111 年國立成功大學化學研究所《有機化學》考古題與詳解

Question 1

The following structure is: A) cis-1,3-dimethylcyclohexane B) trans-1,3-dimethylcyclohexane C) cis-1,4-dimethylcyclohexane D) trans-1,4-dimethylcyclohexane

Accepted Answer

此題考查對環己烷結構中取代基相對位置的命名判斷。

首先，我們需要辨識出分子中的環己烷骨架，以及兩個甲基（CH₃）取代基的位置。從結構圖中可以看出，兩個甲基取代基分別連接在環己烷的1號和3號碳原子上。

接下來，我們需要判斷這兩個甲基取代基相對於環平面的相對位置。在環己烷的椅式構象中，每個碳原子上都有一個軸向（axial）鍵和一個平伏鍵（equatorial）鍵。椅式構象中，1,3-取代的兩個基團，如果一個在上方（up），另一個也在上方，則為順式（cis）；

Question 2

Which isomer of 1-tert-butyl-3-ethyl-5-methylcyclohexane below is thermodynamically the most stable? A) A B) B C) C D) D

Accepted Answer

核心觀念 本題考查環己烷椅式構形的穩定性： - 取代基位於赤道位置，比位於軸向位置穩定。 - 軸向取代基會產生 $1,3$-diaxial interaction。 - 取代基體積越大，置於軸向所造成的不穩定越明顯；偏好赤道位置的程度為 $$\mathrm{tert\!-\!Bu}\mathrm{ethyl}\approx\mathrm{methyl}.$$ - 翻椅時，取代基的上、下方向不變，但軸向與赤道位置互換。 解題方法 三個取代基位於 $1,3,5$ 位。此排列具有特殊性：若三者為同面，即全為 cis，則一個椅式中三者可全為軸向；翻椅後三者便可全為赤道向。 因此，最穩定的異構物必須是能採用「tert-butyl、ethyl、methyl 三者全為赤道向」構形者。此構形沒有軸向取代基，完全避免 $1,3$-diaxial interaction，穩定性最高。

Question 3

Chlorination of pentane gives a mixture of isomers having the molecular formula C₅H₁₁Cl. The percentage of 1-chloropentane is 22%. Assuming the secondary hydrogens in pentane are equally reactive to monochlorination, what is the percentage of 3-chloropentane in the mixture?
A) 48%
B) 26%
C) 22%
D) 14%

Accepted Answer

核心觀念

自由基氯化時，產物比例取決於可被取代的氫原子數目，以及各類氫原子的相對反應性。題目已給定所有二級氫對單氯化的反應性相同，因此二級氫形成的產物比例可直接依氫原子數分配。

解題方法

正戊烷的碳骨架為 $C_1-C_2-C_3-C_4-C_5$ ：

$C_1$ 、 $C_5$ 是兩個等價的末端碳，共有 $6$ 個一級氫；取代後形成 1-氯戊烷。
$C_2$ 、 $C_4$ 共提供 $4$ 個二級氫；取代後形成 2-氯戊烷。
$C_3$ 提供 $2$ 個二級氫；取代後形成 3-氯戊烷。

1-氯戊烷占混合物的 $22\%$ ，因此由二級氫形成的產物合計占：

100\%-22\%=78\%

Question 4

Studies indicate that the methyl radical is trigonal planar. Based on this, which of the following best describes the methyl radical?
I. The carbon is sp² hybridized and the unpaired electron occupies an sp² orbital.
II. The carbon is sp² hybridized and the unpaired electron occupies a 2p orbital.
III. The carbon is sp³ hybridized and the unpaired electron occupies an sp³ orbital.
IV. The carbon is sp³ hybridized and the unpaired electron occupies a 2p orbital.
A) I
B) II
C) III
D) IV

Accepted Answer

核心觀念 甲基自由基為 $\mathrm{CH3\cdot}$，中心碳原子與三個氫原子形成三個 $\sigma$ 鍵，並保有一個未成對電子。 題目指出甲基自由基呈現三角平面形，表示中心碳原子的三個成鍵方向大致位於同一平面，鍵角約為 $120^\circ$。符合此幾何形狀的混成方式是： - 三個 $sp^2$ 混成軌域：分別與三個氫原子的 $1s$ 軌域形成三個 $\sigma$ 鍵。 - 一個未混成的 $2p$ 軌域：垂直於分子平面，容納未成對電子。 因此，甲基自由基的中心碳為 $sp^2$ 混成，未成對電子位於未混成的 $2p$ 軌域。 解題方法 判斷自由基的混成狀態，可依序觀察以下兩點： 1. 由分子形狀判斷混成方式 三角平面形代表中心原子周圍有三個主要成鍵方向，且位於同一平面。$sp^2$ 混成會產生三個彼此約呈 $120^\circ$ 的混成軌域，正好適合形成三個 $\sigma$ 鍵。 $$ \mathrm{C:}\quad 2s+2px+2py \longrightarrow 3\,sp^2 $$ 剩餘的一個 $2pz$ 軌域不參與混成，且方向垂直於三角平面。 2. 判斷未成對電子所在軌域 甲基自由基的中心碳具有三個與氫形成的鍵，另外有一個未成對電子。三個 $sp^2$ 軌域用於形成三個 $\mathrm{C-H}$ $\sigma$ 鍵，因此未成對電子位於剩餘的未混成 $2p$ 軌域。 其電子配置可概念化表示為： $$ \mathrm{C}: \quad (sp^2)^1(sp^2)^1(sp^2)^1(2p)^1 $$ 所以正確敘述是： 碳為 $sp^2$ 混成，未成對電子位於 $2p$ 軌域。 選項分析 I. The carbon is sp² hybridized and the unpaired electron occupies an sp² orbital. 錯誤。

Question 5

Addition of hypobromous acid, HOBr, to 1-methylcyclohexene gives: HOBr (Reactants shown above. Products are given in options below.) A) B) C) D) A) A B) B C) C D) D

Accepted Answer

核心觀念 HOBr 對烯烴的反應是生成溴醇（bromohydrin），具有兩項規則： 1. 區域選擇性：OH 加到較多取代的碳，Br 加到較少取代的碳。 2. 立體選擇性：經由環狀溴鎓離子中間體，水從背面進攻，因此 OH 與 Br 為 anti addition，位於環的相反兩面，即 trans。 1-甲基環己烯中，帶有甲基的雙鍵碳為較多取代的碳，記為 C1；另一端為 C2。因此： $$ \mathrm{OH}ightarrow \mathrm{C1},\qquad \mathrm{Br}ightarrow \mathrm{C2} $$ 產物為 trans-2-溴-1-甲基環己醇。 解題方法 烯烴的 $\pi$ 電子先進攻 HOBr 中的 Br，形成環狀溴鎓離子： $$ \mathrm{C1=C2} \longrightarrow 	ext{環狀溴鎓離子} $$

