113 年 國立成功大學化學研究所《有機化學》

此題考驗酸的強度比較，主要與結構中取代基的電子效應有關。酸的強度越強，其共軛鹼越穩定。

(i) 結構為 $CH_3COOH$，是乙酸，一個羧酸。
(ii) 結構為 $HOOC-SO_3H$，是磺酸與羧酸的結合，磺酸基 ($-SO_3H$) 的酸性遠強於羧酸基。
(iii) 結構為 $H_2N-SO_3H$，是氨基磺酸（磺胺酸）。磺酸基 ($-SO_3H$) 是強酸，但氨基 ($-NH_2$) 的給電子效應會稍微降低其酸性。
(iv) 結構為 $NH_3^+$, 這是銨離子，其共軛鹼是氨 ($NH_2^-$)，這是一個非常強的鹼，因此銨離子本身酸性極弱。

比較酸性強度：

1. 磺酸基 ($-SO_3H$) 的酸性最強。
2. 羧酸基 ($-COOH$) 的酸性次之。
3. 質子化的胺 ($-NH_3^+$) 的酸性很弱。

核心觀念

辨認官能基時，依分子中的原子連接方式判斷。這題要從多柔比星（Doxorubicin）的結構式中，找出選項列出的官能基哪些存在、哪些不存在。

幾個關鍵結構特徵如下：

• 酚：羥基（$-\mathrm{OH}$）直接連在芳香環上。
• 胺：含有胺基，例如結構中的 $-\mathrm{NH_2}$。
• 縮醛：同一個碳原子以單鍵連接兩個氧原子；醣的異頭碳與環氧及醣苷鍵氧相連，符合縮醛的特徵。
• 醯胺：必須有 $\mathrm{C(=O)-N}$ 連接。
• 酯：必須有 $\mathrm{C(=O)-O-C}$ 連接。

解題方法

沿著分子結構逐一檢查選項中的特徵鍵結。圖中可見芳香環上的羥基、醣上的胺基，以及醣苷鍵形成的縮醛結構；再檢查含氧的羰基部分，確認是否有醯胺或酯所需的 $\mathrm{C(=O)-N}$、$\mathrm{C(=O)-O-C}$。

核心觀念

本題考「烯丙位自由基溴化」。少量 $\mathrm{Br_2}$ 在光照下先均裂產生溴自由基：

$$\mathrm{Br_2 \xrightarrow{h\nu} 2Br\cdot}$$

溴自由基優先從烯丙位抽取氫，形成具有共振穩定化的烯丙基自由基，再與 $\mathrm{Br_2}$ 反應生成烯丙基溴化物：

$$\mathrm{Br\cdot + allylic\ C-H \rightarrow HBr + allylic\ radical}$$ $$\mathrm{allylic\ radical + Br_2 \rightarrow allylic\ bromide + Br\cdot}$$

因此，產物中的溴必須位於烯丙位，且自由基共振時雙鍵位置會隨之移動。

解題方法

將原烯鍵兩個碳標為 $\mathrm{C_1=C_2}$，右上方帶有甲基的碳標為 $\mathrm{C_3}$。$\mathrm{C_3}$ 是烯丙位，抽取其氫後得到：

$$\mathrm{C_3\cdot-C_2=C_1 \rightleftharpoons C_3=C_2-C_1\cdot}$$

核心觀念

標準反應熵的定義為

$$\Delta S^\circ_{\mathrm{rxn}} = \sum \nu S^\circ_{\mathrm{products}} - \sum \nu S^\circ_{\mathrm{reactants}}$$

定性判斷時，若反應後獨立分子數增加，尤其是氣體分子數增加，通常有 $\Delta S^\circ>0$；若分子聚合、加成或分子內成環，使平移與構形自由度減少，通常有 $\Delta S^\circ<0$。

選項分析

A）烯烴加氫

$$\text{烯烴}+\mathrm{H_2} \xrightarrow{\mathrm{Pt/C}} \text{烷烴}$$

反應物有兩個獨立分子，生成物只有一個分子，分子平移自由度降低，因此

$$\Delta S^\circ<0$$

故 A 錯。

B）分子內成環生成環醚

不飽和醇在酸催化下進行分子內環化。反應前後皆為一個分子，但開鏈分子轉變為環狀結構，部分旋轉與構形自由度受到限制，因此熵降低：

$$\Delta S^\circ<0$$

故 B 錯。

C）苯乙烯自由基聚合

核心觀念

本題考查手性中心的絕對組態判定，使用 Cahn–Ingold–Prelog（CIP）規則：

1. 依直接相連原子的原子序排列優先順序。
2. 若直接相連原子相同，再逐層比較下一層原子。
3. 雙鍵在比較時視為同一原子重複連接。
4. 將最低優先序基團置於背向觀察者的位置；$1\to2\to3$ 順時針為 $R$，逆時針為 $S$。

