113 年 國立成功大學生物化學暨分子生物學研究所《有機化學》

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第 1 題5 分

Alanine is one of the 20 amino acids (it contains both an amino and a carboxyl group) found in proteins. Is alanine better represented by the structural formula A or B? Explain.

Structure A:
O
//
CH3-CH-C-OH
|
NH2

Structure B:
O
//
CH3-CH-C-O-
|
NH3+

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原卷第 2 頁

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此題考驗對胺基酸結構在不同 pH 值下的存在形式的理解。

核心觀念:
胺基酸具有兩性離子(zwitterion)的性質,即同時帶有正電荷的胺基(-NH3+)和負電荷的羧基(-COO-)。在生理 pH 下,胺基酸通常以兩性離子形式存在。然而,題目給出了結構 A 和結構 B,分別代表在不同 pH 值下的兩種可能形式。

解題過程:
結構 A 中的胺基是 -NH2(未質子化),羧基是 -COOH(未解離)。這種形式通常在酸性條件下(pH < pKa of the carboxyl group)較為穩定。
結構 B 中的胺基是 -NH3+(已質子化),羧基是 -COO-(已解離)。這種形式是兩性離子,在接近中性 pH 或生理 pH 下較為穩定。

題目問的是,在蛋白質中發現的結構,哪一個更能代表丙胺酸(Alanine)。蛋白質中的胺基酸所處的環境 pH 大約在 7.4 左右,這是一個接近中性的 pH 值。

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第 2 題10 分

Draw a structural formula for each compound:
(a) trans-2-Methyl-3-hexene
(b) 2-Methyl-3-hexyne
(c) 2-Methyl-1-butene
(d) 3-Ethyl-3-methyl-1-pentyne
(e) 2,3-Dimethyl-2-butene

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核心觀念

本題考查有機化合物的「系統命名法」與結構式書寫,重點包括:

  1. 選擇最長碳鏈作為母體。
  2. 由最靠近多重鍵的一端編號,使雙鍵或三鍵取得最小定位號。
  3. 依名稱判斷取代基的位置與種類:
    • methyl:−CHX3\ce{-CH3}
    • ethyl:−CHX2CHX3\ce{-CH2CH3}
  4. 雙鍵具有幾何異構。trans 表示雙鍵兩端的主要碳鏈位於相反側。
  5. 三鍵碳原子為直線型,C≡C\ce{C#C} 兩端的碳不能再連接超過其四個價鍵。

解題方法

先找出名稱中的母體碳鏈與多重鍵位置,再依序加入取代基:

  • hexene:六碳烯,母體含六個碳。
  • hexyne:六碳炔,母體含六個碳。
  • butene:四碳烯,母體含四個碳。
  • pentyne:五碳炔,母體含五個碳。
  • methyl 與 ethyl 分別接在指定碳原子上。

每個碳原子必須符合四價原則:

  • 單鍵計 11 個價鍵;
  • 雙鍵計 22 個價鍵;
  • 三鍵計 33 個價鍵。

各小題結構式

(a) trans-2-Methyl-3-hexene

母體為六碳鏈,雙鍵位於第 33、44 碳之間,第 22 碳有一個甲基:

CHX3−CH(CHX3)−CH=CH−CHX2−CHX3\ce{CH3-CH(CH3)-CH=CH-CH2-CH3}

其中 trans 表示雙鍵兩端的碳鏈位於相反側:

       CH(CH3)CH3        H
              \          /
               C  =  C
              /          \
             H          CH2CH3

因此完整結構為反式的 2-甲基-3-己烯。


(b) 2-Methyl-3-hexyne

母體為六碳鏈,三鍵位於第 33、44 碳之間,第 22 碳有一個甲基:

CHX3−CH(CHX3)−C≡C−CHX2−CHX3\ce{CH3-CH(CH3)-C#C-CH2-CH3}

三鍵兩端為 C≡C\ce{C#C},因此第 33、44 碳沒有氫原子;三鍵呈直線型。


(c) 2-Methyl-1-butene

母體為四碳鏈,雙鍵從第 11 碳開始,第 22 碳有一個甲基:

