114 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》

此題考驗對官能基反應性的理解，特別是羧酸和烯烴的區別。題目要求找出一個試劑，能區分飽和長鏈羧酸 (CH3(CH2)10CO2H) 和含有內烯烴的長鏈羧酸 (CH3(CH2)4CH=CH(CH2)4CO2H)。

讓我們逐一分析選項：
(A) NaOH, H2O：羧酸是酸性的，能與強鹼 NaOH 反應生成羧酸鈉鹽溶於水。這兩種化合物都是羧酸，都會與 NaOH 反應，因此無法區分。
(B) Ag(NH3)2+：這是 Tollens' 試劑，主要用於檢測醛類。它不會與羧酸或烯烴發生明顯的區別性反應。

此題考驗對有機化合物結構分類的辨識能力。題目提供了一個立體化學結構圖，需要判斷其所屬的類別。

首先，我們觀察結構。該化合物具有一個四環結構，其中三個環是六員環，一個環是五員環。這種典型的四環結構是類固醇 (steroid) 的基本骨架。類固醇是具有特定立體化學的脂類化合物。

接下來，我們需要判斷 A-B 鍵的構型。在類固醇的編號系統中，A 環和 B 環通常是相鄰的。我們需要觀察 A 環和 B 環的連接方式。從圖中可以看出，A 環與 B 環的連接處（通常是 C5 和 C10 或 C4 和 C5 之間的鍵）的兩個氫原子（或取代基）是位於環的同一側（cis）還是不同側（trans）。在給定的結構圖中，A 環和 B 環的連接是 cis 的。

核心觀念

組胺酸（histidine）有三個可解離部位：

• $\alpha$-羧基：$\alpha$-COOH，$pK_a=2.0$
• $\alpha$-胺基：$\alpha$-NH$_3^+$，$pK_a=9.0$
• 側鏈咪唑環：質子化亞胺形式，$pK_a=6.5$

判斷原則為：

• $pH>pK_a$：主要呈去質子化形式
• $pH<pK_a$：主要呈質子化形式

解題方法

題目給定 $pH=11$，分別與三個 $pK_a$ 比較：

1. 羧基：

$$11>2.0$$

因此 $\alpha$-COOH 去質子化為 $\alpha$-COO$^-$。

2. $\alpha$-胺基：

$$11>9.0$$

因此 $\alpha$-NH$_3^+$ 去質子化為 $\alpha$-NH$_2$。

3. 側鏈咪唑環：

$$11>6.5$$

因此質子化的咪唑鎓離子去質子化，呈電中性的咪唑環。

亦可由 Henderson–Hasselbalch 關係確認：

$$\frac{[\mathrm{COO^-}]}{[\mathrm{COOH}]}=10^{11-2}=10^9$$ $$\frac{[\mathrm{NH_2}]}{[\mathrm{NH_3^+}]}=10^{11-9}=10^2$$ $$\frac{[\text{中性咪唑}]}{[\text{質子化咪唑}]}=10^{11-6.5}=10^{4.5}$$

此題考驗對 Tollen's 試驗的理解，Tollen's 試驗用於檢測醛類。Tollen's 試驗的試劑是硝酸銀氨溶液 (Ag(NH3)2OH)，它能將醛氧化為羧酸鹽，同時自身被還原為金屬銀，在試管壁上形成銀鏡。

能夠進行 Tollen's 試驗的化合物，必須具有醛基，或者在鹼性條件下可以轉化為醛基的結構。在糖類中，具有游離醛基的單糖（如葡萄糖、果糖）和一些雙糖（如麥芽糖）可以與 Tollen's 試劑發生反應。

我們來分析各個選項：
(A) α-D-glucopyranose：葡萄糖是一種醛醣 (aldose)。在吡喃糖 (pyranose) 形式下，葡萄糖存在 α 和 β 兩種異頭構型。在水溶液中，吡喃糖形式會與呋喃糖形式之間發生變旋（anomerization），並且存在少量開鏈的醛糖形式。這個游離的醛基可以與 Tollen's 試劑反應。因此，α-D-glucopyranose 會給出正的 Tollen's 測試。

(B) methyl β-D-glucopyranoside：這是一個葡萄糖的甲基醣苷 (methyl glycoside)。

核心觀念

圖中起始物為甲基酮 pinacolone：

$\mathrm{(CH_3)_3C-C(=O)-CH_3}$

目標產物為 pivalic acid：

$\mathrm{(CH_3)_3C-C(=O)-OH}$

甲基酮具有通式 $\mathrm{RCOCH_3}$，可進行鹵仿反應：

$\mathrm{RCOCH_3 \xrightarrow{I_2,\ OH^-} RCOO^-+CHI_3}$

再以酸處理羧酸鹽：

$\mathrm{RCOO^-+HCl\rightarrow RCOOH}$

解題方法

本題的 $\mathrm{-COCH_3}$ 直接符合鹵仿反應條件。令 $\mathrm{R=(CH_3)_3C}$：

$$\mathrm{(CH_3)_3C-C(=O)-CH_3 \xrightarrow{1.\ I_2,\ NaOH} (CH_3)_3C-COO^-}$$

最後加入鹽酸酸化：

$$\mathrm{(CH_3)_3C-COO^- \xrightarrow{2.\ HCl(aq)} (CH_3)_3C-COOH}$$

副產物為碘仿 $\mathrm{CHI_3}$。

選項分析

A) $\mathrm{NaOH/heat}$，再加 $\mathrm{HCl(aq)}$

起始物是酮，不是酯或醯胺，沒有可進行皂化的官能基。單獨使用氫氧化鈉加熱不能將甲基酮轉為羧酸，因此錯誤。

B) $\mathrm{NaOH/I_2}$，再加 $\mathrm{HCl(aq)}$

這是鹵仿反應。甲基酮先轉為羧酸鹽，酸化後得到圖示的 pivalic acid，正確。

核心觀念

本題考查兩個反應：

1. 酸性水解：甲酯 $\ce{-CO2CH3}$ 水解為羧酸 $\ce{-CO2H}$；環狀 $N$-羥基醯亞胺的醯胺鍵也會被水解，使雜環開環。
2. 丙二酸衍生物的脫羧：鄰位取代的丙二酸結構受熱會脫去一分子 $\ce{CO2}$：