解題方法

對於圖中的 a 中心，四個取代基的優先順序為：

$$\mathrm{S} > \mathrm{COOH} > \text{通往帶兩個甲基之碳的環路} > \mathrm{H}$$

其中羧基的羰基碳所連接的原子可視為 $\mathrm{O,O,O}$，優先於另一碳路徑的 $\mathrm{N,C,C}$。依圖示楔線與虛線調整觀察方向後，$1\to2\to3$ 為逆時針，因此：

$$a=(S)$$

對於 b 中心，優先順序為：

此題考驗對旋光度 (specific rotation) 和對映體過量 (enantiomeric excess, e.e.) 的理解。

旋光度是衡量手性化合物在平面偏振光平面上旋轉角度的物理量。
對映體過量 (e.e.) 是指樣品中一種對映體相對於另一種對映體的過量百分比。
計算公式為：
e.e. (%) = $\frac{|[\alpha]_{obs}|}{|[\alpha]_{pure}|} \times 100\%$
其中，
$[\alpha]_{obs}$ 是觀察到的樣品的旋光度。
$[\alpha]_{pure}$ 是純對映體的旋光度。

已知：
(R)-carvone 的旋光度 $[\alpha]_{pure} = -60^\circ$。

核心觀念

本題考查費雪投影與紐曼投影的判讀，以及立體異構物的分類。比較兩種投影時，先確認原子的連接方式，再依 CIP 順序規則判定各立體中心的 $R/S$ 組態。

• 對映異構物：互為鏡像且無法重疊；本題兩個立體中心的組態皆相反。
• 非對映異構物：互非鏡像的立體異構物。
• 差向異構物：僅一個立體中心組態不同，屬於非對映異構物的一種。

解題方法

一、確認碳鏈與紐曼投影的前、後碳

兩圖皆為相同的碳鏈：

$$\mathrm{CHO-CH(OH)-CH(OH)-CH_3}$$

以醛基碳為 $C_1$，兩個立體中心依序為 $C_2$、$C_3$。

右圖紐曼投影中，由圓心伸出的三條鍵屬於前方碳，從圓周伸出的三條鍵屬於後方碳：

• 前方碳連接左上方的 $\mathrm{CH_3}$、右上方的 $\mathrm{H}$、下方的 $\mathrm{OH}$，因此是 $C_3$。
• 後方碳連接上方的 $\mathrm{OH}$、左下方的 $\mathrm{CHO}$、右下方的 $\mathrm{H}$，因此是 $C_2$。

所以右圖是沿著 $C_3\rightarrow C_2$ 方向觀看。

二、建立 CIP 優先順序

在 $C_2$，優先順序為：

$$\mathrm{OH>CHO>CH(OH)CH_3>H}$$

$\mathrm{OH}$ 以氧直接相連，優先於以碳相連的基團。比較另外兩個碳基團時，醛基的 $\mathrm{C=O}$ 依多重鍵規則視為連接兩個氧，其比較序列為 $(O,O,H)$；另一側碳的序列為 $(O,C,H)$，因此醛基優先。

在 $C_3$，優先順序為：

$$\mathrm{OH>CH(OH)CHO>CH_3>H}$$

兩個碳基團的比較序列分別為 $(O,C,H)$ 與 $(H,H,H)$，因此通往 $C_2$ 的基團優先於甲基。

三、判定左圖費雪投影

費雪投影的橫線朝向觀察者、直線背向觀察者。若最低優先序的 $\mathrm{H}$ 位於橫線，須將紙面上 $1\rightarrow2\rightarrow3$ 的判讀結果反轉。

• $C_2$：$1$ 為右側 $\mathrm{OH}$，$2$ 為上方 $\mathrm{CHO}$，$3$ 為下方碳鏈。紙面順序為逆時針；$\mathrm{H}$ 在橫線上，反轉後為 $R$。

此題考驗對陰離子穩定性的判斷。陰離子的穩定性主要與負電荷的離域化、電負性、共振效應、誘導效應以及軌域的雜化程度有關。

我們逐一分析各選項的陰離子結構：

A) 羧酸根離子 ($RCOO^-$)。負電荷離域在兩個氧原子之間，是通過共振穩定。

B) 烯醇負離子 ($R_2C=CR-O^-$)。負電荷在氧原子上，且有共振結構，負電荷也可以在碳原子上。

C) 碳負離子，負電荷在一個 $sp^3$ 雜化的碳原子上。

D) 碳負離子，負電荷在一個 $sp^2$ 雜化的碳原子上。

E) 碳負離子，負電荷在一個 $sp$ 雜化的碳原子上。

比較穩定性：

1. 負電荷在電負性較強的原子上更穩定。
2. 負電荷通過共振離域到多個原子上，會更穩定。
3. 負電荷在 $sp$ 雜化的碳原子上比 $sp^2$ 雜化的碳原子上更穩定，因為 $sp$ 雜化的碳原子具有最高的 s 軌域成分，電負性最強。
4. 羧酸根離子是通過共振穩定，非常穩定。

