108 年 國立清華大學生命科學院聯招：分子與細胞生物研究所、分子醫學研究所、生物資訊與結構生物研究所、生物科技研究所、系統神經科學研究所丁組《有機化學》

核心觀念

本題考察：

1. 立體中心的判定：C-1 與 C-3 都連接四種不同基團，因此各為一個立體中心。
2. 立體異構物數目：

其中 $n=2$。由於溴基與異丙基不同，分子沒有內部對稱面，因此不存在 meso 化合物，四個異構物分成兩組對映異構物。

3. cis/trans 關係：
   • cis：Br 與 isopropyl 位於環的同一面。
   • trans：Br 與 isopropyl 位於環的相反兩面。

解題方法

將環己烷的 C-1 與 C-3 分別視為兩個立體中心，對每個中心配置楔線與虛線：

• 實心楔線：朝向紙面外。
• 虛線楔線：背向紙面內。

先固定 C-1 的 Br 方向，再改變 C-3 的異丙基方向，即可得到全部四種組合。

C-1 的優先序為：

C-3 的優先序為：

比較環上兩條路徑時，經過 C-1 的路徑會較優先，因為該路徑可較早遇到 Br。

四個立體異構物

以下以 C-1 與 C-3 的取代基方向表示：

異構物 1：cis-$(1R,3R)$

核心觀念

本題考查紐曼投影式的讀法、含羥基化合物的主鏈命名，以及用 CIP 規則判定立體中心的 $R/S$ 組態。紐曼投影中，中心點代表前方碳，圓圈代表後方碳。

解題方法

圖中前方碳連接 $H$、$CH_3$ 與 $CH_2CH_2OH$；後方碳連接 $H$、$CH_2CH_3$ 與 $CH_3$。選擇包含羥基的最長碳鏈，並從羥基端開始編號：

主鏈有六個碳，羥基位於第 1 位，甲基位於第 3、4 位，因此母體名稱為 3,4-二甲基己-1-醇。

核心觀念

1. Peracid 立體選擇性加成

   • 以過氧化乙酸 $\text{CH}_3\text{COOOH}$ 進行烯烴的環氧化屬於 syn‑addition（氧原子與過氧化物的 O 以同側同時與雙鍵兩碳形成鍵）。
   • 因為加成是 同步、同面，故此反應是 stereospecific（立體特異性）：起始烯的相對立體配置直接決定產物的立體配置。

2. CIP 終端判定 $R/S$

   • 先依照原子序（O > C > H）給予優先順位。
   • 若最高優先順位的取代基相同，則比較相鄰原子（逐層比較），直至分出差異。

解題方法

1. 描寫起始烯

   • cis‑2‑pentene：$\displaystyle \ce{CH3–CH=CH–CH2–CH3}$，雙鍵碳 $C_2$ 與 $C_3$ 上的取代基分別為：
     • $C_2$: $\ce{CH3}$（A）與 $\ce{H}$（B）
     • $C_3$: $\ce{CH2CH3}$（C）與 $\ce{H}$（D）
   • cis 代表取代基 $A$ 與 $C$ 位於同一側（假設皆向上，$\ce{H}$ 向下）。

2. 同步加成

   • 立體選擇性使過氧酸從同側（即 $A$、$C$ 所在側）攻擊，氧原子同時與 $C_2$、$C_3$ 成鍵，形成 3‑ membered epoxide。
   • 結果：在每個碳上，O、原有的 大取代基（$A$、$C$）均保持在同一側（向上），而 H 在相反側（向下）。

3. 產物立體結構

   <details><summary>點擊顯示產物結構（文字描述）</summary> - 環氧化產物：

        O
       / \
   CH3–C   C–CH2CH3
        \ /
        H   H
   

   • $C_2$（左側）連接：O、CH₃、$C_3$、H

   • $C_3$（右側）連接：O、CH₂CH₃、$C_2$、H

   • 兩個碳均為 sp³，形成兩個手性中心 $C_2$、$C_3$。

   </details>

4. R/S 判定

   • $C_2$（左）
     1. 1st priority：O（最高）
     2. 2nd priority：$C_3$（因 $C_3$ 直接連接 O、C、H，較 $\ce{CH3}$ 的三個 H 高）
     3. 3rd priority：$\ce{CH3}$