$$\ce{Ar-CH(CO2H)2 ->[\Delta] Ar-CH2-CO2H + CO2}$$

解題方法

原化合物經 $\ce{H3O+}$、加熱後：

• $\ce{-CO2CH3}$ 先水解成 $\ce{-CO2H}$。
• 含有 $N$-羥基醯亞胺的環狀結構水解開環，形成鄰位苯甲酸與 $\ce{Ar-CH(CO2H)2}$ 的丙二酸型中間體。
• 該丙二酸型中間體受熱脫羧，留下：

$$\ce{o-(CO2H)C6H4-CH2-CO2H}$$

也就是鄰羧基苯乙酸（homophthalic acid）的結構，對應選項 B。

選項分析

核心觀念

這題要用分子式、不飽和度，以及 IR、$^{13}\mathrm{C}$ NMR、$^{1}\mathrm{H}$ NMR 交叉判斷結構。

分子式為 $\mathrm{C_6H_8O_3}$，不飽和度為

$$\mathrm{DBE}=\frac{2(6)+2-8}{2}=3$$

不飽和度 $3$ 可由一個環與兩個羰基組成。IR 可判斷羰基與 $\mathrm{O-H}$；$^{13}\mathrm{C}$ NMR 可看碳的種類及羰基碳；$^{1}\mathrm{H}$ NMR 則可檢查是否有醛氫、甲基，以及各類氫的比例。

解題方法

原卷圖中，未知物分子式是 $\mathrm{C_6H_8O_3}$；$^{1}\mathrm{H}$ NMR 的訊號集中在約 $2$–$5\ \mathrm{ppm}$，沒有明顯的 $9$–$10\ \mathrm{ppm}$ 醛氫訊號。IR 有羰基吸收，未見明顯寬廣的酸或醇 $\mathrm{O-H}$ 吸收。$^{13}\mathrm{C}$ NMR 顯示羰基碳與脂肪族碳訊號，與含兩個羰基的結構相符。

選項 A 是含內酯羰基與酮羰基的環狀化合物，沒有 $\mathrm{O-H}$。它的氫可分成乙醯甲基 $3\mathrm{H}$、兩組亞甲基共 $4\mathrm{H}$，以及一個次甲基 $1\mathrm{H}$，合計 $8\mathrm{H}$。

核心觀念

本題考傅-克烷基化的芳香親電子取代反應，以及取代基對芳香環的定位效應。題目中的起始物是苯基苄基醚，含有兩個不同的苯環：一個直接連接氧原子，另一個透過 $\ce{-CH2OPh}$ 連接氧原子。

芳香醚的氧原子可將孤電子對共振給直接相連的苯環，使該環活化，並導向鄰位與對位取代。鄰位、對位產物中，對位通常因位阻較小而占優勢。

解題方法

圖中起始物為 $\ce{Ph-O-CH2-Ph}$，試劑為氯乙烷與 $\ce{AlCl3}$。這是傅-克烷基化條件，氯乙烷提供乙基親電子試劑；判斷產物時，先找較受活化的芳香環，再依定位效應決定取代位置。

氧原子直接相連的苯環受氧的共振給電子效應活化，屬鄰、對位定位。對位受位阻較小，因此乙基主要取代在這個苯環相對於氧連接位置的對位。

選項分析

核心觀念

$K_b$ 越大，鹼性越強；而 $\mathrm{p}K_b=-\log K_b$，所以 $\mathrm{p}K_b$ 越大，鹼性越弱。也可用共軛酸的 $\mathrm{p}K_a$ 比較：共軛酸越穩定、$\mathrm{p}K_a$ 越高，原來的鹼越強。

判斷氮的鹼性，關鍵是看孤電子對是否能接受質子：若孤電子對參與芳香性或能與芳環共振離域，通常較不容易抓住質子。

解題方法

原圖的分子是稠合含硫、含氮芳香環連接對位吡咯烷基苯環；氮 1、氮 2 位於稠合雜環中，氮 3 則直接連接苯環，並位於吡咯烷環內。

• 氮 1 的孤電子對參與稠合雜環的芳香性，較不容易接受質子，因此鹼性最弱、$\mathrm{p}K_b$ 最大。
• 氮 2 是類似吡啶型的氮，孤電子對不參與芳香性，可接受質子，鹼性較強。
• 氮 3 雖然位於吡咯烷環中，但它直接連接苯環，孤電子對可與苯環共軛；苯環又連接含氮稠合雜環，使電子離域效應延伸。這會降低氮 3 孤電子對的可用性，使其鹼性弱於氮 2、強於氮 1。

核心觀念

$^{13}\mathrm{C}$ NMR 中，每一組化學環境不同的碳通常對應一個訊號；分子對稱性相同、化學環境等價的碳則共用訊號。化學位移可用來辨認碳的種類：直接連接氮的烷基碳通常較去屏蔽，出現在較高的 $\delta$ 值；烷基末端的甲基碳則通常較屏蔽，出現在較低的 $\delta$ 值。

解題方法

圖中第 10 題給出三個訊號：$\delta$ 11.2、27.3、44.9；五個選項分別是含羥基的三碳胺、異丙胺、甲基乙基胺、正丙胺及丙腈。先比較各選項有幾種不等價碳，再看訊號是否符合碳與氮、氧或氰基的連接關係。

正丙胺 $\mathrm{CH_3CH_2CH_2NH_2}$ 有三種不同的碳：

• $\mathrm{CH_3}$：末端甲基，化學位移較低，符合 $\delta$ 11.2。
• 中間的 $\mathrm{CH_2}$：烷基碳，符合 $\delta$ 27.3。
• 直接連接氮的 $\mathrm{CH_2NH_2}$：受氮原子去屏蔽影響，化學位移較高，符合 $\delta$ 44.9。