具體比較：

• A) 羧酸根離子：負電荷在兩個氧原子之間共振。氧原子電負性較強。非常穩定。
• B) 烯醇負離子：負電荷在氧原子上，且可以共振到碳原子上。氧原子的電負性強於碳。
• C) $sp^3$ 碳負離子：負電荷在 $sp^3$ 碳上。
• D) $sp^2$ 碳負離子：負電荷在 $sp^2$ 碳上。 $sp^2$ 碳的電負性大於 $sp^3$ 碳。
• E) $sp$ 碳負離子：負電荷在 $sp$ 碳上。 $sp$ 碳的電負性大於 $sp^2$ 碳。

核心觀念

本題考查 Diels–Alder 反應的立體選擇性，重點包括：

1. 共軛二烯必須採取 $s$-cis 構形。
2. 丙烯腈中的 $C=C$ 為親雙烯體，$-CN$ 是吸電子基。
3. 反應遵守立體專一性，親雙烯體上的取代基相對關係會保留。
4. 主要產物遵守 endo rule：$-CN$ 朝向雙烯的 $\pi$ 系統，形成 endo 產物。

解題方法

圖中的甲氧基取代環狀共軛二烯與丙烯腈進行 Diels–Alder 反應：

$$\text{共軛二烯}+\ce{CH2=CH-CN} \longrightarrow \text{bicyclic cyclohexene}$$

由於 $-CN$ 具有吸電子作用，親雙烯體採取 endo 方向進行反應，可產生較強的次級軌域交互作用，因此 endo 產物為主要產物。

反應同時具有立體專一性，因此：

核心觀念

1,3,5-己三烯具有連續的 6 個 p 軌域，可組合成 6 個 π 分子軌域。分子軌域能量與節面數有關：

• 節面越少，成鍵性越強，能量越低。
• 節面越多，反鍵性越強，能量越高。
• 相鄰 p 軌域相位相反時，兩者之間會形成一個節面。

對 6 個連續 p 軌域而言，最高能量的分子軌域具有 $6-1=5$ 個節面，即相鄰 p 軌域的相位全部交替。

解題方法

由左至右觀察每個 p 軌域上方葉瓣的黑白相位。每當相鄰 p 軌域的相位反轉一次，就增加一個節面。

原圖中，選項 A 的 6 個 p 軌域相位完全交替，因此在 5 個相鄰原子間都形成節面：

$$\text{相位：} +\ -\ +\ -\ +\ -$$

所以選項 A 具有最多的 5 個節面，能量最高。

選項分析

核心觀念

判斷環狀化合物是否反芳香，需同時確認：

1. 分子為環狀且大致平面。
2. 環上每個原子皆有可連續重疊的 $p$ 軌域，形成完整共軛。
3. $\pi$ 電子數符合休克爾規則：

• 芳香性：$\pi$ 電子數為 $4n+2$。
• 反芳香性：$\pi$ 電子數為 $4n$，其中 $n=0,1,2,\dots$。
• 若無法維持平面或完整共軛，則為非芳香性。

選項分析

A) 為環丙烯基陽離子。環上有一個雙鍵，含 $2$ 個 $\pi$ 電子；帶正電的碳具有空的 $p$ 軌域，可形成完整共軛。

$$2=4(0)+2$$

因此 A 為芳香性，錯誤。

B) 為含兩個氮原子的五元芳香環。兩個雙鍵提供 $4$ 個 $\pi$ 電子，$N-H$ 上吡咯型氮的孤電子對提供 $2$ 個電子：

$$4+2=6=4(1)+2$$

此題考驗對環己烷構象和取代基相互作用的理解。

化合物是 cis-1-(tert-butyl)-3-methylcyclohexane。
首先，我們需要確定 cis 的意義，以及取代基的位置。
在環己烷中，1,3-取代的 cis 異構物意味著兩個取代基在環的同一側。
例如，如果 1 號位的取代基在上方，那麼 3 號位的取代基也在上方。
在這裡，1 號位是叔丁基 (tert-butyl)，3 號位是甲基 (methyl)。

