112 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》

本題考查對「對掌異構物 (enantiomer)」的定義與判斷。對掌異構物是指互為鏡像關係且無法疊合的立體異構物。判斷對掌異構物的關鍵在於辨識手性碳原子，並比較兩個分子中各取代基的空間排列。

原圖中的分子是一個手性分子，中心碳原子連接了 H、CH₃、Cl、CH₂Cl 四個不同的基團。我們需要找出與其互為鏡像關係的分子。

觀察原圖中的分子，我們可以確定其手性中心的構型。假設我們從上方觀察，CH₂Cl 在前面，H 在後面，CH₃ 在右，Cl 在左。

本題考查對映異構物 (enantiomers) 在生物體中的重要性。生物體內的許多反應，尤其是與生物分子（如蛋白質、酵素）的交互作用，都具有高度的立體選擇性。

(A) 生物反應確實涉及受體分子，但這只是現象，並未解釋重要性。
(B) 生物受體（如酵素的活性位點）本身通常是手性的，這是因為它們是由胺基酸組成的蛋白質，胺基酸（除了甘胺酸）本身是手性的，因此蛋白質結構也是手性的。

本題考查立體異構物的數量計算。一個分子可能存在的立體異構物數量與手性碳原子的數量有關。

首先，我們需要找出分子中的手性碳原子。3-bromo-2-butanol 的結構為 CH₃CH(OH)CH(Br)CH₃。
手性碳原子是指連接四個不同基團的碳原子。
在 3-bromo-2-butanol 中：

• C1 (甲基) 連接 3 個 H 和 1 個 CH(OH)CH(Br)CH₃，不是手性碳。
• C2 (連接 OH 的碳) 連接 H、CH₃、OH 和 CH(Br)CH₃。這四個基團是不同的，所以 C2 是手性碳。
• C3 (連接 Br 的碳) 連接 H、Br、CH₃ 和 CH(OH)CH₃。這四個基團是不同的，所以 C3 是手性碳。
• C4 (甲基) 連接 3 個 H 和 1 個 CH(OH)CH(Br)，不是手性碳。

因此，該分子有兩個手性碳原子 (C2 和 C3)。

對於一個分子，如果它有 $n$ 個手性碳原子，並且沒有對稱面或對稱中心，那麼它最多可以有 $2^n$ 個立體異構物。
在這個例子中，$n=2$，所以最多可能有 $2^2 = 4$ 個立體異構物。

我們需要檢查是否存在內消旋體 (meso compound)，內消旋體是具有手性碳原子但整體為非手性的分子，這是因為分子內部存在對稱面。
C2 的構型可以是 R 或 S，C3 的構型也可以是 R 或 S。
可能的組合有：

核心觀念

鍵的極性取決於成鍵兩原子的電負度差：

電負度差越大，共價鍵的電子越偏向電負度較大的原子，因此鍵的極性越強。

常用 Pauling 電負度約為：

• $F=3.98$
• $O=3.44$
• $C=2.55$
• $H=2.20$

解題方法

逐一計算各鍵的電負度差：

本題考查分子間的非共價鍵作用力，特別是氫鍵的形成條件。

氫鍵的形成需要兩個條件：

1. 存在氫鍵供體 (hydrogen bond donor)：即一個氫原子與電負度較大的原子（如 O, N, F）直接相連。
2. 存在氫鍵受體 (hydrogen bond acceptor)：即電負度較大的原子（如 O, N, F）上帶有孤對電子。

我們逐一分析給定的三個分子：
分子 1: CH₃CH₂NH₂ (乙胺)

• 存在 N-H 鍵，氫原子直接與 N 相連，N 是電負度較大的原子。因此，CH₃CH₂NH₂ 是氫鍵供體。
• N 原子上帶有孤對電子。因此，CH₃CH₂NH₂ 也是氫鍵受體。
• 乙胺分子之間可以形成氫鍵。

本題考查維生素 C (Vitamin C) 的性質，特別是其水溶性和分子間作用力。

首先，我們需要分析維生素 C 的結構，並判斷其極性以及是否能形成氫鍵。
維生素 C 的結構包含多個羥基 (-OH) 和一個內酯環（含有羰基 C=O 和酯基）。
結構式中：

• 有多個 -OH 基團：這些基團中的 O 原子帶有孤對電子，並且 H 原子與 O 相連，可以作為氫鍵供體和受體。
• 羰基 (C=O)：O 原子有孤對電子，可以作為氫鍵受體。