核心觀念

本題考烯烴雙鍵的加成反應，重點是判斷雙鍵兩端各接上什麼原子或基團，以及反應具有何種區位選擇性。

起始物 2-甲基丙烯為 $\mathrm{(CH_3)_2C{=}CH_2}$，雙鍵一端連著兩個甲基，是較多取代的碳；另一端是末端 $\mathrm{CH_2}$，是較少取代的碳。常見判斷原則如下：

• $\mathrm{HX}$ 加成通常遵守馬可尼可夫規則：$\mathrm{H}$ 加到較少取代的碳，$\mathrm{X}$ 加到較多取代的碳。
• $\mathrm{HBr}$ 在過氧化物存在下經自由基反應，區位方向反轉：$\mathrm{Br}$ 加到較少取代的碳。
• 酸催化水合與氧汞化還原都得到馬可尼可夫方向的醇；氫硼化氧化得到反馬可尼可夫方向的醇。
• 鹵素加成及鹵醇形成，會在原雙鍵兩端分別加上兩個基團。

解題方法

先把起始物標成 $\mathrm{(CH_3)_2C{=}CH_2}$，並辨認較多取代端 $\mathrm{C(CH_3)_2}$ 與較少取代端 $\mathrm{CH_2}$。再依各反應試劑判斷加成類型及區位方向；本題產物不需要標示立體化學，因其中一端具有兩個相同的甲基，且生成物沒有需區分的立體異構情形。

各反應產物

核心觀念

• SN1 反應機制：三級烷基卤化物在親核溶劑（本例為甲醇）中以兩步驟進行：① 形成穩定的三級碳正離子（離去基離開），② 親核劑（甲醇）對碳正離子進行親核攻擊。
• 放熱反應 (exothermic)：產物的總能量低於起始物，主要因 C─O 鍵（醚鍵）比 C─X 鍵（C‑Cl、C‑Br 等）更強，且生成的鹽酸（或鹽基）釋放能量。
• 勢能圖 (potential‑energy diagram)：展示反應座標上各態的相對能量，包含兩個過渡態 (TS₁、TS₂) 以及中間體（碳正離子）。

解題方法

1. 確定反應步驟

   • 起始物：三級烷基卤化物 (R‑X) + 甲醇 (CH₃OH)。
   • 步驟 1：離去基 X⁻ 離開，形成三級碳正離子 (R⁺)。此步驟為速率決定步，需克服最高能障。
   • 步驟 2：甲醇的氧原子作為親核劑向碳正離子攻擊，生成酯類中間體 (R‑OCH₃⁺) 後去質子得到最終醚 (R‑OCH₃) 與 HCl。

2. 畫出勢能圖

   • X 軸：反應座標 (Reaction coordinate)。
   • Y 軸：勢能 (Potential energy)。
   • 點與線：
     • 起始點 (Reactants)：標記為 $E_{\text{react}}$，位於圖形左側較高位置。
     • 第一過渡態 TS₁：最高峰，代表 $R\text{–}X$ 離去生成 $R^{+}$ 的活化能 $\Delta G^{\ddagger}_{1}$。
     • 中間體 (carbocation)：在 TS₁ 之下，能量稍低於 TS₁，但仍高於起始物，因碳正離子具高能。
     • 第二過渡態 TS₂：位於碳正離子與產物之間，能量高於中間體但低於 TS₁，對應甲醇攻擊的活化能 $\Delta G^{\ddagger}_{2}$。
     • 產物點 (Products)：最低點 $E_{\text{prod}}$，代表醚 $R\text{–}OCH_{3}$ 與鹽酸，能量低於 $E_{\text{react}}$，故整體 $\Delta G < 0$（放熱）。

3. 簡要說明圖形特徵

   • 雙峰結構：SN1 反應具有兩個獨立的活化能；第一峰較高，故為速率決定步。
   • 能量落差：$E_{\text{react}} - E_{\text{prod}} > 0$，表示放熱。

核心觀念

三級苄基鹵化物在甲醇中可經 SN1 溶劑解反應：溴離去形成受到苯基共振穩定的平面碳正離子，甲醇再進攻並經去質子化形成醚。判斷旋光性時，需檢查產物是否具有手性；連接四種不同基團的碳才是一般所說的立體中心。

解題方法

圖中溴與苯基都連在環戊烷的同一個碳上；該碳另外連著環戊烷兩側相同的環路。圖上沒有標示電荷。依題幹，樣品置於甲醇中過夜後，分子式變為 $\mathrm{C_{12}H_{16}O}$，比旋光度為 $0^\circ$。

