) substrate or leaving group.

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 2 頁

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核心觀念

本題考查以反應座標圖辨認影響 SN2S_\mathrm{N}2 反應能量變化的因素。活化自由能為反應物與過渡態之間的能量差:

ΔG‡=GTS−Greactants\Delta G^\ddagger = G_{\mathrm{TS}} - G_{\mathrm{reactants}}

在 SN2S_\mathrm{N}2 反應中,底物的位阻會影響過渡態形成的難易;離去基的能力也會影響過渡態的穩定程度,因此兩者會改變活化能障。

解題方法

圖中縱軸為能量、橫軸為反應進程;兩條曲線的反應物起始能量相同,但過渡態峰高不同,反應終點能量也不同。依本題反應座標圖的分類,應選擇主要改變過渡態能障的因素。

底物位阻較大時,親核試劑由背面進攻形成過渡態較困難;離去基能力較佳時,離去部分較容易脫離,有助於降低過渡態能障。因此,影響符合圖中差異的是底物或離去基。

選項分析

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第 10 題3 分

The following spectrum is representative of which of the following types of compounds?

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

(A) nitrile
(B) aldehyde
(C) carboxylic acid
(D) alcohol
(E) halide

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核心觀念

紅外光譜(IR)利用分子鍵結的振動吸收特定波數的紅外光。縱軸是透射率,吸收越強,光譜上的向下谷峰越明顯;判讀時可先找特徵官能基峰,再用其他峰交叉確認。

解題方法

圖中橫軸為波數,範圍約 40004000 至 500 cm−1500\ \text{cm}^{-1},縱軸為透射率。最具辨識力的訊號是在約 2200 cm−12200\ \text{cm}^{-1} 附近出現的尖銳吸收峰,符合腈基 C≡NC\equiv N 的伸縮振動特徵。

選項分析

  • (A) nitrile(腈)—正確。 腈基的 C≡NC\equiv N 伸縮振動通常在約 22102210–2260 cm−12260\ \text{cm}^{-1} 出現尖銳吸收峰,與圖中約 2200 cm−12200\ \text{cm}^{-1} 的峰相符。
  • (B) aldehyde(醛)—錯誤。 醛類通常有羰基 C=OC=O 吸收峰,約在 1700 cm−11700\ \text{cm}^{-1} 附近,並常在 27002700–2850 cm−12850\ \text{cm}^{-1} 出現醛基氫訊號;
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第 11 題40 分

Please provide the structure of the major product(s) in the reactions below.

(A) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

  1. HNO3HNO_3, H2SO4H_2SO_4
  2. 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

(B) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

  1. BH3BH_3, THF
  2. H2O2H_2O_2, NaOH, H2OH_2O

(C) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

  1. 2 equiv. NaOEt, EtOH
  2. 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

(D) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

  1. LiAlH4_4, ether
  2. H3O+H_3O^+

(E) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

  1. NaCN, acetone
  2. H3O+H_3O^+, heat

(F) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

  1. O3O_3
  2. Zn, H3O+H_3O^+

(G) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

  1. Hg(O2_2CCF3_3)2_2, (CH3_3)3_3COH
  2. NaBH4_4

(H) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

  1. HNO3HNO_3, H2SO4H_2SO_4
  2. H2H_2/Pd
🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

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這一題的完整詳解

本題出自國立臺灣大學 114 學年度碩士班招生考試「高分子科學與工程學研究所乙組」之《有機化學(B)》第 11 題,題目要求寫出 8 個有機反應(A)~(H)的主要產物結構。


核心觀念

本題涵蓋有機化學的核心反應類型與合成策略,重點測驗以下主題:

  1. 芳香族取代與重氮鹽化學:苯胺的亞硝酸重氮化與弱親電性重氮鹽的偶合反應(Azo coupling);芳香酮的親電芳香取代(EAS)間位定位效應及硝基的化學選擇性催化加氫還原。
  2. 炔烴與烯烴的立體/位向加成反應:末端炔烴的硼氫化-氧化(反馬氏規則生成醛);外環雙鍵烯烴的溶劑汞化-去汞化反應(馬氏規則、無重排生成醚類)。
  3. 烯醇化負離子與丙二酸酯合成:雙活化亞甲基的兩次烷基化與分子內環化(環戊烷化合物合成)。
  4. 羧酸衍生物與有機合成轉化:六員環內酯的氫化鋁鋰(LiAlH4\mathrm{LiAlH_4})還原開環生成二醇;苄基鹵化物的親核取代(SN2\mathrm{S_N2})與腈基的水解;稠環烯烴的選擇性還原臭氧化裂解(保持芳香環完整性)。

