115 年 國立臺灣大學化學系碩士班化學生物學組《有機化學（A）》

本題考查鏈增長聚合反應的機制。鏈增長聚合（chain-growth polymerization）是指單體分子逐一加成到生長的鏈端，使鏈不斷增長的聚合方式。這種聚合反應可以通過多種機制進行，包括自由基聚合、陽離子聚合和陰離子聚合。

核心觀念

本題考查手性中心的 Cahn–Ingold–Prelog（CIP）優先序規則與 Fischer 投影式判定。

圖中的十字表示 Fischer 投影式：

• 垂直方向的鍵指向紙面後方。
• 水平方向的鍵朝向觀察者。
• 先依優先序 $1\to2\to3$ 判斷旋轉方向：
  • 逆時針：$S$
  • 順時針：$R$
• 若最低優先序 $4$ 朝向觀察者，最後結果要反轉。

第一個化合物

取代基優先序為：

圖中 $1\to2\to3$ 為：

此方向為順時針；但最低優先序 $\mathrm{CH_3}$ 位於水平方向，朝向觀察者，因此反轉：

所以第一個為 $S$。

第二個化合物

優先序為：

其中 $\mathrm{CO_2H}$ 與 $\mathrm{CH_3}$ 都是經由碳相連，繼續比較下一層：

• $\mathrm{CO_2H}$：相當於連接 $\mathrm{O,O,O}$
• $\mathrm{CH_3}$：連接 $\mathrm{H,H,H}$

因此 $\mathrm{CO_2H}>\mathrm{CH_3}$。

圖中 $1\to2\to3$ 為：

核心觀念

酮的 α-溴化可在酸性或鹼性條件下進行，但兩者的碳親核體不同：

• 酸催化 α-溴化：酮先形成少量 烯醇（enol），由烯醇的 α-碳作為親核位置，攻擊分子溴 $\mathrm{Br_2}$。
• 鹼催化 α-溴化：酮先形成 烯醇負離子（enolate），再由烯醇負離子攻擊 $\mathrm{Br_2}$。

本題明確指出是 acid-catalyzed，因此碳親核體是烯醇，而不是烯醇負離子。

解題方法

判斷酸催化反應中的主要中間體即可。

酮在酸性環境下先接受質子，接著經由 α-碳上的去質子化形成烯醇：

烯醇具有碳碳雙鍵，其 α-碳可作為親核位置，攻擊分子溴：

攻擊後形成新的 $\ce{C-Br}$ 鍵，再經由質子轉移恢復羰基，得到 α-溴代酮。

關鍵在於：酸性條件會使帶負電的物種迅速被質子化，因此反應中真正參與攻擊的主要碳親核體是中性的烯醇。

選項分析

(A) an enolate

錯誤。烯醇負離子是鹼催化 α-溴化時的主要親核體。在酸性環境中，烯醇負離子會迅速接受質子轉變成烯醇：

因此不符合本題的酸催化條件。

核心觀念

親核性醯基取代反應（nucleophilic acyl substitution）的反應中心是羰基碳。典型反應機構分成兩個主要步驟：

1. 親核試劑加成至羰基碳，形成四面體中間體。
2. 四面體中間體崩解，離去基離去並重新形成羰基。

一般形式可表示為：

其中 $\ce{LG}$ 為離去基，$\ce{Nu^-}$ 為親核試劑。

此反應與醛、酮的親核加成不同：醯基取代中，羰基上原有的離去基會在後續步驟離去，因此最重要的判斷依據是「先加成、後消去」。

解題方法

觀察各選項描述的反應順序與反應類型，並與醯基取代的共同機構比較。

關鍵機構為：

因此，正確敘述必須指出「親核試劑先加成至羰基，接著離去基離去」。

選項分析

(A) protonation of the carbonyl is followed immediately by loss of the leaving group.

羰基質子化本身不是醯基取代的共同核心步驟。即使在酸催化機構中，羰基氧可能先被質子化以增加羰基碳的親電性，後續仍須先由親核試劑進行加成，形成四面體中間體。

因此不會是「羰基質子化後立即離去基離去」。

錯誤。

(B) loss of the leaving group is followed by rearrangement of the carbocation.

醯基取代通常不經由醯基碳上的游離碳正離子，也不以碳正離子重排為特徵。反應經過的是四面體中間體，並在其崩解時離去基離去、羰基重新形成。

因此不涉及典型的碳正離子重排。

錯誤。

核心觀念

本題考查胜肽合成中胺基酸的「縮合偶聯」試劑。Dicyclohexylcarbodiimide（DCC，二環己基碳二亞胺）主要作用是活化胺基酸的羧酸基，使羧酸能與另一個胺基酸的胺基形成醯胺鍵，也就是胜肽鍵。