訊號數量與各碳的化學位移順序都吻合正丙胺。

選項分析

• (A) $\mathrm{H_2NCH_2CH_2CH_2OH}$：錯。 三個碳雖可能各有一種化學環境，但直接連接氧的 $\mathrm{CH_2OH}$ 會出現在明顯較高的化學位移，通常約在 $\delta$ 60 左右，與 $\delta$

核心觀念

本題考醛與二元醇在酸催化下形成環狀縮醛。醛的羰基碳會成為縮醛碳，與乙二醇的兩個氧原子形成兩個 $\mathrm{C-O}$ 鍵；乙二醇的兩個碳則連成五員環的一部分。反應的總式為：

$$\mathrm{PhCHO + HOCH_2CH_2OH \rightleftharpoons PhCH(OCH_2CH_2O) + H_2O}$$

解題方法

圖中反應物是苯甲醛 $\mathrm{PhCHO}$ 與乙二醇 $\mathrm{HOCH_2CH_2OH}$，條件為微量 $\mathrm{HCl}$。判斷產物時，先確認苯甲醛的羰基碳與乙二醇的兩個氧形成環狀縮醛；兩個氧之間由乙二醇的兩個碳連接，因此生成五員環。

酸催化機構是：羰基氧先接受質子，使羰基碳更易受親核攻擊；乙二醇的一個羥基氧進攻羰基碳，經質子轉移與脫水形成中間體；乙二醇另一端的氧再分子內進攻，閉合成環，最後脫去質子，得到縮醛。微量酸在反應中再生，作用是催化。

核心觀念

本題考的是平衡常數與反應自由能的關係，以及比較反應物、生成物的粒子數對熵變的影響：

$$\Delta G^\circ=-RT\ln K$$

在相同溫度下，平衡常數 $K$ 越大，代表標準自由能變化 $\Delta G^\circ$ 越負，平衡越偏向生成物。自由能變化可拆成焓與熵兩部分：

$$\Delta G^\circ=\Delta H^\circ-T\Delta S^\circ$$

因此，反應的熵變越有利，通常越能促進生成物形成。

解題方法

比較兩種形成縮醛的反應：

使用乙二醇：

$$\mathrm{R_2C{=}O+HOCH_2CH_2OH \rightleftharpoons R_2C(OCH_2CH_2O)+H_2O}$$

一個羰基化合物與一個乙二醇分子反應，生成一個環狀縮醛與一個水分子。反應物與生成物各有兩個分子。

使用甲醇：

$$\mathrm{R_2C{=}O+2CH_3OH \rightleftharpoons R_2C(OCH_3)_2+H_2O}$$

反應物有三個分子，生成物有兩個分子。反應前後分子數減少，熵變較不利。

相較之下，乙二醇形成環狀縮醛時，反應前後的分子數沒有減少，熵方面的代價較小。因此，熵項 $-T\Delta S^\circ$ 較有利，使乙二醇形成縮醛的平衡常數較大。

選項分析

核心觀念

本題考查將酮的羰基還原成亞甲基的反應。酮的羰基碳原本與氧形成雙鍵；若還原後變成亞甲基，代表羰基中的氧被移除，羰基碳轉為 $\mathrm{CH_2}$：

$$\mathrm{R_2C=O \longrightarrow R_2CH_2}$$

這與一般把羰基還原成醇的反應不同。醇類還原產物仍保留氧原子，結構為 $\mathrm{R_2CHOH}$。

解題方法

先看題目要求的產物是什麼：它要把酮的 $\mathrm{C=O}$ 轉成 $\mathrm{CH_2}$，也就是讓羰基碳與氧分離，並將羰基碳還原成亞甲基。在常見反應中，使用鋅汞齊與濃鹽酸進行的 Clemmensen 還原可達成此轉化，因此選項 (D) 符合。

選項分析

• (A) $\mathrm{Na,\ NH_3,\ CH_3CH_2OH}$：錯誤。 鈉、液態氨與乙醇提供還原條件，酮通常還原成二級醇；產物仍保留羥基氧，不是亞甲基。
• **(B) $\mathrm{LiAlH_4}$：錯誤。

核心觀念

本題旨在測驗**親電芳香取代反應（Electrophilic Aromatic Substitution, EAS）的反應速率與苯環取代基的活化效應（Activating Effect）**強弱順序。

1. 反應活性與環上電子密度：
   親電芳香取代反應的速率決定步驟為親電試劑（本題為氯化反應中的活性親電物 $\text{Cl}^+$ 或 $\text{Cl}-\text{Cl}\cdot\text{AlCl}_3$ 錯合物）進攻苯環形成碳陽離子中間體（$\sigma$ 錯合物／Arenium ion）。取代基向苯環提供電子的能力越強，苯環電子密度越高，過渡態與碳陽離子中間體越穩定，活化能越低，反應速率越快。
2. 共振給電子效應（$+M$）與電負度：
   直接與苯環相連之雜原子若具孤對電子（lone pair），可藉由共振將電子捐贈給苯環。原子的電負度越小（$\text{N} < \text{O}$），其對孤對電子的束縛越小，向苯環共振供電的能力越強。
3. 交叉共振（Cross-conjugation）與競爭吸電子效應：
   當帶有孤對電子的雜原子同時連接強吸電子的羰基（$\text{C}=\text{O}$）時，雜原子的孤對電子會同時與羰基及苯環共振，導致其向苯環供電的能力大幅降低（由強活化基降為中度活化基）。

