115 年 國立成功大學化學研究所《有機化學》

核心觀念

• 核親電性 (Nucleophilicity)：在同一溶劑中，核親電性的高低受基本性 (basicity)、極化度 (polarizability)、以及立體阻礙 (steric hindrance) 的影響。
• 極性質子溶劑 (polar protic solvent)：如水、甲醇，能透過氫鍵強烈溶劑化 (solvation) 負離子，使其核親電性下降；對於較小、電荷集中且強鹼性的陰離子（如 $\ce{MeO^-}$）影響尤為顯著。
• 大而可極化的陰離子（例 $\ce{MeS^-}$）因極化度高、溶劑化較弱，往往在極性質子溶劑中成為較強的核親電試劑。
• 中性胺（$\ce{MeNH2}$）與阻礙性胺（$\ce{iPr2EtN}$）均為中性分子，核親電性較陰離子弱；且立體阻礙會進一步降低其親核能力。

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解題方法

1. 比較負離子 vs 中性分子：在質子溶劑中，陰離子雖被溶劑化，但仍普遍比中性胺更具核親電性。
2. 比較 $\ce{MeO^-}$ 與 $\ce{MeS^-}$：
   • $\ce{MeO^-}$：較小、強鹼（$pK_\mathrm{b}\approx -3$），在質子溶劑中被強氫鍵環繞，核親電性受抑。
   • $\ce{MeS^-}$：較大、較軟（軟鹼），極化度高，氫鍵溶劑化較弱，是更好的核親電試劑。
3. 比較兩種胺：
   • $\ce{MeNH2}$：分子較小、較少立體阻礙，核親電性大於高度阻礙的 $\ce{iPr2EtN}$。
   • $\ce{iPr2EtN}$（二異丙基乙胺）：三個烷基取代，立體阻礙顯著，核親電性最低。
4. 整理順序：
   $\ce{iPr2EtN} \;<\; \ce{MeNH2} \;<\; \ce{MeO^-} \;<\; \ce{MeS^-}$

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選項分析

此題考查甲烷氯化反應的相關敘述，需要判斷哪些敘述是錯誤的。

分析各選項：

A) 敘述: 雖然氯化反應是放熱的，且可能生成多氯代物，但可透過調整反應物比例來控制以生成單氯甲烷。
分析: 甲烷氯化是一個自由基連鎖反應。自由基反應的選擇性通常較差，容易生成多氯代物。要控制生成單氯甲烷，通常需要使用過量的甲烷 (CH₄) 相對於氯氣 (Cl₂)。這樣可以增加氯自由基與甲烷反應的機會，減少氯自由基與已生成的氯甲烷反應的機會，從而提高單氯甲烷的產率。此敘述是正確的。

B) 敘述: K_eq > 1 表示 Gibbs free energy change (ΔG) 為正，且反應是熱力學自發的。
分析: 平衡常數 K_eq 和 Gibbs free energy change (ΔG) 的關係是 ΔG = -RT ln(K_eq)。

• 如果 K_eq > 1，則 ln(K_eq) > 0。
• 因此，ΔG = -RT (正值) = 負值。
• ΔG < 0 表示反應在熱力學上是自發的 (spontaneous)。
  結論: 敘述中說 K_eq > 1 表示 ΔG 為正，這是錯誤的。K_eq > 1 表示 ΔG 為負。

C) 敘述: 乙烷 (ethane) 的生成表明反應經過自由基機理。
分析: 甲烷氯化反應是通過自由基機理進行的，其步驟包括起始 (initiation)、傳播 (propagation) 和終止 (termination)。在終止步驟中，兩個烷基自由基可以結合生成較大的烷烴，例如兩個甲基自由基 (•CH₃) 結合生成乙烷 (CH₃CH₃)。因此，乙烷的生成是自由基機理的證據。此敘述是正確的。

核心觀念

• 環狀胺類的鹼性取決於氮原子孤電子對是否參與芳香環的π電子雲。
  • 吡啶型 N（sp²，孤電子對不在平面上）→ 能接受質子 → 基本 (basic)。
  • 吡咯型 N（其孤電子對參與芳香性，形成6π電子系）→ 不能接受質子 → 非基本 (non‑basic)。
• Purine 為 imidazole 與 pyrimidine 的融合體，含四個氮原子：
  • pyrimidine 環：N1、N3、N7（皆吡啶型）
  • imidazole 環：N9（吡咯型）