羧酸與胺基直接反應時，羥基不是良好的離去基，因此縮合反應速率很慢。DCC 先與羧酸反應，形成具高反應性的活化中間體，接著由胺基進行親核攻擊，生成胜肽鍵。

簡化表示如下：

活化後，另一胺基酸的胺基進行親核取代：

其中 DCU（dicyclohexylurea，二環己基尿素）是 DCC 反應後的副產物。

在固相胜肽合成（solid-phase peptide synthesis, SPPS）中，胺基酸逐一接到固定於樹脂上的胜肽鏈末端，DCC 可用於活化待接上的胺基酸羧酸基，促進其與鏈末端胺基偶聯。

解題方法

判斷試劑用途時，先抓住 DCC 的核心功能：

1. DCC 是羧酸活化劑。
2. 羧酸活化後可與胺基反應。
3. 反應結果是形成醯胺鍵。
4. 胜肽中的醯胺鍵正是由胺基酸縮合形成的胜肽鍵。

因此，凡是描述「胺基酸之間形成胜肽鍵」或「固相胜肽合成中的胺基酸偶聯」，就是 DCC 的典型用途。

選項分析

(A) to determine the N-terminal amino acid of a peptide.

錯誤。測定胜肽 N 端胺基酸常使用 Sanger reagent（1-fluoro-2,4-dinitrobenzene, FDNB）進行標記，再水解胜肽，依據帶有 DNP 標記的胺基酸判定 N 端。

也可使用 Edman degradation，利用 PITC（phenyl isothiocyanate）逐步切下 N 端胺基酸。DCC 的作用是羧酸活化與偶聯，不是 N 端鑑定試劑。

(B) to sequence amino acids in a peptide.

核心觀念

本題考查 $S_\mathrm{N}2$（雙分子親核取代反應）的反應機構，以及「中間體」與「過渡態」的區別。

氰離子 $\ce{CN^-}$ 作為親核試劑，攻擊溴乙烷的 α-碳：

$S_\mathrm{N}2$ 反應是協同反應，成鍵與斷鍵在同一個步驟中同時發生。因此，反應過程中不存在可分離、可暫時存在的中間體，只有一個能量最高的過渡態。

解題方法

判斷題目所問的中間體類型，首先辨認反應機構：

• 溴乙烷屬於一級鹵代烷，適合進行 $S_\mathrm{N}2$ 反應。
• $\ce{CN^-}$ 帶負電且具有孤電子對，是親核試劑。
• $\ce{CN^-}$ 從離去基 $\ce{Br^-}$ 的反方向攻擊 α-碳。
• 在攻擊過程中，$\ce{C-CN}$ 鍵逐漸形成，$\ce{C-Br}$ 鍵同時逐漸斷裂。

過渡態可表示為：

其中 $\ce{C-CN}$ 與 $\ce{C-Br}$ 都是部分形成、部分斷裂的鍵。此結構只存在於反應座標的最高能量點，不能視為真正的中間體。

$S_\mathrm{N}2$ 的能量變化只有一個能障，沒有中間能谷：

因此，本反應沒有中間體。

選項分析

(A) carbocation（碳正離子）

核心觀念

本題考的是分子手性與旋光性的關係。具有楔形鍵，只表示鍵的空間方向，並不代表該碳一定是手性中心。

四面體碳必須連接四個不同的基團，才是一般所說的不對稱碳。對環狀分子而言，沿環向左右延伸的兩條路徑也必須比較；若兩條路徑等價，就不能將該碳指定為 $R$ 或 $S$。

此外，$R/S$ 構型與旋光方向沒有固定對應關係：$R$ 不代表右旋，$S$ 也不代表左旋。但非手性化合物的比旋光度為零。

解題方法

圖中的化合物是 1-三級丁基-4-甲基環己烷。以連接三級丁基的環碳為 $C_1$，連接甲基的環碳為 $C_4$，判斷如下：

1. 比較取代位置的兩條環路徑。

在 $C_1$，四個連接方向分別是三級丁基、氫，以及以下兩條環路徑：

• 經 $C_2、C_3$ 到達 $C_4$。
• 經 $C_6、C_5$ 到達 $C_4$。

兩條路徑具有相同的原子排列與取代情形，因此等價，$C_1$ 不是不對稱碳。

同理，從 $C_4$ 經 $C_3、C_2$ 到達 $C_1$，與經 $C_5、C_6$ 到達 $C_1$ 的路徑也等價，所以 $C_4$ 也不是不對稱碳。

2. 確認整個分子的對稱性。

本題考查紅外光譜 (IR spectroscopy) 中官能基的特徵吸收峰。題目要求判斷哪個分子在 1720-1780 cm⁻¹ 範圍內有顯著的吸收帶。這個吸收範圍通常對應於羰基 (C=O) 的伸展振動。

我們逐一分析各個選項的官能基和預期的吸收範圍：
(A) CH3CH2CH2OH (1-propanol)：含有羥基 (-OH) 和 C-O 鍵。

• OH 伸展振動：在 3200-3600 cm⁻¹ 範圍（寬帶，可能在 3300 cm⁻¹ 附近）。
• C-O 伸展振動：在 1050-1200 cm⁻¹ 範圍。
• C-H 伸展振動：在 2850-3000 cm⁻¹ 範圍。
  沒有羰基。