基於以上結構特徵：

• 親水性 (hydrophilic)：由於存在多個極性的羥基和羰基，以及能夠與水分子形成氫鍵，維生素 C 是高度極性的分子，因此具有親水性。
• 分散力 (dispersion forces)：所有分子都存在倫敦分散力，維生素 C 也不例外。

本題考查常見官能基的組成。我們需要判斷哪個官能基的定義中不包含氧原子。

(A) Ether (醚): 通式為 R-O-R'，其中氧原子連接兩個烷基或芳基。醚含有氧原子。
(B) Thiol (硫醇): 通式為 R-SH，其中硫原子連接一個烷基或芳基。硫醇含有硫原子，但不含氧原子。
(C) Aldehyde (醛): 通式為 R-CHO，其中羰基碳原子連接一個氫原子和一個烷基或芳基。醛含有羰基 (C=O)，因此含有氧原子。

本題考查不同官能基中碳原子的雜化軌域。我們需要判斷哪個官能基的特徵是存在 sp² 雜化的碳原子。

sp² 雜化是指一個 s 軌域和兩個 p 軌域混合形成三個 sp² 雜化軌域，這些軌域呈平面三角形排列，與未參與雜化的 p 軌域垂直。sp² 雜化通常發生在含有雙鍵 (C=C 或 C=O) 的碳原子上。

我們逐一分析選項中的官能基：
(A) Alkyl halide (鹵代烷): 通式為 R-X，其中碳原子與四個單鍵相連 (與其他碳、氫或鹵素原子)。這些碳原子通常是 sp³ 雜化的。
(B) Sulfide (硫醚): 通式為 R-S-R'，其中硫原子連接兩個烷基或芳基。硫原子通常是 sp³ 雜化的（考慮孤對電子）。碳原子通常是 sp³ 雜化的。

本題考查烷烴的自由基鹵代反應。乙烷 (ethane) 與氯氣 (chlorine) 在光照或加熱條件下，會發生自由基取代反應，用氯原子取代氫原子。

反應機制為自由基鏈式反應：

1. 起始 (Initiation): Cl₂ → 2 Cl• (自由基)
2. 增長 (Propagation):
   • Cl• + CH₃CH₃ → HCl + CH₃CH₂• (乙基自由基)
   • CH₃CH₂• + Cl₂ → CH₃CH₂Cl + Cl•
3. 終止 (Termination): 自由基之間互相結合。

題目提到「large excess of chlorine」和「over a long period of time」。這意味著反應會持續進行，並且氯的濃度遠大於乙烷。在這種條件下，取代反應會不斷進行，直到所有的氫原子都被氯原子取代。

本題考查對有機化學反應類型的辨識。我們需要分析給定的反應，判斷其屬於哪種類型的反應。

反應式為：
CH₃
|
H₃C-C-Br + H₂O → H₃C-C-OH + HBr
| |
CH₃ CH₃

這個反應中，一個分子 (H₂O) 的一部分 (OH 基團) 取代了另一個分子 (tert-butyl bromide) 中的溴原子 (Br)。
具體來說，tert-butyl bromide 中的 Br 被 OH 取代。

• Substitution reaction (取代反應): 一個基團被另一個基團取代。在這個反應中，OH 基團取代了 Br。

本題考查有機反應中間體的辨識。題目給出了一個反應，其中物質 A 轉變為物質 B。我們需要判斷物質 B 是什麼類型的物種。

從圖示來看，反應似乎是從一個鹵代烷 (tert-butyl bromide) 開始，然後轉變為另一個物種 B。
物質 A 是 tert-butyl bromide:
CH₃
|
H₃C-C-Br
|
CH₃

物質 B 的結構顯示，Br 原子已經離開，並且與之相連的碳原子帶有一個正電荷。
CH₃
|
H₃C-C⁺
|
CH₃

帶正電荷的碳物種稱為碳陽離子 (carbocation)。
碳陽離子是碳原子帶有一個正電荷，並且通常是 sp² 雜化的，具有一個空的 p 軌域。

本題考查胺基酸的側鏈結構。我們需要辨識哪個胺基酸具有芳香環結構的側鏈。

我們來檢查各個胺基酸的側鏈結構：
(A) Isoleucine (異亮胺酸): 側鏈是 -CH(CH₃)CH₂CH₃ 的分支烷基。是非極性、脂肪族的。
(B) Valine (纈胺酸): 側鏈是 -CH(CH₃)₂ 的支鏈烷基。是非極性、脂肪族的。
(C) Tyrosine (酪胺酸): 側鏈是 -CH₂-C₆H₄-OH (對位)。

