113 年 國立臺灣聯合大學系統（清華、政治、陽明交通、中央四校聯招）研究所化學類《有機化學》

核心觀念

本題考兩個反應：

1. $NaOEt/EtOH$ 進行鹼促進的 $E2$ 脫氫鹵化反應。$C-Br$ 鍵與鄰近的 β-$C-H$ 鍵須呈反式共平面排列，圖中標示的 β-H 可與 Br 同時移除，形成雙鍵。
2. $O_3$ 後以 $Me_2S$ 還原處理，進行還原性臭氧分解：

雙鍵碳若原本帶有氫，生成醛；若沒有氫而連接兩個碳，生成酮。

解題方法

圖中 Br 所連的碳為三級碳，脫去 Br 後形成的雙鍵碳不帶氫，因此臭氧分解後生成酮基。

另一個雙鍵碳原本帶有圖示的 H，臭氧分解後生成醛基：

由於雙鍵位於環系中，臭氧分解會切斷該雙鍵並打開相應環段，所得結構為選項 E 所示的環酮及末端醛。

核心觀念

本題考 Diels–Alder 反應。圖中反應物為：

• furan：富電子的 $4\pi$ 共軛二烯。
• 2-甲氧基-1,4-苯醌：含兩個羰基，為缺電子的 $2\pi$ 親二烯體。

反應遵守：

此反應為協同、立體專一反應。Furan 的氧原子會保留在產物中，形成 氧橋型 bicyclic（oxanorbornene）結構；苯醌的羰基與甲氧基不會被取代或消失。

甲氧基具有供電子效應，使鄰近的醌雙鍵較不具親電性，因此主要在未直接連接甲氧基的另一個醌雙鍵進行加成。羰基為吸電子基，依 endo 選擇規則，主要產物中羰基朝向 furan 的氧橋一側。

解題方法

1. 將 furan 的兩個末端碳視為二烯反應端點。
2. 將其接到苯醌未受甲氧基直接影響的 $C=C$ 兩端，形成兩個新的 $\sigma$ 鍵。
3. furan 原本的一個雙鍵在反應後保留，並與 furan 的氧形成氧橋。

核心觀念

本題考選擇性甲基化。酚羥基的酸性比一般脂肪族醇羥基強；加入碳酸鉀後，酚羥基較容易失去質子形成酚氧負離子。酚氧負離子再以親核取代反應攻擊碘甲烷的甲基，形成甲基醚。

本題中，起始物有一個芳香環上的酚羥基，也有一個脂肪族羥基。試劑為 $K_2CO_3$、$CH_3I$，溶劑為極性非質子溶劑 DMF，主要產物是酚羥基甲基化。

解題方法

先辨認起始物的兩個羥基：左側芳香環上的羥基是酚羥基；右側五員環上的羥基是脂肪族羥基。碳酸鉀是溫和鹼，優先使酸性較強的酚羥基形成酚氧負離子。

接著，酚氧負離子對 $CH_3I$ 的甲基進行 $S_N2$ 取代，碘離子離去：

因此芳香環上的 $\mathrm{-OH}$ 轉成 $\mathrm{-OCH_3}$，其餘羥基、羰基及類固醇骨架維持不變。

選項分析

核心觀念

本題考烯類的親電加成，以及鄰位溴原子的鄰基參與效應。圖中溴原子位於雙鍵旁的碳上，能以孤電子對協助穩定加成過程中的碳正離子。

解題方法

先將雙鍵較遠的一端接受 $H^+$，使正電荷出現在鄰近 $C-Br$ 鍵的碳上：

接著，溴原子的孤電子對對相鄰碳正離子進行鄰基參與，形成三元環溴鎓離子：

$Cl^-$ 由溴鎓離子的背面進攻 $C_\beta$，開啟三元環。由於是背面進攻，新形成的 $C-Cl$ 鍵與原有的 $C-Br$ 鍵呈反式關係。因此產物為鄰位的反式溴氯取代環己烷，即 trans-1-bromo-2-chlorocyclohexane。

選項分析

核心觀念

本題考查醇類以 $SOCl_2$/pyridine 轉換成氯化物時的反應機構，以及鄰基參與（neighboring group participation）造成的立體化學結果。

化合物 A 中，帶有孤電子對的環內硫原子與羥基所在的碳相鄰。反應先形成氯亞硫酸酯中間體，接著硫原子進行分子內攻擊，形成帶正電的三員環硫鎓離子（thiiranium ion）。最後由 $Cl^-$ 開環攻擊。

解題方法

反應步驟如下：

1. 羥基先與 $SOCl_2$ 反應，形成良好的離去基：

   $R{-}OH \longrightarrow R{-}O{-}S(O)Cl$

2. 鄰近的硫原子以孤電子對攻擊帶有氧硫基的碳，排出氯亞硫酸根，形成三員環硫鎓離子：

   $\text{硫原子分子內攻擊} \longrightarrow \text{thiiranium ion}$

3. $Cl^-$ 從硫鎓環的另一側攻擊，造成開環反應。

在此過程中，第一次是硫原子對碳的背面攻擊，造成一次反轉；第二次是 $Cl^-$ 開環攻擊，再造成一次反轉。因此總體結果相當於保留原本羥基的立體構型，符合圖中 A 的 $OH$ 與 B 的 $Cl$ 具有相同立體方向。