(B) CH3C≡CCH2CH3 (3-hexyne)：含有碳-碳三鍵 (C≡C)。

• C≡C 伸展振動：在 2100-2260 cm⁻¹ 範圍。如果三鍵末端有氫（炔烴），則還有 C-H 伸展振動在 3300 cm⁻¹ 附近。
  沒有羰基。

(C) CH3CH2CH(NH2)CH3 (2-aminobutane)：含有胺基 (-NH2) 和 C-H 鍵。

核心觀念

本題考查在極性質子溶劑中的溶媒解（solvolysis）速率。水—乙醇混合溶劑具有極性，且是弱親核性溶劑，因此反應主要依循 $S_\mathrm{N}1$ 機構：

第一步碳—鹵素鍵異裂形成碳陽離子，是速率決定步驟。因此，溶媒解速率主要取決於：

1. 形成的碳陽離子穩定性；
2. 鹵離子離去基能力；
3. 底物是否適合進行 $S_\mathrm{N}1$ 電離。

碳陽離子穩定性的一般順序為：

離去基能力則大致為：

解題方法

先判斷各選項的鹵代烷類型，再比較其形成的碳陽離子穩定性與離去基能力。

選項（A）中的離鹵碳連接兩個乙基與一個甲基，屬於三級碳：

異裂後形成三級碳陽離子，且碘離子是良好離去基：

三級碳陽離子受到兩個乙基與一個甲基的超共軛及誘導給電子效應穩定，形成速率最快。因此（A）最容易進行溶媒解。

選項分析

（A）3-iodo-3-methylpentane

此化合物是三級碘代烷。離去基離去後形成三級碳陽離子，具有高度穩定性；同時 $\mathrm{I^-}$ 鍵結弱、極化性高，是優良離去基。

因此可快速進行：

在水—乙醇中，溶劑分子再捕捉碳陽離子生成醇或醚。此選項反應最快。

（B）methyl iodide

核心觀念

硫化（vulcanization）是將天然橡膠或其他不飽和橡膠加熱，通常與硫及促進劑、活化劑共同作用，使橡膠分子鏈之間形成硫橋交聯（$S-S$ 或多硫鍵）的化學過程。

橡膠硫化後，分子鏈由原本容易滑動的狀態轉變為具有三維交聯結構，因此可提升：

• 彈性與機械強度
• 耐磨性與耐熱性
• 尺寸穩定性
• 抗黏性

硫化的核心本質是「形成交聯」，而不是破壞交聯，也不是一般的鏈轉移反應。

解題方法

判斷本題的關鍵是抓住硫化的經典定義：

橡膠在加熱條件下與硫反應，形成交聯結構。

因此，逐一比對選項：

1. 是否描述「加熱橡膠與硫」？
2. 是否符合硫化會「增加交聯」的本質？
3. 是否涉及正確的歷史事實與反應類型？

符合硫化基本定義的選項即為正確答案。

選項分析

(A) a process by which rigid and non-sticky rubber can be made soft and sticky.

錯誤。

硫化會使橡膠形成交聯結構，通常使材料更具彈性、強度、耐熱性與抗黏性，不是將硬而不黏的橡膠變成柔軟且黏的橡膠。

此敘述與硫化造成的材料性質變化方向相反。

(B) the heating of rubber with sulfur.

正確。

傳統且經典的硫化定義，就是將橡膠與硫加熱，使橡膠分子鏈之間形成硫交聯。硫化反應可概念化表示為：

核心觀念

本題考的是自由基氯化反應、分子對稱性，以及環狀化合物的順反異構。

甲基環丁烷與 $\mathrm{Cl_2}$ 加熱時，發生自由基取代反應：一個氫原子被氯原子取代，形成單氯化產物。

計數時先找出不等價的取代位置，再判斷各產物是否具有不同的立體組態；不能直接把分子中的氫原子逐一相加。

本題依選項採用的計數方式，順、反異構物分開計算，而一對對映異構物合計為一類，因此答案為 6。若依題幹「包含所有立體異構物」的嚴格定義，將對映異構物也逐一計入，則總數為 8。

解題方法

將連接甲基的環碳編為 $\mathrm{C_1}$，沿環依序編為 $\mathrm{C_2}$、$\mathrm{C_3}$、$\mathrm{C_4}$。由分子對稱性可知，$\mathrm{C_2}$ 與 $\mathrm{C_4}$ 等價，因此共有四類取代位置。

一、取代環外甲基上的氫：1 種

原來的 $-\mathrm{CH_3}$ 變成 $-\mathrm{CH_2Cl}$，得到氯甲基環丁烷。$\mathrm{CH_2Cl}$ 的碳仍連接兩個相同的氫，沒有形成立體中心；環上也只有一個取代基，沒有順反異構。