解題方法

經仔細檢視考卷原題圖檔,各小題關鍵圖形資訊如下:

  • (A):反應物為對硝基苯胺(pp-nitroaniline),試劑 1 為 HNO2,H2SO4\mathrm{HNO_2, H_2SO_4}(形成重氮鹽),試劑 2 為苯酚(C6H5OH\mathrm{C_6H_5OH})。
  • (B):反應物為苯乙炔(phenylacetylene),進行末端炔烴的硼氫化-氧化。
  • (C):反應物為丙二酸二乙酯(diethyl malonate),試劑為 2 當量 NaOEt\mathrm{NaOEt} 及五個鍵段的 1,4-二溴丁烷(Br(CH2)4Br\mathrm{Br(CH_2)_4Br})。
  • (D):反應物為六員環內酯(δ\delta-己內酯衍生物,6-甲基四氫-2H-吡喃-2-酮),以 LiAlH4\mathrm{LiAlH_4} 還原開環。
  • (E):反應物為溴化苄(benzyl bromide),經氰化及酸水解。
  • (F):反應物為 2-甲基-1,4-二氫萘(稠合苯環與雙鍵環己烯),經臭氧化還原處理。
  • (G):反應物為亞甲基環己烷,以強親電性三氟乙酸汞與叔丁醇進行烷氧汞化-去汞化。
  • (H):反應物為苯乙酮,經混酸硝化與鈀催化加氫。

各小題詳細反應解析

(A) 對硝基苯胺之重氮化與重氮偶合反應

  1. 反應步驟與機轉:
    • 步驟 1(重氮化):一級芳香胺(對硝基苯胺)在酸性低溫(0∼5 ∘C0\sim 5\ ^\circ\mathrm{C})下與亞硝酸(HNO2/H2SO4\mathrm{HNO_2 / H_2SO_4})反應,一級胺基(−NH2-\mathrm{NH_2})轉化為具親電性的重氮陽離子(−N2+-\mathrm{N_2^+}),生成 4-硝基苯重氮鹽(4-nitrobenzenediazonium salt)。
    • 步驟 2(重氮偶合):重氮陽離子作為弱親電試劑,進攻富電子的苯酚環進行親電芳香取代(SEAr\mathrm{S_EAr})。苯酚的酚羥基(−OH-\mathrm{OH})為強活化鄰對位定位基,由於對位(para)的立體阻礙顯著小於鄰位,重氮偶合專一性地發生在苯酚的對位。
  2. 產物結構:
    產物為偶氮染料 4-[(4-硝基苯基)偶氮]苯酚(4-(4-nitrophenylazo)phenol,亦稱對位硝基偶氮苯酚):
    p-O2N−C6H4−N=N−C6H4-OHp\text{-}\mathrm{O_2N-C_6H_4-N=N-C_6H_4\text{-}OH}

(B) 苯乙炔之硼氫化-氧化反應

  1. 反應步驟與機轉:
    • 步驟 1(硼氫化):BH3\mathrm{BH_3} 與末端炔烴進行順式加成(syn-addition)。由於硼原子較大且具立體阻礙,硼原子專一性加成在立體阻礙較小、取代度較低的末端碳原子上,生成反馬氏(anti-Markovnikov)烯基硼烷中間體:PhCH=CH−BH2\mathrm{PhCH=CH-BH_2}。
    • 步驟 2(氧化與互變異構化):在鹼性雙氧水(H2O2,NaOH\mathrm{H_2O_2, NaOH})條件下,碳-硼鍵氧化水解為烯醇(enol):PhCH=CH−OH\mathrm{PhCH=CH-OH}。該烯醇隨即自發且迅速進行酮-烯醇互變異構化(tautomerization),形成更穩定的醛。
  2. 產物結構:
    產物為 苯乙醛(Phenylacetaldehyde / 2-phenylethanal):
    PhCH2CHO\mathrm{PhCH_2CHO}

