109 年 國立清華大學生醫工程與環境科學系碩士班丙組《有機化學》

本題考查環烷烴的環張力 (ring strain)。環張力主要來自鍵角張力 (bond angle strain) 和扭轉張力 (torsional strain)。環的大小、取代基的位置和空間排列都會影響環張力。

(A) 所示為環己烷，為椅式構象，鍵角接近理想值 109.5°，且無明顯的扭轉張力，是環烷烴中張力最低的結構。

本題考查共振結構的穩定性。共振結構的穩定性與以下因素有關：

1. 價電子數：總價電子數相同的共振結構，負電荷較少或分布更均勻的結構較穩定。
2. 八隅體規則：盡量滿足八隅體規則的結構較穩定。
3. 電負性：負電荷位於電負性較強的原子上，正電荷位於電負性較弱的原子上，結構較穩定。
4. 離域程度：π 電子離域程度越大，結構越穩定。

我們來分析各個選項的共振結構：
(A) 該結構中，氧原子帶有負電荷，且所有原子都滿足八隅體規則。
(B) 該結構中，氧原子帶有負電荷，且所有原子都滿足八隅體規則。
(C) 該結構中，氧原子帶有負電荷，且所有原子都滿足八隅體規則。
(D) 該結構中，氧原子帶有負電荷，且所有原子都滿足八隅體規則。
(E) 該結構中，一個氧原子帶有負電荷，另一個氧原子帶有正電荷。碳原子也帶有部分正電荷。

比較 (A)-(D)，它們都是具有負電荷在氧原子上的共振結構。
比較 (E)，它具有正負電荷分離，通常情況下，電荷分離的共振結構比沒有電荷分離的結構不穩定。
再比較 (A)-(D) 之間的差異，主要在於負電荷所連接的原子以及共振的範圍。

本題考查酸的強度，以 pKa 值來衡量。pKa 值越低，酸性越強。酸的強度與其共軛鹼的穩定性成反比。共軛鹼越穩定，則其對應的酸越強，pKa 值越低。

我們需要分析各個結構的酸性，也就是看其失去質子後形成的共軛鹼的穩定性。
(A) 結構為 α-氯代乙酸。失去質子後形成 α-氯乙酸根離子。氯原子的吸電子效應 (-I) 可以穩定負電荷，使酸性增強。
(B) 結構為 α,α-二氯乙酸。失去質子後形成 α,α-二氯乙酸根離子。兩個氯原子的吸電子效應 (-I) 效應比一個氯原子更強，能更有效地穩定負電荷，因此酸性比 (A) 更強。
(C) 結構為 α,α,α-三氯乙酸。失去質子後形成 α,α,α-三氯乙酸根離子。三個氯原子的吸電子效應 (-I) 效應最強，對負電荷的穩定作用最大，因此酸性最強，pKa 值最低。
(D) 結構為 2,2,2-三氯乙醇。

本題再次考查環烷烴的環張力 (ring strain)。與第一題類似，我們需要評估各個環結構的張力。

(A) 所示為環己烷的椅式構象，這是張力最低的構象。
(B) 所示為環戊烷，鍵角較小，且需要扭曲構象來減輕扭轉張力，因此有一定張力。
(C) 所示為環丁烷，鍵角明顯小於理想值，鍵角張力較大。
(D) 所示為環丙烷，鍵角非常小，鍵角張力極大。
(E) 所示為一個含有雙鍵的環，例如環己烯。

本題繼續考查環烷烴的環張力。我們需要分析各個選項的結構。

(A) 所示為環己烷的椅式構象，這是張力最低的構象。
(B) 所示為環己烷的船式構象，與椅式構象相比，船式構象存在較大的扭轉張力和 the "flagpole" interactions，因此張力較大。
(C) 所示為環己烷的扭椅式構象 (twist-boat conformation)。它介於椅式和船式構象之間，張力比船式構象小，但比椅式構象大。
(D) 所示為環庚烷。

本題考查內消旋化合物 (meso compounds) 的判斷。內消旋化合物是指分子中含有手性中心，但由於存在內對稱面或內對稱中心，使得分子整體為非手性（achiral）的化合物。