叔丁基是一個非常龐大的基團，它在環己烷中總是傾向於處於椅式構象的赤道鍵 (equatorial position) 位置，以避免嚴重的 1,3-雙軸向 (1,3-diaxial) 相互作用。

我們分析各選項：
A) The boat conformation of this molecule has the lowest conformational energy.
椅式構象 (chair conformation) 相對於船式構象 (boat conformation) 能量更低。船式構象存在較大的彎曲應變和旗桿-旗桿 (flagpole) 相互作用，能量較高。因此，該選項是錯誤的。

B) This molecule has no chiral center.
該分子是 cis-1-(tert-butyl)-3-methylcyclohexane。
1 號碳連接叔丁基、椅式環的一部分、以及叔丁基的另一側。
3 號碳連接甲基、椅式環的一部分、以及甲基的另一側。
由於叔丁基和甲基都是不同的取代基，且 1 號和 3 號碳都連接了四個不同的基團（包括環的不同部分），所以 1 號和 3 號碳是手性中心。
因此，該選項是錯誤的。

C) The tert-butyl and the methyl group bear a 1,3-diaxial relationship.
該分子是 cis-1-(tert-butyl)-3-methylcyclohexane。
在椅式構象中，1,3-取代的 cis 異構物意味著兩個取代基都處於軸向 (axial) 或都處於赤道鍵 (equatorial)。
如果兩個取代基都處於軸向，它們是 1,3-雙軸向關係。
如果兩個取代基都處於赤道鍵，它們是 1,3-赤道鍵關係。
由於是 cis-1,3-取代，所以一個取代基在上方，另一個也在上方 (或者都在下方)。

核心觀念

1. 親核性 (Nucleophilicity)

   • 親核性受兩大因素支配：本徵核性（與電負性、極化度相關）與溶劑效應（特別是質子性溶劑的氫鍵螯合）。
   • 在質子性溶劑（如水、醇）中，較小且高電負性的陰離子（如 F⁻）會被溶劑強烈氫鍵化，導致「可利用」的核子密度下降，故其親核性通常低於較大的碘離子。
   • 在非質子性溶劑（如 DMSO、DMF）中，溶劑對陰離子的螯合較弱，親核性趨向與本徵核性（即電負性）的相反：較大、較易極化的離子（I⁻ > Br⁻ > Cl⁻ > F⁻）較強。

2. 鹼性 (Basicity)

   • 鹼性衡量的是接受質子 (H⁺) 的能力，在水相中受鹼的共軛酸的 pKₐ影響。
   • 同系列卤離子在水中鹼性與電負性相反：I⁻ > Br⁻ > Cl⁻ > F⁻（因 F⁻ 被水分子強氫鍵化，使其有效碱性最弱）。
   • 在氣相或非質子性溶劑中，鹼性則隨電負性遞減（F⁻ > Cl⁻ > Br⁻ > I⁻），但考題屬於常見的水相比較。

3. 疏水性 (Hydrophobicity)

   • 疏水性常以 logP（octanol/water 分配係數）衡量，官能團中 氫鍵供體/受體 數量越多，logP 越低（越親水）。
   • 甲醚 (CH₃OCH₃) 只有一個氧作為氫鍵受體，無氫鍵供體；甲醇 (CH₃OH) 具一個氫鍵供體 (OH) 與受體；2‑甲氧乙醇 (CH₃OCH₂CH₂OH) 同時具有供體與受體且碳鏈較長，整體極性更強，故其疏水性最低。

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解題方法

1. 判斷每個選項所涉及的比較條件（親核性、鹼性、疏水性）。
2. 依據 溶劑類型（題目未特別說明，常以水相作判斷基礎），套用上述趨勢規則。
3. 若選項涉及結構差異（例如醇鹽 vs 醚），要考慮 立體阻礙、氫鍵交互作用 以及 官能團的極性。

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選項分析

核心觀念

共軛二烯與 $\mathrm{Br_2}$ 反應，可產生：

• 1,2-加成物：低溫下生成較快，屬於動力學產物。
• 1,4-加成物：高溫下可逆反應達平衡，因生成較穩定的內烯，屬於熱力學產物。

反應如下：

$$\mathrm{CH_2=CH-CH=CH_2+Br_2}$$

1,2-加成：

$$\mathrm{BrCH_2-CHBr-CH=CH_2}$$

1,4-加成：

$$\mathrm{BrCH_2-CH=CH-CH_2Br}$$

其中 1,4-加成物有順式與反式異構物，反式結構因立體障礙較小而較穩定。

解題方法

由題目給出的比例：

• 低溫：$X=60\%$，為主要產物，因此 $X$ 是動力學產物，即 1,2-加成物。
• 高溫：$Y=90\%$，為主要產物，因此 $Y$ 是熱力學產物，即較穩定的 反式 1,4-加成物。