二、取代 $\mathrm{C_1}$ 上的氫：1 種

得到 1-氯-1-甲基環丁烷。氯與甲基連接在同一個環碳上，不構成環上兩個不同位置取代基的順反異構。

此外，該碳沿環兩側延伸的結構相同，因此不是立體中心，只計 1 種。

核心觀念

本題考「酸催化環氧化物的開環反應」及其區域選擇性。

起始物中，一個環氧碳連接兩個甲基，屬於較多取代的碳；另一個環氧碳為 $\mathrm{CH_2}$。

在 $\mathrm{H^+}$ 及乙醇條件下：

1. 環氧氧先被質子化。
2. 乙醇作為親核試劑，攻擊較多取代的環氧碳。
3. 原本的環氧氧留在另一個、較少取代的碳上，去質子化後形成 $\mathrm{OH}$。

酸性條件下，質子化環氧化物的較多取代碳帶有較多正電荷特徵，因此親核試劑攻擊較多取代碳。

解題方法

帶兩個甲基的環氧碳接上乙氧基 $\mathrm{-OCH_2CH_3}$，另一個環氧碳則變成 $\mathrm{CH_2OH}$：

因此，正確產物的必要結構是：

• $\mathrm{-OCH_2CH_3}$ 接在帶兩個甲基的碳上；
• 原環氧氧轉變為另一端的 $\mathrm{-OH}$；
• 原有碳骨架不變。

選項分析

• (A) I：錯誤。
  I 將 $\mathrm{OH}$ 放在較多取代碳，將乙氧基放在較少取代的 $\mathrm{CH_2}$ 上，屬於鹼性條件下較典型的開環方向，與

核心觀念

本題測驗「醛／酮的親核性加成－脫水反應（Nucleophilic Addition-Elimination）」及其生成物的命名。

當醛（Aldehyde）或酮（Ketone）在弱酸催化（pH $\approx 4.5$）下，與氮親核試劑（$\text{H}_2\text{N}-\text{Y}$ 型的一級胺衍生物）反應時，會先進行親核加成形成半縮醛胺中間體（Carbinolamine），隨後分子內質子轉移並脫去一分子水，生成含碳－氮雙鍵（$\text{C}=\text{N}$）的縮合產物：

其中，取代基 $-\text{Y}$ 的類別決定了最終產物的官能基名稱：

• 當 $\text{Y} = -\text{R}$ 或 $-\text{H}$ 時，產物為 亞胺（Imine / Schiff base）。
• 當 $\text{Y} = -\text{OH}$（羥胺，Hydroxylamine）時，產物為 肟（Oxime）。
• 當 $\text{Y} = -\text{NH}_2$（聯氨，Hydrazine）或 $-\text{NHR}$（取代聯氨）時，產物為 腙（Hydrazone）。
• 當 $\text{Y} = -\text{NHCONH}_2$（氨基脲，Semicarbazide）時，產物為 縮氨酸脲（Semicarbazone）。

解題方法

1. 確認反應物結構：

   • 羰基化合物：$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CHO}$ 為丙醛（Propanal）。
   • 氮親核試劑：$\text{PhNHNH}_2$ 為苯肼（Phenylhydrazine），屬於聯氨衍生物（$\text{H}_2\text{N}-\text{Y}$，其中 $\text{Y} = -\text{NHPh}$）。

2. 反應機構與產物推導：

   • 苯肼分子中具備較強親核性的末端一級胺基（$-\text{NH}_2$）對質子化活化的醛基碳進行親核進攻。
   • 經質子轉移後脫水，形成碳－氮雙鍵化合物：

核心觀念

本題考查共軛二烯的親電加成反應，尤其是 1,4-加成。

1,3-丁二烯的碳原子編號為：

加入一當量 HBr 時，先由 $\mathrm{H^+}$ 進行質子化，形成具有共振穩定性的烯丙基碳正離子。若為 1,4-加成：

• $\mathrm{H}$ 加到 $C_1$
• $\mathrm{Br}$ 加到 $C_4$
• 雙鍵移至 $C_2=C_3$

因此產物骨架為：

從含溴端開始編號，名稱為 1-bromo-2-butene。

解題方法

1,3-丁二烯與 $\mathrm{HBr}$ 反應時，質子可加到末端 $C_1$，形成烯丙基碳正離子：

第二個共振式顯示正電荷可位於末端 $C_4$。因此 $\mathrm{Br^-}$ 攻擊 $C_4$，形成 1,4-加成產物：

重新由靠近溴原子的端點編號：

所以系統命名為：

選項分析

本題考查芳香性 (aromaticity) 的判斷。芳香性化合物需要滿足以下條件：

1. 必須是環狀 (cyclic)。
2. 必須是平面狀 (planar)。
3. 必須是共軛體系 (conjugated)，即環內所有原子都參與 p-軌道的重疊。
4. 必須滿足 Hückel 規則，即環內 π 電子數為 $4n+2$，其中 $n$ 為非負整數 (0, 1, 2, ...)。