CHX2=C(CHX3)−CHX2−CHX3\ce{CH2=C(CH3)-CH2-CH3}
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第 3 題6 分

Please write a correct name for the intended compound:
(a) 1-Methylpropene
(b) 3-Pentene
(c) 2-Methylcyclohexene

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此題考驗對有機化合物結構命名( IUPAC 命名法)的理解。題目給出了結構式的描述,要求寫出正確的名稱。然而,題目本身給出的 (a), (b), (c) 是「名稱」,而不是「結構」。因此,這題的解讀應該是:給定一個結構,要求寫出其正確的 IUPAC 名稱。但由於題目是以「write a correct name for the intended compound」開頭,後面卻列出了三個名稱,這表示可能題目有誤,或者是指請確認這三個名稱是否正確,或者是指請畫出這三個結構並給出更精確的名稱(例如加上 E/Z 異構)。

假設題目意圖是:請確認並修正以下結構的 IUPAC 名稱,或為其提供更精確的名稱。

由於沒有提供結構圖,我們只能根據給定的名稱進行分析,並推測其可能對應的結構,然後判斷名稱的正確性及是否可被精確化。

核心觀念:

  • 烯烴命名: 確定母鏈,標定雙鍵位置,命名取代基。
  • 環烯烴命名: 雙鍵的碳原子編號為 1,取代基依字母順序編號。
  • 立體化學: 對於有順反異構的雙鍵,需要標註 E/Z 或 cis/trans。

解題過程:

(a) 1-Methylpropene

  • 分析: "propene" 表示三碳鏈含雙鍵。"1-Methyl" 表示在第一個碳上連接甲基。
  • 問題: 雙鍵通常在母鏈的最短標記處,即 1-propene 是不存在的,因為雙鍵必須在 C1-C2 或 C2-C3 之間。如果雙鍵在 C1-C2,則 C1 是 CH2=,C2 是 -CH=。如果甲基在 C1,則 C1 變成 C(CH3)=。這時雙鍵就變成在 C1-C2。
  • 正確命名: 按照 IUPAC 規則,雙鍵的位數應盡可能小。如果雙鍵在 C1 和 C2 之間,則母鏈是 prop-1-ene。如果甲基在 C1,則 C1 上的氫原子被甲基取代,形成 CH3-C(CH3)=CH2。此時,雙鍵的起始位置是 C2。因此,這個結構應該是 2-Methylpropene (異丁烯)。
  • 結論: "1-Methylpropene" 這個命名是不正確的。正確名稱應為 2-Methylpropene。

(b) 3-Pentene

  • 分析: "pentene" 表示五碳鏈含雙鍵。"3-Pentene" 表示雙鍵在 C3 和 C4 之間。
  • 問題: 按照 IUPAC 命名,雙鍵的位數應該盡可能小。如果雙鍵在 C3 和 C4 之間,則從另一端編號(C1, C2, C3, C4, C5),雙鍵應該標記為 2-pentene。
  • 結論: "3-Pentene" 這個命名是不正確的。正確名稱應為 2-Pentene。
  • 補充: 2-Pentene 存在順反異構(cis-2-pentene 和 trans-2-pentene)。如果題目要求更精確,則需要標註。
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第 4 題9 分

Draw the structural formula for an alkene with the molecular formula C5H10 that reacts with HCl to give the indicated chloroalkane as the major product:
(a) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(b) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(c) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

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核心觀念

本題考察烯類與 HCl 的親電加成反應。一般情況下遵守 Markovnikov 規則:

  • H+H^+ 加到雙鍵上氫較多的碳。
  • 形成較穩定的碳正離子。
  • Cl−Cl^- 再進攻碳正離子。
  • 碳正離子穩定度:三級 >> 二級 >> 一級。

因此可由產物反推原本雙鍵的位置。

解題方法與各小題分析

(a)

圖示產物為 2-chloro-2-methylbutane:

CH3−C(Cl)(CH3)−CH2CH3\mathrm{CH_3-C(Cl)(CH_3)-CH_2CH_3}

要使氯加到第二級碳上,可將該碳與鄰近碳之間改回雙鍵,選擇:

CH2=C(CH3)−CH2CH3\boxed{\mathrm{CH_2=C(CH_3)-CH_2CH_3}}

即 2-methyl-1-butene。

加成時,H+H^+ 加到末端的 CH2CH_2,使第二個碳形成三級碳正離子,接著由 Cl−Cl^- 進攻,生成圖示的三級氯代烷。

(b)

圖示產物為:

CH3−CH(CH3)−CH(Cl)−CH3\mathrm{CH_3-CH(CH_3)-CH(Cl)-CH_3}

依本題通常採用的「直接依 Markovnikov 規則反推」方式,雙鍵應位於末端:

CH2=CH−CH(CH3)−CH3\boxed{\mathrm{CH_2=CH-CH(CH_3)-CH_3}}

即 3-methyl-1-butene。

H+H^+ 加到末端碳後,在第二個碳形成二級碳正離子,Cl−Cl^- 進攻後得到圖示結構。

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第 5 題6 分

The observed rotation for 100 mL of an aqueous solution containing 1 g of sucrose (ordinary sugar), placed in a 2-decimeter sample tube, is 11.33° at 25°C (using a sodium lamp). Calculate and express the specific rotation of sucrose.

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核心觀念

比旋光度定義為:

[α]λT=αobsl c[\alpha]_{\lambda}^{T}=\frac{\alpha_{\text{obs}}}{l\,c}

其中:

  • [α]λT[\alpha]_{\lambda}^{T}:在溫度 TT、波長 λ\lambda 下的比旋光度
  • αobs\alpha_{\text{obs}}:實際觀測到的旋光角
  • ll:樣品管長度,單位為 dm\mathrm{dm}
  • cc:溶液濃度,通常以 g/mL\mathrm{g/mL} 表示

鈉燈通常使用鈉 D 線,因此本題可表示為 [α]D25[\alpha]_{D}^{25}。

解題方法

題目給出:

  • 蔗糖質量:1 g1\ \mathrm{g}
  • 溶液體積:100 mL100\ \mathrm{mL}
  • 樣品管長度:2 dm2\ \mathrm{dm}
  • 觀測旋光角:+11.33∘+11.33^\circ

先計算蔗糖濃度:

c=1 g100 mL=0.010 g/mLc=\frac{1\ \mathrm{g}}{100\ \mathrm{mL}} =0.010\ \mathrm{g/mL}

代入比旋光度公式:

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第 6 題6 分

Draw a structural formula for the form of each amino acid most prevalent at pH 10.0.
A. Leucine
B. Tyrosine
C. Aspartic acid

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核心觀念

本題考查胺基酸在特定 pH 下的主要離子化型態。判斷原則是比較:

  • pH 與羧基 pKapK_a:約 22
  • pH 與 α\alpha-胺基 pKapK_a:約 9.5∼10.09.5\sim10.0
  • 酸性或鹼性側鏈的 pKapK_a

當:

  • pH>pKa\mathrm{pH}>pK_a:該酸性基團傾向失去質子
  • pH<pKa\mathrm{pH}<pK_a:該基團傾向保留質子

可用 Henderson–Hasselbalch 方程式判斷:

pH=pKa+log⁡[去質子化型][質子化型]\mathrm{pH=p}K_a+\log\frac{[\text{去質子化型}]}{[\text{質子化型}]}

在 pH 10.0 時,所有 α\alpha-羧基均主要為 −COOX−\ce{-COO^-}。α\alpha-胺基則主要接近去質子化型 −NHX2\ce{-NH2}。再依各胺基酸的側鏈 pKapK_a 判斷側鏈是否帶電。


A. Leucine(白胺酸)

白胺酸側鏈為異丁基:

HOOC−CH(NHX2)−CHX2−CH(CHX3)X2\ce{HOOC-CH(NH2)-CH2-CH(CH3)2}

其側鏈沒有可在此 pH 範圍內電離的酸性或鹼性官能基,因此只需判斷 α\alpha-羧基與 α\alpha-胺基。

  • α\alpha-羧基:pKa≈2pK_a\approx2,pH 10 遠高於此值,為 −COOX−\ce{-COO^-}
  • α\alpha-胺基:pKa≈9.6pK_a\approx9.6,pH 10 略高於此值,主要為 −NHX2\ce{-NH2}