Question 6

Which of the following molecules are chiral? A) only II B) only III C) II and III D) I, II, and III

Accepted Answer

核心觀念 判斷分子是否具手性，重點是觀察其鏡像是否能與原分子完全重疊： - 不能重疊：分子具手性（chiral）。 - 能重疊：分子不具手性（achiral）。 - 若分子具有內部對稱面，通常可直接判定為不具手性。 - 本題中兩個帶有 Cl 的環上碳皆為立體中心，需進一步判斷整個分子是否具有對稱性。 解題方法 依圖示判斷 Cl 的相對立體位置： - I：兩個 Cl 位於同一面，為 cis 結構，分子具有內部對稱面。兩個立體中心的組態互為 $R$、$S$，屬於 meso 化合物，鏡像可與原分子重疊，因此不具手性。 - II、III：兩個 Cl 位於相反面，分子沒有內部對稱面。

Question 7

Compound X (C₇H₁₂) is optically active. Hydrogenation of compound X gives two isomeric 1,2-dimethylcyclopentanes, one is optically active and the other is optically inactive. Of the following compounds, which is the only one that fits the data?

    H3C         CH3
      \       /
       C-----C
      /       \
     H         H
      A)

    H3C         CH3
      \       /
       C-----C
      /       \
     H         H
      B)

    H3C         CH3
      \       /
       C-----C
      /       \
     H         H
      C)

    H3C         CH3
      \       /
       C-----C
      /       \
     H         H
      D)

A) A
B) B
C) C
D) D

Accepted Answer

核心觀念 本題考查： 1. 環烯烴加氫反應的立體化學。 2. 1,2-二甲基環戊烷的立體異構。 3. 手性與內部對稱面的判定。 1,2-二甲基環戊烷有兩類相對立體化學： - cis-1,2-二甲基環戊烷：具有內部對稱面，屬於 meso 化合物，光學不活性。 - trans-1,2-二甲基環戊烷：具有一對對映異構物，單一對映物具有光學活性。 解題方法 氫化反應會將碳碳雙鍵轉變為單鍵，並在雙鍵兩端各加入一個氫。 若雙鍵位於兩個甲基所在的碳之間，氫化後只會得到單一主要立體異構物，且原本的烯烴本身也不具手性，因此不符合題目所說的「Compound X is optically active」。 要同時滿足下列條件： - 原化合物 $X$ 本身具光學活性； - 氫化後形成 1,2-二甲基環戊烷； - 氫化後得到兩種異構物； - 其中一種有光學活性，另一種無光學活性； 雙鍵必須與其中一個甲基所在的碳相連，而不能直接位於兩個甲基之間。如此一來，氫化時可由雙鍵兩面進行，形成兩種相對立體化學不同的產物：

Question 8

Consider the reaction of each of the following with 1-bromopentane. Which one would have the highest elimination/substitution ratio?

(A) $\mathrm{NaOCH_2CH_3}$ , ethanol, $55^\circ\mathrm{C}$
(B) $\mathrm{NaSH}$ , ethanol–water, $25^\circ\mathrm{C}$
(C) $\mathrm{KOC(CH_3)_3}$ , $\mathrm{(CH_3)_3COH}$ , $55^\circ\mathrm{C}$
(D) $\mathrm{KCN}$ , DMSO, $40^\circ\mathrm{C}$

Accepted Answer

核心觀念

本題比較四組試劑與溶劑條件，使一級鹵代烷 1-溴戊烷進行消去反應（E2）或親核取代反應（SN2）時的消去／取代比。

影響此比值的關鍵因素包括：

鹼性與親核性：強鹼能促進 E2；親核性強的試劑能促進 SN2。
試劑體積：體積大的鹼接近碳原子較不容易，SN2 受阻，但仍能移除 β-氫，因此相對有利於 E2。
溶劑：極性非質子溶劑通常有利於陰離子親核試劑進行 SN2；質子溶劑會溶劑化陰離子，降低其親核性。
溫度：升高溫度通常會提高消去反應相對於取代反應的比例。

1-溴戊烷是一級鹵代烷，通常容易進行 SN2；要提高消去／取代比，關鍵是使用位阻大的強鹼並加熱。

解題方法

逐一比較每個選項中試劑的鹼性、親核性與位阻。強而不太受位阻影響的鹼可進行 E2；體積大的試劑難以進攻一級碳，會壓低 SN2，使消去／取代比上升。

E2 反應中，鹼移除溴原子相鄰的 β-碳上的氫，同時溴離去。對 1-溴戊烷而言，這會形成 1-戊烯。

選項分析

(A) $\mathrm{NaOCH_2CH_3}$ 、乙醇、 $55^\circ\mathrm{C}$

乙氧基是強鹼，也是良好親核試劑，但體積小，容易進攻一級碳進行 SN2。加熱會增加 E2 的相對比例，但 SN2 仍有利，因此消去／取代比不會最高。

Question 9

Which of the following ions has a ground state which is predicted to be a diradical by simple molecular orbital theory? 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】 (A) A (B) B (C) C (D) D

Accepted Answer

核心觀念 環狀共軛離子的基態可用簡單分子軌域理論判斷：先數出環上的 $\pi$ 電子，再看分子軌域能階是否有簡併。若電子填入一組簡併軌域，依洪德規則會先分占不同軌域，形成兩個未成對電子，也就是雙自由基。 解題方法 圖中四個離子依序為：A 三員環、含一個雙鍵的正離子；B 五員環、含兩個雙鍵的負離子；C 五員環、含兩個雙鍵的正離子；D 七員環、含三個雙鍵的正離子。先數各結構的 $\pi$ 電子，再核對能階填電子情形。 C 有 $4$ 個 $\pi$ 電子。五員環的最低能階軌域先容納 $2$ 個電子，剩下 $2$ 個電子進入能量相同的一對簡併軌域；依洪德規則，各占一個軌域，因此有兩個未成對電子，基態被簡單分子軌域理論預測為雙自由基。

Question 10

Rank the following compounds in order of decreasing reactivity to aromatic electrophilic bromination.