讓我們逐一分析各個選項：

(A) 環庚三烯陽離子 (cycloheptatrienyl cation)：

• 環狀：是。
• 平面狀：七元環通常是平面狀的。
• 共軛體系：環中有 6 個 π 電子 (3 個雙鍵)，且所有碳原子都參與 p-軌道的重疊。
• $4n+2$ 規則：π 電子數為 6。令 $4n+2 = 6$，則 $4n = 4$， $n=1$。滿足 Hückel 規則。
  因此，環庚三烯陽離子是芳香性的。

(B) 1,3,5-己三烯 (1,3,5-hexatriene)：

• 環狀：否，是鏈狀的。
• 芳香性要求是環狀的，所以它不是芳香性的。它是一個共軛的鏈狀分子。

(C) 環丁烯負離子 (cyclobutenyl anion)：

• 環狀：是。
• 平面狀：四元環通常是平面狀的。

核心觀念

本題考查酮在鹼性重水中的α-氫氘交換反應。

羰基化合物中，與羰基碳直接相鄰的碳稱為 α-碳。α-碳上的氫可被氫氧根拔除，形成較穩定的烯醇負離子（enolate）；烯醇負離子再從 $D_2O$ 中取得氘，因此發生：

此反應為鹼催化的可逆反應，鹼本身不被消耗。能有效交換的是羰基的 α-氫，β-氫及其他位置的氫在此條件下不會大量交換。

解題方法

將 2,3-dimethylcyclopentanone 編號如下：

• 羰基碳為第 1 號碳。
• α-碳為第 2 號與第 5 號碳。
• 第 2 號碳帶有一個甲基，因此其結構為 $\ce{CH}$，有 $1$ 個 α-氫。
• 第 5 號碳未接取代基，其結構為 $\ce{CH2}$，有 $2$ 個 α-氫。

第 2 號碳上的 α-氫被鹼拔除後，可形成烯醇負離子；第 5 號碳上的兩個 α-氫也能以相同方式逐一交換為氘。

因此可被氘取代的氫總數為：

本題考查利用分子式計算不飽和度 (degree of unsaturation, DU) 或氫原子數，並推斷可能的結構特徵。
分子式是 C10H14Br2O2。
計算不飽和度 DU 的公式為：
DU = C - H/2 - X/2 + N/2 + 1
其中 C 是碳原子數，H 是氫原子數，X 是鹵素原子數，N 是氮原子數。
在這個分子式中，C=10, H=14, X=2 (Br), O=2 (氧原子不計入 DU 公式，但可能參與官能基，如羥基、羰基、醚等)。
DU = 10 - 14/2 - 2/2 + 0/2 + 1
DU = 10 - 7 - 1 + 1
DU = 3

DU = 3 表示分子中可能存在的環或 π 鍵的總數為 3。
一個雙鍵算 1 個 DU，一個三鍵算 2 個 DU，一個環算 1 個 DU。

核心觀念

本題考查二級鹵代烷與強鹼、強親核試劑反應時，$S_\mathrm{N}2$、$E2$、$S_\mathrm{N}1$、$E1$ 四種機制的競爭。

反應物特徵：

• 2-iodohexane 是二級烷基碘化物，結構可表示為
  $\mathrm{CH_3CH(I)CH_2CH_2CH_2CH_3}$
• sodium ethoxide 是乙醇鈉，提供 ethoxide ion $\mathrm{EtO^-}$。
• $\mathrm{EtO^-}$ 同時具有強親核性與強鹼性。
• $\mathrm{I^-}$ 是良好離去基，因此取代與消去皆容易發生。

二級鹵代烷通常是 $S_\mathrm{N}2$ 與 $E2$ 競爭的典型底物。

解題方法

先判斷試劑與底物：

1. 底物為二級鹵代烷，具備一定的立體阻礙，因此 $S_\mathrm{N}2$ 反應不如一級鹵代烷容易。
2. 乙氧基離子 $\mathrm{EtO^-}$ 是強親核試劑，可進行背面進攻，產生 $S_\mathrm{N}2$。
3. 乙氧基離子也是強鹼，可從 $\beta$-碳抓取氫，同時使碘離子離去，進行協同的 $E2$。
4. $S_\mathrm{N}1$ 與 $E1$ 都必須先形成二級碳正離子。二級碳正離子穩定性有限，而強鹼、強親核試劑傾向直接進行一步反應，因此這兩種機制不是最有利的主要路徑。

$S_\mathrm{N}2$ 反應：

$E2$ 反應：

在 $E2$ 中，乙氧基從與碘相鄰的 $\beta$-碳移除氫，$C-H$ 鍵電子形成 $\pi$ 鍵，同時 $C-I$ 鍵斷裂。反應一步完成，不經過碳正離子。

因此，最可能的兩種機制為 $S_\mathrm{N}2$ 與 $E2$。

選項分析

(A) $S_\mathrm{N}2$ and $S_\mathrm{N}1$

核心觀念

本題考查 Diels–Alder 反應的立體化學與產物判定。

1,3-丁二烯是共軛二烯，乙烯基氰（acrylonitrile，$CH_2=CHCN$）是親二烯體，兩者進行 $[4+2]$ 環加成：

Diels–Alder 反應具有下列特性：

• 一步驟協同反應，同時形成兩個 $\sigma$ 鍵。
• 二烯與親二烯體的 $\pi$ 電子重新排列，形成六元環。
• 若反應物為非手性，且沒有手性催化劑或手性環境，通常會產生等量的對映異構物。
• 對映異構物的等量混合物稱為 外消旋混合物（racemic mixture）。