因此最常見型態為:

HX2N−CH(CHX2−CH(CHX3)X2)−COOX−\boxed{\ce{H2N-CH(CH2-CH(CH3)2)-COO^-}}

此型態的總電荷為 −1-1。


B. Tyrosine(酪胺酸)

酪胺酸側鏈含有酚羥基:

HO−CX6HX4−CHX2−CH(NHX2)−COOH\ce{HO-C6H4-CH2-CH(NH2)-COOH}

各基團的判斷如下:

  • α\alpha-羧基:pKa≈2pK_a\approx2,主要為 −COOX−\ce{-COO^-}
  • α\alpha-胺基:pKa≈9.6pK_a\approx9.6,在 pH 10.0 主要為 −NHX2\ce{-NH2}
  • 酚羥基:pKa≈10.1pK_a\approx10.1,pH 10.0 略低於其 pKapK_a,主要仍保留質子,為 −OH\ce{-OH}

酚羥基的去質子化比例可由下式估算:

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第 7 題8 分

This is a stable chair conformation of glucose, a molecule in which all groups on the six-membered ring are equatorial: (8 points)
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
Structure: six-membered ring with the ring oxygen between C5 and C1; OH groups on C1, C2, C3 and C4, and the CH2OH\text{CH}_2\text{OH} group (C6) on C5.

(a) Identify all stereocenters in this molecule.
(b) How many stereoisomers are possible?
(c) How many pairs of enantiomers are possible?
(d) What is the configuration (R or S) at carbons 1 and 5 in the stereoisomer shown?

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

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核心觀念

立體中心是連接四種不同取代基的四面體原子。若分子有 nn 個彼此獨立的立體中心,且沒有內部對稱造成的重複構型,立體異構物數為 2n2^n;每一對對映異構物互為鏡像,因此對映異構物對數為 2n/22^n/2。

指定 R/SR/S 時,依原子序數與後續連接原子比較取代基優先序;最低優先序取代基背向觀察者時,1→2→31\to2\to3 順時針為 RR,逆時針為 SS。

解題方法

(a) 立體中心: 圖中環上的 C1、C2、C3、C4、C5 都各連接四種不同取代基,均為立體中心。C6 是 CH2OH\mathrm{CH_2OH} 中的碳,帶有兩個相同的氫,不是立體中心。

(b)、(c) 立體異構物與對映異構物對數: 五個立體中心各有兩種構型,且此分子沒有內部對稱面可使不同構型重合,因此:

25=322^5=32

共有 32 種立體異構物,分成:

322=16\frac{32}{2}=16

對對映異構物。

(d) C1 與 C5 的構型:

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第 8 題6 分

Propose a mechanism for the formation of the products (but not their relative percentages) in this reaction: (6 points)
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
The reaction shows:
tert-Butyl chloride (CH3)3CCl reacting with 20% H2O, 80% CH3CH2OH at 25°C to form:
85% of CH3COCH2CH3 (3-pentanone) + CH3COH (acetic acid) + CH3C=CH2 (propene) + HCl.
The 85% is associated with the formation of 3-pentanone and acetic acid.
The 15% is associated with the formation of propene and HCl.

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
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核心觀念

本題考查三級鹵代烷在極性質子溶劑中的溶媒解反應,主要涉及:

  • SN1S_\mathrm{N}1 取代反應
  • E1E1 消去反應
  • 三級碳正離子的形成與穩定性
  • 水與乙醇作為親核試劑及鹼

圖中實際產物為:

  • 85%85\%:叔丁基乙醚 (CH3)3COCH2CH3\mathrm{(CH_3)_3COCH_2CH_3} 與叔丁醇 (CH3)3COH\mathrm{(CH_3)_3COH}
  • 15%15\%:2-甲基丙烯(異丁烯)CH2=C(CH3)2\mathrm{CH_2=C(CH_3)_2} 與 HCl\mathrm{HCl}