I. Benzene
II. Toluene
III. Benzoic acid
IV. Phenol

(A) $\mathrm{IV>II>I>III}$
(B) $\mathrm{IV>III>II>I}$
(C) $\mathrm{II>I>IV>III}$
(D) $\mathrm{II>III>IV>I}$

Accepted Answer

核心觀念

本題考芳香親電子取代反應（electrophilic aromatic substitution, EAS）的相對反應性。溴化時，芳香環進攻親電子試劑，形成帶正電的 $\sigma$ -錯合物；形成此中間體是反應的重要能量障礙。取代基若能增加芳香環電子密度，或穩定 $\sigma$ -錯合物，就會加快反應；若抽走環上的電子，則會減慢反應。

判斷時要分清兩件事：活化或去活化決定反應快慢，定位效應則描述新取代基偏向進入的位置。

解題方法

依各取代基對芳香環的電子效應排列：

IV. 苯酚：羥基的氧原子有孤電子對，可與芳香環共振，將電子密度提供給環，強烈活化芳香環。
II. 甲苯：甲基透過超共軛與微弱的誘導效應提供電子，活化芳香環，但程度遠小於羥基。
I. 苯：沒有額外的給電子或吸電子取代基，作為比較基準。
III. 苯甲酸：羧基具有吸電子誘導效應，且羰基可藉共振從芳香環抽走電子，使芳香環去活化。

因此，反應性由大到小為：

Question 11

Which $\mathrm{C-C}$ bond would most likely break and give fragments in the mass spectrum of butylbenzene? 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】 (A) $1$ (B) $2$ (C) $3$ (D) $4$

Accepted Answer

核心觀念 質譜中，分子離子斷裂後，較容易形成穩定的正離子片段。烷基苯常見的特徵片段是苄基正離子 $\mathrm{C7H7^+}$，它可藉由共振穩定，並可重排成較穩定的䥻鎓離子，質荷比為 $m/z=91$。 解題方法 圖中丁基苯的側鏈是 $\mathrm{Ph{-}CH2{-}CH2{-}CH2{-}CH3}$。編號 1 是苯環與第一個 $\mathrm{CH2}$ 之間的鍵，編號 2 是第一、第二個 $\mathrm{CH2}$ 之間的鍵；編號 3、4 則依序位於側鏈更末端。

Question 12

Which of the following epoxides is formed when $\mathrm{KOH}$ is added to the optically active halohydrin shown below?

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

(A) trans- $(2S,3S)$ -2,3-dimethyloxirane
(B) trans- $(2R,3R)$ -2,3-dimethyloxirane
(C) 2,2-dimethyloxirane
(D) meso-2,3-dimethyloxirane

Accepted Answer

核心觀念

鹵醇在鹼性條件下可先形成烷氧負離子，再由烷氧負離子分子內進攻帶鹵素的碳，經由 $S_\mathrm{N}2$ 反應關環形成環氧化物。 $S_\mathrm{N}2$ 反應會使被進攻的碳中心構型反轉；另一個沒有斷鍵的手性碳則保留原有空間構型。

解題方法

原圖是鋸架式投影：左側手性碳連有 $\mathrm{Br}$ 、 $\mathrm{CH_3}$ 、 $\mathrm{H}$ ，並與右側相連；右側手性碳連有 $\mathrm{OH}$ 、 $\mathrm{CH_3}$ 、 $\mathrm{H}$ 。圖中沒有楔形鍵或虛線鍵。

加入 $\mathrm{KOH}$ 後，羥基失去質子形成烷氧負離子。它分子內從背面進攻帶溴的碳，取代 $\mathrm{Br}$ 並形成環氧鍵：

**帶溴的碳：**發生 $S_\mathrm{N}2$ 反應，構型反轉。
**帶羥基的碳：**沒有斷鍵，空間構型保留。

依原圖鋸架式的立體排列追蹤兩個碳中心，關環後兩中心的絕對構型相反，為 $(2R,3S)$ （等價標示為 $(2S,3R)$ ）。

Question 13

Which of the following reagents adds a methyl group by conjugate (1,4-addition) addition to an $\alpha,\beta$ -unsaturated ketone or aldehyde?

(A) $\mathrm{LiCu(CH_3)_2}$
(B) $\mathrm{CH_3MgBr}$
(C) $\mathrm{Hg(O_2CCH_3)_2}$
(D) $\mathrm{CH_3Li}$

Accepted Answer

核心觀念 $\alpha,\beta$-不飽和羰基化合物同時具有羰基碳與共軛系統的 $\beta$ 位兩個親電位置。親核試劑加到羰基碳稱為 1,2-加成；加到 $\beta$ 位則稱為 共軛加成或 1,4-加成。 有機銅試劑（如 Gilman 試劑）是較適合進行 1,4-加成的碳親核試劑。甲基加入 $\beta$ 位後，反應形成烯醇負離子；經質子化與互變異構，得到飽和羰基化合物。 解題方法 判斷各試劑能否提供甲基，並比較它們對共軛羰基化合物的加成選擇性。題目要求甲基加到 $\beta$ 位，因此應選擇能促進共軛加成的有機銅試劑。 以 $\mathrm{RCOCH=CHR'}$ 為例，1,4-加成後的主要結構為： $$ \mathrm{RCOCH2CH(CH3)R'} $$ 甲基加在原本的 $\beta$ 位，羰基則保留。 選項分析

Question 14

Rank the following in order of decreasing rate of hydrolysis.

I. Acetyl chloride
II. Acetic anhydride
III. Ethyl acetate
IV. Acetamide

(A) $\mathrm{I>II>III>IV}$
(B) $\mathrm{IV>III>II>I}$
(C) $\mathrm{I>III>II>IV}$
(D) $\mathrm{II>III>IV>I}$

Accepted Answer

核心觀念 本題考羧酸衍生物進行水解時的相對反應速率。水解屬於親核醯基取代：水分子進攻羰基碳，形成四面體中間體，接著離去基離開並再生羰基。 相對速率主要取決於兩項因素： 1. 羰基碳的親電性：羰基碳越缺電子，越容易受到水分子進攻。 2. 離去基的能力：離去基越穩定、越不具鹼性，越容易離去。 四種化合物的離去基依序為 $\mathrm{Cl^-}$、羧酸根、乙氧根與 $\mathrm{NH2^-}$。離去基能力依序遞減，因此水解速率依序遞減。 解題方法 比較各羧酸衍生物離去基的鹼性：弱鹼是較佳離去基。可用離去基共軛酸的 $pKa$ 輔助判斷；共軛酸 $pKa$ 越低，對應的離去基越弱鹼、越穩定。 | 化合物 | 離去基 | 離去基特性 | |---|---|---| | I. 乙醯氯 | $\mathrm{Cl^-}$ | 弱鹼，良好離去基 | | II. 乙酸酐 | $\mathrm{CH3COO^-}$ | 共振穩定，良好離去基 | | III. 乙酸乙酯 | $\mathrm{CH3CH2O^-}$ | 強鹼，離去能力較差 | | IV. 乙醯胺 | $\mathrm{NH2^-}$ | 極強鹼，離去能力很差 | 因此，離去基能力由強至弱為：

Question 15

Which of the following works best as a base to quantitatively convert ethyl acetate, $\mathrm{CH_3CO_2CH_2CH_3}$ , to its enolate?