(C) 丙二酸二乙酯之雙烷基化分子內成環反應

  1. 反應步驟與機轉:
    • 步驟 1:丙二酸二乙酯的中央亞甲基氫(α-H\alpha\text{-H})受到兩側酯羰基共軛拉電子活化,pKa≈13\mathrm{p}K_a \approx 13。第一當量 NaOEt\mathrm{NaOEt} 去質子化生成高共振穩定的碳負離子。
    • 步驟 2:碳負離子與 1,4-二溴丁烷(BrCH2CH2CH2CH2Br\mathrm{BrCH_2CH_2CH_2CH_2Br})發生分子間 SN2\mathrm{S_N2} 取代,引入四碳鏈端溴基:(EtO2C)2CH−(CH2)4−Br\mathrm{(EtO_2C)_2CH-(CH_2)_4-Br}。
    • 隨後第二當量 NaOEt\mathrm{NaOEt} 奪取同一個 α\alpha 碳上的第二個質子,生成分子內碳負離子,並迅速對末端碳(−CH2Br-\mathrm{CH_2Br})進行分子內 SN2\mathrm{S_N2} 親核取代,閉環形成熱力學與動力學皆極有利的五員環(環戊烷)。
  2. 產物結構:
    產物為 環戊烷-1,1-二甲酸二乙酯(Diethyl cyclopentane-1,1-dicarboxylate):
    環戊烷環的 1 號碳上連接兩個乙氧羰基(−CO2Et-\mathrm{CO_2Et} 或 −COOCH2CH3-\mathrm{COOCH_2CH_3})。

(D) 六員環內酯之還原開環反應

  1. 反應步驟與機轉:
    • 讀圖辨識:原卷結構為六員環內酯(δ\delta-內酯,6-甲基四氫-2H-吡喃-2-酮),骨架包含 5 個環碳原子(其中 2 號位為羰基碳,6 號位連有甲基)及 1 個環氧原子。
    • 步驟 1(LiAlH4\mathrm{LiAlH_4} 還原):氫負離子(H−\mathrm{H}^-)進攻羰基碳(C2C_2),經四面體中間體瓦解導致內酯的碳-氧鍵斷裂開環,釋放出烷氧負離子端;第二個氫負離子再度進攻形成的醛基中間體,將其徹底還原至一級醇鹽。
    • 步驟 2(酸淬滅):H3O+\mathrm{H_3O^+} 質子化後,羰基端轉化為一級醇(−CH2OH-\mathrm{CH_2OH}),而原本接在環氧上的 6 號位碳則保留甲基與生成之二級羥基(−CH(OH)CH3-\mathrm{CH(OH)CH_3})。整個產物具有 6 個碳的直鏈。
  2. 產物結構:
    產物為 1,5-己二醇(1,5-Hexanediol):
    HO−CH2−CH2−CH2−CH2−CH(OH)−CH3\mathrm{HO-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH(OH)-CH_3}

(E) 溴化苄之氰化與酸催化水解反應

  1. 反應步驟與機轉:
    • 步驟 1(SN2\mathrm{S_N2} 氰化):溴化苄(PhCH2Br\mathrm{PhCH_2Br})為一級苄基鹵化物,位阻小且受鄰近苯環共軛過渡態穩定,在丙酮中與氰化鈉(NaCN\mathrm{NaCN})快速進行 SN2\mathrm{S_N2} 親核取代,生成苯乙腈(PhCH2CN\mathrm{PhCH_2CN})。
    • 步驟 2(酸催化水解):在強酸水溶液中加熱(H3O+,Δ\mathrm{H_3O^+}, \Delta),腈基(−C≡N-\mathrm{C\equiv N})先水合為醯胺中間體,進一步徹底水解為羧基(−COOH-\mathrm{COOH})並釋出副產物銨離子(NH4+\mathrm{NH_4^+})。
  2. 產物結構:
    產物為 苯乙酸(Phenylacetic acid / 2-phenylethanoic acid):
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第 12 題12 分

Draw structures corresponding to each of the given names.

(A) (2EE,4EE)-5-ethyl-6-methyl-2,4-heptadiene
(B) N-methyl pyrrole
(C) 1-ethynyl-2-methylcyclopentane
(D) 3,4-diethylcyclohexanoic acid

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核心觀念

本題考查將系統命名轉換為結構式,需依序辨認母體、主鏈編號、不飽和鍵位置、取代基位置,以及必要的立體化學資訊。

  • 主鏈與編號:依名稱指定的母體及位置號碼畫出碳骨架,再補上取代基。
  • 雙鍵立體化學:EE 表示雙鍵兩端各自優先序較高的取代基位於雙鍵兩側。判斷優先序時,依原子序逐層比較。
  • 環狀結構:先畫出指定環,再按編號放置取代基。
  • 羧酸命名:羧基接在環上時,環上與羧基相連的碳定為第 1 位;後續取代基依此編號。