我們需要逐一分析圖中所示的四個結構：

結構一： 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】
此結構為 2,3-二氯丁烷。
C2 和 C3 都是手性中心。
我們畫出其鏡像異構物。
若要判斷是否為內消旋化合物，可以檢查是否存在對稱面。
如果我們將分子畫成鋸齒形構象，並考慮 C2 和 C3 的取代基。
想像分子沿 C2-C3 鍵旋轉，使其兩個 C-Cl 鍵和兩個 C-H 鍵分別位於相對的兩個平面上。
如果我們將其寫成 Newman projection 沿 C2-C3 鍵，則 C2 上有 H, Cl, CH3，C3 上有 H, Cl, CH3。
如果 C2 和 C3 的取代基是相同的，並且它們相對於對稱面是鏡像關係，則為內消旋。
在此結構中，C2 和 C3 都是手性中心，且與它們相連的基團是相同的 (H, Cl, CH3)。
如果我們考慮一個對稱面通過 C2 和 C3 之間的鍵，並且垂直於 C2-C3 鍵，則此結構並非內消旋。
但是，如果我們考慮分子在特定構象下，例如當 C2 和 C3 上的 H 原子都朝向同一側（eclipsed conformation，雖然不穩定），或者當 C2 和 C3 上的 CH3 和 Cl 原子分別處於相對位置時。
最簡單的方法是畫出鏡像異構物，然後檢查它們是否相同。

本題考查芳香族親核取代反應 (Nucleophilic Aromatic Substitution, SNAr)。

反應物是 1-氯-2,4-二硝基苯，其中苯環上有兩個強吸電子基團（硝基 -NO2）位於氯原子的鄰位和對位。NaOH 是親核試劑，提供 OH⁻ 離子。產物是 2,4-二硝基苯酚。

我們來分析各個選項：
(A) 親電芳香取代反應 (Electrophilic Aromatic Substitution, EAS) 是苯環上的親電試劑進攻苯環，取代一個氫原子。這個反應中，NaOH 提供的是親核試劑 OH⁻，並且是取代氯原子，不是取代氫原子，所以不是 EAS。
(B) SN2 取代反應通常發生在飽和碳原子上，例如烷基鹵化物。芳香環上的碳原子是 sp2 雜化，空間位阻較大，且 C-X 鍵具有一定的雙鍵性質，不易發生 SN2 反應。

本題考查原子軌域能階與離子化能的關係，以及類氫原子的能量公式。

對於類氫原子（一個原子核和一個電子），其軌域能階由主量子數 $n$ 決定，公式為：
$E_n = -\frac{Z^2 R_H}{n^2}$
其中 $R_H$ 是里德伯常數 (Rydberg constant)，對於氫原子，其基態能量 $E_1 = -R_H$。
離子化能 (Ionization Energy, IE) 是從原子中移走一個電子所需的能量。對於氫原子，其離子化能就是從 $n=1$ 移走電子到 $n=\infty$ 所需的能量，即 $IE_H = E_\infty - E_1 = 0 - (-\frac{1^2 R_H}{1^2}) = R_H$。
題目給定氫原子的離子化能為 $E$，所以 $E = R_H$。

本題考查親核醯基取代反應 (Nucleophilic Acyl Substitution) 的衍生物。親核醯基取代反應是指一個親核試劑進攻一個醯基碳原子，取代原來的離去基團，形成新的化合物。常見的親核醯基取代反應衍生物包括：

1. 酯 (Esters)：由羧酸與醇反應，離去基團為 -OH，親核試劑為醇的 -OH。
2. 醯胺 (Amides)：由羧酸與胺反應，離去基團為 -OH，親核試劑為胺的 -NH2。

本題考查烯醇負離子 (enolate) 的製備。製備烯醇負離子需要使用一個強鹼，能夠有效地從 α-碳上奪取質子。

乙酸乙酯 (ethyl acetate) 的 α-碳上的質子酸性相對較弱，因為氧原子的吸電子效應不如羰基的吸電子效應直接。
我們需要一個足夠強的鹼來定量地生成烯醇負離子。