解題方法

1. 先確認每個氮原子在整個雙環系統中的電子環境。
2. 判斷哪一個氮原子的孤電子對參與了 6π 電子環（即屬於吡咯型）。
3. 該氮原子即為題目所說的「非質子受納」氮。

選項分析

選項	氮原子位置	電子性質	是否為非基本

核心觀念

本題考查前線軌域理論（FMO）與周環反應的軌域對稱性：

• HOMO：最高佔據分子軌域。
• LUMO：最低未佔據分子軌域。
• 乙烯的同相 $\pi$ 軌域為成鍵軌域，屬於 HOMO；異相 $\pi^\ast$ 軌域為反鍵軌域，屬於 LUMO。
• 熱反應的 $[2+2]$ 環加成為對稱性禁阻；光化學 $[2+2]$ 環加成則因電子激發而允許。
• 熱反應的 Diels–Alder $[4+2]$ 環加成為協同、對稱性允許的反應。

解題方法

圖中的軌域 i 兩端相位相同，代表乙烯的成鍵 $\pi$ 軌域，因此為 HOMO；軌域 ii 兩端相位相反，代表反鍵 $\pi^\ast$ 軌域，因此為 LUMO。

接著逐項檢查其是否符合：

1. 光化學 $[2+2]$ 的電子激發條件。
2. 共軛長度與 HOMO–LUMO 能隙的關係。
3. Diels–Alder 反應中的 HOMO–LUMO 作用。
4. 周環反應的對稱性規則。

選項分析

A）錯誤。

光化學 $[2+2]$ 環加成中，只需將「一個」乙烯分子的電子由 HOMO（$\pi$）激發至 LUMO（$\pi^\ast$），形成激發態乙烯；它再與另一個基態乙烯反應。

因此正確描述應為「一個激發態乙烯與一個基態乙烯作用」，而不是兩個激發態乙烯。選項後半段的敘述錯誤。

B）正確。

核心觀念

酸性強弱可用共軛鹼的穩定度判斷；共軛鹼越穩定，原本的質子越容易解離，酸性越強。亦可用 $pK_a$ 比較：

$$pK_a \text{ 越低} \Rightarrow \text{酸性越強}$$

本題各類質子的典型 $pK_a$ 約為：

質子	共軛鹼特徵	典型 $pK_a$
$(ii)$ benzene	苯基負離子，負電荷位於碳上	約 $43$
$(iii)$ primary amine	負電荷位於電負度較高的氮上	約 $35\sim40$
$(i)$ terminal alkyne	$sp$ 碳形成 acetylide，具有較高 $s$ 成分	約 $25$
$(iv)$ carboxylic acid	carboxylate 負電荷可在兩個氧間共振分散	約 $4\sim5$

解題方法

依 $pK_a$ 由高至低排列，即可得到酸性由弱至強的順序。

1. 苯環質子 $(ii)$

   去質子化後形成苯基負離子，負電荷主要集中在碳原子上，缺乏有效的共振穩定，因此酸性最弱。

2. 一級胺質子 $(iii)$

   去質子化後形成胺負離子，負電荷位於氮原子上。氮的電負度高於碳，因此比苯基負離子穩定，酸性比 benzene 強。

3. 末端炔質子 $(i)$

   去質子化後形成 acetylide anion，負電荷位於 $sp$ 混成碳上。$sp$ 碳具有 $50\%$ 的 $s$ 成分，電子較靠近原子核，能有效穩定負電荷，因此酸性比一級胺強。

4. 羧酸質子 $(iv)$

核心觀念

本題考查「過量碘甲烷甲基化後的霍夫曼消去反應」。

起始物為 2-丁胺：

$\mathrm{CH_3CH(NH_2)CH_2CH_3}$

先以過量 $\mathrm{CH_3I}$ 進行完全甲基化，形成四級銨鹽；再以 $\mathrm{Ag_2O}$ 將碘離子置換成氫氧根，受熱後進行 $\mathrm{E2}$ 消去：

$$\mathrm{R-N(CH_3)_3^+OH^-} \xrightarrow{\Delta} \mathrm{alkene+N(CH_3)_3+H_2O}$$

解題方法

四級銨基團所在的 $\alpha$ 碳兩側都有 $\beta$-氫可被消去：

• 從較不擁擠的甲基端消去，形成末端烯烴 1-butene，即圖中的 ii。
• 從另一側的 $\ce{CH2}$ 消去，形成內部烯烴 2-butene，即圖中的 i。