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解題方法

從題目附圖中可清楚辨識出三個芳香環分子的結構與取代基：

• 化合物 1：乙酸苯酯（phenyl acetate），結構為 $\text{C}_6\text{H}_5-\text{O}-\text{C}(=\text{O})\text{CH}_3$。苯環直接連接氧原子，且該氧原子另一側連接乙醯基（$-\text{COCH}_3$）。
• 化合物 2：$N,N$-二甲基苯胺（$N,N$-dimethylaniline），結構為 $\text{C}_6\text{H}_5-\text{N}(\text{CH}_3)_2$。苯環直接連接氮原子，氮原子上帶有兩個甲基（$-\text{CH}_3$）。
• 化合物 3：苯甲醚（anisole），結構為 $\text{C}_6\text{H}_5-\text{OCH}_3$。苯環直接連接氧原子，該氧原子另一側連接甲基（$-\text{CH}_3$）。

分析各取代基的電子供給能力與活化效應強弱：

1. 化合物 1（乙酸苯酯，取代基為 $-\text{OCOCH}_3$）：
   氧原子帶有孤對電子，可向苯環進行共振供電；但由於該氧原子同時與強吸電子的羰基（$\text{C}=\text{O}$）直接相連，氧上的孤對電子亦會離域至羰基產生共振穩定：
   $\text{Ar}-\ddot{\text{O}}-\text{C}(=\text{O})\text{CH}_3 \longleftrightarrow \text{Ar}-\overset{+}{\text{O}}=\text{C}(\text{O}^-)\text{CH}_3$
   此競爭性的交叉共振使氧原子向苯環釋放電子的能力顯著降低，因此乙醯氧基（$-\text{OCOCH}_3$）屬於中度活化基（Moderately activating group）。

核心觀念

這題考的是羥基（$-\mathrm{OH}$）在芳香親電取代反應中的定位效應。判斷取代基的定位方向，關鍵是比較鄰位、間位與對位進攻後形成的 $\sigma$ 複合物（Wheland 中間體）各自的穩定程度。

羥基具有兩種電子效應：

• 誘導效應（$-I$）：氧的電負度高，會經由 $\sigma$ 鍵拉走電子密度。
• 共振效應（$+M$）：氧上的孤電子對能與苯環共振，將電子密度供給芳香環。

羥基的共振供電子效應能額外穩定鄰位與對位進攻形成的 $\sigma$ 複合物，因此羥基是鄰、對位定位基。雖然羥基具有誘導吸電子效應，但決定其定位方向的是共振效應。

解題方法

比較親電試劑進攻不同位置後，正電荷能否透過共振與羥基氧上的孤電子對離域。

鄰位或對位進攻形成的 $\sigma$ 複合物，其共振式中可以讓氧的孤電子對供給苯環，分散中間體的正電荷，增加穩定性。間位進攻形成的 $\sigma$ 複合物則沒有這種額外的共振穩定化。

核心觀念

判斷芳香性要看環是否具備連續共軛、近似平面，並符合休克爾規則：環狀共軛系統含有 $4n+2$ 個 $\pi$ 電子時具有芳香性；若平面且共軛系統含有 $4n$ 個 $\pi$ 電子，則具反芳香性。若環上有飽和原子中斷共軛，或分子以非平面構形避免反芳香性，則屬非芳香性。

解題方法

依原卷結構，(a)、(b)、(d)、(e)、(g) 是可共軛的五元或六元雜環；(c) 的吡喃環有飽和碳；(f) 的二氫吡啶環也有飽和碳；(h) 則是含氧七元環，具有三個環內雙鍵。判斷時逐一確認環上的共軛是否連續，再計算可參與的 $\pi$ 電子數。

• (a) Isoxazole：芳香。 兩個雙鍵提供 $4$ 個 $\pi$ 電子，氧的一對孤電子對提供 $2$ 個，合計 $6$ 個；氮的孤電子對不計入環內 $\pi$ 系統。
• (b) 1,3-Thiazole：芳香。 兩個雙鍵提供 $4$ 個 $\pi$ 電子，硫的一對孤電子對提供 $2$ 個，合計 $6$ 個；氮的孤電子對不計入。
• (c) Pyran：非芳香。 環上有飽和碳，造成共軛中斷，無法形成完整的環狀共軛系統。
• (d) Pyrylium ion：芳香。 環內共軛連續，並有 $6$ 個 $\pi$ 電子，符合 $4n+2$ 規則（$n=1$）。
• **(e) $\gamma$-Pyrone：芳香。

核心觀念

本題考查共軛二烯與 $\mathrm{HCl}$ 的親電加成。關鍵步驟是 $\mathrm{H^+}$ 先加到雙鍵上，形成碳正離子；若形成的碳正離子可由共振離域，便是較有利的烯丙基碳正離子。接著 $\mathrm{Cl^-}$ 可進攻正電荷所在的不同位置，產生不同區位的加成產物。

解題方法

圖中 A、B 都是帶有手性碳的氯代烯烴，兩者雙鍵幾何構型不同；C 是 $\mathrm{ClCH_2-CH=CH-CH_2-CH_3}$；D 是 $\mathrm{ClCH_2-CH_2-CH=CH-CH_3}$；E 是 $\mathrm{CH_2=CH-CH(Cl)-CH_2-CH_3}$。題目並註明，形成手性碳時會得到外消旋混合物，圖中只畫出其中一個對映異構物。

將 1,3-戊二烯編為：

$$\mathrm{C_1=C_2-C_3=C_4-C_5}$$

先判斷各產物能否由烯丙基碳正離子形成。烯丙基碳正離子的正電荷可在共軛系統的兩端離域，因此氯離子能在不同位置進攻；若形成的是沒有共振穩定的一級碳正離子，該途徑便較不利。

選項分析

• (A) 可形成。 A、B 所示的氯代烯烴可由烯丙基碳正離子形成；碳正離子中間體經共振與鍵旋轉後，氯離子進攻可得到相應產物。圖中手性碳只畫出一個對映異構物，實際上會形成外消旋混合物。

核心觀念

本題考查酮類 α 位氫的氘交換。羰基相鄰的碳稱為 α 碳；α 位氫可被鹼移除，形成由共振穩定的烯醇負離子。若反應介質是重水 $\mathrm{D_2O}$，烯醇負離子會在 α 碳接受氘，原有的 α 位氫因而逐步被氘取代。