(A) 鋰二異丙基醯胺 (Lithium diisopropylamide, LDA)：LDA 是一種非常強的非親核性鹼，其共軛酸 (二異丙基胺) 的 pKa 約為 36。LDA 能夠有效地從酯的 α-碳上奪取質子，定量地生成烯醇負離子。

本題考查烯烴加成反應的立體化學。我們需要判斷哪些反應是反式加成 (anti addition)，即兩個親電試劑或基團從烯烴雙鍵的相對兩側加成。

(A) 二羥基化反應 (Dihydroxylation)：使用 OsO4 或 KMnO4（冷、稀、鹼性）進行二羥基化反應，通常是順式加成 (syn addition)，即兩個羥基從雙鍵的同一側加成。
(B) 溴加成 (Addition of Br2)：烯烴與 Br2 的反應是一個典型的反式加成反應。

本題考查酮轉化為羧酸的反應。2-戊酮 (2-pentanone) 是一個酮，而丁酸 (butanoic acid) 是含有四個碳原子的羧酸。這個轉化涉及碳鏈的縮短。

我們來分析各個選項：
(A) I2, NaOH (碘仿反應, Haloform reaction)：碘仿反應適用於甲基酮（即羰基碳相連的另一個基團為甲基）的轉化。2-戊酮的結構是 CH3-CO-CH2-CH2-CH3。與羰基相連的一個基團是甲基 (CH3)，另一個基團是丙基 (CH2CH2CH3)。因此，2-戊酮是一個甲基酮。在碘仿反應中，甲基酮會被氧化成羧酸鹽，同時生成碘仿 (CHI3)。在這個反應中，2-戊酮會被氧化成丁酸根離子 (CH3CH2CH2COO⁻) 和碘仿 (CHI3)。酸處理後得到丁酸。這個反應符合題意。

本題考查不飽和度 (degrees of unsaturation, DU) 的計算。不飽和度是指分子中 π 鍵或環的總數。
計算不飽和度的公式為：
DU = (2C + 2 + N - H - X) / 2
其中：
C = 碳原子數
N = 氮原子數
H = 氫原子數
X = 鹵素原子數 (F, Cl, Br, I)

題目給定分子有三個不飽和度 (DU = 3)。我們需要判斷這三個不飽和度可以由哪些結構特徵組成。

一個不飽和度可以代表：

• 一個雙鍵 (C=C, C=O, C=N)
• 一個環

核心觀念

本題考查酸鹼共軛對的比例，可使用 Henderson–Hasselbalch 方程式：

其中：

• $\text{酸型}$：aspartic acid
• $\text{鹼型}$：aspartate

因此：

解題方法

題目給定：

代入公式：

計算得：

因此：

換算成整數比例：

也就是約為：

在 $\mathrm{pH}<\mathrm{p}K_a$ 時，平衡明顯偏向酸型，因此 aspartic acid 的比例應遠高於 aspartate。

選項分析

• (A) 10:1：錯誤。
  此比例表示鹼型遠多於酸型，應發生在 $\mathrm{pH}>\mathrm{p}K_a$ 的情況；本題則為 $\mathrm{pH}<\mathrm{p}K_a$。

本題考查烯烴與溴的加成反應的立體化學。
(E)-hex-3-ene 的結構是 CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH3，其中雙鍵的兩個取代基（乙基）位於雙鍵的對側 (E/trans)。

烯烴與 Br2 的加成反應是反式加成 (anti addition)。
當 Br2 加成到 (E)-hex-3-ene 上時，會形成一個環狀溴鎓離子中間體。由於底物是 (E) 型，加成後形成的兩個手性中心（C3 和 C4）的構型會是相對的。

我們來畫出反應過程：
(E)-hex-3-ene: CH3CH2-CH=CH-CH2CH3
溴加成後，C3 和 C4 會成為手性中心。
由於是反式加成，兩個溴原子會加成在雙鍵的相對兩側。
想像一下，如果溴從上面加成，則 C3 和 C4 上的取代基會相對於溴原子朝下方。
如果溴從下面加成，則 C3 和 C4 上的取代基會相對於溴原子朝上方。