解題方法

先判斷反應類型：

1,3-丁二烯本身具有對稱性，因此不會產生不同的區域異構物。親二烯體上的 $\ce{-CN}$ 基團則會保留在產物的環上，得到 4-氰基環己烯。

產物在帶有 $\ce{-CN}$ 的碳上形成一個立體中心。該碳連接：

• $\ce{-CN}$
• $\ce{H}$
• 環的一側
• 環的另一側

環的兩側因雙鍵位置不同而不相同，因此該碳為手性中心。

平面的二烯可以由親二烯體從上方或下方進攻：

• 從一面進攻，形成一種構型，例如 $R$。
• 從另一面進攻，形成其鏡像構型，例如 $S$。

由於反應物均為非手性，兩個進攻方向的能量相同，故 $R$ 與 $S$ 產物等量生成：

核心觀念

本題考 乙醯胺基丙二酸酯合成法：先將丙二酸酯中央碳上的氫以烷基取代，再經酸性水解與加熱脫羧，合成 $\alpha$-胺基酸。中央碳所接的烷基會成為胺基酸的側鏈 $R$：

解題方法

圖中起始物是中央碳連接兩個 $\mathrm{CO_2Et}$、並連著 $\mathrm{NHCOCH_3}$ 的乙醯胺基丙二酸二乙酯；試劑依序為 $\mathrm{NaOEt}$、$\mathrm{CH_3CHBrCH_3}$，再以 $\mathrm{H_3O^+}$ 加熱。

$\mathrm{NaOEt}$ 使兩個酯基之間的中央碳去質子化，形成可進行烷基化的碳負離子；接著引入的烷基來自 $\mathrm{CH_3CHBrCH_3}$，也就是異丙基 $\mathrm{-CH(CH_3)_2}$。酸性水解並加熱後，酯基轉成羧酸、乙醯保護基水解移除，丙二酸衍生物再脫去一分子 $\mathrm{CO_2}$，得到：

核心觀念

標準吉布斯自由能變化由標準焓變與標準熵變共同決定：

其中，熵變對 $\Delta G^\circ$ 的貢獻是 $-T\Delta S^\circ$。在 $\Delta S^\circ$ 固定時，溫度 $T$ 越高，熵項的絕對值 $|T\Delta S^\circ|$ 越大，因此熵項對 $\Delta G^\circ$ 的影響越顯著。

解題方法

直接觀察公式中的溫度因子：焓項 $\Delta H^\circ$ 不含溫度乘數，熵項則乘上 $T$。因此，討論熵項貢獻隨溫度的變化時，判斷 $T$ 的高低即可；若 $\Delta S^\circ=0$，熵項則為零。

選項分析

• (A) 正確。 高溫會使 $|T\Delta S^\circ|$ 增大，因此熵項對 $\Delta G^\circ$ 的貢獻較大。

核心觀念

$LiAlH_4$（氫化鋁鋰）是強還原劑，可將醯胺還原成胺。醯胺羰基的碳會轉變為亞甲基（$-CH_2-$），而原本連在氮上的取代基保留。

一般反應式為：

解題方法

$N,N$-二甲基丙醯胺的結構為：

將羰基中的氧移除，並把羰基碳還原成 $CH_2$；氮上的兩個甲基與原有的碳骨架均保留。因此產物為：

這是三級胺，對應選項 (D)。

選項分析

• (A) $\mathrm{CH_3CH_2CONH_2}$：錯誤。 這是丙醯胺，與起始物相比，氮上的兩個甲基消失；$LiAlH_4$ 還原醯胺時會保留氮上的取代基。

核心觀念

Vicinal dihalide（鄰位二鹵化物）是指兩個鹵素原子分別連接在相鄰的兩個碳原子上。也就是說，兩個帶鹵素的碳之間有一條碳－碳鍵。

若兩個鹵素都連接在同一個碳原子上，稱為同碳二鹵化物（geminal dihalide）；若連接位置相隔兩個以上的碳，則不屬於鄰位二鹵化物。

解題方法

逐一查看各選項中鹵素所在的碳，判斷帶鹵素的碳是否彼此相鄰。題目中的 cis、trans 描述立體排列，與判斷是否為鄰位二鹵化物無關。

選項分析

• **(A) cis-1,2-dibromocyclopentane：正確。**兩個溴分別連接在環戊烷的第 1、2 號碳上；這兩個碳由碳－碳鍵直接相連，因此是鄰位二鹵化物。cis 表示兩個溴位於環的同側，不影響鄰位判定。