解題方法

先找出羰基兩側的 α 碳，再計算這些碳上共有幾個氫。

在 2-乙基環己酮中，羰基兩側的 α 碳分別是環上的 C2 與 C6：

• C2 同時連接羰基碳、環上的 C3 與乙基，因此是 $\mathrm{CH}$，有 $1$ 個 α 位氫。
• C6 連接羰基碳與環上的 C5，因此是 $\mathrm{CH_2}$，有 $2$ 個 α 位氫。

總 α 位氫數為：

$$1+2=3$$

核心觀念

本題考的是 Williamson 醚合成與親核取代反應的選擇。Williamson 醚合成先把醇去質子化成烷氧負離子，再讓烷氧負離子以 $S_\mathrm{N}2$ 反應攻擊烷基鹵化物，形成醚。

$S_\mathrm{N}2$ 反應在位阻較小的反應中心較有利；因此，用甲基鹵化物作為親電試劑，通常比讓親核試劑攻擊較擁擠的二級碳更有效。

解題方法

圖中兩條路徑的起始物都是苯環直接連著 $\mathrm{CH(OH)CH_3}$ 或 $\mathrm{CH(I)CH_3}$ 的結構；目標產物是苯環連著 $\mathrm{CH(OCH_3)CH_3}$ 的醚。反應 A 使用 $\mathrm{NaH}$、再加 $\mathrm{CH_3I}$；反應 B 使用 $\mathrm{NaOCH_3}$ 與 $\mathrm{HOCH_3}$。

反應 A 中，$\mathrm{NaH}$ 將醇去質子化，形成烷氧負離子：

$$\mathrm{PhCH(OH)CH_3 \xrightarrow{NaH} PhCH(O^-)CH_3}$$

接著，烷氧負離子攻擊位阻很小的甲基碘，以 $S_\mathrm{N}2$ 反應取代碘，生成目標醚。反應 B 則要讓甲氧負離子攻擊二級苄基碘化物上的二級碳；

核心觀念

炔烴經臭氧分解，三鍵會斷裂，三鍵兩端的碳各自轉變成羧酸碳。對內炔 $\mathrm{R{-}C{\equiv}C{-}R'}$ 而言，產物為 $\mathrm{RCOOH}$ 與 $\mathrm{R'COOH}$；因此可以從羧酸的碳骨架，反推出炔烴三鍵兩側原本連接的烷基。

解題方法

圖中兩個產物分別是 2-甲基丙酸 $\mathrm{(CH_3)_2CHCOOH}$，以及丙酸 $\mathrm{CH_3CH_2COOH}$。前者表示三鍵一側連著異丙基 $\mathrm{(CH_3)_2CH{-}}$，後者表示另一側連著乙基 $\mathrm{CH_3CH_2{-}}$。將兩者接回三鍵，起始物為：

$$\mathrm{(CH_3)_2CH{-}C{\equiv}C{-}CH_2CH_3}$$

這個結構共有 $7$ 個碳，符合題目給的分子式 $\mathrm{C_7H_{12}}$，對應選項 C。

選項分析

• (A) $\mathrm{CH_3CH_2CH_2C{\equiv}CCH_2CH_3}$：三鍵兩側分別是丙基與乙基，臭氧分解會得到丁酸與丙酸；圖中第一個產物是 2-甲基丙酸，支鏈位置不同。

核心觀念

丙二酸酯合成先將丙二酸酯的 α-碳去質子化，再以烷基鹵化物進行 $S_\mathrm{N}2$ 烷基化；接著水解並加熱脫羧，得到羧酸。單烷基化時，產物骨架為 $RCH_2COOH$。此法適合以一級、苄基或烯丙基鹵化物作為親電試劑；乙烯基鹵化物與芳基鹵化物通常不能直接以此反應烷基化。

解題方法

依原圖，(A) 是酮 $CH_3COCH_2Ph$；(B) 是 $\mathrm{HOOCCH_2C(CH_3)=CH_2}$；(C) 是苯乙酸 $\mathrm{HOOCCH_2Ph}$；(D) 是環己烷甲酸。逐一判斷這些骨架能否由丙二酸酯的烷基化及後續水解、脫羧得到。

選項分析

• (A) 錯。 目標是酮，丙二酸酯合成的典型後續產物是羧酸。此酮可用乙醯乙酸酯合成法製備，不符合題目所問的丙二酸酯烷基化路徑。
• **(B) 錯。

核心觀念

純物質具有光學活性，須是手性分子；也就是分子與其鏡像不能重疊。對含四面體碳的結構，先檢查每個碳是否連接四種不同的基團，再檢查整個分子是否有內部對稱面。即使有立體中心，若分子具有內部對稱面、屬於內消旋形式，仍不具光學活性。

解題方法

依原圖判讀，I–V 都是開鏈結構，立體資訊以實心楔線和虛線鍵表示。判斷時逐一比較各立體中心所連的基團，並檢查分子是否有能交換相同兩端的內部對稱面。

• **I：**圖中候選四面體碳各有重複的甲基取代基，沒有形成手性中心，因此分子不具手性。
• **II：**結構為 $\mathrm{CH_3-CH(Cl)-CH(Cl)-CH_3}$。兩個立體中心的構型相反，分子有內部對稱面，屬於內消旋形式，不具手性。
• **III：**兩端相同，且圖示立體排列具有內部對稱面，因此不具手性。
• **IV：**圖示立體排列沒有內部對稱面，分子與其鏡像不能重疊，具手性。

核心觀念

本題考查自由基鏈反應的機構判斷，以及如何利用鍵解離能估算反應步驟的焓變。

自由基鏈反應通常包含三類步驟：

• 引發步驟：產生自由基。
• 鏈傳播步驟：自由基與分子反應，生成產物並再生另一個自由基，使反應鏈得以延續。
• 終止步驟：自由基彼此結合，消耗自由基，不能延續反應鏈。