1. **判斷反應途徑：**連接溴的碳同時連著苯基和兩個環烷基碳，屬三級苄基溴化物。溴離去後形成穩定的三級苄基碳正離子，符合 SN1 溶劑解的條件。

2. **甲醇進攻並形成醚：**碳正離子為平面結構，甲醇進攻後形成質子化醚，再由甲醇或溴離子移除質子，得到 1-甲氧基-1-苯基環戊烷。

分子式可由取代關係核對：以 $\mathrm{OCH_3}$ 取代起始物中的 $\mathrm{Br}$，因此

核心觀念

環己烷上的 E2 消去反應要求離去基與 β-H 呈反式共平面；在椅式構形中，這表示離去基與 β-H 必須同時為軸向，且方向相反。環翻轉會交換軸向與赤道向，但不改變取代基的上、下方向。

解題方法

先將環上方甲基與下方異丙基都放在赤道向。圖中兩者為反式 1,4 取代，能同時採赤道向的椅式構形較穩定。比較此構形中 Br 的位置：

• 異構物 I：Br 朝上，為赤道向；環翻轉後 Br 才變成軸向，但異丙基也轉為軸向。此時異丙基所在的碳沒有可供消去的軸向 β-H，只有另一側的 β-H 符合反式共平面要求。因此只生成 B。
• 異構物 II：Br 朝下，在較穩定構形中就是軸向。

核心觀念

本題考酸催化烯烴加成，以及碳正離子的 Wagner–Meerwein 1,2-烷基移位。當碳正離子鄰接小環時，環內的碳碳鍵移位可使四員環擴環成較穩定的五員環。

圖中起始物為帶有甲基與乙烯基的環丁烷：環丁烷的同一個碳連著甲基與 $\ce{CH=CH2}$。

解題方法與機構

先依 Markovnikov 加成判斷質子化位置：$\ce{H+}$ 加到末端的 $\ce{CH2}$，使正電荷留在較取代的內側碳。

接著，與碳正離子相鄰的環內 $\ce{C-C}$ 鍵發生 $1,2$-移位，形成新的碳碳鍵。這一步將四員環擴成五員環，同時把正電荷移到原本連著甲基與乙烯基的環碳上。

核心觀念

分子式與核磁共振訊號可用來判斷不飽和度、官能基、分子對稱性，以及各氫、碳所處的化學環境。此題分子式為 $\mathrm{C_6H_4Cl_2O}$，需先判斷骨架，再用氫譜與碳譜確認氯與羥基在苯環上的相對位置。

解題方法

先計算不飽和度：

四個不飽和度符合一個苯環。紅外光譜在約 $3437\ \mathrm{cm^{-1}}$ 有寬廣吸收，表示分子含有酚類 $\mathrm{O-H}$；因此此化合物是二氯取代酚。

氫譜顯示芳香區有三個氫：一組約在 $7.2\ \mathrm{ppm}$，積分相當於兩個氫；另一組約在 $6.8\ \mathrm{ppm}$，相當於一個氫。另外約 $5.9\ \mathrm{ppm}$ 的訊號對應羥基氫。

核心觀念

1. 自由基溴化 (Radical bromination) – 受光照產生 Br·，抽取 C‑H 時遵循「次級 > 一次」的穩定性趨勢，且抽取速率亦與鍵解離能 (BDE) 成反比。
2. SN2 置換 – 強鹼性核試劑 (NaEt) 在極性溶劑 (EtOH) 中對 一次 或 次級 溴代烷進行親核取代，產生相應的烷基。
3. Hydroboration–oxidation – B₂H₆/THF 先在 雙鍵 上形成 anti‑Markovnikov 的 Trialkylborane，之後以 H₂O₂／NaOH 氧化為醇，產生 初級醇。
4. E2 脫卤‑脫氫 (Elimination) – 強鹼 (NaEt) 可同時促進 β‑氫脫除，將一次卤代烷轉成 次烯，為後續的 hydroboration 之底物。

解題方法

(i) Br₂, hν

• 機制：光照 → Br· → 抽取 C‑H → 生成碳自由基 → 與 Br₂ 重新結合得到溴代產物。
• 區域選擇：
  • 環上次級 C‑H（環的每一個 CH₂）較 甲基一次 C‑H 更易被抽取（BDE 約 98 kcal mol⁻¹ vs ≈ 101 kcal mol⁻¹）。
  • 因此 主要產物 為 2‑溴‑1‑甲基環戊烷（Br 取代環上相鄰於甲基的次級碳）。
  • 產物為 外消旋混合物（形成新立體中心，無對映體控制）。