題目文字中的「3-pentanone」及「acetic acid」與原圖結構不符;原圖畫的是叔丁基乙醚及叔丁醇。

解題方法

叔丁基氯是三級鹵代烷,且反應溶劑為含水乙醇,屬於極性質子溶劑。因此先發生電離,形成穩定的三級碳正離子:

(CH3)3C−Cl⟶(CH3)3C++Cl−\mathrm{(CH_3)_3C-Cl \longrightarrow (CH_3)_3C^+ + Cl^-}

三級碳正離子是所有產物的共同中間體。之後分成取代路徑與消去路徑。

SN1S_\mathrm{N}1 取代路徑

形成叔丁基乙醚

乙醇的氧原子以孤電子對進攻三級碳正離子:

(CH3)3C++CH3CH2OH⟶(CH3)3C−O+(H)−CH2CH3\mathrm{(CH_3)_3C^+ + CH_3CH_2OH \longrightarrow (CH_3)_3C-O^+(H)-CH_2CH_3}

生成的氧鎓離子再失去質子:

(CH3)3C−O+(H)−CH2CH3⟶(CH3)3C−O−CH2CH3\mathrm{(CH_3)_3C-O^+(H)-CH_2CH_3 \longrightarrow (CH_3)_3C-O-CH_2CH_3}

因此得到叔丁基乙醚。

形成叔丁醇

水分子也能進攻三級碳正離子:

(CH3)3C++H2O⟶(CH3)3C−O+(H)2\mathrm{(CH_3)_3C^+ + H_2O \longrightarrow (CH_3)_3C-O^+(H)_2}

接著由另一個水分子或乙醇移除質子:

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第 9 題6 分

Write a stepwise mechanism for the following reaction, using curved arrows to show the flow of electrons in each step: (6 points)
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
The reaction shows:
Benzene + tert-butyl chloride ((CH3)3CCl) reacting in the presence of AlCl3 to produce tert-butylbenzene + HCl.

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
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此題考驗對 Friedel-Crafts 烷基化反應機制的理解,包括碳陽離子的形成、親電進攻以及催化劑的再生。

核心觀念:

  1. Friedel-Crafts 烷基化: 芳香環與鹵代烷在 Lewis 酸催化劑(如 AlCl₃)存在下發生烷基化反應。
  2. 反應機理:
    • Lewis 酸與鹵代烷形成絡合物,導致 C-X 鍵極化或斷裂,形成碳陽離子。
    • 碳陽離子作為親電試劑進攻芳香環,形成 σ-絡合物(arenium ion)。
    • σ-絡合物失去質子,恢復芳香性,並再生催化劑。
  3. 碳陽離子的穩定性與重排: 如果鹵代烷能形成更穩定的碳陽離子(通過重排),則會發生重排。

解題過程:
反應物:苯 (Benzene),tert-butyl chloride ((CH₃)₃CCl)
催化劑:AlCl₃
產物:tert-butylbenzene, HCl

步驟 1:Lewis 酸與鹵代烷形成絡合物,生成碳陽離子。
AlCl₃ 是 Lewis 酸,它可以接受電子對。tert-butyl chloride 中的氯原子具有孤對電子。
(CH3)3CCl+AlCl3⇌(CH3)3C-Clδ+−AlCl3δ−\text{(CH}_3\text{)}_3\text{CCl} + \text{AlCl}_3 \rightleftharpoons \text{(CH}_3\text{)}_3\text{C-Cl}^{\delta+}-\text{AlCl}_3^{\delta-}
這個絡合物極化了 C-Cl 鍵。由於 tert-butyl 碳陽離子相對穩定,C-Cl 鍵會斷裂,形成 tert-butyl 碳陽離子和 [AlCl₄]⁻ 離子。
(CH3)3CCl+AlCl3⟶(CH3)3C++[AlCl4]−\text{(CH}_3\text{)}_3\text{CCl} + \text{AlCl}_3 \longrightarrow \text{(CH}_3\text{)}_3\text{C}^+ + [\text{AlCl}_4]^-