以鍵解離能估算單一步驟的焓變：

$$\Delta H \approx \sum D(\text{斷裂的鍵})-\sum D(\text{形成的鍵})$$

$\Delta H<0$ 表示放熱；$\Delta H>0$ 表示吸熱。

解題方法

先確認各選項是否包含「引發」與可再生自由基的「鏈傳播」步驟，再比較引發所需的能量，以及傳播步驟的焓變。

比較兩種可能的引發步驟

氫分子均裂：

$$\mathrm{H_2 \rightarrow 2H{\cdot}}$$

需斷裂一個 $\mathrm{H-H}$ 鍵，吸收 $104\ \mathrm{kcal/mol}$。

氯分子均裂：

$$\mathrm{Cl_2 \rightarrow 2Cl{\cdot}}$$

需斷裂一個 $\mathrm{Cl-Cl}$ 鍵，吸收 $58\ \mathrm{kcal/mol}$。

因此，生成氯自由基的引發步驟所需能量較低。

計算選項 B 的鏈傳播步驟

第一步：

$$\mathrm{Cl{\cdot}+H_2\rightarrow H{\cdot}+HCl}$$

斷裂 $\mathrm{H-H}$ 鍵，形成 $\mathrm{H-Cl}$ 鍵：

$$\Delta H_1 \approx 104-103=+1\ \mathrm{kcal/mol}$$

此步驟略為吸熱。

第二步：

$$\mathrm{H{\cdot}+Cl_2\rightarrow HCl+Cl{\cdot}}$$

斷裂 $\mathrm{Cl-Cl}$ 鍵，形成 $\mathrm{H-Cl}$ 鍵：

$$\Delta H_2 \approx 58-103=-45\ \mathrm{kcal/mol}$$

此步驟放熱。兩個傳播步驟合計：

$$\Delta H_{\text{傳播}} \approx +1-45=-44\ \mathrm{kcal/mol}$$

核心觀念

本題考常見有機反應的產物判斷：過氧酸環氧化、炔負離子的烷基化、芳香偶氮偶合、吡咯的親電子芳香取代，以及氫化鋁鋰還原醯胺。

解題方法

依原圖逐項讀取反應物、試劑與產物： (A) 是含末端烯烴的烷基苯與 mCPBA；(B) 是丙炔經 NaNH₂ 處理後與帶有三級溴代碳的底物反應；(C) 是苯胺先重氮化，再與甲氧基苯偶合；(D) 是吡咯與 Br₂；(E) 是苯甲醯胺經 LiAlH₄、再酸化處理。依各反應的典型反應性，檢查圖示產物是否符合反應位置與碳骨架。

選項分析

• (A) 錯。 mCPBA 將烯烴的碳碳雙鍵轉成環氧化物，原有碳骨架及取代基連接方式不變。圖示產物的環氧化物取代方式與起始烯烴的碳骨架不相符。
• (B) 錯。 NaNH₂ 可將丙炔去質子化，形成親核性的炔負離子；但圖示烷基溴的反應碳是三級碳，位阻大，不利於炔負離子進行 $S_\mathrm{N}2$ 取代。

核心觀念

本題考察 CIP 優先序與 費雪投影式的立體判讀。依 CIP 規則排列手性碳上四個基團的優先序，再判斷 $1\to2\to3$ 的方向；若最低優先序基團朝向觀察者，判讀結果須反轉。

解題方法

圖中主鏈由上而下為 $CHO$、兩個手性碳及 $CH_2OH$；兩個手性碳的 $OH$ 都在左側，$H$ 都在右側。費雪投影式中，左右橫線朝向觀察者，上下直線背向觀察者。

對上方手性中心 C2：

• $OH$ 的優先序最高，列為 1；$H$ 最低，列為 4。
• 比較上下兩個碳基團：$CHO$ 碳按雙鍵重複計算後連接 $O,O,H$；下方 C3 連接 $O,C,H$，因此 $CHO$ 優先，分別列為 2、3。
• 圖上 $1\to2\to3$ 為順時針；但最低優先序 $H$ 位於橫線、朝向觀察者，須反轉，因此 C2 為 $S$。

對下方手性中心 C3：

核心觀念

異構物的判斷先看原子的連接方式，再看立體排列：

• 結構異構物：分子式相同，但原子的連接方式不同。
• 立體異構物：原子的連接方式相同，但空間排列不同。對映異構物與非對映異構物都屬於立體異構物；構象異構物則可藉由單鍵旋轉或環翻轉互相轉換。

解題方法

圖中左側的兩個溴原子分別連接在相鄰的環碳上；右側的兩個溴原子則連接在同一個環碳上。氘原子（D）也出現在兩個結構中。兩者的取代位置顯示溴原子與環碳的連接方式不同，因此屬於結構異構物；這種差異不能藉由椅式翻轉消除。

選項分析

核心觀念

烯烴氫化會使 $C=C$ 轉成 $C-C$，放出的熱量稱為氫化熱。題目中的各選項氫化後都形成乙基環己烷，因此產物相同；氫化放熱量越大，代表起始烯烴越不穩定。

烯烴通常因烷基取代程度增加而更穩定：三取代烯烴通常比二取代烯烴穩定，二取代烯烴又比單取代烯烴穩定。因此，找出取代程度最低的烯烴即可。

解題方法

原圖中，(A) 是末端雙鍵，環己基直接連到雙鍵的一端；(B) 是環外雙鍵；(C) 的環內雙鍵碳之一連有乙基；(D)、(E) 則是乙基連在雙鍵以外位置的環己烯。逐一比較雙鍵上的碳連接了幾個碳取代基，即可判斷烯烴穩定度。

(A) 的雙鍵為單取代烯烴，其他選項至少為二取代烯烴。單取代烯烴穩定度較低，氫化時放熱較多。

核心觀念

烯丙位氫是指連在 $sp^3$ 碳上的氫，而該 $sp^3$ 碳必須直接鄰接碳碳雙鍵的 $sp^2$ 碳。苄位氫則是連在直接鄰接苯環的碳上；苄位與烯丙位是不同位置，不能混為一談。