(A) $\mathrm{NaOH}$
(B) $\mathrm{KOC(CH_3)_3}$
(C) $\mathrm{CH_3Li}$
(D) $\mathrm{[(CH_3)_2CH]_2NLi}$

Accepted Answer

核心觀念 本題考查酯類 α-氫的酸性、酸鹼平衡，以及選擇能有效去質子化、又不會優先攻擊酯羰基的鹼。 乙酸乙酯的 α-氫位於羰基旁的甲基上。移除一個 α-氫後形成烯醇負離子，負電荷可在 α-碳與羰基氧之間共振離域。酯類 α-氫的 $pKa$ 約為 $25$。 酸鹼反應的平衡方向，可用底物與鹼之共軛酸的 $pKa$ 比較： $$ \mathrm{B^- + H\!-\!A \rightleftharpoons HB + A^-} $$ $$ K \approx 10^{\,pKa(\mathrm{HB})-pKa(\mathrm{H\!-\!A})} $$ 共軛酸的 $pKa$ 越高，鹼越能有效使底物去質子化；但鹼若會親核攻擊酯羰基，也可能消耗底物，無法乾淨地製備烯醇負離子。 解題方法 先比較各鹼共軛酸的酸性，再檢查鹼是否會直接與酯羰基反應： - NaOH 的共軛酸是水，$pKa \approx 15.7$，不足以大量形成酯烯醇負離子。 - $\mathrm{KOC(CH3)3}$ 的共軛酸是叔丁醇，$pKa \approx 18$，仍不足以推動平衡生成烯醇負離子。 - $\mathrm{[(CH3)2CH]2NLi}$ 的共軛酸是二異丙胺，$pKa \approx 36$，去質子化平衡大幅偏向烯醇負離子；它體積大、親核性低，適合用作強而非親核性鹼。 - $\mathrm{CH3Li}$ 的共軛酸是甲烷，$pKa$ 約為 $50$。雖然其鹼性很強，但甲基負離子也會親核攻擊酯羰基，導致酰基取代與後續加成反應，不適合作為選擇性製備烯醇負離子的試劑。

Question 16

Rank the following three compounds in order of decreasing acidity.

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

(A) $\mathrm{II>III>I}$
(B) $\mathrm{II>I>III}$
(C) $\mathrm{III>I>II}$
(D) $\mathrm{III>II>I}$

Accepted Answer

核心觀念 本題比較三種芳香族銨離子 $ \mathrm{ArNH3^+} $ 的酸性。對共軛酸 $ \mathrm{BH^+} $ 而言，鹼 $ \mathrm{B} $ 越弱，其共軛酸越容易解離出 $ \mathrm{H^+} $，酸性越強。 解題方法 圖中三個結構皆為苯環連接 $ \mathrm{NH3^+} $：I 為未取代苯環，II 在對位有 $ \mathrm{NO2} $，III 在對位有 $ \mathrm{CH3} $。比較取代基對芳香胺鹼性的影響，即可判斷其共軛酸的酸性。 $ \mathrm{NO2} $ 是吸電子基，會降低胺氮的電子密度，使中性芳香胺較不易接受質子、鹼性降低；因此其共軛酸 II 較容易放出質子，酸性最強。$ \mathrm{CH3} $ 是給電子基，增加胺氮的電子密度，使芳香胺鹼性提高；其共軛酸 III 酸性最弱。

Question 17

Which of the following best estimates the percentages of the three isomeric deuterated anilines from the reaction shown below?

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

(A) $25\%,\ 50\%,\ 25\%$
(B) $33\%,\ 33\%,\ 33\%$
(C) $50\%,\ 25\%,\ 25\%$
(D) $66\%,\ 33\%,\ 0\%$

Accepted Answer

核心觀念 本題考查芳香族親核取代的苯炔機構，以及氘標記在反應中的位置追蹤。氨基可加到苯炔的任一端，接著質子化；判斷產物時，須追蹤氘相對於新引入的 $\mathrm{NH2}$ 所在位置。 解題方法 圖中起始物是氯苯，氘位於氯的間位。$\mathrm{NaNH2/NH3}$ 使鄰位消去形成苯炔；兩個可被消去的鄰位都是氫，因此有兩種苯炔形成途徑。對每一種苯炔，$\mathrm{NH2^-}$ 都可加到苯炔的兩端。以各途徑近似等機率估算，共有四種等機率的加成結果。 追蹤氘的位置： - 氨基加到氯原本所在的碳，氘仍與氨基呈間位；兩種苯炔都能得到這個產物，因此占 $2/4=50\%$。 - 氨基加到其中一種苯炔的另一端，氘與氨基呈鄰位，占 $1/4=25\%$。 - 氨基加到另一種苯炔的另一端，氘與氨基呈對位，占 $1/4=25\%$。

Question 18

Which position on the potential energy diagram corresponds to the species shown for the reaction of para-fluoro(trifluoromethyl)benzene with sodium methoxide?

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

(A) A
(B) B
(C) C
(D) D

Accepted Answer

核心觀念 本題考芳香親核取代反應（$S\mathrm{N}Ar$）的逐步機構，以及如何將反應物、中間體、過渡態與產物對應到能量圖上的位置。 對活化的芳香鹵化物，甲氧根先進攻連有氟的芳香環碳，形成帶負電的梅森海默中間體；接著氟離去，恢復芳香性。兩步各有一個過渡態，因此能量圖有兩個峰，中間的低點代表反應中間體。 解題方法 圖中底物為對位帶有氟與三氟甲基的苯，試劑為甲氧根。所示物種中，甲氧基已連到芳香環；連接反應中心與氟的鍵畫成虛線，且氟標有 $\delta^-$，表示該 $C-F$ 鍵正在斷裂、氟帶有部分負電。這是氟離去時的過渡態。 能量圖中，第一個峰 $A$ 對應甲氧根進攻、形成新鍵的過渡態；兩峰之間的谷底 $B$ 是梅森海默中間體；第二個峰 $C$ 對應 $C-F$ 鍵斷裂、氟離去的過渡態；末端的低能谷底 $D$ 是恢復芳香性後的產物。

Question 19

Give the (major) product for the following reaction.

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Reaction sequence:

(1) $\mathrm{BH_3}$ /THF; (2) $\mathrm{H_2O_2}$ , $\mathrm{OH^-}$
PCC, $\mathrm{CH_2Cl_2}$
$\mathrm{(C_6H_5)_3P{=}CH_2}$ , DMSO

🖼️ 本題含圖表，以下為原卷對應頁面：

Accepted Answer

核心觀念 本題考芳香族親電取代的定位效應，以及芳香胺經重氮化後進行 Sandmeyer 反應。硝基 $\mathrm{-NO2}$ 是強吸電子基，會使苯環上的親電取代主要發生在間位。 解題方法 依原卷圖，起始物是硝基苯，依序使用 $\mathrm{Br2/FeBr3}$、$\mathrm{Fe/HCl}$ 後加 $\mathrm{NaOH}$、$\mathrm{NaNO2/HCl/H2O}$（$0^\circ\mathrm{C}$），最後以 $\mathrm{CuCl}$ 反應。

Question 20

Give the (major) product for the following reaction.

Starting compound: $\mathrm{(CH_3)_2CHCO_2H}$ .