核心觀念

$\mathrm{NaBH_4}$ 是溫和的還原劑，可將酮基的羰基還原成二級醇：

糖類還原後，若原有的醛基或酮基都變成醇基，產物稱為糖醇（alditol）。酮糖的羰基碳原本為平面結構，還原後成為四面體碳；若該碳連接四種不同基團，就會形成新的立體中心。

解題方法

2-酮己糖的羰基位於第 2 個碳。$\mathrm{NaBH_4}$ 提供氫化物，進攻羰基碳，接著質子化氧原子，將第 2 個碳的羰基還原為醇基。

由於羰基兩面都可受氫化物進攻，第 2 個碳會形成兩種相反的立體構型；原有立體中心則保留。因此，會得到一對構型不同的糖醇。以果糖為例，還原產物為山梨糖醇（sorbitol）與甘露糖醇（mannitol）的混合物。

選項分析

核心觀念

本題考查分子內 Claisen 縮合（Dieckmann 環化）。二酯在醇鹽鹼作用下，酯的 $\alpha$ 位形成烯醇負離子，接著分子內進攻另一端的酯羰基，並脫去醇鹽，形成環狀 $\beta$-酮酯。

判斷產物類型時，要同時確認：

• 成環大小：計算進攻端的 $\alpha$-碳、鏈上碳原子及被進攻的羰基碳所形成的環。
• 官能基種類：Claisen 縮合保留一個酯基，另一端的酯羰基轉為酮羰基，因此生成 $\beta$-酮酯。

解題方法

底物可標示為：

甲醇鈉先移除末端 $\alpha$-碳 $a$ 或 $e$ 上的氫，生成烯醇負離子。以 $a$ 為例，$a$ 進攻另一端酯基的羰基碳，形成新的碳—碳鍵；隨後甲氧基離去，酸處理則將產物的負電荷質子化。

形成的環包含 $a、b、c、d、e$ 與被進攻的羰基碳，共 六個原子。產物保留一個酯基，並形成一個環內酮羰基；兩個羰基之間隔一個碳，因此是環狀 $\beta$-酮酯。

核心觀念

兩個硫醇分子可形成一個二硫鍵，反應式為：

硫醇中的硫失去電子，氧化數上升，因此這是氧化反應。形成二硫鍵時，每個硫原子由硫醇中的較低氧化態升至二硫化物中的較高氧化態。

解題方法

判斷反應類型時，先看反應前後的電子得失或氧化數變化。硫醇 $\mathrm{RSH}$ 轉變為二硫化物 $\mathrm{RSSR}$ 時，兩個硫醇分子合併形成 $\mathrm{S-S}$ 鍵，並釋出 $2\,\mathrm{H^+}$ 與 $2\,\mathrm{e^-}$。硫原子失去電子，符合氧化的定義。

選項分析

核心觀念

本題考查傅–克醯基化（Friedel–Crafts acylation）對芳香環活性的要求。反應以 $\mathrm{AlCl_3}$ 活化丙醯氯，形成親電性的醯鎓離子，再由芳香環進行親電芳香取代：

芳香環上的給電子基通常提高環的電子密度，促進反應；強吸電子基則大幅降低環的電子密度，使傅–克反應難以進行。帶有直接連結芳香環的羰基取代基（如 $\mathrm{-COPh}$）屬於強吸電子基，會使芳香環失活。

解題方法

逐一判斷各芳香環取代基對環電子密度的影響。甲基、烷氧基具有給電子效果，能活化芳香環；羰基直接連結芳香環時，會吸引環上的電子密度並使環失活。找出含強吸電子羰基取代基的選項，即可判定不進行傅–克醯基化的化合物。

選項分析

核心觀念

此反應序列考查格氏試劑的製備與羧化反應。烷基溴化物與鎂反應形成格氏試劑 $\mathrm{R-MgBr}$；格氏試劑與二氧化碳反應後，再經酸性水解，會生成比原來的烷基多一個碳的羧酸：

解題方法

先確認原料的碳骨架：

鎂插入碳溴鍵後，末端的溴所在碳成為格氏試劑的反應中心：

接著，該碳與 $\mathrm{CO_2}$ 形成新的碳碳鍵，酸性處理將羧酸根質子化。二氧化碳提供羧基中的新碳，因此產物為：

由羧酸官能基開始編號，羧基碳為第 1 位，甲基支鏈位於第 4 位，名稱為 4-甲基戊酸。

核心觀念

本題考查 $^{13}\mathrm{C}$ 核磁共振（$^{13}\mathrm{C}$ NMR）的化學位移與官能基判讀。化學位移以 $\delta$ 表示，單位為 ppm；碳原子周圍的電子環境會影響其共振位置。與氧、氮等吸電子原子形成雙鍵的羰基碳，通常出現在較低場，也就是較大的化學位移區域。