解題方法與各小題結構

(A) (2EE,4EE)-5-ethyl-6-methyl-2,4-heptadiene

母體為七碳鏈,雙鍵在第 2、4 位;第 5 位接乙基,第 6 位接甲基。因此骨架為:

CH3−CH=CH−CH=C(CH2CH3)−CH(CH3)−CH3\mathrm{CH_3-CH=CH-CH=C(CH_2CH_3)-CH(CH_3)-CH_3}

第 2 位雙鍵兩端的高優先序基團是第 1 位碳鏈與第 4 位碳鏈,依 2E2E 配置分居雙鍵兩側。第 4 位雙鍵的第 5 位碳上,通往第 6 位的碳鏈優先於乙基;依 4E4E 配置,這兩端的高優先序基團也分居雙鍵兩側。

帶立體化學的 SMILES 表示為:

C/C=C/C=C(/CC)/C(C)C

(B) N-methyl pyrrole

吡咯是五員芳香環,含一個氮原子。NN-methyl 表示甲基接在環氮上:

       CH3
        |
        N
      /   \
    CH     CH
    ||     ||
    CH ─── CH

芳香 SMILES 表示為:Cn1cccc1

(C) 1-ethynyl-2-methylcyclopentane

先畫五員環,將乙炔基接在第 1 位碳,甲基接在相鄰的第 2 位碳。乙炔基為環碳連接 −C≡CH\mathrm{-C\equiv CH}:

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第 13 題6 分

Poly(ethylene terephthalate), PET, is the polymeric material of Mylar® and Dacron®. What are the monomers from which PET is prepared?

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 4 頁

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核心觀念

PET 是由二元醇與二元羧酸進行縮合聚合,形成聚酯。辨認單體時,可沿著聚合物重複單元中的酯鍵拆解,還原出原本的醇與羧酸。

解題方法

圖中的重複單元為 −O−CH2CH2−O−C(=O)−C6H4−C(=O)−-\mathrm{O-CH_2CH_2-O-C(=O)-C_6H_4-C(=O)-};苯環上的兩個羰基位於對位。沿酯鍵拆開後,含有兩個氧的鏈段還原成二元醇,含有對位苯環與兩個羰基的部分還原成二元羧酸:

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第 14 題8 分

What Grignard reagent and carbonyl compound can be used to prepare the antidepressant venlafaxine (trade name Effexor)?

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 4 頁

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核心觀念

格氏試劑 R−MgBr\mathrm{R{-}MgBr} 的碳端具有親核性,能加成至酮的羰基碳;酸性處理後,羰基氧轉為羥基,並在羰基碳與格氏試劑的碳之間形成新的碳碳鍵。

解題方法

圖中的 venlafaxine 結構是環己醇:帶有羥基的環上碳,同時連接側鏈 −CH(4 ⁣− ⁣MeOC6H4)CH2N(CH3)2\mathrm{-CH(4\!-\!MeOC_6H_4)CH_2N(CH_3)_2}。逆向拆解該環上碳與側鏈之間的碳碳鍵,將環上羥基碳視為原本的羰基碳,對應的羰基化合物就是環己酮;側鏈則由格氏試劑提供:

4 ⁣− ⁣MeOC6H4CH(MgBr)CH2N(CH3)2\mathrm{4\!-\!MeOC_6H_4CH(MgBr)CH_2N(CH_3)_2}
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第 15 題4 分

One step in the synthesis of the nonsteroidal anti-inflammatory drug rofecoxib (trade name Vioxx) involves Suzuki coupling of A and B. What product is formed in this reaction?

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 4 頁

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核心觀念

Suzuki 偶聯會把有機鹵化物上的碳–鹵鍵,轉換成碳–碳鍵:底物 A 的溴所在碳,與硼酸 B 中原本連接硼酸基的芳香環碳相連。B 的硼酸基被置換,芳香環上的其他取代基則保留。

解題方法

圖中 A 是含內酯的五員環:靠近羰基的環碳連有苯基,下一個環碳連有 Br;B 是對位帶有甲硫基(−SCH3-\mathrm{SCH_3})的苯硼酸。依 Suzuki 偶聯的成鍵位置,將 A 的 C–Br 鍵改為該環碳與 B 芳香環碳之間的 C–C 鍵。

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