霍夫曼消去優先生成取代度較低、立體障礙較小的烯烴。因此：

此題考查烯烴與 HBr 的加成反應，需判斷主要產物及反應類型（Markovnikov 或 anti-Markovnikov）。

反應物與試劑分析：
反應物是一個烯烴，結構為 CH₃CH=CH₂ (丙烯)。
試劑是 HBr，且有 ROOR (過氧化物) 存在。

Markovnikov 加成規則：
在沒有過氧化物存在的情況下，HBr 加成到不對稱烯烴時，氫原子會加到含氫較多的碳原子上，溴原子會加到含氫較少的碳原子上，形成碳陽離子中間體時，會優先形成較穩定的碳陽離子。

anti-Markovnikov 加成規則：
在有過氧化物存在的情況下，HBr 加成到不對稱烯烴時，會發生自由基加成反應，其結果與 Markovnikov 規則相反。氫原子會加到含氫較少的碳原子上，溴原子會加到含氫較多的碳原子上。

核心觀念

本題考查共軛二烯與 HBr 的 $1,2$ 加成、$1,4$ 加成、烯丙基碳正離子共振，以及動力學與熱力學控制。

丁二烯先接受質子，形成烯丙基碳正離子：

$$\mathrm{CH_2=CH-CH=CH_2+H^+ \rightarrow CH_3-CH^+-CH=CH_2 \leftrightarrow CH_3-CH=CH-CH_2^+}$$

圖中的 A、B 是同一個烯丙基碳正離子的兩個共振式，不是兩個可分離的獨立物種。隨後 $\mathrm{Br^-}$ 可從不同位置進攻，形成兩種產物：

• C：$1,4$ 加成產物，結構為 $\mathrm{BrCH_2-CH=CH-CH_3}$，具有較高度取代的內部雙鍵，可形成 $E/Z$ 異構物；$E/Z$ 互為非對映異構物。
• D：$1,2$ 加成產物，結構為 $\mathrm{CH_2=CH-CH(Br)-CH_3}$，具有較低度取代的末端雙鍵；含溴的碳為掌性中心，形成的是對映異構物。

解題方法

第一次質子化後的碳正離子是反應中間體，位於能量圖的局部最低點。其後溴離子進攻時有兩條路徑：

• 較快的 $1,2$ 加成形成 D，屬於動力學產物，對應能量較高的產物 IV。
• 較穩定的 $1,4$ 加成形成 C，因內部雙鍵取代度較高，屬於熱力學產物，對應能量較低的產物 V。

因此：

$$\text{低溫：D（動力學產物）為主}$$ $$\text{高溫或可逆平衡：C（熱力學產物）為主}$$

核心觀念
本題測驗多環芳香烴與雜環系統的親電芳香取代反應（Electrophilic Aromatic Substitution, EAS），核心觀念包含：

1. 環活性的比較（Ring Activation vs. Deactivation）：分子內含有多個芳香環時，親電試劑優先進攻電子雲密度較高（富電子）的芳香環。給電子基（EDG，如 $-\text{OCH}_3$、酚醚鍵的 $-\text{O}-$）藉由共振（$+M$ 效應）活化苯環；吸電子基（EWG，如內酯中的羰基 $-\text{C}(=\text{O})-$）藉由共振（$-M$ 效應）鈍化苯環。
2. 取代基的定位效應（Regiochemistry / Directing Effects）：活化基團（如 $-\text{OCH}_3$ 與 $-\text{O}-$）為鄰、對位定位基（ortho/para-directors）。當環上有多個活化基時，需觀察定位效應是否互相協同強化（reinforcing）。

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解題方法

反應物為 6H-苯并[$c$]𠳭烯-6-酮（6H-benzo[$c$]chromen-6-one，屬二苯并-$\alpha$-吡喃酮衍生物）骨架，在 $\text{Br}_2 / \text{FeBr}_3$ 催化下進行二溴化（dibromination）：

1. 判斷反應發生的芳香環：

   • 左側苯環：接有 C1 位的甲氧基（$-\text{OCH}_3$）與 C3 位的內酯氧原子（$-\text{O}-$）。兩者皆具未共用電子對，能將電子雲共振推入苯環（$+M$ 效應），使左環高度富電子化，屬於強活化環（strongly activated ring）。
   • 右側苯環：直接連於內酯的羰基碳（$-\text{C}(=\text{O})-$）。羰基具強烈的吸電子共振效應（$-M$ 效應），使右環電子雲密度劇降，屬於強鈍化環（strongly deactivated ring）。
   • 因此，兩當量的親電溴化反應皆會選擇性地發生在活化程度極高的左側苯環，右環不參與反應。

