109 年 國立暨南國際大學應用化學系碩士班《有機化學》

此題考驗對硼氫化反應 (Hydroboration-Oxidation) 的理解。此反應是將烯烴轉化為醇的過程，具有反馬可夫尼可夫 (anti-Markovnikov) 的區域選擇性，且有順式加成 (syn-addition) 的立體化學。

步驟 (a) 是硼氫化反應，BH₃ 會加成到烯烴的雙鍵上。由於硼氫化反應是反馬可夫尼可夫的，硼原子會加成到位阻較大或電子密度較低的碳原子上，而氫原子則加成到位阻較小或電子密度較高的碳原子上。在此例中，烯烴的雙鍵位於一個較不飽和的碳原子（一級碳）和一個較飽和的碳原子（二級碳）之間。

題目辨識

依掃描圖，(2) 的反應物是苯甲醯氯 $\mathrm{C_6H_5COCl}$，不是醛或酮；題幹文字中的 $\mathrm{Hg(OAc)_2}$／$\mathrm{NaBH_4}$ 與 [B] 屬於圖中 (1) 的內容。因此本題依圖中 (2) 作答。

核心觀念

本題考查酸氯化物與二級胺的親核醯基取代反應。酸氯化物的羰基碳具有高度親電性，氯離子是良好離去基，因此二甲胺會取代 $\mathrm{Cl}$，生成醯胺。

反應的一般形式為：

其中一分子二甲胺形成醯胺，另一分子二甲胺用來中和反應生成的 $\mathrm{HCl}$。

解題方法

二甲胺 $\mathrm{(CH_3)_2NH}$ 的氮原子具有孤電子對，先進攻苯甲醯氯的羰基碳，形成四面體中間體。接著中間體重新形成羰基，並排出氯離子：

核心觀念

酯與格利納試劑（$PhMgBr$）反應時，需使用兩當量：第一當量使酯轉化成酮，第二當量再對酮加成。酸性處理後，含氧的鎂鹽被質子化成醇。

圖中酯的醯基部分為 $(CH_3)_2CHCH_2CO-$，因此起始物是乙酯；離去的乙氧基不會留在主要產物中。

解題方法

第一當量的 $PhMgBr$ 加成到酯的羰基碳，形成四面體中間體；中間體排出乙氧基，生成酮：

此題考驗羧酸與 PBr₃ 和 Br₂ 反應，然後水解生成 α-鹵代羧酸的反應 (Hell-Volhard-Zelinsky, HVZ reaction)。

起始物是丁酸 (butanoic acid)，其結構為 CH₃CH₂CH₂COOH。
步驟 (a) 是 Br₂ 和 PBr₃ 的混合物。PBr₃ 催化 Br₂ 對羧酸的 α-碳進行鹵代。
PBr₃ 首先與羧酸反應，形成一個醯溴化物 (acyl bromide)，同時生成 H₃PO₃。
RCOOH + PBr₃ → RCOBr + H₃PO₃
然後，醯溴化物中的 α-碳會與 Br₂ 反應，發生 α-溴代。
RCOBr + Br₂ → R-C(Br)H-COBr + HBr (如果 α-碳上有兩個氫)

核心觀念

本題考查酯的自我 Claisen condensation（Claisen 酯縮合）。圖中兩個反應物皆為丙酸乙酯：

$\mathrm{CH_3CH_2CO_2Et}$

乙氧基負離子先移除酯的 $\alpha$-氫，形成烯醇負離子；接著進攻另一分子酯的羰基，經加成—消去反應生成 $\beta$-酮酯。酸化後得到中性產物。

解題方法

1. 乙氧基負離子移除丙酸乙酯的 $\alpha$-氫：

所得負離子可由羰基氧共振穩定。

2. 烯醇負離子的 $\alpha$-碳進攻第二分子丙酸乙酯的羰基碳，形成四面體中間體。

3. 四面體中間體排出 $\mathrm{EtO^-}$，形成 $\beta$-酮酯：

核心觀念

本題考查芳香族醯胺的鹼性水解。圖中起始物為對位取代的 $N$-乙醯基苯磺醯胺：

其中 $\mathrm{CH_3CONH{-}}$ 是胺基的乙醯保護基。以 $\mathrm{NaOH}$、$\mathrm{H_2O}$ 加熱水解後，乙醯基被移除，並生成乙酸根：