本題考查 DNA 和 RNA 的基本結構特徵。我們需要判斷哪個選項是正確的。

(A) Both DNA and RNA are completely double-stranded. - 錯誤。DNA 通常是雙股螺旋結構，但 RNA 通常是單股的，儘管它可以形成局部雙鏈結構（如 tRNA 的結構）。
(B) Both DNA and RNA are completely single-stranded. - 錯誤。DNA 大多數情況下是雙股的。
(C) Both DNA and RNA contain ribose. - 錯誤。DNA 含有脫氧核糖 (deoxyribose)，而 RNA 含有核糖 (ribose)。

本題考查保護基 (protecting group) 的性質。保護基用於暫時封鎖一個官能基，使其在某個化學反應中不發生反應，待反應完成後再將保護基除去。

一個理想的保護基應具備以下性質：

1. 易於引入: 能夠相對容易地連接到目標官能基上。
2. 對目標反應條件穩定: 在後續的化學反應條件下不被破壞或反應，即「Inert to reaction conditions」。
3. 改變官能基的反應性: 通過形成保護基，降低或改變了原官能基的反應活性，使其在特定反應中不參與。這對應於選項 (A) Change the reactivity of a functional group。
4. 易於除去: 在反應完成後，能夠溫和且選擇性地將保護基除去，恢復原來的官能基。

我們來分析各選項：
(A) Change the reactivity of a functional group - 這是保護基的核心功能之一。通過形成保護基，降低了官能基的反應性，使其在某些反應中不被破壞。

本題考查蛋白質結構的層次，特別是「一級結構 (primary structure)」。

蛋白質的結構通常分為四個層次：

1. 一級結構 (Primary structure): 指蛋白質中胺基酸的線性排列順序。這個順序由基因決定，是蛋白質三維結構的基礎。
2. 二級結構 (Secondary structure): 指蛋白質鏈局部區域的規則摺疊形式，例如 α-螺旋 (alpha-helix) 和 β-摺疊 (beta-sheet)，主要由肽鍵內的氫鍵維持。
3. 三級結構 (Tertiary structure): 指蛋白質單鏈的三維空間結構，包括二級結構的整體排列以及側鏈之間的相互作用（如離子鍵、氫鍵、疏水作用、二硫鍵等）。

核心觀念

本題考比較酸性強弱。酸失去質子 $H^+$ 後形成共軛鹼；共軛鹼越穩定，原酸越強。也可比較 $pK_a$：$pK_a$ 越小，酸性越強。

依原圖，(II) 是苯環連接 $NH_3^+$，也就是苯胺的共軛酸（苯胺鎓離子）$C_6H_5NH_3^+$，不是單獨的 $NH_3$。

解題方法

比較四種酸的 $pK_a$，數值越小，酸性越強：

• (I) $H_3O^+$：$pK_a$ 約 $-1.7$，失去質子後形成水。
• (II) $C_6H_5NH_3^+$：$pK_a$ 約 $4.6$，失去質子後形成苯胺。
• (III) 苯酚 $C_6H_5OH$：$pK_a$ 約 $10$，失去質子後形成苯氧負離子；負電荷可由芳香環共振穩定。
• (IV) $H_2O$：$pK_a$ 約 $15.7$，失去質子後形成氫氧根。

因此酸性由強至弱為：

選項分析

本題考查 SN2 反應的反應速率影響因素。SN2 反應的速率主要受以下因素影響：

1. 親電試劑碳原子的空間位阻: 空間位阻越小，SN2 反應越容易進行。一級碳 > 二級碳 >> 三級碳。
2. 離去基團 (leaving group) 的離去能力: 離去能力越強，SN2 反應越容易進行。通常，弱鹼是好的離去基團。例如，I⁻ > Br⁻ > Cl⁻。
3. 親核試劑的強度: 強親核試劑有利於 SN2 反應。
4. 溶劑: 極性非質子溶劑 (polar aprotic solvents) 有利於 SN2 反應。