2. 分析左側苯環上的取代位置（定位效應）：
   將左側苯環頂點依序編號：

   • C1：接有 $-\text{OCH}_3$（強活化、鄰/對位定位）
   • C2：環稠合交界碳（與右環以 $\text{C}-\text{C}$ 鍵相連）
   • C3：接有內酯氧原子 $-\text{O}-$（活化、鄰/對位定位）
   • C4（正下方）、C5（左下方）、C6（左上方）：為三個可供親電試劑進攻的 $\text{C}-\text{H}$ 位置。

核心觀念

本題考查「酸度」的比較。依據 Brønsted–Lowry 定義，酸是能夠放出質子的物種；因此，判斷某類氫原子的酸度，等同於比較其失去 $\mathrm{H^+}$ 後所形成共軛鹼的穩定性：

$$\text{酸度越強} \Longleftrightarrow \text{共軛鹼越穩定} \Longleftrightarrow \mathrm{p}K_a\text{ 越小}$$

題圖可辨識為甲醇結構 $\mathrm{CH_3OH}$，其中 $H_d$ 為羥基氫，$H_a$、$H_b$ 與另一個未標示氫皆為甲基上的氫。

解題方法

分別考慮移除各類氫後的共軛鹼。

羥基氫 $H_d$ 脫離後形成甲氧負離子：

$$\mathrm{CH_3OH} \longrightarrow \mathrm{CH_3O^-}+\mathrm{H^+}$$

負電荷位於氧原子上。氧的電負度高，能有效穩定負電荷，因此甲氧負離子相對穩定。甲醇的 $\mathrm{p}K_a$ 約為 $15.5$。

若移除甲基上的任一氫，例如 $H_a$，則形成碳負離子：

$$\mathrm{CH_3OH} \longrightarrow \mathrm{^-CH_2OH}+\mathrm{H^+}$$

此題考查兩種不同的有機反應，要求寫出產物結構和 IUPAC 名稱。

反應 (i): 酮的還原
試劑: 1) NaBH₄, 2) H₃O⁺
反應物: 一個含有酮基 (-C=O) 和氟原子 (-F) 的分子。
分析:

• NaBH₄ (氫化硼鈉) 是一種溫和的還原劑，能夠將酮還原成二級醇，同時也能將醛還原成一級醇。它通常不會還原酯、羧酸、鹵代烴等。
• H₃O⁺ (酸性水溶液) 用於質子化反應中間體，使醇的形成穩定。
• 氟原子 (-F) 通常在 NaBH₄ 的條件下不發生反應。

反應機理: NaBH₄ 提供親核性的氫化物離子 (H⁻)，進攻酮的羰基碳，形成醇鹽中間體。隨後，在酸性條件下，醇鹽被質子化，生成二級醇。

產物結構:
如果反應物是 R₁-CO-R₂-F，則產物是 R₁-CH(OH)-R₂-F。
需要知道反應物的具體結構才能寫出產物。
在考卷中，反應物 F 旁邊有一個結構圖，但 OCR 識別不清。
假設反應物結構為：

      O
     //
CH3-C - CH2 - CH2 - F

這個分子是 4-氟丁-2-酮 (4-fluorobutan-2-one)。
NaBH₄ 會還原酮基。
產物結構:

      OH
      |
CH3-CH - CH2 - CH2 - F

IUPAC 名稱: 4-氟丁-2-醇 (4-fluorobutan-2-ol)。

反應 (ii): 芳香硝化反應
試劑: HNO₃, 100 °C, H₂SO₄(cat.)
反應物: 一個含有氟原子的芳香環。
分析:

• HNO₃ (硝酸) 是硝化試劑。
• H₂SO₄ (硫酸) 是催化劑，用於產生硝鎓離子 (NO₂⁺)，這是親電試劑。
• 100 °C 的溫度表明反應條件較為劇烈。
• 反應物是一個芳香環，上面可能帶有其他取代基。 同樣，反應物的結構圖 OCR 識別不清。
  假設反應物是氟苯 (fluorobenzene)。