解題方法

鹼性水解機制如下：

1. $\mathrm{OH^-}$ 親核攻擊醯胺羰基碳，形成四面體中間體。
2. 中間體塌陷，$\mathrm{ArNH^-}$ 離去並重新形成羰基。
3. $\mathrm{ArNH^-}$ 從水取得質子，形成芳香胺 $\mathrm{ArNH_2}$。
4. 乙醯部分在鹼性條件下存在為乙酸根 $\mathrm{CH_3CO_2^-}$。

核心觀念

本題考查烯類與氯化氫的親電加成，以及碳正離子的重排。

碳正離子穩定度為：

反應先由烯鍵接受 $H^+$，再由 $\mathrm{Cl^-}$ 進攻碳正離子。若鄰位可發生氫移位，會優先形成較穩定的三級碳正離子。

解題方法

圖中烯烴可寫成：

氫離子加到末端的 $\mathrm{CH_2}$，使正電荷落在內側碳上，形成二級碳正離子：

此二級碳正離子的鄰位碳含有氫，可發生 $1,2$-氫移位：

移位後形成三級碳正離子，接著由氯離子進攻：

此題考驗 Diels-Alder 反應。Diels-Alder 反應是一種 [4+2] 環加成反應，通常發生在共軛二烯 (conjugated diene) 和親雙烯體 (dienophile) 之間，生成一個六元環。

在這個反應中：
共軛二烯是 1,3-環己二烯 (1,3-cyclohexadiene)。
親雙烯體是甲烯丙烯酸甲酯 (methyl acrylate)，結構為 CH₂=CHCOOCH₃。

Diels-Alder 反應的特點：

1. 協同反應 (concerted reaction)，一步完成。
2. 具有順立體化學 (syn stereochemistry)。
3. 區域選擇性：親雙烯體的電子性質會影響加成位置。
4. 立體選擇性：二烯的順反構型會影響產物的立體構型。

在 1,3-環己二烯與甲烯丙烯酸甲酯的反應中：
1,3-環己二烯作為共軛二烯。
甲烯丙烯酸甲酯作為親雙烯體，其雙鍵上的羰基 (-COOCH₃) 是吸電子基團，使其更具親電性，有利於與富電子的二烯反應。

反應機制：
二烯的 HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) 與親雙烯體的 LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 之間發生軌域交互作用。
在這個反應中，甲烯丙烯酸甲酯的羰基是吸電子基團，因此其 LUMO 的能量較低，與二烯的 HOMO 形成有效的交互作用。

加成位置：
二烯的 C1 和 C4 分別與親雙烯體的 C1 和 C2 相連。
親雙烯體的羰基 (-COOCH₃) 會傾向於加成到二烯的 C1 或 C4 上，以獲得最佳的電子交互作用。

產物 [J] 的結構：
Diels-Alder 反應會生成一個帶有橋聯結構的六元環。
1,3-環己二烯加入甲烯丙烯酸甲酯後，會生成一個具有雙環結構的化合物。
環己烯環上會連接一個 -CH₂-CH₂-COOCH₃ 的基團。
由於 Diels-Alder 反應是協同的，雙鍵的順式加成會被保留。

此題考驗醚的開環反應，在酸性條件下，與鹵化氫 (HCl) 反應。

起始物是甲氧基苯 (anisole)，其結構為 C₆H₅OCH₃。
醚在酸性條件下，氧原子會被質子化，形成一個質子化的醚。
C₆H₅OCH₃ + HCl → C₆H₅O⁺HCH₃ + Cl⁻