我們需要比較給定的五個化合物，找出最容易發生 SN2 反應的。

首先，我們需要判斷這些化合物的離去基團和與離去基團相連的碳原子的類型（一級、二級、三級）。

(A) (CH₃)₃CCH₂I: 離去基團是 I⁻。與 I 相連的碳是 CH₂，它連接一個三級碳 ((CH₃)₃C-)。這是一個「類三級」或「位阻大的一級」碳。
(B) (CH₃)₃CCl: 離去基團是 Cl⁻。與 Cl 相連的碳是 C，它連接三個甲基。這是三級碳。三級碳不發生 SN2 反應。
(C) (CH₃)₂CHI: 離去基團是 I⁻。與 I 相連的碳是 CH，它連接兩個甲基和一個 H。這是二級碳。
(D) (CH₃)₂CHCH₂CH₂CH₂Cl: 離去基團是 Cl⁻。與 Cl 相連的碳是 CH₂，它連接一個 CH₂ 和兩個 H。這是比較長鏈的一級碳。
(E) (CH₃)₂CHCH₂CH₂CH₂I: 離去基團是 I⁻。與 I 相連的碳是 CH₂，它連接一個 CH₂ 和兩個 H。這是比較長鏈的一級碳。

本題考查質譜 (mass spectrometry) 的基本知識。質譜儀通過測量樣品分子離子或碎片離子的質荷比 (mass-to-charge ratio, m/z) 來獲得其質量信息。

在質譜圖中：

• 水平軸 (x-axis) 代表 質荷比 (mass/charge, m/z)。
• 垂直軸 (y-axis) 代表 離子的相對豐度 (relative abundance)。

本題考查質譜 (mass spectrometry) 的基本知識。質譜儀通過測量樣品分子離子或碎片離子的質荷比 (mass-to-charge ratio, m/z) 來獲得其質量信息。

在質譜圖中：

• 水平軸 (x-axis) 代表 質荷比 (mass/charge, m/z)。
• 垂直軸 (y-axis) 代表 離子的相對豐度 (relative abundance)。

本題考查核磁共振 (NMR) 的基本原理，特別是哪些原子核可以產生 NMR 訊號。

NMR 訊號產生的基本條件是原子核必須具有核自旋量子數 (nuclear spin quantum number, I) 大於零。只有具有非零核自旋的原子核，在外部磁場中才會產生不同的能階，進而吸收或放出電磁波，產生 NMR 訊號。

核自旋量子數 I 的值取決於原子核中質子和中子的數量：

• I = 0: 無 NMR 訊號。
• I = 1/2, 3/2, ...: 具有 NMR 訊號。
• I = 1, 2, 3, ...: 具有 NMR 訊號，但訊號通常較寬。

我們來檢查各選項中原子核的核自旋量子數：
(A) ²H (氘): 原子序 1 (1 個質子)，質量數 2 (1 個中子)。質子數+中子數 = 2 (偶數)。I = 1。有 NMR 訊號 (但訊號通常較寬)。
(B) ¹⁴N (氮-14): 原子序 7 (7 個質子)，質量數 14 (7 個中子)。質子數+中子數 = 14 (偶數)。I = 1。有 NMR 訊號 (但訊號通常較寬)。
(C) ¹⁶O (氧-16): 原子序 8 (8 個質子)，質量數 16 (8 個中子)。質子數+中子數 = 16 (偶數)。I = 0。沒有 NMR 訊號。
(D) ¹⁹F (氟-19): 原子序 9 (9 個質子)，質量數 19 (10 個中子)。

本題考查 ¹H NMR 光譜的各個特徵所提供的資訊。

¹H NMR 光譜主要包含以下幾個特徵：

1. 化學位移 (Chemical shift, δ): 訊號出現的位置 (ppm)，提供關於氫原子所處化學環境的信息，例如它連接的原子、官能基等。
2. 訊號數量 (Number of signals): 光譜中出現的不同訊號的數量，代表分子中不同類型的氫原子的數量。
3. 訊號積分面積 (Integration of signals): 每個訊號的積分面積與該訊號代表的氫原子的數量成正比。這提供了不同類型氫原子數量的相對比例。
4. 訊號分裂 (Splitting of signals): 訊號的裂分模式（如單峰、雙峰、三重峰等），稱為多重度 (multiplicity)，由鄰近未等價的氫原子引起，遵循 n+1 規則。這提供了關於氫原子周圍環境的信息（有多少個相鄰的氫原子）。