核心觀念

目前附上的掃描圖內容是「普通化學」第 19～21 題，未出現「有機化學第 II.4 題」的五個不完整反應式，也沒有反應物、產物、試劑或立體化學資訊。

解題方法

有機反應題必須依據每一小題的結構式判斷：

核心觀念

本題要求針對三個反應分別提出反應機構，必須依據反應物結構、試劑、溶劑、溫度及產物判定鍵結變化與電子移動方向。

解題方法

目前題目僅列出：

• i)
• ii)
• iii)

缺少三個反應的結構式、試劑與產物圖示，因此無法判定涉及親核取代、消去、加成、重排、氧化還原或自由基反應，也無法繪製唯一正確的電子推移機構。

解題技巧

核心觀念

本題要求針對三個反應分別提出反應機構，必須依據反應物結構、試劑、溶劑、溫度及產物判定鍵結變化與電子移動方向。

解題方法

目前題目僅列出：

• i)
• ii)
• iii)

缺少三個反應的結構式、試劑與產物圖示，因此無法判定涉及親核取代、消去、加成、重排、氧化還原或自由基反應，也無法繪製唯一正確的電子推移機構。

解題技巧

核心觀念

本題要求針對三個反應分別提出反應機構，必須依據反應物結構、試劑、溶劑、溫度及產物判定鍵結變化與電子移動方向。

解題方法

目前題目僅列出：

• i)
• ii)
• iii)

缺少三個反應的結構式、試劑與產物圖示，因此無法判定涉及親核取代、消去、加成、重排、氧化還原或自由基反應，也無法繪製唯一正確的電子推移機構。

解題技巧

核心觀念

本題要求針對三個反應分別提出反應機構，必須依據反應物結構、試劑、溶劑、溫度及產物判定鍵結變化與電子移動方向。

解題方法

目前題目僅列出：

• i)
• ii)
• iii)

缺少三個反應的結構式、試劑與產物圖示，因此無法判定涉及親核取代、消去、加成、重排、氧化還原或自由基反應，也無法繪製唯一正確的電子推移機構。

解題技巧

核心觀念

本題要求針對三個反應分別提出反應機構，必須依據反應物結構、試劑、溶劑、溫度及產物判定鍵結變化與電子移動方向。

解題方法

目前題目僅列出：

• i)
• ii)
• iii)

缺少三個反應的結構式、試劑與產物圖示，因此無法判定涉及親核取代、消去、加成、重排、氧化還原或自由基反應，也無法繪製唯一正確的電子推移機構。

解題技巧

核心觀念

本題要求針對三個反應分別提出反應機構，必須依據反應物結構、試劑、溶劑、溫度及產物判定鍵結變化與電子移動方向。

解題方法

目前題目僅列出：

• i)
• ii)
• iii)

缺少三個反應的結構式、試劑與產物圖示，因此無法判定涉及親核取代、消去、加成、重排、氧化還原或自由基反應，也無法繪製唯一正確的電子推移機構。

解題技巧

Ⅰ. 核心觀念

主題	重點說明
立體化學：cis / trans (Z / E)	(Z)-but‑2‑ene 亦即 cis‑2‑butene，兩個甲基位於雙鍵同側。
加成方式	syn 加成（兩個取代基同側）會保留原本的相對位置，anti 加成則使兩取代基相對。
meso 產物	具有兩個手性中心且有內部鏡像平面的分子，光學上不活。若兩手性中心的絕對構型相對（R/S）相同，且分子具有對稱平面，則為 meso。
氫化	催化氫化 (Pd/C + H₂) 為 syn‑addition of H₂，對稱雙鍵的立體資訊全部消失，產生單一飽和烴。

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Ⅱ. 解題方法

(i) 判斷哪些條件會使 (Z)-but‑2‑ene 產生 meso‑compound

1. 列出每個反應的加成機制<br>

   • A) OsO₄ + H₂O₂ → 1,2‑二羥基化，syn 加成兩個 OH。<br>
   • B) CH₃CO₃H + H₃O⁺ → 過氧酸氧化產生 epoxide（環氧），同樣是 syn 加成 O。<br>
   • C) Pd/C + H₂ → syn 加成 H₂，產生 n‑butane（無手性中心）。<br>
   • D) Cl₂ + H₂O → Halohydrin 形成，anti 加成 Cl 與 OH。<br>
   • E) Br₂ → 1,2‑二鹵化，anti 加成兩個 Br。