解題方法

圖中苯環連著一段共軛雙烯側鏈，末端接有 $CH_2OH$；苯環另一處則接有甲基。沿著側鏈查看雙鍵旁的飽和碳：只有末端的 $CH_2OH$ 碳直接鄰接雙鍵，因此其兩個氫是烯丙位氫。苯環上的甲基氫是苄位氫，不列入烯丙位氫計數。

$$CH_2OH\text{ 上的烯丙位氫數}=2$$

選項分析

核心觀念

圖中反應物是直鏈一級鹵化烷 1-溴丁烷與氰化鈉，生成腈類產物與溴化鈉。1-溴丁烷是一級鹵化烷，氰離子作為親核試劑進行雙分子親核取代反應（$S_\mathrm{N}2$）。

$S_\mathrm{N}2$ 反應的速率定律為：

$$\text{反應速率}=k[\text{1-溴丁烷}][\text{CN}^-]$$

解題方法

此反應的速率同時與 1-溴丁烷及氰離子的濃度成正比。題目將兩者濃度都加倍，因此新速率為：

$$\text{新速率}=k(2[\text{1-溴丁烷}])(2[\text{CN}^-]) =4k[\text{1-溴丁烷}][\text{CN}^-]$$

核心觀念

本題考醇與氫溴酸反應時的 SN1 反應與碳正離子重排。三級碳正離子通常比二級碳正離子穩定；若相鄰碳能藉由 1,2-烷基移位形成更穩定的碳正離子，便會先重排，再由溴離子進攻。

解題方法

圖中反應物是 $({CH_3})_3C-CH(OH)-CH_3$，也就是含有二級醇中心、相鄰碳為季碳的醇；反應試劑為 HBr，溶劑為醚，條件為 $100^\circ\mathrm{C}$。首先將羥基質子化，使其成為良好離去基，接著水離去，在原本帶有羥基的碳上形成二級碳正離子：

$$({CH_3})_3C-CH(OH_2^+)-CH_3 \longrightarrow ({CH_3})_3C-CH^+-CH_3 + H_2O$$

這個二級碳正離子旁的季碳沒有氫可供氫移位，但有甲基可移位。一個甲基作 1,2-甲基移位後，正電荷轉移到原本的季碳，形成較穩定的三級碳正離子：

$$({CH_3})_3C-CH^+-CH_3 \longrightarrow (CH_3)_2C^+-CH(CH_3)_2$$

核心觀念

解析氫核磁共振（$^1\mathrm{H}$ NMR）時，主要比對三項資訊：化學位移判斷氫原子所處的化學環境、積分判斷各訊號代表的氫數，以及訊號分裂判斷相鄰氫數。相鄰氫數為 $n$ 時，常見的分裂數為 $n+1$。

解題方法

圖中可讀出：芳香區約有兩組訊號，各積分 $2\mathrm{H}$；$3.80\ \mathrm{ppm}$ 為單峰，積分 $3\mathrm{H}$；$2.60\ \mathrm{ppm}$ 為四重峰，積分 $2\mathrm{H}$；$1.22\ \mathrm{ppm}$ 為三重峰，積分 $3\mathrm{H}$。

先看脂肪族訊號：$3.80\ \mathrm{ppm}$ 的 $3\mathrm{H}$ 單峰符合甲氧基 $\mathrm{OCH_3}$；$2.60\ \mathrm{ppm}$ 的 $2\mathrm{H}$ 四重峰與 $1.22\ \mathrm{ppm}$ 的 $3\mathrm{H}$ 三重峰，則是一組乙基 $\mathrm{CH_2CH_3}$。其中，連接芳香環的苄位 $\mathrm{CH_2}$ 約在 $2.6\ \mathrm{ppm}$，與相鄰的 $\mathrm{CH_3}$ 分裂成四重峰；$\mathrm{CH_3}$ 則受兩個 $\mathrm{CH_2}$ 氫分裂成三重峰。

芳香區分成兩組各 $2\mathrm{H}$，符合對位二取代苯環的對稱性。因此，結構應同時含有甲氧基與乙基，且兩者位於苯環對位，對應 (B)。

選項分析

核心觀念

本題考查羧酸衍生物的水解反應性。酰氯、酸酐、酯與醯胺在氫氧根離子作用下，主要經由親核醯基取代反應水解；反應快慢取決於羰基碳的親電性，以及離去基團離去的難易。

常見的反應性順序為：

$$\mathrm{酰氯 > 酸酐 > 酯 > 醯胺}$$

離去基團越穩定、越弱鹼，通常越容易離去。氯離子 $\mathrm{Cl^-}$ 是良好離去基團，因此酰氯反應性最高。

解題方法

逐一辨認各選項中的官能基，再比較其水解難易。酰氯與 $\mathrm{OH^-}$ 反應時，氫氧根進攻羰基碳，形成四面體中間體；中間體隨後排出氯離子，生成乙酸。氯離子容易離去，使這個親核醯基取代反應非常迅速。

在鹼性水溶液中，產物主要以乙酸根形式存在：

$$\mathrm{CH_3COCl + 2OH^- \longrightarrow CH_3CO_2^- + Cl^- + H_2O}$$

選項分析

核心觀念

$pK_a=-\log K_a$；$pK_a$ 越小，表示酸性越強。比較分子酸性時，重點是看失去質子後形成的共軛鹼有多穩定。若去質子化能形成具芳香性的陰離子，穩定效果尤其顯著。

解題方法

圖中 (A) 是環戊基甲基酮，(B) 是環戊烷甲醛，(C) 是環戊烷甲腈，(D) 是與醛基共軛的環戊烯結構，(E) 是環戊二烯。比較各分子最容易失去的氫，以及去質子化後的共軛鹼穩定度。

