108 年 國立成功大學化學研究所《有機化學》

核心觀念

本題考查 Gabriel 合成法，利用鄰苯二甲醯亞胺（phthalimide）將鹵代烷轉換成純一級胺，反應包括：

1. 鹼促進亞胺氮去質子化。
2. 亞胺負離子對一級鹵代烷進行 $S_\mathrm{N}2$ 反應。
3. 以肼（$H_2NNH_2$）進行肼解，釋放一級胺。

解題方法

首先將烷基溴化物改由溴端書寫：

溴連接的碳為一級碳，因此適合進行 $S_\mathrm{N}2$ 反應。

在 NaOH 作用下，phthalimide 的 $\mathrm{N-H}$ 去質子化，形成具親核性的 phthalimide 負離子：

接著，氮負離子從背面攻擊 $BrCH_2CH_2CH(CH_3)_2$ 的末端碳，溴離子離去，形成 $N$-烷基化產物：

此題考驗的是醯氯（acid chloride）與胺（amine）的反應，以及 LiAlH4 的還原能力。

首先，我們有 CH3CH2COCl，這是一個丙醯氯（propionyl chloride）。
另一個反應物是 CH3CH2CH2NH2，這是一個正丙胺（n-propylamine）。

醯氯非常活潑，其羰基碳是親電的。胺的氮原子帶有孤對電子，是親核的。
胺會進攻醯氯的羰基碳，發生親核醯基取代反應。

反應過程：

1. 胺的氮原子進攻醯氯的羰基碳。
2. 形成一個四面體中間體。
3. 氯離子（Cl-）作為離去基團脫離。
4. 一個質子從胺的氮原子上轉移到氧原子上，或者在鹼性條件下直接形成醯胺。

在沒有額外鹼的情況下，反應會生成一個醯胺（amide）和 HCl。

然而，產生的 HCl 會與胺反應，形成銨鹽，從而消耗掉胺。為了讓反應順利進行，通常需要加入額外的鹼（如三乙胺）來中和 HCl，或者使用過量的胺（胺作為親核試劑，同時也作為鹼）。

題目給出的試劑是 LiAlH4。LiAlH4 是一種非常強的還原劑，它可以將多種官能基還原，包括：

• 醛和酮還原為醇。
• 羧酸還原為伯醇。
• 酯和醯氯還原為伯醇。
• 醯胺還原為胺。

此題考驗的是磺醯氯（sulfonyl chloride）與碘化物（iodide）以及氰化物（cyanide）的反應。

起始物是雙(三氟甲基)亞磺醯氯，結構為 (CF3)2SO2Cl。
第一步試劑是 NaI 在丙酮（acetone）中。
第二步試劑是 NaCN 在 DMF 中。

第一步：NaI, acetone
NaI 在丙酮中的反應是一個典型的 Finkelstein 反應。Finkelstein 反應是利用碘離子（I-）的強親核性，在丙酮這種極性非質子溶劑中，取代氯離子（Cl-）或其他鹵離子。丙酮能溶解 NaI，但 NaI 在丙酮中的溶解度比 NaCl 和 NaBr 低，所以當 NaCl 或 NaBr 生成時，會沉澱出來，將反應推向產物方向。

核心觀念

本題利用分子不飽和度、IR 官能基判定，以及 $^1$H NMR、$^{13}$C NMR 的化學位移、積分值與裂分型式來確定結構。

分子式為 $\mathrm{C_5H_{10}O_2}$，不飽和度為

氧原子不列入計算，因此唯一的不飽和度應為一個羰基。

解題方法

1. 由 IR 判定官能基

圖中在約 $1740\ \mathrm{cm^{-1}}$ 有強烈吸收，代表 $\mathrm{C=O}$。另在約 $1260$ 至 $1100\ \mathrm{cm^{-1}}$ 有多個強吸收，符合酯類的 $\mathrm{C-O}$ 伸縮振動。

光譜中沒有羧酸 $\mathrm{O-H}$ 在 $2500$ 至 $3300\ \mathrm{cm^{-1}}$ 的寬廣吸收，因此化合物為飽和酯：

2. 由 $^1$H NMR 判定氫的排列

核心觀念

判斷兩個立體異構物的關係，先看每個立體中心的組態是否相同，再檢查分子是否具有對稱性。若一個分子含有立體中心，但具有內部對稱面，使其鏡像可與自身重疊，這種分子稱為內消旋化合物（meso compound），整體不具手性。

解題方法

2,4-二氯戊烷的骨架為：

比較兩個立體中心的取代基優先序：氯的優先序最高，氫最低；在碳取代基中，通往另一個含氯碳的方向優先於甲基。因此，題目標示的 $R$、$S$ 分別是依據各中心的 CIP 優先序判定。

核心觀念

本題考查兩個定義：Fischer 投影的空間方向與 CIP 優先序。Fischer 投影中，垂直鍵指向紙面後方，水平鍵指向紙面前方；依優先序 $1\to2\to3$ 判斷旋轉方向時，若最低優先序 $4$ 位在水平鍵上，判定結果須反轉。