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Reaction sequence:

(1) $\mathrm{LiAlH_4}$ ; (2) $\mathrm{H_2O}$
$\mathrm{PBr_3}$
$\mathrm{KCN}$ , DMSO
$\mathrm{H_2O}$ , $\mathrm{H^+}$ , heat

Accepted Answer

核心觀念 本題考查羧酸的還原、醇轉成烷基溴、氰根取代，以及腈的酸性水解。關鍵是 $\mathrm{CN^-}$ 取代溴後，腈基中的碳會在水解時成為羧酸的羰基碳，因此碳鏈增加一個碳。 解題方法 依原卷圖，起始物為 $\mathrm{(CH3)2CHCO2H}$，反應依序使用 $\mathrm{LiAlH4}$ 後加水、$\mathrm{PBr3}$、$\mathrm{KCN/DMSO}$，最後以 $\mathrm{H2O,\ H^+}$ 加熱。依序追蹤官能基變化： 1. $\mathrm{LiAlH4}$ 將羧酸還原成一級醇： $$\mathrm{(CH3)2CHCO2H \longrightarrow (CH3)2CHCH2OH}$$ 2. $\mathrm{PBr3}$ 將醇的羥基轉成溴： $$\mathrm{(CH3)2CHCH2OH \longrightarrow (CH3)2CHCH2Br}$$

Question 21

Give the (major) product for the following reaction.

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Reaction sequence:

(1) $\mathrm{BH_3}$ /THF; (2) $\mathrm{H_2O_2}$ , $\mathrm{OH^-}$
PCC, $\mathrm{CH_2Cl_2}$
$\mathrm{(C_6H_5)_3P{=}CH_2}$ , DMSO

Accepted Answer

核心觀念

本題考連續三步反應的官能基轉換：烯烴經氫硼化氧化生成醇、PCC 將一級醇氧化成醛，再由 Wittig 反應把醛轉成末端烯烴。

解題方法

依原卷圖，起始物是末端烯烴，雙鍵內側碳連著一個甲基與一條正丙基鏈；未畫出楔形或虛線鍵，也沒有標示電荷。

氫硼化氧化： $\mathrm{BH_3/THF}$ 後接 $\mathrm{H_2O_2,\ OH^-}$ ，羥基加到原雙鍵較少取代的一端，得到一級醇：

\mathrm{CH_2=C(CH_3)CH_2CH_2CH_3 \longrightarrow HOCH_2CH(CH_3)CH_2CH_2CH_3}

**PCC 氧化：**PCC 在 $\mathrm{CH_2Cl_2}$ 中將一級醇氧化成醛：

Question 22

Give the (major) product for the following reaction.

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Reaction sequence:

$\mathrm{Br_2}$ , $\mathrm{FeBr_3}$
(1) $\mathrm{Fe}$ , $\mathrm{HCl}$ ; (2) $\mathrm{NaOH}$
$\mathrm{NaNO_2}$ , $\mathrm{HCl}$ , $\mathrm{H_2O}$ , $0^\circ\mathrm{C}$
$\mathrm{CuCl}$

Accepted Answer

讀圖重點 原卷第 II-4 題的起始物是末端炔 $\mathrm{CH3CH2C{\equiv}CH}$。依序使用 $\mathrm{NaNH2/NH3}$、$\mathrm{CH3CH2Br}$，接著以 $\mathrm{H2/Lindlar\ Pd}$ 還原，最後以 $\mathrm{CH2I2/Zn(Cu)}$ 反應；圖中沒有楔形鍵或虛線鍵標示。 核心觀念 本題依序考查末端炔的去質子化與烷基化、Lindlar 催化劑的部分氫化，以及 Simmons–Smith 環丙烷化。Lindlar 還原會把炔烴轉成順式烯烴；Simmons–Smith 反應則以同面加成方式，將烯烴的雙鍵轉成環丙烷環。 解題方法 1. $\mathrm{NaNH2}$ 移除末端炔的酸性氫，形成炔負離子；炔負離子再對溴乙烷進行取代，接上乙基：

Question 23

Give the (major) product for the following reaction.

Starting compound: $\mathrm{(CH_3)_2CHCO_2H}$ .

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Reaction sequence:

(1) $\mathrm{LiAlH_4}$ ; (2) $\mathrm{H_2O}$
$\mathrm{PBr_3}$
$\mathrm{KCN}$ , DMSO
$\mathrm{H_2O}$ , $\mathrm{H^+}$ , heat

Accepted Answer

核心觀念 本題考連續製備有機鋰試劑與 Gilman 試劑，再以 Gilman 試劑和一級烷基鹵化物進行碳碳鍵偶合。Gilman 試劑的通式為 $\mathrm{R2CuLi}$；與一級烷基溴化物反應時，可轉移一個 $\mathrm{R}$ 基，形成新的碳碳鍵。 解題方法 圖中起始物是 $\mathrm{CH3CH2CH2CH2Br}$，也就是 1-溴丁烷；最後一步的反應物是 $\mathrm{CH3(CH2)3CH2Br}$，也就是 1-溴戊烷。反應依序使用 $\mathrm{Li}$、$\mathrm{CuI}$，再加入 1-溴戊烷。 首先，1-溴丁烷與鋰反應，將溴轉換成鋰，生成正丁基鋰： $$ \mathrm{CH3CH2CH2CH2Br + 2Li \longrightarrow CH3CH2CH2CH2Li + LiBr} $$

Question 24

Give the (major) product for the following reaction. 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】 Reaction sequence: 1. $\mathrm{Br2}$, $h
u$ 2. $\mathrm{KOC(CH3)3}$, $\mathrm{(CH3)3COH}$ 3. $\mathrm{HBr}$, peroxides

Accepted Answer

核心觀念 本題依序考查三種反應： 1. $\mathrm{Br2},h
u$：自由基溴化，優先取代能形成較穩定自由基的位置；苄位自由基受芳香環共振穩定。 2. $\mathrm{KOC(CH3)3}$：強鹼促進 E2 消去，生成較穩定的共軛烯烴。 3. $\mathrm{HBr}$、過氧化物：自由基加成，溴加到能讓另一端形成較穩定自由基的位置。 解題方法 圖中起始物是苯環連接 $\mathrm{-CH2CH2CH3}$，依序使用 $\mathrm{Br2}/h
u$、叔丁醇鉀／叔丁醇，再以 $\mathrm{HBr}$／過氧化物反應；圖中沒有標示起始物的立體化學。 第一步在苄位進行自由基溴化。苄位自由基可由芳香環共振穩定，因此生成： $$ \mathrm{C6H5CHBrCH2CH3} $$

Question 25

Give the (major) product for the following reaction. Starting compound: $\mathrm{H2C{=}CHCH(CH3)2}$. Reagents and conditions: NBS, $\mathrm{CCl4}$, heat. 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Accepted Answer