選項分析

• **(A) 環戊基甲基酮：**可移除羰基 α 位的氫，形成烯醇負離子；負電荷可與羰基共振，但其酸性通常弱於環戊二烯，$pK_a$ 約為 $20$。
• **(B) 環戊烷甲醛：**醛基旁的環上碳有 α 氫，去質子化可形成烯醇負離子。醛的 α 氫比酮的 α 氫酸性強，$pK_a$ 約為 $17$，仍高於環戊二烯。

核心觀念

本題考狄爾斯－阿爾德反應的立體專一性與內型選擇性。反應物是環戊二烯與反式烯烴；烯烴上的兩個取代基在反應前後維持相對立體化學。含吸電子酯基的親雙烯體與環戊二烯反應時，主要形成酯基朝向新生成橋鍵的內型產物。

解題方法

圖中可讀出：一個反應物是環戊二烯；另一個是酯基與甲基位於雙鍵兩端、分處雙鍵相對兩側的烯烴，即反式丁烯酸甲酯。兩者進行狄爾斯－阿爾德反應，生成降冰片烯骨架。

核心觀念

本題考傅－克醯化反應（Friedel–Crafts acylation）。氯化鋁活化乙醯氯，形成具親電子性的醯鎓離子；芳香環進行親電子芳香取代後，恢復芳香性。甲氧基是活化芳香環的鄰、對位定位基。

解題方法

圖中反應物是甲氧基苯（anisole）與乙醯氯 $CH_3COCl$，反應條件為 $AlCl_3$。甲氧基使芳香環的鄰位與對位較容易進行親電子取代；

解題方法

圖中是五員環內醯胺：氮上有一個氫，羰基碳與氮相鄰；環上另有一個與氮相鄰、帶兩個甲基的碳。試劑為 $1.\ \mathrm{LiAlH_4,\ THF}$、$2.\ \mathrm{H_2O}$。

核心觀念

氫化鋁鋰會將內醯胺的羰基還原成亞甲基，形成環狀胺。反應中，羰基碳保留在原來的環上，羰基氧則被移除；環上的碳碳鍵與碳氮鍵骨架不變。

解題步驟

核心觀念

本題考芳香伯胺的重氮化反應，以及後續的桑德邁爾反應。苯胺先轉成芳香重氮鹽，再以氰基取代重氮基，生成苯甲腈。

解題方法

圖中起始物是苯環直接連接 $NH_2$ 的苯胺；試劑依序為 (i) $NaNO_2、HCl$，(ii) $CuCN$。苯胺先在酸性條件下與亞硝酸鈉生成的亞硝酸反應，形成苯重氮鹽；接著在 $CuCN$ 作用下，重氮基被 $CN$ 取代，並釋出氮氣。

核心觀念

本題考查分子內羥醛縮合。二羰基化合物在鹼性條件下先形成烯醇負離子，進攻分子內另一個羰基，形成環狀羥醛；接著脫水，生成共軛的 $\alpha,\beta$-不飽和酮。分子內反應若能形成六員環，通常有利。

解題方法

圖中起始物是 $\mathrm{CH_3COCH_2CH_2CH_2COCH_3}$，兩個羰基之間有三個 $\mathrm{CH_2}$；反應條件為 $\mathrm{NaOH/CH_3CH_2OH}$，且題目標示生成 $\mathrm{H_2O}$。

核心觀念

本題考端炔的氫硼化－氧化反應。硼氫化物先以反馬可尼可夫方向加成到端炔，再經過氧化形成烯醇；烯醇互變後生成醛。此反應不會增加碳原子。

解題方法

圖中底物是苯乙炔，結構為 $\mathrm{C_6H_5{-}C{\equiv}CH}$；試劑依序為 $\mathrm{BH_3,\ THF}$，再以 $\mathrm{H_2O_2}$ 氧化。先依反馬可尼可夫方向判定：硼加到末端碳，氫加到與苯環相連的內側碳。

氧化時，末端的含硼碳轉成羰基碳，先得到烯醇：

核心觀念

四氧化鋨催化烯烴的同面雙羥基化：兩個羥基加到原雙鍵的兩個碳上，且位於同一面。$N$-甲基嗎啉$N$-氧化物（NMO）在此作為再氧化劑，使四氧化鋨能進行催化循環。

解題方法

圖中底物是 1-甲基環己烯；試劑為催化量 $OsO_4$ 與 NMO，溶劑為丙酮、水。反應將雙鍵轉成單鍵，並在原雙鍵兩端各接上一個 $OH$。

核心觀念

這題考酸性條件下環氧化物的開環反應。先由 HBr 質子化環氧氧原子，再由 $\mathrm{Br^-}$ 攻擊較多取代的環氧碳；開環時發生背面進攻，因此溴與原本留在另一個碳上的羥基呈反式關係。

解題方法

圖中底物是含甲基的環氧環己烷：環氧基的兩個碳中，一個帶有甲基；試劑為 HBr。圖上沒有標示楔形或虛線鍵，因此起始物的絕對立體構型未指定。

核心觀念

本題考芳香族親電子取代反應的定位效應。羧基（$-\mathrm{CO_2H}$）具有吸電子效應，會使苯環失活，並導引新取代基進入間位。

解題方法

圖中反應物是苯甲酸，苯環連有一個 $-\mathrm{CO_2H}$；試劑為 $\mathrm{HNO_3/H_2SO_4}$，可產生硝鎓離子 $\mathrm{NO_2^+}$，作為親電子試劑。

解題方法

圖中反應物是環己酮與二甲胺 $HN(CH_3)_2$，試劑為 $NaBH(OAc)_3$，溶劑／酸性條件為 $AcOH$。反應考查酮與二級胺在還原胺化條件下生成三級胺。

先由環己酮的羰基與二甲胺形成亞胺鎓離子，再由三乙醯氧基硼氫化鈉提供氫負離子，還原亞胺鎓的碳氮雙鍵。原本的羰基碳因此變成與氮相連的飽和碳，氮上帶有兩個甲基，產物為 N,N-二甲基環己胺，也可稱為 1-(二甲胺基)環己烷。