  • 注意: tert-butyl 碳陽離子是第三級碳陽離子,相對穩定,因此不需要通過重排來形成更穩定的碳陽離子。

步驟 2:親電進攻芳香環。
生成的 tert-butyl 碳陽離子是一個強親電試劑,它會進攻苯環的 π 電子。
苯環的 π 電子進攻碳陽離子,形成一個 σ-絡合物(arenium ion),芳香性被破壞。
Benzene+(CH3)3C+⟶Arenium ion\text{Benzene} + \text{(CH}_3\text{)}_3\text{C}^+ \longrightarrow \text{Arenium ion}
σ-絡合物的結構是一個六元環,其中一個碳原子連接了 tert-butyl 基團,並且帶有正電荷,該正電荷可以在環內離域。

步驟 3:恢復芳香性,再生催化劑。
σ-絡合物中的一個碳原子(與 tert-butyl 基團相鄰的碳)上還連接有一個氫原子。
[AlCl₄]⁻ 離子中的 Cl⁻ 可以作為鹼,奪取 σ-絡合物上的質子 (H⁺)。
電子對從 C-H 鍵移動回苯環,恢復芳香性。
催化劑 AlCl₃ 被再生。

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第 10 題6 分

Complete these reactions: (6 points)
(a) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(b) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
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核心觀念

本題考兩種羰基化學:

  • PCC 氧化:在無水二氯甲烷中,PCC 可將一級醇氧化成醛,通常不會繼續氧化成羧酸。
  • Friedel–Crafts 醯化:醯氯在 AlCl3AlCl_3 作用下形成醯鎓離子,苯環進行親電芳香取代,生成芳香酮。

解題方法

(a) 圖中的羥甲基是環戊烷環連接 −CH2OH-CH_2OH。PCC 將這個一級醇的 −CH2OH-CH_2OH 氧化成醛基 −CHO-CHO:

環戊烷−CH2OH→CH2Cl2PCC環戊烷−CHO\text{環戊烷}-CH_2OH \xrightarrow[\mathrm{CH_2Cl_2}]{\mathrm{PCC}} \text{環戊烷}-CHO

產物為環戊烷甲醛(cyclopentanecarbaldehyde)。羰基碳在環外,因此不是環戊酮。

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第 11 題6 分

Draw structural formulas and reaction mechanism for the product formed by treating each compound with propylmagnesium bromide, followed by hydrolysis in aqueous acid: (6 points)
(a) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(b) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 4 頁

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核心觀念

Grignard 試劑 propylmagnesium bromide,寫作 CHX3CHX2CHX2MgBr\ce{CH3CH2CH2MgBr},其中 propyl carbanion 等效碳具有強親核性,會進攻醛、酮的羰基碳,形成鎂醇鹽;酸性水解後得到醇。

酮與 1 當量 Grignard 試劑反應,羰基碳會新增一個 propyl 基,原本的羰基氧則轉變為羥基。


(a) 反應物判讀

圖中化合物為 3-pentanone:

CHX3CHX2−C(=O)−CHX2CHX3\ce{CH3CH2-C(=O)-CH2CH3}

反應機制

第一步為 propyl 負碳進攻羰基碳,C=O\ce{C=O} 的 π\pi 電子移至氧:

CHX3CHX2−C(=O)−CHX2CHX3+CHX3CHX2CHX2−MgBr→CHX3CHX2−C(OX−MgBrX+)(CHX2CHX2CHX3)−CHX2CHX3\ce{CH3CH2-C(=O)-CH2CH3 + CH3CH2CH2-MgBr -> CH3CH2-C(O^-MgBr^+)(CH2CH2CH3)-CH2CH3}

第二步以酸性水溶液處理,醇鹽氧被質子化:

CHX3CHX2−C(OX−MgBrX+)(CHX2CHX2CHX3)−CHX2CHX3→HX3OX+CHX3CHX2−C(OH)(CHX2CHX2CHX3)−CHX2CHX3\ce{CH3CH2-C(O^-MgBr^+)(CH2CH2CH3)-CH2CH3 ->[\ce{H3O+}] CH3CH2-C(OH)(CH2CH2CH3)-CH2CH3}

產物為三級醇:

CHX3CHX2−C(OH)(CHX2CHX2CHX3)−CHX2CHX3\boxed{\ce{CH3CH2-C(OH)(CH2CH2CH3)-CH2CH3}}

系統命名為 3-ethylhexan-3-ol。


(b) 反應物判讀

圖中為環戊烯酮,羰基與碳碳雙鍵未共軛,可表示為 cyclopent-3-en-1-one。

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第 12 題12 分

Arrange these compounds in order of increasing reactivity toward nucleophilic acyl substitution: (12 points)
(1)
(2)
(3)
(4)

The compounds are:
(1) Ethyl acetate (an ester)
(2) Acetyl chloride (an acyl chloride)
(3) Acetamide (an amide)
(4) Methyl acetate (an ester)

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(The image shows the structures of the four compounds.)

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 4 頁

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此題考驗對親核醯基取代反應(nucleophilic acyl substitution)反應活性的理解,以及不同醯基衍生物(acyl derivatives)的相對反應性順序。

核心觀念:
親核醯基取代反應的活性順序主要取決於離去基團(leaving group)的穩定性。離去基團越穩定,則其對應的醯基衍生物的反應活性越高。通常,離去基團的穩定性與其對應的酸的強度有關。

  • 離去基團的穩定性順序(越穩定越好): R-Cl (來自 HCl) > R-OSO₂R' (來自硫酸酯) > R-OSO₂R' (來自磺酸酯) > R-O-COR' (來自羧酸) > R-OH (來自醇) > R-NH₂ (來自胺)。
  • 對應的醯基衍生物的反應活性順序(越活潑越好): 醯鹵 > 酸酐 > 酯 > 醯胺。

解題過程:
我們需要根據離去基團的穩定性來判斷這四個化合物的反應活性。

化合物分析:
(1) Ethyl acetate: 乙酸乙酯。離去基團是乙氧基 (-OCH₂CH₃)。對應的醇是乙醇 (CH₃CH₂OH)。
(2) Acetyl chloride: 乙醯氯。離去基團是氯離子 (-Cl)。對應的酸是 HCl。
(3) Acetamide: 乙醯胺。離去基團是氨基 (-NH₂)。對應的酸是 NH₃。
(4) Methyl acetate: 乙酸甲酯。離去基團是甲氧基 (-OCH₃)。對應的醇是甲醇 (CH₃OH)。

判斷離去基團的穩定性:

  • -Cl: 來自 HCl。HCl 是強酸,Cl⁻ 是非常穩定的離去基團。
  • -OCH₂CH₃ (乙氧基) 和 -OCH₃ (甲氧基): 來自乙醇和甲醇。醇是弱酸,其共軛鹼(醇鹽)的穩定性不如 Cl⁻。乙醇和甲醇的 pKa 值約為 16-18。
  • -NH₂: 來自氨。氨是極弱的酸(pKa ≈ 38),NH₂⁻ 是非常不穩定的離去基團。

比較離去基團的穩定性:
Cl⁻ > CH₃CH₂O⁻ ≈ CH₃O⁻ > NH₂⁻

對應的反應活性順序:
Acetyl chloride (離去基團 Cl⁻) > Ethyl acetate (離去基團 CH₃CH₂O⁻) = Methyl acetate (離去基團 CH₃O⁻) > Acetamide (離去基團 NH₂⁻)

進一步比較酯類:
乙酸乙酯 (1) 和乙酸甲酯 (4) 都是酯。它們的離去基團是乙氧基 (-OCH₂CH₃) 和甲氧基 (-OCH₃)。
這兩個基團的穩定性非常接近。在親核醯基取代反應中,甲氧基通常比乙氧基稍微好一點點,因為甲醇的酸性略強於乙醇,甲氧基離子略穩定於乙氧基離子。但這個差異通常很小,有時可以視為相同。

一般來說,離去基團的穩定性與其對應的酸的強度有關:

  • HCl (pKa ≈ -7) → Cl⁻ (非常穩定)
  • CH₃COOH (pKa ≈ 4.76) → CH₃COO⁻ (穩定)
  • CH₃CH₂OH (pKa ≈ 16-18) → CH₃CH₂O⁻ (不穩定)
  • CH₃OH (pKa ≈ 16-18) → CH₃O⁻ (不穩定)
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第 13 題8 分