核心觀念 本題測驗的核心觀念為烯丙基自由基溴化反應（Wohl-Ziegler reaction）及其位置選擇性（regioselectivity）與熱力學產物判定： 1. NBS 的角色：$N$-溴琥珀醯亞胺（N-bromosuccinimide, NBS）在非極性溶劑 $\mathrm{CCl4}$ 中溶解度極低，能持續維持系統中極微量的 $\mathrm{Br2}$ 濃度，避免雙鍵發生親電加成反應，使反應專一於烯丙位（allylic position）進行自由基取代。 2. 烯丙基自由基的中間體共振：抽去烯丙位氫後產生的烯丙基自由基具有非定域化共振結構，兩端碳原子均可與 $\mathrm{Br2}$ 反應生成異構物。 3. 產物分佈的控制因素：在加熱（heat）條件下，烯丙基溴化反應以熱力學控制（thermodynamic control）為主，產物穩定性由「雙鍵的取代度」決定，而非單由自由基共振貢獻結構的級數決定。 --- 解題方法 依據原卷第 5 頁第 II 部分第 7 題圖形所示，反應物為 3-甲基-1-丁烯 $\mathrm{H2C{=}CHCH(CH3)2}$，反應條件為 $\mathrm{NBS,\ CCl4,\ heat}$。解題推導步驟如下： 1. 自由基連鎖傳遞第一步（抽氫形成烯丙基自由基）： 反應物分子中，C3 具有一個三級烯丙位氫（tertiary allylic hydrogen），其 $\mathrm{C-H}$ 鍵解離能（BDE）最低。溴自由基（$\mathrm{Br}^\bullet$）優先自 C3 拔氫，生成共振穩定的烯丙基自由基： $$ \mathrm{H2C{=}CH-\dot{C}(CH3)2 \longleftrightarrow \dot{C}H2-CH{=}C(CH3)2} $$ - 共振貢獻結構 I：$\mathrm{H2C{=}CH-\dot{C}(CH3)2}$（自由基位於三級碳，雙鍵為單取代末端烯烴）。 - 共振貢獻結構 II：$\mathrm{\dot{C}H2-CH{=}C(CH3)2}$（自由基位於一級碳，雙鍵為三取代內部烯烴）。 2. 自由基連鎖傳遞第二步（溴原子轉移）： 此共軛自由基的中間體與微量 $\mathrm{Br2}$ 反應，自由基的兩個端點碳皆能結合溴原子，產生兩種位向異構物： - 於 C3 結合：生成 3-溴-3-甲基-1-丁烯（$\mathrm{H2C{=}CH-C(Br)(CH3)2}$）。

Question 26

Give the (major) product for the following reaction. Reaction condition: heat. 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Accepted Answer

核心觀念 本題測驗的核心為分子內狄爾斯–阿爾德反應（Intramolecular Diels–Alder reaction, 簡稱 IMDA），涵蓋以下重點： 1. $[4+2]$ 環加成反應（$[4+2]$ Cycloaddition）：共軛雙烯（diene, $4\pi$ 電子系統）與親雙烯體（dienophile, $2\pi$ 電子系統）在同一分子內經由協同過渡態（concerted transition state）成環。 2. 環系大小與骨架建構：Diels–Alder 反應本體必定形成一個六員環（環己烯骨架）；連接雙烯與親雙烯體的鏈狀單元（tether）則在環化過程中同時封閉形成第二個環，直接建構稠合雙環系統（fused bicyclic system）。 3. 立體化學控制（Stereochemistry）：短連接鏈（如三碳鏈）在過渡態中的幾何張力限制，以及羰基與雙烯之間的次級軌域交互作用（secondary orbital interaction），主導環稠合處（ring junction）生成順式稠合（cis-fused）產物。 --- 解題方法 依原卷第 8 題圖示，反應物為具一端共軛雙烯、另一端為 $\alpha,\beta$-不飽和酮的九碳直鏈多烯酮：$(E)	ext{-nona-1,6,8-trien-3-one}$（結構式為 $	ext{CH}2=	ext{CH}-	ext{C}(=	ext{O})-	ext{CH}2-	ext{CH}2-	ext{CH}=	ext{CH}-	ext{CH}=	ext{CH}2$），在加熱（heat）條件下進行熱環化反應。 推導步驟如下： 1. 辨識反應單元與連接鏈長度： - $4\pi$ 雙烯體（Diene）：$	ext{C6}=	ext{C7}-	ext{C8}=	ext{C9}$（丁-1,3-二烯基，其中 $	ext{C6}=	ext{C7}$ 為 $(E)$ 構型）。 - $2\pi$ 親雙烯體（Dienophile）：$	ext{C1}=	ext{C2}$（丙烯醯基的端雙鍵，受相鄰 $	ext{C3}=	ext{O}$ 活化）。 - 連接鏈（Tether）：$-	ext{C3}(=	ext{O})-	ext{C4}	ext{H}2-	ext{C5}	ext{H}2-$，為長度 3 個原子的鏈段，直接連接反應的兩個碳原子 $	ext{C2}$ 與 $	ext{C6}$。 2. 分子內 $[4+2]$ 環加成反應歷程： - 雙烯單元旋轉至反應所需的 $s	ext{-cis}$ 構形。 - 分子折疊使親雙烯體與雙烯平行重疊，同時形成兩條新的碳–碳單鍵： - $	ext{C1}$ 與 $	ext{C9}$ 之間形成一條新的 $\s…

Question 27

Give the (major) product for the following reaction. Reaction condition: heat. 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Accepted Answer

核心觀念 本題測驗的核心為分子內狄爾斯–阿爾德反應（Intramolecular Diels–Alder reaction, 簡稱 IMDA），涵蓋以下重點： 1. $[4+2]$ 環加成反應（$[4+2]$ Cycloaddition）：共軛雙烯（diene, $4\pi$ 電子系統）與親雙烯體（dienophile, $2\pi$ 電子系統）在同一分子內經由協同過渡態（concerted transition state）成環。 2. 環系大小與骨架建構：Diels–Alder 反應本體必定形成一個六員環（環己烯骨架）；連接雙烯與親雙烯體的鏈狀單元（tether）則在環化過程中同時封閉形成第二個環，直接建構稠合雙環系統（fused bicyclic system）。 3. 立體化學控制（Stereochemistry）：短連接鏈（如三碳鏈）在過渡態中的幾何張力限制，以及羰基與雙烯之間的次級軌域交互作用（secondary orbital interaction），主導環稠合處（ring junction）生成順式稠合（cis-fused）產物。 --- 解題方法 依原卷第 8 題圖示，反應物為具一端共軛雙烯、另一端為 $\alpha,\beta$-不飽和酮的九碳直鏈多烯酮：$(E)	ext{-nona-1,6,8-trien-3-one}$（結構式為 $	ext{CH}2=	ext{CH}-	ext{C}(=	ext{O})-	ext{CH}2-	ext{CH}2-	ext{CH}=	ext{CH}-	ext{CH}=	ext{CH}2$），在加熱（heat）條件下進行熱環化反應。 推導步驟如下： 1. 辨識反應單元與連接鏈長度： - $4\pi$ 雙烯體（Diene）：$	ext{C6}=	ext{C7}-	ext{C8}=	ext{C9}$（丁-1,3-二烯基，其中 $	ext{C6}=	ext{C7}$ 為 $(E)$ 構型）。 - $2\pi$ 親雙烯體（Dienophile）：$	ext{C1}=	ext{C2}$（丙烯醯基的端雙鍵，受相鄰 $	ext{C3}=	ext{O}$ 活化）。 - 連接鏈（Tether）：$-	ext{C3}(=	ext{O})-	ext{C4}	ext{H}2-	ext{C5}	ext{H}2-$，為長度 3 個原子的鏈段，直接連接反應的兩個碳原子 $	ext{C2}$ 與 $	ext{C6}$。 2. 分子內 $[4+2]$ 環加成反應歷程： - 雙烯單元旋轉至反應所需的 $s	ext{-cis}$ 構形。 - 分子折疊使親雙烯體與雙烯平行重疊，同時形成兩條新的碳–碳單鍵： - $	ext{C1}$ 與 $	ext{C9}$ 之間形成一條新的 $\s…