解題方法

先將主鏈六個碳沿 Fischer 投影的垂直方向排列，再依各手性中心的 CIP 優先序放置水平取代基。

• **C2：**直接連接的取代基為 Cl、C3 方向、C1 方向與 H。優先序為
  $\mathrm{Cl}> \mathrm{C3\ 方向}> \mathrm{C1\ 方向}> \mathrm{H}$
  因為 C3 方向的碳連接 $\mathrm{C、C、H}$，C1 方向的碳連接 $\mathrm{H、H、H}$。將 Cl 放右、H 放左，配合最低優先序位於水平鍵時反轉，得到 $2S$。

• **C3：**直接連接 C2、C4、甲基與 H。C2、C4 兩側第一層比較相同：各自連接 $\mathrm{Cl、C、H}$。再往外比較，C4 側的 C5 連接 $\mathrm{C、H、H}$，C2 側的 C1 連接 $\mathrm{H、H、H}$，因此優先序為

核心觀念

比較鹼性時，可比較各鹼的共軛酸：共軛酸的 $pK_a$ 越大，該鹼越強。原因是共軛酸越不容易放出質子，其共軛鹼就越容易接受質子。

解題方法

圖中 I 是乙酸乙酯的烯醇負離子共振式，負電荷位於氧上；II 是二異丙基胺基鋰（LDA），結構為 $\big[(CH_3)_2CH\big]_2N^-Li^+$；III 是乙醯丙酮的烯醇負離子共振式，負電荷位於氧上。三者的共軛酸分別為乙酸乙酯、二異丙胺及乙醯丙酮。

比較共軛酸的酸性強弱：

• 二異丙胺的 $pK_a$ 約為 $36$，因此其共軛鹼 II 是強鹼。
• 乙酸乙酯 $\alpha$-氫的 $pK_a$ 約為 $25$，因此 I 的鹼性低於 II。
• 乙醯丙酮的 $pK_a$ 約為 $9$；

核心觀念

本題考連續官能基轉換：氫硼化－氧化使烯烴反馬可尼可夫加成成醇；PCC 將一級醇氧化為醛；甲叉葉立德 $\mathrm{Ph_3P{=}CH_2}$ 再將醛的羰基轉成碳碳雙鍵。關鍵是追蹤各步驟中原有碳原子的去向。

解題方法

圖中起始物是 $\mathrm{CH_2{=}C(CH_3)CH_2CH_2CH_3}$：雙鍵末端為 $\mathrm{CH_2}$，另一個烯碳連接甲基與丙基。

1. $\mathrm{BH_3/THF}$ 後再以 $\mathrm{H_2O_2,\,OH^-}$ 氧化，水合基團加到較少取代的末端烯碳，得到一級醇：
   $\mathrm{HOCH_2CH(CH_3)CH_2CH_2CH_3}$
   原末端烯碳成為 $\mathrm{CH_2OH}$；另一個烯碳加氫後成為 $\mathrm{CH}$。

解題方法

原卷圖中起始物是硝基苯，苯環上只有一個位於頂端的 $\mathrm{NO_2}$；依序使用 $\mathrm{Br_2/FeBr_3}$、$\mathrm{Fe/HCl}$ 後加 $\mathrm{NaOH}$、$\mathrm{NaNO_2/HCl}$（水中、$0^\circ\mathrm{C}$），最後以 $\mathrm{CuCl}$ 反應。圖中沒有楔形鍵、虛線鍵或其他取代基。

核心觀念

本題考芳香環親電取代的定位效應、硝基還原成胺，以及重氮鹽的 Sandmeyer 反應。硝基是間位定位基；芳香胺經重氮化形成芳香重氮鹽後，可由 $\mathrm{CuCl}$ 將重氮基置換成氯。

解題步驟

1. **溴化定位：**硝基使苯環上的鄰位與對位較不利，因此在 $\mathrm{FeBr_3}$ 催化下，溴主要進入相對於硝基的間位，生成間溴硝基苯。

核心觀念

本題考查芳香族親電子取代反應的定位效應，以及甲基苯側鏈氧化。羧基（$-\mathrm{COOH}$）是強去活化、間位定位基；因此要先把甲苯的甲基氧化成羧基，再進行芳香環溴化，讓新引入的溴主要位於羧基的間位。

解題方法

**第一步：將甲苯側鏈氧化成羧基。**以熱、高錳酸鉀水溶液氧化甲苯，反應後酸化，得到苯甲酸。芳香環上的甲基具有苄位氫，可被強氧化劑氧化為羧基。甲苯氧化為苯甲酸的反應說明

**第二步：使苯甲酸進行芳香族溴化。**以 $\mathrm{Br_2/FeBr_3}$ 進行芳香族親電子取代反應。羧基會使苯環去活化，並導引新取代基進入間位，因此生成間溴苯甲酸。