所以關鍵中間體應是「硫原子帶正電、形成三員環」的硫鎓離子。

核心觀念

酸性強弱可用共軛鹼的穩定度判斷：失去質子後，共軛鹼越穩定，原化合物越酸。也可比較 $pK_a$；$pK_a$ 越小，酸性越強。

解題方法

圖中標示的三個質子分別是：I 為醇的 $O-H$ 質子，II 為末端炔的 $C{\equiv}C-H$ 質子，III 為環上胺的 $N-H$ 質子。三者失去質子後，依序形成氧負離子、炔基負離子與氮負離子。

醇的 $O-H$ 質子酸性最強，因為氧的電負度高，能較穩定地承受負電荷。末端炔的共軛鹼中，負電荷位於 $sp$ 混成碳上；$sp$ 軌域的 $s$ 成分較高，能穩定負電荷，因此末端炔比胺的 $N-H$ 酸性強。胺失去質子後形成的氮負離子較不穩定，故其 $N-H$ 酸性最弱。

典型 $pK_a$ 約為：醇 $16\text{–}18$、末端炔約 $25$、胺的 $N-H$ 約 $35\text{–}40$。因此酸性由強至弱為：

選項分析

核心觀念

本題考烷烴的自由基溴化反應及其區位選擇性。溴化的關鍵步驟是溴自由基從烷烴抽取氫，形成碳自由基；碳自由基越穩定，越容易形成。一般穩定度為：

因此，自由基溴化傾向取代能形成較穩定自由基位置上的氫。

解題方法

圖中起始物是甲基環己烷，反應條件為 $\mathrm{Br_2}$ 與光照；選項分別呈現溴取代在環上不同位置，或取代在甲基上。甲基所連的環碳上有一個三級氫，環上其他碳的氫則位於二級碳，甲基上的氫位於一級碳。

光照使 $\mathrm{Br_2}$ 均裂，產生溴自由基。溴自由基抽取甲基環己烷的三級氫，可形成三級碳自由基；接著該自由基與 $\mathrm{Br_2}$ 反應，生成溴化物並再生溴自由基：

核心觀念

1. 分子手性（Chirality）的充要條件：
   • 分子與其鏡像不能完全重合者，即為手性分子。
   • 由分子對稱性觀點而言，分子具有手性的充要條件為不具備任何瑕轉軸（improper rotation axis, $S_n$）。在有機化學常見結構中，即為不具有對稱面（plane of symmetry, $\sigma = S_1$）且不具有反演中心／對稱中心（center of inversion, $i = S_2$）。
2. 旋轉對稱軸（Proper Axis, $C_n$）與手性的關係：
   • 分子若僅具有純旋轉對稱軸（如 $C_2, C_3$ 軸，所屬點群為 $C_n$ 或 $D_n$），只要不存在對稱面（$\sigma$）與反演中心（$i$），該分子仍然屬於手性分子（例如著名的立體化學分子 BINAP、酒石酸的 $(R,R)$ 異構體皆具有 $C_2$ 對稱軸，但皆為具光學活性的手性分子）。
3. 常見骨架的對稱性判斷：
   • 環己烷 1,4-二取代：不論是 cis 還是 trans，皆存在通過 C1 與 C4 的內在對稱面。
   • 內消旋體（meso compound）：含有兩個以上立體中心，但因分子內具對稱面 $\sigma$ 或反演中心 $i$，整體呈非手性。
   • 金剛烷（Adamantane）：具高對稱性（$T_d$ 點群），單橋頭取代後仍保留 $C_{3v}$ 對稱性，具 3 個對稱面。
   • 雙環[2.2.1]庚二烯（Norbornadiene）：取代基位置若打破所有鏡面，僅保留旋轉軸，則構成手性分子。

解題方法

從題目附圖中讀取 5 個選項的立體化學結構關鍵資訊：

• (A) 為 trans-4-甲基環己醇，C1 接虛線 $-\mathrm{OH}$、C4 接楔形 $-\mathrm{CH_3}$；
• (B) 為中心碳連接甲基、丁基及兩個相同羥甲基（$-\mathrm{CH_2OH}$）的二醇；
• (C) 為鋸架／交叉式構象描繪的 2,3-二溴丁烷；
• (D) 為三環骨架的 1-甲基金剛烷；
• (E) 為降冰片二烯骨架，在雙鍵之 C2 與 C5 位置分別帶有苯基（$\mathrm{Ph}$）的 2,5-二苯基雙環[2.2.1]庚-2,5-二烯。

解題切入點：逐一檢視各化合物是否存在對稱面（$\sigma$）或反演中心（$i$）。凡具有 $\sigma$ 或 $i$ 者必為非手性（achiral）；若兩者皆無，則為手性分子（chiral）。