Deduce the amino acid sequence of an undecapeptide (11 amino acids) from the experimental results shown in the following table: (8 points)

Experimental ProcedureAmino Acids Determined from Procedure
Amino Acid Analysis of UndecapeptideAla, Arg, Glu, Lys₂, Met, Phe, Ser, Thr, Trp, Val
Edman DegradationAla
Trypsin-Catalyzed Hydrolysis
Fragment EAla, Glu, Arg
Fragment FThr, Phe, Lys
Fragment GLys
Fragment HMet, Ser, Trp, Val
Chymotrypsin-Catalyzed Hydrolysis
Fragment IAla, Arg, Glu, Phe, Thr
Fragment JLys₂, Met, Ser, Trp, Val
Treatment with Cyanogen Bromide
Fragment KAla, Arg, Glu, Lys₂, Met, Phe, Thr, Val
Fragment LTrp, Ser

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核心觀念

本題利用三種切割方法產生的胜肽片段,拼回原始胺基酸序列。表中的胺基酸組成只表示片段含有哪些胺基酸及其數量,不直接表示排列順序。

  • Edman 降解可辨認胜肽的 N 端胺基酸。
  • 胰蛋白酶主要切斷 Lys 或 Arg 的羧基端胜肽鍵,因此非 C 端片段通常以 Lys 或 Arg 結尾。
  • 胰凝乳蛋白酶可在 Phe、Trp 等芳香族胺基酸的羧基端切割。
  • **溴化氰(CNBr)**在 Met 的羧基端切割;因此含有 Met 的 CNBr 片段止於 Met,另一片段接續 Met 之後的胺基酸。

解題方法

1. 先由 Edman 降解確定 N 端

Edman 降解得到 Ala,所以胜肽第一個胺基酸是 Ala。胰蛋白酶片段 E 含 Ala、Glu、Arg,因此 E 是 N 端片段。

E 的非 C 端切割位置必須在 Arg 之後,故 E 的排列為:

Ala−Glu−Arg\mathrm{Ala-Glu-Arg}

2. 利用胰蛋白酶片段確定中段順序

胰蛋白酶片段 F 含 Thr、Phe、Lys,片段 G 只有 Lys。兩者皆可在 Lys 後形成切割端。片段 H 不含 Lys 或 Arg,因此是 C 端片段。

胰凝乳蛋白酶片段 I 含 Ala、Glu、Arg、Thr、Phe,表示它從 N 端延伸,並在 Phe 後切開。因此 E 後接 Thr、Phe:

Ala−Glu−Arg−Thr−Phe\mathrm{Ala-Glu-Arg-Thr-Phe}

這正好包含胰蛋白酶片段 E,以及片段 F 中位於 Lys 之前的 Thr、Phe。於是片段 F 排列為 Thr-Phe-Lys。片段 J 含兩個 Lys,代表 F 之後還接著單獨的 Lys 片段 G。

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第 14 題6 分

Describe the differences between mRNA, tRNA, and rRNA. (6 points)

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核心觀念

本題考查三類 RNA 在蛋白質合成中的分工:mRNA 傳遞編碼資訊,tRNA 運送胺基酸,rRNA 構成核糖體並參與催化。三者皆由核糖核苷酸組成,功能則因序列與摺疊結構而異。

解題方法

依照「資訊、運輸、核糖體功能」逐一比較,並指出各自的關鍵結構特徵,便能完整說明三者差異。

  • mRNA(信使 RNA):攜帶基因的編碼資訊,進入核糖體後作為蛋白質合成的模板。其序列以三個核苷酸為一組形成密碼子,決定胺基酸排列順序。
  • tRNA(轉運 RNA):將特定胺基酸運送到核糖體。其反密碼子與 mRNA 上互補的密碼子配對;另一端的 3′ 端具有 CCA,可接上胺基酸。tRNA 的二級結構常呈三葉草形,三級結構呈 L 形。
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