Question 28

The kinetic study showed that the hydrolysis of acetamide followed third-order kinetics with the rate expression

$k[\mathrm{CH_3CONH_2}][\mathrm{HO^-}]^2.$

Please write the reaction mechanism and determine the rate-determining step.

Accepted Answer

核心觀念 本題考查鹼性醯胺水解的逐步機構，以及如何由快速平衡與慢速步驟推導總速率式。題目給出的速率式為 $$ v=k[\mathrm{CH3CONH2}][\mathrm{HO^-}]^2 $$ 這表示反應對乙醯胺為一級、對氫氧根為二級，總反應級數為三級。這不代表三個粒子必須同時碰撞；兩個氫氧根可先後參與快速平衡，之後由四面體中間體的單分子崩解決定速率。Clayden《Organic Chemistry》對此機構與速率式的說明 解題方法與反應機構 先讓一個氫氧根進攻乙醯胺的羰基碳，形成四面體單陰離子中間體；這一步為快速可逆平衡： $$ \mathrm{CH3CONH2+HO^- \rightleftharpoons CH3C(O^-)(OH)(NH2)} $$ 接著，第二個氫氧根從四面體中間體的羥基移除質子，形成四面體雙陰離子，並產生水： $$ \mathrm{CH3C(O^-)(OH)(NH2)+HO^- \rightleftharpoons CH3C(O^-)(O^-)(NH2)+H2O} $$ 雙陰離子接著崩解，氧負離子重新形成羰基，碳氮鍵斷裂，生成乙酸根與胺負離子。這是速率決定步驟： $$ \mathrm{CH3C(O^-)(O^-)(NH2) \xrightarrow{慢} CH3COO^-+NH2^-} $$ 生成的 $\mathrm{NH2^-}$ 從水取得質子形成氨，同時再生氫氧根： $$ \mathrm{NH2^-+H2O\longrightarrow NH3+HO^-} $$ 因此淨反應為 $$ \mathrm{CH3CONH2+HO^-\longrightarrow CH3COO^-+NH3} $$ 速率式推導與速率決定步驟

Question 29

Please explain the following observations.

Both reactions use $\mathrm{H_2O_2}$ and heat.

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Product percentages, from left to right:

First reaction: $36\%$ , $64\%$ .
Second reaction: $0\%$ , $100\%$ .

Accepted Answer

核心觀念 本題考的是胺氧化物的 Cope 消去反應。過氧化氫先把三級胺氧化成胺氧化物；加熱後，氧原子會抓取相鄰 β-碳上的氫，經由環狀過渡態同步斷裂 C–H、C–N 鍵並形成 C=C 鍵，同時生成二甲基羥胺。 反應具有同面消去的立體需求：被移除的 β-H 必須與胺氧化物的離去部分呈 syn、近共平面排列。因此，產物比例會受底物立體化學與環構形影響，而不能只用烯烴取代度預測。這類環狀胺氧化物的熱消去行為已有實驗研究。Cope 等人的胺氧化物熱分解研究 解題方法 圖中兩個底物都有環己烷上的甲基與異丙基；兩者的差別是連在環上的 $\mathrm{NMe2}$ 立體方向相反：第一個畫成虛線楔鍵，第二個畫成實心楔鍵。每個底物都可從氮相鄰的兩個 β-碳消去氫，形成圖示的兩種位置異構環烯烴。 判斷時先將三級胺視為已被氧化成胺氧化物，再逐一檢查兩個 β-H 是否能與 N–O 部分採取所需的 syn 幾何排列。

Question 30

This is a synthesis of the racemic drug tazadolene. If the enantiomers of the drug are to be evaluated for biological activity, they must be separated.

At which stage would you like to resolve the enantiomers? Why? And how would you do it?

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Accepted Answer

核心觀念 外消旋體含有等量的兩個對映異構物。兩者在非手性環境中的物理性質相同，不能靠一般分餾或結晶直接分開；必須先讓它們處在手性環境中，利用對映異構物與手性物質形成的非對映異構物具有不同物理性質，或直接使用手性分離方法。 解題方法 圖中反應由環己酮衍生物經胺化、氫化及後續成環，最後得到含氮的四員環產物；最終產物的環己烷碳上帶有手性中心，且胺氮可接受質子形成鹽。建議在合成最後一步完成後，直接拆分外消旋的最終藥物，這樣分離出的就是可直接進行活性評估的兩個藥物對映異構物。 可加入單一對映異構物的手性酸，例如酒石酸或樟腦磺酸，使兩個藥物對映異構物分別形成一對非對映異構物鹽：

Question 31

Which occurs at a larger wavenumber: the $\mathrm{C-N}$ stretch of an amine or the $\mathrm{C-N}$ stretch of an amide? Account for your answer.