對照圖中結構：

• i：1,2-加成物 $\mathrm{BrCH_2-CHBr-CH=CH_2}$。
• ii：順式 1,4-加成物。
• iii：反式 1,4-加成物。

所以：

$$X=\mathrm{i},\qquad Y=\mathrm{iii}$$

選項分析

核心觀念

本題考查鹵代烷的 $\beta$-消去反應，以及強而具立體障礙的鹼對產物選擇性的影響。

反應物為 $1$-溴-$1$-甲基環己烷，試劑為叔丁醇鹽 $\ce{(CH3)3CO^-}$，屬於體積很大的強鹼。此類鹼不易接近較擁擠的部位，通常優先移除最不擁擠的 $\beta$-氫，形成較少取代的烯烴，即 Hofmann 產物。

解題方法

溴原子所在的碳為 $\alpha$-碳，其相鄰的 $\beta$-碳有兩類：

1. 移除環上相鄰碳的 $\beta$-氫：形成環內雙鍵，即圖中的 ii。此烯烴較多取代，屬於 Zaitsev 產物。
2. 移除甲基上的氫：形成環外雙鍵，即圖中的 i。此烯烴較少取代，屬於 Hofmann 產物。

叔丁醇鹽體積大，優先抓取甲基上較容易接近的氫，因此主要形成圖中的 i：

$$\text{1-溴-1-甲基環己烷} \ \xrightarrow{\ce{(CH3)3CO^-}}\ \text{亞甲基環己烷（i）}$$

因此，i 為較少取代的 Hofmann 產物。

選項分析

核心觀念

本題考查烯類與 HBr 在過氧化物（ROOR）、加熱條件下的自由基加成反應。此條件會產生自由基鏈反應，使 HBr 對烯烴進行反馬可尼可夫加成：

• $Br$ 加到原本雙鍵上取代程度較低的碳。
• $H$ 加到取代程度較高的碳。
• 反應結果為 anti-Markovnikov product。

解題方法

起始物為 1-甲基環己烯。雙鍵的兩個碳中：

• 帶有甲基的碳較高度取代；
• 另一個雙鍵碳的取代程度較低。

在 ROOR、heat 下，先由過氧化物產生自由基，進一步生成 $Br\cdot$。為形成較穩定的三級碳自由基，$Br\cdot$ 會加到取代程度較低的雙鍵碳，使自由基留在帶甲基的碳上：

$$\ce{Br\cdot + CH2=C(CH3)- -> Br-CH2-\dot{C}(CH3)-}$$

接著碳自由基從 HBr 奪取氫原子，完成反應。因此：

• $Br$ 位於原本雙鍵中取代程度較低的碳；
• $H$ 位於帶甲基的碳；
• 生成圖中的 ii，屬於 anti-Markovnikov product。

選項分析

=== 第 17 題 ===

1. 核心觀念點出：
這題考察的是 $S_N2$ 反應的反應條件。$S_N2$ 反應的速率主要取決於兩個主要因素：

1. 底物 (Substrate)：primary 烷基鹵化物比 secondary 或 tertiary 更易反應（立體位阻較小），且良好的脫離基（如 Br > Cl）能加速反應。
2. 親核試劑 (Nucleophile)：帶負電荷的強親核試劑（如鹼性鹼 $RO^-$ 或 $MeO^-$）比中性弱親核試劑（如 $H_2O$）更能促進 $S_N2$ 反應。

2. 完整解題過程：

• 分析小題 (a) Substrate：
  • 圖片中 (i) 是 1-溴丙烷（primary alkyl bromide），(ii) 是 1-氯丁烷（primary alkyl chloride）。
  • 兩者都是 primary 烷基，立體位阻相對較小，利於 $S_N2$。
  • 關鍵在於脫離基的好壞。溴離子 ($Br^-$) 是氯離子 ($Cl^-$) 的更好脫離基，因為 C-Br 鍵較弱且 $Br^-$ 更穩定。
  • 因此，底物 (i) 比 (ii) 更有利於 $S_N2$ 反應。

核心觀念

本題考羧酸衍生物的親核醯基取代，以及各反應物的親核性與離去能力。醯氯反應性高，容易被胺、羧酸等親核試劑進攻；硫酯也能被胺進攻而發生胺解。相較之下，羧酸與硫醇若沒有活化或脫水條件，不容易直接縮合成硫酯。