然後，氯離子 (Cl⁻) 作為親核試劑，進攻質子化醚的碳原子。
醚的開環反應有兩種可能的途徑，取決於取代基的性質：

1. SN2 機制：如果烷基部分是未取代或一級的，氯離子會直接進攻烷基碳，取代離去基團 (質子化的氧原子)。
2. SN1 機制：如果烷基部分是三級的，或者可以形成穩定的碳陽離子 (例如，苄基或烯丙基碳陽離子)，則會先形成碳陽離子，然後氯離子進攻。

此題考驗酯與 Grignard 試劑的反應，以及後續的水解。

起始物是苯甲酸甲酯 (methyl benzoate)，其結構為 C₆H₅COOCH₃。
Grignard 試劑是甲基溴化鎂 (CH₃MgBr)。
酯與 Grignard 試劑的反應會進行兩次親核加成。

第一次反應：
CH₃MgBr 的甲基碳負離子進攻酯的羰基碳。
形成一個四面體中間體。
這個中間體會消除甲氧基 (⁻OCH₃)，生成苯基甲基酮 (acetophenone)。
C₆H₅COCH₃

核心觀念

本題考查維蒂希反應（Wittig reaction）。

• 反應物：
  1. 羰基化合物：3-戊酮（3-pentanone, $\mathrm{CH_3CH_2COCH_2CH_3}$）
  2. 磷葉立德（Phosphorus ylide）：亞乙基三苯基磷烷（ethylidene triphenylphosphorane, $\mathrm{Ph_3P=CHCH_3}$）
• 反應本質：醛或酮與磷葉立德反應，將羰基碳氧雙鍵（$\mathrm{C=O}$）轉換為碳碳雙鍵（$\mathrm{C=C}$），並生成三苯基氧化膦（triphenylphosphine oxide, $\mathrm{Ph_3P=O}$）作為副產物。

解題方法

1. 確定反應中心與斷鍵／成鍵位置：

   • 酮分子提供羰基碳：$\mathrm{CH_3CH_2-\overset{\mathbf{C}}{\underset{\mathbf{||}}{O}}-CH_2CH_3}$，其中羰基氧原子與磷葉立德的磷原子結合形成穩定的 $\mathrm{Ph_3P=O}$。
   • 葉立德分子提供帶孤對電子的碳原子（碳陰離子端）：$\mathrm{\overset{-}{\mathbf{C}}HCH_3}$。
   • 兩者透過 $[2+2]$ 環加成形成四元環狀中間體（氧磷雜四環，oxaphosphetane），隨後裂解脫去 $\mathrm{Ph_3P=O}$，形成新的碳碳雙鍵：
     $\mathrm{R_2C=O + Ph_3P=CHR' \longrightarrow R_2C=CHR' + Ph_3P=O}$

2. 組裝產物 [M] 之碳骨架：

   • 羰基端片段：$\mathrm{(CH_3CH_2)_2C=}$
   • 葉立德端片段：$\mathrm{=CHCH_3}$
   • 相連後得到產物：
     $\mathrm{CH_3CH_2C(CH_2CH_3)=CHCH_3}$

此題考驗硝基苯 (nitrobenzene) 的親電芳香取代反應，特別是氯化反應。

起始物是硝基苯。硝基 (-NO₂) 是間位定位基 (meta-director) 和鈍化基 (deactivator)。
硝基的吸電子效應會降低苯環的電子密度，使得親電取代反應變得困難，且主要發生在間位。

這題考查的是酮‑烯互變構（keto‑enol tautomerism）的基本概念，即 α‑氫的酸性去除後形成共振安定的烯醇負離子，再由氧原子接受質子而生成烯醇形態。

機轉步驟如下：

1. 鹼（如 $\mathrm{OH^-}$）去除酮分子的 α‑氫，生成烯醇負離子（enolate）：

[
\mathrm{CH_3C(=O)CH_3 + OH^- \rightarrow CH_2C(O^-)CH_3 + H_2O}
]

2. 烯醇負離子與水發生質子遷移，氧原子得到質子而形成烯醇：