選項分析

• (A) 非手性（錯誤）：
  此結構為 trans-4-甲基環己醇（trans-4-methylcyclohexanol）。
  垂直穿過 C1、C4 以及兩碳所連接之取代基（$\mathrm{OH}$、$\mathrm{CH_3}$ 與 $\mathrm{H}$）的平面，恰好將六元環平分為左半部（C2, C3）與右半部（C6, C5）。環的兩側路徑完全等價，此平面即為分子的對稱面（$\sigma$）。因為分子具有對稱面，故為非手性（achiral）。

• (B) 非手性（錯誤）：
  此結構為 2-丁基-2-甲基丙烷-1,3-二醇。
  中心碳原子所連接的四個基團分別為：甲基（$-\mathrm{CH_3}$）、正丁基（$-\mathrm{CH_2CH_2CH_2CH_3}$）以及兩個完全相同的羥甲基（$-\mathrm{CH_2OH}$，一個以實線表示、另一個以楔形鍵表示）。由於該碳原子並未連接四個不同的基團，並非立體中心（手性碳），且分子整體亦不具任何手性軸或手性面，故為非手性（achiral）。

核心觀念

1. 紐曼投影式（Newman Projection）：
   • 沿著特定的 $\text{C}-\text{C}$ 單鍵軸線觀察分子，將靠近觀察者的碳原子定義為「前碳」（以三條交於中心的線段表示），遠離觀察者的碳原子定義為「後碳」（以大圓圈周圍延伸出的三條線段表示）。
2. 三維透視圖（Wedge-and-Dash）轉換至紐曼投影式的立體方位判定：
   • 當視線順著特定單鍵觀察時，必須嚴格保持原手性中心的絕對立體組態（$(R/S)$ 配置）不變。
   • 沿著紙面內的 $\text{C}-\text{C}$ 鍵從前方往後方看，並以紙面朝上的鍵作為上方參考軸時：朝紙面外伸出的實楔線（solid wedge）基團對應於紐曼投影式中的左側；朝紙面內深入的虛線（dashed bond）基團對應於右側。
3. 烷烴構象（Conformation）術語：
   • Gauche（扭轉鄰位／間錯構形）：相鄰兩碳上的特定取代基（本題為兩個甲基，$-\text{CH}_3$）之二面角（dihedral angle）為 $\pm 60^\circ$。
   • Anti（反式構形）：特定取代基之間的二面角為 $180^\circ$。

解題方法

由題圖可知：

• 原分子骨架為 2-苯基丁烷（2-phenylbutane），手性碳 $\text{C2}$ 上接有四個基團：紙面向上伸展的甲基（$-\text{CH}_3$）、紙面朝左下方延伸至乙基的亞甲基（$-\text{CH}_2\text{CH}_3$）、朝紙面外（實楔線）的苯基（$-\text{Ph}$）、朝紙面內（虛線）的氫原子（$-\text{H}$）。
• 觀察標記「eye」位於右上角，虛線箭頭朝左下方指向 $\text{C2}$，即沿著 $\text{C2}-\text{C3}$（前碳手性碳 $\to$ 後碳乙基碳）之單鍵軸線進行觀察。

具體推導步驟如下：

1. 確認前碳與後碳所連接的基團：

   • 前碳（Front Carbon, $\text{C2}$）：連接有 $-\text{CH}_3$、$-\text{Ph}$、$-\text{H}$。
   • 後碳（Back Carbon, $\text{C3}$）：屬於乙基的亞甲基碳，連接有兩個 $-\text{H}$ 以及乙基末端的甲基 $-\text{CH}_3$（$\text{C4}$）。

2. 建立紐曼投影式的前碳方位（保持絕對立體組態）：

   • 站在右上角的觀察者位置（沿箭頭往左下方看），並以紙面上方作為「頭頂／正上方」的基準：
     • 在紙面直立朝上的甲基（$-\text{CH}_3$）對應紐曼投影式的正上方（12 點鐘方向）。
     • 指向紙面外（實楔線）的苯基（$-\text{Ph}$），相對於朝左下方看的觀察者而言是伸向其左側，故紐曼投影式中應位於左下方（8 點鐘方向）。
     • 指向紙面內（虛線）的氫原子（$-\text{H}$），相對於觀察者而言是伸向其右側，故紐曼投影式中應位於右下方（4 點鐘方向）。
   • 驗證手性配置：

核心觀念

本題考兩步反應的區域選擇性：

1. $t$-BuOK 是體積較大的強鹼，促進 $E2$ 消去，通常優先移除較不擁擠位置的氫，形成取代度較低的烯烴，即 Hofmann 產物。
2. $BH_3\cdot THF$ 後接 $H_2O_2、NaOH$ 是氫硼氧化反應，淨結果為水對烯烴作反馬可尼可夫加成：$OH$ 接到原雙鍵較少取代的碳，$H$ 與 $OH$ 同面加成。

解題方法

圖中起始物是 2-bromo-3-methylpentane：溴在 C2，C3 帶有甲基；C3 的甲基以實心楔形鍵表示。$E2$ 消去可從溴所在的 C2 移除相鄰 C1 或 C3 的氫。依 $t$-BuOK 的體積效應，主要在 C1 移除氫，形成末端雙鍵 3-methyl-1-pentene。