本題考查 SN2 反應的特徵。我們需要判斷哪個敘述是正確的。

SN2 反應 (Bimolecular Nucleophilic Substitution) 的特點是：

• 反應機理: SN2 反應是一個協同反應 (concerted reaction)，即反應物一步完成，鍵的斷裂和形成同時發生，中間沒有穩定的中間體。
• 反應速率: 速率與親電試劑 (RX) 和親核試劑 (Nu⁻) 的濃度都有關，是二級反應。速率定律為 rate = k[RX][Nu⁻]。
• 中間體: 沒有碳陽離子中間體。
• 立體化學: 發生** Walden 轉化 (Walden inversion)**，即親核試劑從離去基團的對面進攻，導致構型發生翻轉。如果起始物是手性化合物，會生成構型翻轉的產物。如果起始物是外消旋體，則產物也是外消旋體。如果起始物是單一對掌異構物，則產物是構型翻轉的單一對掌異構物。

本題考查 SN1 反應的特徵。我們需要判斷哪個敘述是正確的。

SN1 反應 (Unimolecular Nucleophilic Substitution) 的特點是：

• 反應機理: SN1 反應通常是兩步反應。第一步是離去基團離去，形成一個穩定的碳陽離子中間體。第二步是親核試劑進攻碳陽離子。
• 反應速率: 速率僅與親電試劑 (RX) 的濃度有關，與親核試劑的濃度無關，是單分子反應。速率定律為 rate = k[RX]。
• 中間體: 形成碳陽離子中間體。三級碳陽離子最穩定，其次是二級，一級碳陽離子非常不穩定。因此，三級鹵代烷最容易發生 SN1 反應，其次是二級。
• 立體化學: 碳陽離子是 sp² 雜化的平面結構。親核試劑可以從陽離子的任何一側進攻，導致構型翻轉 (inversion) 和構型保持 (retention) 的混合物，最終得到外消旋體 (racemate)。
• 溶劑: 傾向於極性質子溶劑 (polar protic solvents)，因為這些溶劑能穩定碳陽離子中間體和離去基團。

本題考查 SN1 反應的反應活性，特別是親電試劑碳原子的穩定性。SN1 反應的速率決定步驟是碳陽離子的形成，因此碳陽離子的穩定性是關鍵。碳陽離子越穩定，SN1 反應越容易進行。

碳陽離子的穩定性順序為：三級 > 二級 > 一級。這是因為烷基是給電子基團，可以通過誘導效應和超共軛效應穩定帶正電荷的碳原子。

我們來分析圖片中的五個物種，判斷它們的類型和穩定性：
(A) CH₃I (碘甲烷): 離去基團是 I⁻，與之相連的碳原子是甲基 (CH₃)，這是最簡單的一級碳。它不形成碳陽離子，而是通過 SN2 反應。
(B) CH₃CH₂I (碘乙烷): 離去基團是 I⁻，與之相連的碳原子是一級碳。

核心觀念

本題考查醛、酮的還原反應：

常用還原劑包括：

• $\ce{NaBH4}$：溫和、選擇性高，主要還原醛與酮。
• $\ce{LiAlH4}$：強還原劑，可還原醛、酮、羧酸、酯、醯胺等官能基。
• $\ce{CrO3/H3O+}$、PCC：氧化劑。
• $\ce{SOCl2/pyridine}$：將醇轉換成氯化物。

解題方法

反應物含有酮官能基：

酮的羰基碳接受氫化物 $\ce{H^-}$，再經質子化形成二級醇：

因此，若題目原意是「將酮還原為相應的醇」，最合適的試劑是選擇性較高且反應條件溫和的 $\ce{NaBH4}$，答案為 (D)。

須注意，題幹所列產物：

比反應物少了 $\ce{-CH2CH3}$，且羰基碳也未呈現在產物中；這不符合一般酮還原的碳骨架守恆。依照酮還原的合理產物，應為保留完整碳骨架的二級醇：

若題目確實要求「斷裂 $\ce{C-C}$ 鍵並移除乙基」，則所列選項沒有能完成該轉換的試劑。

選項分析

(A) $\ce{CrO3, H3O+, acetone}$

這是 Jones 氧化條件，屬於強氧化系統。醛會被氧化為羧酸，二級醇會被氧化為酮，不能將酮還原為醇，因此錯誤。