2. 只要 syn 加成於 cis‑2‑butene，產物的兩個新立體中心會呈 R‑S（互為鏡像）且分子仍保有鏡像平面 → meso。

3. 逐項檢驗：

   • A：產生 meso‑2,3‑butanediol（兩個 OH 同側，R‑S，內部平面）。
   • B：產生 meso‑2,3‑epoxybutane（環氧基同側，R‑S，亦為 meso）。
   • C：產物是 n‑butane，沒有手性中心，無法稱為 meso。
   • D、E：anti 加成使兩新取代基位於相對側，產生 鏡像對映體（R,R) 或 (S,S)，不具內部平面 → 不是 meso。

(ii) 產物的 Newman 投影

1. Pd/C + H₂ 完全飽和雙鍵，唯一產物為 n‑butane。
2. 要於 C2–C3 鍵 畫 Newman 投影，先選擇 C2 為前碳（以 CH₃‑CH₂‑ 為前），C3 為後碳（以 CH₂‑CH₃ 為後）。
3. 最穩構型 為 anti‑staggered：兩個相同取代基（兩個 CH₃）相距 180°。

Ⅰ. 核心觀念

主題	重點說明
立體化學：cis / trans (Z / E)	(Z)-but‑2‑ene 亦即 cis‑2‑butene，兩個甲基位於雙鍵同側。
加成方式	syn 加成（兩個取代基同側）會保留原本的相對位置，anti 加成則使兩取代基相對。
meso 產物	具有兩個手性中心且有內部鏡像平面的分子，光學上不活。若兩手性中心的絕對構型相對（R/S）相同，且分子具有對稱平面，則為 meso。
氫化	催化氫化 (Pd/C + H₂) 為 syn‑addition of H₂，對稱雙鍵的立體資訊全部消失，產生單一飽和烴。

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Ⅱ. 解題方法

(i) 判斷哪些條件會使 (Z)-but‑2‑ene 產生 meso‑compound

1. 列出每個反應的加成機制<br>

   • A) OsO₄ + H₂O₂ → 1,2‑二羥基化，syn 加成兩個 OH。<br>
   • B) CH₃CO₃H + H₃O⁺ → 過氧酸氧化產生 epoxide（環氧），同樣是 syn 加成 O。<br>
   • C) Pd/C + H₂ → syn 加成 H₂，產生 n‑butane（無手性中心）。<br>
   • D) Cl₂ + H₂O → Halohydrin 形成，anti 加成 Cl 與 OH。<br>
   • E) Br₂ → 1,2‑二鹵化，anti 加成兩個 Br。

2. 只要 syn 加成於 cis‑2‑butene，產物的兩個新立體中心會呈 R‑S（互為鏡像）且分子仍保有鏡像平面 → meso。

3. 逐項檢驗：

   • A：產生 meso‑2,3‑butanediol（兩個 OH 同側，R‑S，內部平面）。
   • B：產生 meso‑2,3‑epoxybutane（環氧基同側，R‑S，亦為 meso）。
   • C：產物是 n‑butane，沒有手性中心，無法稱為 meso。
   • D、E：anti 加成使兩新取代基位於相對側，產生 鏡像對映體（R,R) 或 (S,S)，不具內部平面 → 不是 meso。

(ii) 產物的 Newman 投影

1. Pd/C + H₂ 完全飽和雙鍵，唯一產物為 n‑butane。
2. 要於 C2–C3 鍵 畫 Newman 投影，先選擇 C2 為前碳（以 CH₃‑CH₂‑ 為前），C3 為後碳（以 CH₂‑CH₃ 為後）。
3. 最穩構型 為 anti‑staggered：兩個相同取代基（兩個 CH₃）相距 180°。

核心觀念

1. 烯類的親電加成立體化學（Stereochemistry of Electrophilic Addition）：
   • 烯類與鹵素（$\text{Br}_2$）反應時，首先由 $\pi$ 電子進攻溴分子生成環狀中間體——三元環溴鎓離子（bromonium ion）。
   • 隨後，溴離子（$\text{Br}^-$）從背面以 $\text{S}_\text{N}2$ 式反向進攻（backside attack）溴鎓離子的其中一個碳原子，使三元環開環，此機制屬於嚴格的反式加成（anti-addition）。
2. 立體選擇性與反應物幾何組態之對應：
   • cis-烯類經反式加成（anti-addition），產物為一對對映異構物（鏡像異構物）的等量混合物，即外消旋混合物（racemic mixture, $(\pm)$ 或 $(2R,3R)/(2S,3S)$ 對）。
   • trans-烯類經反式加成，則會生成具有內對稱面的內消旋化合物（meso compound, $(2R,3S)$）。
3. 費雪投影式（Fischer Projection）與 Cahn-Ingold-Prelog (CIP) 定則：
   • 費雪投影式中，直鍵朝紙面後方（遠離觀察者），橫鍵朝紙面前方（指向觀察者）。主碳鏈垂直排列，通常氧化數較高的碳置於上方（$\text{C}1$ 在上，$\text{C}4$ 在下）。
   • 手性碳（立體中心）依 CIP 優先順序定則（優先順序：$-\text{Br} > -\text{CH(Br)CH}_3 > -\text{CH}_3 > -\text{H}$）判定 $R/S$ 絕對組態。