解題方法

先比對題目給出的 $170$ 至 $200\ \mathrm{ppm}$ 區間與常見碳環境的典型化學位移。羰基碳常出現在約 $160$ 至 $220\ \mathrm{ppm}$；烯烴碳、芳香環碳、炔烴碳與烯丙位碳則通常出現在更高場，也就是較小的 ppm 區域。

因此，落在 $170$ 至 $200\ \mathrm{ppm}$ 的訊號，最符合羰基碳的特徵。

選項分析

• (A) 羰基碳：正確。 羰基碳包括醛、酮、羧酸、酯、醯胺等結構中的碳，常見化學位移涵蓋題目所給區間。
• **(B) 烯丙位碳：錯誤。

核心觀念

羧酸的羥基（$-\mathrm{OH}$）可被氯取代，生成醯氯（$-\mathrm{COCl}$）。五氯化磷 $\mathrm{PCl_5}$ 是常用的氯化劑，可將羧酸轉換成醯氯。

解題方法

圖中左側是苯甲酸，右側是苯甲醯氯；苯環與羰基的位置不變，改變的是羧酸上的 $-\mathrm{OH}$ 被 $-\mathrm{Cl}$ 取代。因此應選能將羧酸轉成醯氯的試劑，即 $\mathrm{PCl_5}$。

反應可表示為：

選項分析

核心觀念

環己烷進行 E2 消去時，離去基與相鄰 β-碳上的氫必須呈反式共平面排列。在椅式構形中，這通常要求離去基和 β-氫都是軸向，且方向相反，稱為「反式雙軸」排列。

椅式翻轉會交換軸向與赤道向，但不會改變取代基朝向環的上方或下方。三級丁基（tert-butyl，$t$-Bu）體積很大，因此穩定構形會優先放在赤道向。

解題方法

原卷題目比較的是 trans-1-bromo-4-tert-butylcyclohexane 與 cis-1-bromo-4-tert-butylcyclohexane；題目未附兩者的椅式圖，立體關係由 cis/trans 標示決定。作答時先讓 $t$-Bu 位於赤道向，再判斷溴的位置，以及是否能形成反式雙軸排列。

以下以 C1 為連接 Br 的碳、C4 為連接 $t$-Bu 的碳。示意椅式中，軸向方向沿環上各碳交替；赤道向取相反方向。

較穩定椅式與反應性

核心觀念

吡啶的親電子芳香取代反應（EAS）會先形成帶正電的 $\sigma$ 複合物，再經由共振分散正電荷。比較親電子試劑進攻不同位置時的共振式，可判斷哪個位置較有利：若共振式使正電荷落在電負度高的氮原子上，該中間體較不穩定。

解題方法

依原圖，吡啶的氮在 1 位，題目要求比較親電子試劑分別進攻 C2、C3、C4 時的碳正離子中間體。以下以環上原子順序 N1–C2–C3–C4–C5–C6 表示；「C2–C3」等表示該鍵為雙鍵，未列出的環鍵均為單鍵，且各中間體中被進攻的碳均已與親電子試劑 E 成鍵。

1. E 進攻 C2

   主要共振式如下：

   • 正電荷在 C3：雙鍵為 C4=C5、C6=N1。
   • 正電荷在 C5：雙鍵為 C3=C4、C6=N1。
   • 正電荷在 N1：雙鍵為 C3=C4、C5=C6；N1 與 C2、C6 均為單鍵。

   最後一式中，氮帶正電，且 N1–C2 與 N1–C6 都是單鍵。

2. E 進攻 C3

   主要共振式如下：

核心觀念

本題考兩個觀念：重氮甲烷的共振式，以及羧酸將重氮甲烷質子化後，羧酸根以親核取代反應形成甲酯。重氮甲烷可用兩個主要共振式表示：

解題方法

原卷圖中，反應物是苯甲酸 $\mathrm{C_6H_5CO_2H}$ 與重氮甲烷 $\mathrm{CH_2N_2}$，產物是苯甲酸甲酯 $\mathrm{C_6H_5CO_2CH_3}$ 與氮氣 $\mathrm{N_2}$；圖中未標示其他取代基或特殊反應條件。

(a) 重氮甲烷的兩個共振式

第一式中，碳與氮之間是雙鍵，末端氮帶負電，中央氮帶正電：

第二式中，碳帶負電，碳與中央氮之間是單鍵，兩個氮之間是三鍵：

兩式的原子連接方式相同，只是電子分布不同。由第一式轉成第二式時，$\mathrm{C=N}$ 的 $\pi$ 電子移到碳上；末端帶負電的氮將孤電子對移入 $\mathrm{N-N}$ 鍵，形成三鍵。

(b) 兩步反應機構

第一步：羧酸質子化重氮甲烷

重氮甲烷的碳端接受質子。由帶負電的碳共振式出發，碳上的孤電子對指向羧酸的 $\mathrm{O-H}$ 質子；同時，$\mathrm{O-H}$ 鍵的電子移到羧酸氧上，形成羧酸根：