解題方法

圖中可讀到：A 是苯甲醯氯與醋酸反應生成混合酸酐；B 是苯甲醯氯與乙胺反應生成醯胺；C 是硫酯與甲胺反應生成醯胺；D 是支鏈羧酸與苯硫酚反應生成硫酯；E 是環戊烷甲醯氯與二乙烯基銅鋰反應生成乙烯基酮。逐一判斷親核試劑能否進攻，以及醯基取代是否有合適的離去基。

選項分析

• (A) 會進行。 醯氯的羰基容易受到醋酸氧進攻，氯離子離去後形成混合酸酐。反應常以鹼協助移除生成的酸，但醯氯本身具有很高的醯基轉移活性。
• **(B) 會進行。

核心觀念

紫外－可見吸收的最大波長 $\lambda_{\max}$ 與電子躍遷所需能量成反比：

$$\Delta E=\frac{hc}{\lambda}$$

共軛系統越長，電子離域程度越高，能階差通常越小，吸收波長越長；羰基等發色團若與多重鍵、芳香環形成連續共軛，也會使吸收往長波長移動。

解題方法

依原圖辨認，(A) 是帶有兩個對羥基苯基的內酯，(B) 是含孤立烯鍵的類固醇骨架，(C) 是具有氧雜蒽樣共軛骨架、羰基及羥基的結構，(D) 含苯氧基與 β-內醯胺，(E) 含羧酸與醯胺鍵。比較各分子的連續共軛範圍，即可判斷哪個具有較長的吸收波長。

選項分析

核心觀念

本題考兩個連續反應：甲苯的傅–克醯化，以及酮的氫化鋁鋰還原。

甲苯上的甲基是活化、鄰位與對位定位基，因此傅–克醯化主要發生在苯環的鄰位或對位。體積較大的醯基進入對位時位阻較小，故對位產物為主。氫化鋁鋰可將酮的羰基還原成醇，但不會還原苯環。

解題方法

圖中可讀出起始物是甲苯，醯氯是乙醯氯 $\mathrm{CH_3COCl}$；第一步使用 $\mathrm{AlCl_3}$，反應後以水處理。第二步使用 $\mathrm{LiAlH_4}$，再以 $\mathrm{H_3O^+}$ 酸化。

第一步中，乙醯氯與 $\mathrm{AlCl_3}$ 形成具親電性的醯基物種，進攻甲苯苯環的鄰位或對位。由於對位位阻較小，主要生成對甲基苯乙酮：

\mathrm{CH_3C_6H_5 \xrightarrow[\ 2)\ H_2O\ ]{1)\ CH_3COCl,\ AlCl_3} p\text{-}\mathrm{CH_3C_6H_4COCH_3}

核心觀念

本題考察羰基的保護與去保護，以及格林納試劑對未受保護羰基的加成。圖中底物是帶有一個環酮與一個醛基的環己烷；二醇是乙二醇 $\mathrm{HOCH_2CH_2OH}$。

解題方法

酸催化下，醛基與乙二醇形成環狀縮醛，暫時降低醛基的反應性。接著 $\mathrm{EtMgBr}$ 對未受保護的環酮羰基加成，生成含乙基的烷氧基；最後酸性處理使烷氧基質子化為醇，並水解縮醛、恢復醛基。

核心觀念

本題考芳香環的親電芳香取代反應。芳香環上的取代基會影響反應活性及新取代基進入的位置：

• $\mathrm{-NHCOPh}$ 連在芳香環上，可由氮的孤電子對提供共振穩定，屬於鄰、對位定位基。
• $\mathrm{-Cl}$ 是去活化的鄰、對位定位基。
• $\mathrm{-CONHPh}$ 若直接連在芳香環上，則是間位定位基。

解題方法

依圖可讀出，起始物是 $N$-(4-氯苯基)苯甲醯胺：左側芳香環連有 $\mathrm{-NHCOPh}$，並在其對位連有 $\mathrm{Cl}$；右側芳香環則直接連著 $\mathrm{-CONHPh}$。反應條件為 $\mathrm{Br_2、H_2O}$，並註明只進行單溴化。

核心觀念

本題考酸催化的 Pinacol 重排與環擴張。相鄰羥基在酸中反應時，先由一個羥基質子化並脫水形成碳正離子；另一個羥基轉成羰基的同時，鄰近的碳碳鍵遷移至碳正離子中心。環內碳碳鍵遷移會使三員環擴大為四員環。

解題方法

依原圖，底物含有相鄰的 Ph–CH(OH) 與帶羥基的環碳；該環碳兩側分別連接 CH₂ 與 CH(nBu)，且沒有標示楔形鍵或虛線鍵。酸催化脫水後，形成的苄基碳正離子接受環內碳碳鍵遷移，另一個羥基所在的環碳形成羰基。