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解題方法與逐步推導

1. 反應機制與中間體立體結構

cis-But-2-ene 的兩個甲基（$-\text{CH}_3$）在雙鍵同側。

1. $\text{Br}_2$ 從烯烴平面上方或下方進攻，形成橋接的 cis-溴鎓離子中間體（兩個甲基朝同一方向）。
2. $\text{Br}^-$ 可以等機率進攻 $\text{C}2$ 或 $\text{C}3$ 的反面位置進行開環：
   • 若進攻 $\text{C}2$，開環後產物組態為 $(2R, 3R)\text{-2,3-dibromobutane}$。
   • 若進攻 $\text{C}3$，開環後產物組態為 $(2S, 3S)\text{-2,3-dibromobutane}$。
3. 兩者生成機率各為 $50\%$，形成外消旋混合物（racemate）。

2. (i) 費雪投影式繪製（Fischer Projection）

將主碳鏈（$\text{C}1\sim\text{C}4$）垂直拉直：

• 上端為 $\text{C}1$（$-\text{CH}_3$），下端為 $\text{C}4$（$-\text{CH}_3$）。
• 對於 $(2R, 3R)$ 異構物：
  • $\text{C}2$ 碳上：$-\text{Br}$ 在右側，$-\text{H}$ 在左側。
  • $\text{C}3$ 碳上：$-\text{Br}$ 在左側，$-\text{H}$ 在右側。
• 對於 $(2S, 3S)$ 異構物（其鏡像）：
  • $\text{C}2$ 碳上：$-\text{Br}$ 在左側，$-\text{H}$ 在右側。
  • $\text{C}3$ 碳上：$-\text{Br}$ 在右側，$-\text{H}$ 在左側。

文字結構圖示如下（答題時畫出任一對映異構物或兩者並陳皆可）：

       CH3                       CH3
        |                         |
   H ---+--- Br              Br --+--- H       (C2)
        |                         |
  Br ---+--- H                H --+--- Br      (C3)
        |                         |
       CH3                       CH3

   (2R, 3R)                  (2S, 3S)

3. (ii) 不對稱碳之絕對組態判定（Configuration Determination）

以 $(2R, 3R)\text{-2,3-dibromobutane}$ 為例依 CIP 定則判定：

• 基團優先順序：
  $1.\ -\text{Br}\quad >\quad 2.\ -\text{CH(Br)CH}_3\quad >\quad 3.\ -\text{CH}_3\quad >\quad 4.\ -\text{H}$

• $\text{C}2$ 碳分析：

  • 優先順序：$-\text{Br}$ (1)、$-\text{C}3\text{H(Br)CH}_3$ (2)、$-\text{CH}_3$ (3)、

核心觀念

本題考查：

1. 1,4-二取代環己烷的 cis/trans 構型與椅式構形
2. 取代基的軸向／赤道向穩定性
3. 環己烷進行 E2 消去反應所需的 trans-diaxial（反式雙軸向）幾何條件

E2 反應要求離去基與 β-氫呈反式共平面排列。對環己烷而言，這通常表現為：

• 離去基必須處於軸向
• 相鄰碳上的 β-氫也必須為軸向
• 離去基與 β-氫呈反向排列

因此，環己烷的 E2 消去主要發生在具有 trans-diaxial 排列的椅式構形。

此外，體積較大的 tert-butyl（$t$-Bu）基非常偏好赤道向，因為若處於軸向，會產生嚴重的 $1,3$-diaxial interaction。

---

解題方法

先判斷 1,4-二取代環己烷中，cis 與 trans 異構物的椅式構形：

• cis-1,4-二取代物：一個取代基軸向、另一個赤道向；翻椅後兩者互換。
• trans-1,4-二取代物：可以形成雙赤道向或雙軸向構形。

接著比較 E2 反應所需的反應構形與其穩定性：

• 若 Br 為軸向，才有機會與鄰近 β-氫形成 trans-diaxial 排列。
• 比較能夠進行消去的軸向 Br 構形，其穩定程度即可判斷哪個異構物較容易反應。