由於底物 (E)-hex-3-ene 本身是具有對稱性的，並且加成是反式的，這將導致形成一個內消旋化合物 (meso compound)。
讓我們來確認一下。
(E)-hex-3-ene 具有一個對稱面。
加成後，我們得到 3,4-dibromohexan。
C3 和 C4 都是手性中心。
由於 (E)-hex-3-ene 是對稱的，並且加成是反式的，形成的產物將是一個內消旋化合物。

本題考查 Diels-Alder 反應的特徵。Diels-Alder 反應是一種 [4+2] 環加成反應，它在有機合成中非常重要，用於構建六元環。

"Concerted reaction" (協同反應) 指的是反應中的所有化學鍵的斷裂和形成都發生在一個單一步驟中，沒有任何中間體。

我們來分析各個選項：
(A) A mixture of endo and exo products is formed. Diels-Alder 反應確實可以生成 endo 和 exo 產物，endo 產物通常是動力學產物 (kinetically favored)，而 exo 產物是熱力學產物 (thermodynamically favored)。但是，endo/exo 的形成是協同反應的結果，而不是協同反應的定義。
(B) All bond making and bond breaking occurs simultaneously. 這正是協同反應的定義。

本題考查非手性分子 (achiral molecule) 的定義和特徵。
手性分子 (chiral molecule) 是不能與其鏡像異構物重疊的分子。非手性分子則是可以與其鏡像異構物重疊的分子。
非手性分子通常具有對稱元素，例如對稱面 (plane of symmetry) 或對稱中心 (center of symmetry)。

我們來分析各個選項：
(A) The molecule has a non-superimposable mirror image. 如果一個分子有無法重疊的鏡像異構物，那麼它就是手性分子，而不是非手性分子。

本題考查苯與烯烴在酸催化下的 Friedel-Crafts 烷基化反應。
反應物是苯和丙烯 (propene, CH3-CH=CH2)。催化劑是 HF (氫氟酸)，它作為質子酸，可以質子化丙烯，產生碳陽離子。

丙烯與 HF 反應會生成碳陽離子。質子 (H⁺) 會加成到雙鍵上，根據 Markovnikov's rule，質子會加成到較少取代的碳原子上，以形成最穩定的碳陽離子。
CH3-CH=CH2 + H⁺ → CH3-CH⁺-CH3 (二級碳陽離子)
或者 CH3-CH=CH2 + H⁺ → CH3-CH2-CH2⁺ (一級碳陽離子)

二級碳陽離子比一級碳陽離子穩定得多。因此，質子化主要生成二級碳陽離子：CH3-CH⁺-CH3。

本題考查吡啶的親電芳香取代反應。
吡啶 (pyridine) 是一個含氮的六元雜環芳香化合物。氮原子具有電負性，會從苯環上吸電子，使得吡啶環的電子密度降低，因此吡啶比苯更難發生親電芳香取代反應。
此外，在強酸性條件下（如硝酸和硫酸的混合物），吡啶的氮原子會被質子化，形成吡啶鎓離子 (pyridinium ion)。吡啶鎓離子帶有正電荷，是一個強的吸電子基團，進一步降低了環的電子密度，使得親電取代更加困難。

本題考查醚與氫鹵酸的反應。四氫呋喃 (tetrahydrofuran, THF) 是一個環醚，其結構為一個五元環，其中一個原子是氧。

醚與氫鹵酸（如 HBr）的反應通常涉及質子化醚的氧原子，然後親核試劑（如 Br⁻）進攻碳原子，導致 C-O 鍵斷裂。

THF 的結構是：
O
/
CH2 CH2
| |
CH2 CH2

在酸性條件下，THF 的氧原子會被質子化：
O⁺H
/
CH2 CH2
| |
CH2 CH2

然後，Br⁻ 離子會進攻其中一個碳原子，導致 C-O 鍵斷裂。
由於 THF 的結構是對稱的，進攻任何一個與氧相連的碳原子都會產生相同的產物。
進攻一個 CH2 基團，斷裂 C-O 鍵，得到：
Br-CH2-CH2-CH2-CH2-OH