Accepted Answer

核心觀念 紅外光譜中的伸縮振動波數可用簡諧振子近似表示： $$ 	ilde{
u}=\frac{1}{2\pi c}\sqrt{\frac{k}{\mu}} $$ 其中 $	ilde{
u}$ 是波數，$k$ 是鍵的力常數，$\mu$ 是兩原子的約化質量。比較同一對原子形成的 C–N 鍵時，約化質量相同；鍵越強、力常數越大，伸縮振動波數便越高。 解題方法 胺中的 C–N 鍵主要是單鍵。醯胺中的氮原子孤電子對則可與羰基共振，使 C–N 鍵帶有部分雙鍵性： $$ \mathrm{R-C(=O)-NH-R'} \leftrightarrow \mathrm{R-C(-O^-)=N^+H-R'} $$ 因此，醯胺的 C–N 鍵比胺的 C–N 單鍵更強，力常數較大。依振動波數公式，醯胺 C–N 伸縮的波數較高。紅外光譜的常見相關值也與此相符：脂肪族胺的 C–N 伸縮常落在約 $1000$–$1250\ \mathrm{cm^{-1}}$；

Question 32

Rank the compounds in order of decreasing $\lambda{\max}$. 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Accepted Answer

核心觀念 紫外光吸收的波長與電子躍遷能隙成反比： $$ \Delta E=\frac{hc}{\lambda} $$ 共軛範圍越大，通常能隙越小，吸收波長越長。胺的孤電子對若能與相鄰的 $\pi$ 系統共軛，也會擴大共軛範圍、使 $\lambda{\max}$ 往長波長移動。 解題方法 由左至右，第 1 個是苯基三甲基銨，氮帶正電且沒有可共軛的孤電子對；第 2 個有一個環內雙鍵，但二甲胺基沒有直接接在雙鍵碳上；第 3 個是二甲基苯胺，氮的孤電子對可與苯環共軛；第 4 個有同一環內的共軛二烯，二甲胺基則接在未共軛的位置。 比較各結構中最長的有效共軛系統：第 3 個包含胺孤電子對與芳香環的共軛；第 4 個有環內共軛二烯；第 1 個保有苯環共軛，但銨氮不能提供孤電子對；第 2 個只有彼此未共軛的胺基與烯鍵。作為參考，1,3-環己二烯的 $\lambda{\max}$ 約為 $256\ \mathrm{nm}$，苯約為 $254\ \mathrm{nm}$；二甲基苯胺則有約 $293\ \mathrm{nm}$ 的吸收帶。

Question 33

Rank the following compounds from highest wavenumber to lowest wavenumber for their $\mathrm{C=O}$ absorption bands. 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Accepted Answer

核心觀念 本題評量紅外光光譜（IR spectroscopy）中羰基（$\mathrm{C=O}$）伸縮振動吸收波數（stretching frequency / wavenumber, $\bar{
u}$）的影響因素。 1. 虎克定律（Hooke's Law）與力常數： 雙原子分子伸縮振動的波數可由虎克定律表示： $$ \bar{
u} = \frac{1}{2\pi c}\sqrt{\frac{k}{\mu}} $$ 其中 $c$ 為光速，$k$ 為化學鍵力常數（force constant），$\mu$ 為折合質量（reduced mass）： $$ \mu = \frac{m{\mathrm{C}} m{\mathrm{O}}}{m{\mathrm{C}} + m{\mathrm{O}}} $$ 由於三者振動皆為碳—氧雙鍵（$\mathrm{C=O}$），折合質量 $\mu$ 相同，故波數大小完全取決於化學鍵力常數 $k$（即鍵級與鍵結強度）。 2. 電子效應的競爭： - 誘導效應（Inductive effect, $-I$）：與羰基相鄰的雜原子若電負度高，會透過 $\sigma$ 鍵拉走電子，提高羰基碳的正電性，使 $\mathrm{C=O}$ 鍵長縮短、鍵能增強、力常數 $k$ 增大，導致吸收波數往高波數移動（藍移）。 - 共振效應（Resonance effect, $+R$）：雜原子的孤對電子若離域至羰基 $\pi^$ 反鍵軌域（形成 $\mathrm{C-O^-}$ 單鍵共振結構），會降低 $\mathrm{C=O}$ 的雙鍵性質，使力常數 $k$ 減小，導致吸收波數往低波數移動（紅移）。 3. 環張力（Ring strain）： 三者均為六員環結構，環張力皆接近於零，因此環張力對波數無顯著影響，吸收波數純粹由相鄰官能基之電子效應決定。 --- 解題方法 由原卷附圖讀取三個化合物之結構資訊如下： - 左側化合物：環己酮（cyclohexanone），為無環張力之六員環脂肪族酮。 - 中間化合物：$\delta$-戊內酯（$\delta$-valerolactone / tetrahydropyran-2-one），為六員環內酯（cyclic ester）。 - 右側化合物：原卷圖示為六員雜環羰基化合物，羰基鄰位之環內氮原子標註為「$\mathrm{NH2}$」且未帶電荷；依中性雜環成鍵規則，環內氮已與環上兩個碳形成共價鍵，中性時僅能接一個氫（即 $-\mathrm{NH}-$），圖中未標記正電荷，顯係考卷繪圖時環內仲胺基筆誤多印下標 $2$，本質為中性六員環內醯胺（$\delta$-valerolactam / 2-piperidone，cyclic amide）。 依電子效應詳細推導三者羰基雙鍵強度及波數高低： 1. 中間化合物（…

Question 34

What type of protons are the indicated hydrogens in the following compound, and how many signals would you expect for its $^{1}\mathrm{H}$-NMR spectrum? 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Accepted Answer

核心觀念 判斷同一個碳上的兩個氫是否等價，可用替代法：分別以 D 取代其中一個氫。若兩種取代產物互為非對映異構物，原來的兩個氫就是非對映異位氫，在一般非手性溶劑的 $^1\mathrm{H}$-NMR 中會給出不同訊號。 解題方法 圖中是 3-甲基己烷；箭頭指向主鏈上的一個 $\mathrm{CH2}$，其右側相鄰碳連有甲基，並連接不同的烷基，因此是立體中心。箭頭所指 $\mathrm{CH2}$ 的兩個氫，分別被 D 取代後會形成非對映異構物，所以兩氫為非對映異位氫，各給一個訊號。 計算全分子的訊號數：

111 年 國立成功大學化學研究所《有機化學》

第 1 題

第 2 題

第 3 題

核心觀念

解題方法

第 4 題

核心觀念

解題方法

1. 由分子形狀判斷混成方式

2. 判斷未成對電子所在軌域

選項分析

I. The carbon is sp² hybridized and the unpaired electron occupies an sp² orbital.

第 5 題

第 6 題

第 7 題

第 8 題

核心觀念

解題方法

選項分析

第 9 題

第 10 題

核心觀念

解題方法

第 11 題

核心觀念

解題方法

第 12 題

核心觀念

解題方法

第 13 題

第 14 題

第 15 題

第 16 題

核心觀念

解題方法

第 17 題

第 18 題

第 II-1 題3 分

第 II-2 題3 分

第 II-3 題3 分

核心觀念

解題方法

第 II-4 題3 分

第 II-5 題3 分

第 II-6 題3 分

第 II-7 題3 分

第 II-8 題3 分

第 II-9 題3 分

第 III-1 題8 分

核心觀念

解題方法與反應機構

速率式推導與速率決定步驟

第 III-2 題8 分

第 III-3 題8 分

第 III-4-(i) 題4 分

第 III-4-(ii) 題3 分

第 III-4-(iii) 題3 分

第 III-4-(iv) 題3 分

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111 年國立成功大學化學研究所《有機化學》