核心觀念

本題考查二級苄位鹵化物在強鹼作用下的消去反應。$\mathrm{NaOMe}$ 中的甲氧基負離子是強鹼，可移除溴所在碳相鄰的 $\beta$-氫；同時，溴離去，經由 E2 消去形成烯烴。

解題方法

圖中芳環上有一個碘取代基，並連接到 $\mathrm{Ar{-}CH(Br){-}CH_3}$；溴鍵畫成虛線楔形，氫鍵畫成實心楔形。碘與側鏈在芳環上呈間位。反應試劑為 $\mathrm{NaOMe}$。

找出溴所在碳相鄰的 $\beta$-碳：它是側鏈末端的 $\mathrm{CH_3}$。甲氧基負離子移除該甲基上的一個氫，$\mathrm{C{-}H}$ 鍵的電子形成雙鍵，同時 $\mathrm{C{-}Br}$ 鍵斷裂：

核心觀念

第 7 題考分子內 Claisen 縮合，也就是 Dieckmann 縮合。酯的 $\alpha$-氫被鹼拔除後形成烯醇負離子，進攻另一個酯的羰基；四面體中間體再脫去甲氧基，形成環狀 $\beta$-酮酯。

解題方法

圖中底物是環戊烷相鄰兩個碳各接一條 $\mathrm{-CH_2CO_2Me}$ 側鏈，試劑為 $\mathrm{MeO^-}$。其中一條側鏈的 $\alpha$-碳形成烯醇負離子，分子內進攻另一條側鏈的酯羰基。

核心觀念

本題考兩段反應：偕二溴化物經兩次脫去 $\mathrm{HBr}$ 形成端炔；端炔再以 $\mathrm{NaNH_2}$ 去質子化，和苄基溴進行烷基化，最後用 Lindlar 催化劑將炔選擇性還原成順式烯烴。

解題方法

圖中的起始物是 $\mathrm{PhCH_2CHBr_2}$：苯環連著一個 $\mathrm{CH_2}$，再接帶有兩個溴的碳；反應依序使用過量 $\mathrm{NaNH_2}$、苄基溴，以及 Lindlar 催化劑與氫氣。

先由偕二溴化物連續脫去兩分子 $\mathrm{HBr}$，形成苯乙炔：

$$\mathrm{PhCH_2CHBr_2} \xrightarrow[\ 150\,^\circ\mathrm{C}\ ]{\text{過量 }\mathrm{NaNH_2}} \mathrm{PhC{\equiv}CH}$$

核心觀念

本題串聯三種反應：末端烯烴的氫硼化－氧化、伯醇氧化成醛，以及醛與二級胺進行還原胺化。氫硼化－氧化使羥基加到烯烴較少取代的末端碳；還原胺化則把醛的羰基碳轉成連接氮的亞甲基。

解題方法

圖中起始物是末端烯烴，碳骨架可寫成 $\mathrm{CH_3CH(CH_3)CH_2CH{=}CH_2}$；試劑依序為 $\mathrm{BH_3\cdot THF}$、$\mathrm{H_2O_2/NaOH}$，接著是 Dess–Martin periodinane，最後以 $\mathrm{NHMe_2}$ 和 $\mathrm{NaBH(OAc)_3}$ 處理。

第一步進行氫硼化－氧化，羥基加到末端碳，生成伯醇：

$$\mathrm{CH_3CH(CH_3)CH_2CH{=}CH_2 \longrightarrow CH_3CH(CH_3)CH_2CH_2CH_2OH}$$

核心觀念

本題考連續官能基轉換：自由基苄位溴化、氰離子取代，以及腈的部分還原。苄位是直接連接芳香環的側鏈碳；DIBAL-H 可將腈還原成醛。

解題方法

圖中起始物是鄰位帶有甲基與溴的甲苯，甲基與芳香環相鄰；條件依序為 $\mathrm{Br_2}, h\nu$、$\mathrm{NaCN}$／丙酮，以及 DIBAL-H 後酸性處理。

1. $\mathrm{Br_2}, h\nu$ 進行自由基苄位溴化，甲基上的一個氫被溴取代，得到 $\mathrm{Ar{-}CH_2Br}$。芳香環上的溴保留。

核心觀念

2-氯-2-甲基丁烷經強鹼消去時，鹼會移除與帶氯碳相鄰的 β-氫，同時形成碳碳雙鍵。β-氫可來自兩種不同位置，因此會得到兩種位置異構烯烴；兩者分子式皆為 $\mathrm{C_5H_{10}}$。