這個產物是 4-溴丁醇 (4-bromobutan-1-ol)。
如果 HBr 是過量的，並且反應條件足夠劇烈，則醇的羥基 (−OH) 也可能被質子化，然後被 Br⁻ 進攻，進一步被溴取代，最終得到 1,4-二溴丁烷 (1,4-dibromobutane)。

本題考查親核醯基取代反應中，親核試劑（1-丙醇）對不同醯基衍生物的反應活性。
親核醯基取代反應的活性順序通常是：
醯鹵 (Acyl halides) > 酸酐 (Acid anhydrides) > 酯 (Esters) > 醯胺 (Amides)

這是因為離去基團的穩定性決定了反應的活性。離去基團越穩定，則其對應的醯基衍生物的活性越強。
離去基團的穩定性順序大致為：
鹵離子 (如 Br⁻) > 羧酸根離子 (RCOO⁻) > 醇負離子 (RO⁻) > 胺負離子 (R₂N⁻)

我們來看各個選項的離去基團：
(A) 乙醯溴 (acetyl bromide)，離去基團是 Br⁻。
(B) 乙醯胺 (acetamide)，離去基團是 NH₂⁻。

本題與第 13 題是相同的問題。
不飽和度 (degrees of unsaturation, DU) 是指分子中 π 鍵或環的總數。
一個不飽和度可以代表：

• 一個雙鍵 (C=C, C=O, C=N)
• 一個環

題目給定分子有三個不飽和度 (DU = 3)。
這三個不飽和度可以由以下組合組成：

• 三個雙鍵 (例如，三個 C=C 雙鍵)。
• 三個環 (例如，一個三環化合物)。

本題考查胺的鹼性比較。胺的鹼性主要取決於氮原子上孤對電子的可獲得性。

我們來分析各個選項：
(A) 苯胺 (aniline)：苯胺中的氮原子與苯環直接相連。苯環是一個吸電子基團，它會通過共振效應和誘導效應降低氮原子上孤對電子的密度，使得苯胺的鹼性較弱。孤對電子部分離域到苯環上。
(B) N-乙基苯胺 (N-ethylaniline)：苯胺的一個氫原子被乙基取代。乙基是給電子基團，可以通過誘導效應稍微增加氮原子上孤對電子的密度，因此鹼性比苯胺強。
(C) N,N-二乙基苯胺 (N,N-diethylaniline)：苯胺的兩個氫原子都被乙基取代。兩個乙基的給電子效應會進一步增加氮原子上孤對電子的密度，使其鹼性比 N-乙基苯胺更強。

本題考查烯烴的順式二羥基化反應。順式二羥基化是指兩個羥基從烯烴雙鍵的同一側加成。

我們來分析各個選項：
(A) 冷稀高錳酸鉀 (cold dilute potassium permanganate, KMnO4)：在鹼性或中性條件下，冷稀的高錳酸鉀溶液可以將烯烴氧化成順式二醇 (cis-diol)。這是 Baeyer's test 的原理之一，產生的 MnO₂ 是棕色沉澱。
(B) 過氧化氫和醋酸 (hydrogen peroxide and aqueous acetic acid)：過氧化氫 (H₂O₂) 在醋酸等羧酸存在下，可以與烯烴反應。這通常會生成環氧化物 (epoxide)，而不是直接生成二醇。

本題考查烷烴的沸點影響因素。烷烴是飽和烴，分子間作用力主要是范德華力 (van der Waals forces)，包括倫敦分散力 (London dispersion forces)。

我們來分析各個選項：
(A) The boiling point increases as the length of the carbon chain increase. 隨著碳鏈長度的增加，分子量增大，范德華力增強，因此沸點升高。這句話是正確的。
(B) Straight chain alkanes have a higher boiling point than their branched isomers. 直鏈烷烴的分子形狀更接近於長桿狀，更容易緊密堆積，范德華力作用更強。而支鏈烷烴的形狀更接近球狀，與其他分子接觸的表面積減小，范德華力減弱，因此沸點較低。這句話是正確的。