---

（i）哪一個異構物較有利進行 E2 消去？

（A）cis-1-bromo-4-(tert-butyl)cyclohexane

cis-1,4-異構物的兩個椅式構形如下：

• Br 軸向、$t$-Bu 赤道向
• Br 赤道向、$t$-Bu 軸向

由於 $t$-Bu 基極大，最穩定的 cis 椅式構形是：

• $t$-Bu 位於赤道向
• Br 位於軸向

此時 Br 為軸向，且 C2、C6 上具有反向的軸向 β-氫，可以形成 trans-diaxial 排列，因此能直接進行 E2 消去。

（B）trans-1-bromo-4-(tert-butyl)cyclohexane

trans-1,4-異構物可以形成：

• Br 與 $t$-Bu 都為赤道向
• Br 與 $t$-Bu 都為軸向

最穩定的構形是雙赤道向構形，因為兩個取代基都避免了軸向排斥。但是在此構形中 Br 為赤道向，無法進行一般要求的 trans-diaxial E2 消去。

若要讓 Br 變成軸向，必須翻椅形成雙軸向構形；此時體積很大的 $t$-Bu 也變成軸向，造成嚴重的 $1,3$-diaxial interaction。因此，真正能進行 E2 的反應構形所占比例很低。

比較

cis 異構物的最穩定構形本身就具有：

• 軸向 Br
• 赤道向 $t$-Bu
• 可與 β-氫形成 trans-diaxial 排列

核心觀念

本題考查：

1. 1,4-二取代環己烷的 cis/trans 構型與椅式構形
2. 取代基的軸向／赤道向穩定性
3. 環己烷進行 E2 消去反應所需的 trans-diaxial（反式雙軸向）幾何條件

E2 反應要求離去基與 β-氫呈反式共平面排列。對環己烷而言，這通常表現為：

• 離去基必須處於軸向
• 相鄰碳上的 β-氫也必須為軸向
• 離去基與 β-氫呈反向排列

因此，環己烷的 E2 消去主要發生在具有 trans-diaxial 排列的椅式構形。

此外，體積較大的 tert-butyl（$t$-Bu）基非常偏好赤道向，因為若處於軸向，會產生嚴重的 $1,3$-diaxial interaction。

---

解題方法

先判斷 1,4-二取代環己烷中，cis 與 trans 異構物的椅式構形：

• cis-1,4-二取代物：一個取代基軸向、另一個赤道向；翻椅後兩者互換。
• trans-1,4-二取代物：可以形成雙赤道向或雙軸向構形。

接著比較 E2 反應所需的反應構形與其穩定性：

• 若 Br 為軸向，才有機會與鄰近 β-氫形成 trans-diaxial 排列。
• 比較能夠進行消去的軸向 Br 構形，其穩定程度即可判斷哪個異構物較容易反應。

---

（i）哪一個異構物較有利進行 E2 消去？

（A）cis-1-bromo-4-(tert-butyl)cyclohexane

cis-1,4-異構物的兩個椅式構形如下：

• Br 軸向、$t$-Bu 赤道向
• Br 赤道向、$t$-Bu 軸向

由於 $t$-Bu 基極大，最穩定的 cis 椅式構形是：

• $t$-Bu 位於赤道向
• Br 位於軸向

此時 Br 為軸向，且 C2、C6 上具有反向的軸向 β-氫，可以形成 trans-diaxial 排列，因此能直接進行 E2 消去。

（B）trans-1-bromo-4-(tert-butyl)cyclohexane

trans-1,4-異構物可以形成：

• Br 與 $t$-Bu 都為赤道向
• Br 與 $t$-Bu 都為軸向

最穩定的構形是雙赤道向構形，因為兩個取代基都避免了軸向排斥。但是在此構形中 Br 為赤道向，無法進行一般要求的 trans-diaxial E2 消去。

若要讓 Br 變成軸向，必須翻椅形成雙軸向構形；此時體積很大的 $t$-Bu 也變成軸向，造成嚴重的 $1,3$-diaxial interaction。因此，真正能進行 E2 的反應構形所占比例很低。

比較

cis 異構物的最穩定構形本身就具有：

• 軸向 Br
• 赤道向 $t$-Bu
• 可與 β-氫形成 trans-diaxial 排列