解題方法

圖中譜圖的積分標示依序為 $1、1、2、3、3$，合計 $10$ 個氫；約 $5\ \mathrm{ppm}$ 的兩組各積分為 $1$，表示有兩個不等價的端烯氫。這與 $\mathrm{CH_2=C(CH_3)CH_2CH_3}$ 相符。

由起始物 $\mathrm{CH_3-C(Cl)(CH_3)-CH_2-CH_3}$ 消去時：

• 從兩個等價甲基上的 β-氫消去，形成端烯 2-甲基-1-丁烯：
  $\mathrm{CH_2=C(CH_3)CH_2CH_3}$

核心觀念

2-氯-2-甲基丁烷進行消去反應時，可形成兩種位置異構的烯烴：2-甲基-1-丁烯與2-甲基-2-丁烯。判讀 $^1\mathrm{H}$-NMR 時，可用各訊號的積分比判斷不同化學環境中的氫原子數；烯烴氫通常出現在較低場，約 $\delta$ 4.5–6 ppm。

解題方法

圖中約 $\delta$ 5.1 ppm 有兩組訊號，積分比分別為 $1$ 和 $1$；約 $\delta$ 2 ppm 的訊號積分比為 $2$，另有積分比為 $3$ 的訊號約在 $\delta$ 1.8 ppm，以及積分比為 $3$ 的訊號約在 $\delta$ 0.9 ppm。

2-甲基-1-丁烯的結構為 $\mathrm{CH_2=C(CH_3)CH_2CH_3}$。末端雙鍵上的兩個氫處於不同化學環境，因此各對應一個氫的訊號；烯丙位 $\mathrm{CH_2}$ 有兩個氫，雙鍵碳上的甲基有三個氫，末端乙基甲基也有三個氫。預期氫數比例為 $1:1:2:3:3$，與圖中積分比吻合。

核心觀念

本題考查 $2$-氯-$2$-甲基丁烷進行消去反應時，鹼的體積如何影響烯烴的區域選擇性，以及如何用 $^1\mathrm{H}$-NMR 的積分比辨認產物。

小體積鹼通常較有利於形成取代度較高的札伊采夫產物；體積龐大的鹼較容易移除不擁擠位置的氫，增加取代度較低的霍夫曼產物比例。

解題方法

圖中約 $5\ \mathrm{ppm}$ 有兩組積分比各為 $1$ 的訊號，代表烯烴末端 $=\mathrm{CH_2}$ 上兩個不等價氫；約 $2\ \mathrm{ppm}$ 的訊號積分比為 $2$，可歸屬於烯丙位 $\mathrm{CH_2}$；另有兩組各為 $3$ 的訊號，對應兩個甲基。這些訊號與 $2$-甲基-$1$-丁烯相符：

$$\mathrm{CH_2=C(CH_3)CH_2CH_3}$$

起始物 $\mathrm{CH_3C(Cl)(CH_3)CH_2CH_3}$ 的 $\beta$-氫有兩種位置可供移除：

核心觀念

紅外光譜可利用官能基的特徵吸收判斷化合物。縱軸為透光率，吸收越強，曲線的谷越深；橫軸為波數，單位是 $\mathrm{cm^{-1}}$。羧酸具有兩個重要訊號：約 $2500$–$3300\ \mathrm{cm^{-1}}$ 的寬廣 O–H 吸收，以及約 $1700\ \mathrm{cm^{-1}}$ 的強烈 C=O 吸收。

解題方法

圖中波數由左至右約從 $4000$ 降至 $600\ \mathrm{cm^{-1}}$。光譜在約 $2500$–$3300\ \mathrm{cm^{-1}}$ 呈現寬廣吸收，並在約 $1700\ \mathrm{cm^{-1}}$ 有強吸收；這兩個特徵相符於羧酸的 O–H 與 C=O。據此判斷選項中的羧酸結構。

選項分析

核心觀念

質譜中，含有不同天然同位素的鹵素會造成分子離子峰出現特徵性的同位素峰。若分子含有溴，天然豐度相近的 $^{79}\mathrm{Br}$ 與 $^{81}\mathrm{Br}$ 會使分子離子峰形成相差 $2$ 個質量單位、強度約 $1:1$ 的一對峰。

解題方法

圖中橫軸是質荷比 $m/z$，縱軸是相對豐度；高質量端的分子離子峰位於 $m/z=156$ 與 $158$，兩峰強度相近。兩峰相差 $2$，且強度約為 $1:1$，符合分子分別含有 $^{79}\mathrm{Br}$ 或 $^{81}\mathrm{Br}$ 時的質譜特徵，因此判定分子含溴。

選項分析

• (A) 氟：錯。 氟主要只有一種穩定天然同位素，不會呈現相差 $2$ 且強度相近的分子離子峰對。
• **(B) 氯：錯。