(ii) C₂H₅Na / C₂H₅OH, 熱

• 機制：NaEt 在醇溶劑中提供 乙基負離子 (Et⁻)，同時作為強鹼。
• 兩種可能路徑：
  1. SN2 置換：乙基負離子直接取代次級溴 (2‑溴‑1‑甲基環戊烷) → 2‑乙基‑1‑甲基環戊烷。
  2. E2 脫卤：乙基負離子抽取相鄰 β‑氫，使 Br 離去產生 次烯：

• 考點：在本題中，後續必須得到 雙鍵 才能進行 hydroboration，故 E2 脫卤 為正確路徑。
• 結果：得到 1‑甲基‑環戊‑2‑烯（內部雙鍵，甲基位於 C‑1）。該烯烴仍為 外消旋，雙鍵的立體化學為 $E$（環系所限，實際上只有一種可能）。

(iii) B₂H₆, THF

• 機制：B₂H₆ 與烯烴 anti‑Markovnikov 加成，產生 trialkylborane。
• 立體選擇：B 添在 較少取代的碳（即雙鍵的 末端碳），而 H 添在較取代的內側碳。

核心觀念

• E2 脫鹵：次級鹵烷在強堿（如 $KOH$, $t$‑BuOK）作用下，可經由雙分子消除產生烯烴。
• 過酸環氧化：$m$‑CPBA（或 $\text{Peroxyacetic acid}$）於低溫於非質子溶劑（$CH_2Cl_2$）中與烯烴反應，形成 側向（syn） 的環氧化物。
• 酸性或鹼性開環：環氧化物在酸性水相（$H_2SO_4$/H$_2$O）或鹼性條件下，水分子 從與氧原子相反的一側 進攻，屬 反式（anti） 開環，得到 反式 的 1,2‑二醇。
• 立體化學關係：$\text{syn (epoxidation)} + \text{anti (ring opening)} = \text{overall trans‑addition}$。

解題方法

1. 由 1‑溴環己烷 → 環己烯（E2 脫鹵）
   • 受熱於濃 $KOH$（乙醇/水）或 $t$‑BuOK/THF，產生 $\ce{C6H10}$（環己烯）並釋放 $\ce{KBr}$、$\ce{H2O}$。
2. 環己烯 → 環己烯氧化物（過酸環氧化）
   • 在 $0\ ^\circ\text{C}$ 至室溫，以 $m$‑CPBA（1.1 eq）於 $CH_2Cl_2$ 中反應，得到 環己烯氧化物（epoxide），同時產生 $m$‑氯苯甲酸。
3. 環己烯氧化物 → trans‑1,2‑環己二醇（酸性水解）
   • 將環氧化物溶於 $1\ \text{M} \ \ce{H2SO4}$（或醋酸/水），於回流（約 $80\ ^\circ\text{C}$）2–3 h，使水分子從環氧化物的相反側攻擊，形成 trans‑1,2‑環己二醇。
4. 分離與純化
   • 反應結束後，用飽和 NaHCO$_3$ 中和過酸，萃取有機層，乾燥（MgSO$_4$），濃縮得到粗產物。
   • 以柱層析（SiO$_2$, $hexane/EtOAc$ 3:1）分離得到純的 trans‑1,2‑環己二醇。

選項分析（若題目以多項選擇方式呈現）

核心觀念

1. 自由基加成 (Anti‑Markovnikov) – HBr/ROOR
   • 在過氧化物存在下，HBr 會產生 Br· 自由基，首先加到較不取代的碳原子，形成次級自由基，最後與 HBr 產生 1‑溴烷。
2. 金屬‑鹵素交換 – Li
   • 鋰金屬與烷基溴反應可產生對應的有機鋰試劑 (R‑Li)，此反應在乾燥的乙醚中進行，生成強親核/強鹼性的碳負離子。
3. 親核加成於酮 – (CH₃CH₂)₂C=O
   • 有機鋰試劑對酮的碳基電離中心 (C=O) 進行 1,2‑加成，產生烷氧離子，隨後質子化得到三級醇。
4. Williamson 醚合成 – C₂H₅I
   • 由三級醇在鹼性條件下形成醇鹽 (RO⁻)，可對一級碘烷 (C₂H₅I) 進行 SN2，形成三級醚。

反應序列與關鍵中間體

詳盡步驟解析

i) HBr / ROOR → 1‑溴己烷

• 機制：過氧化物產生 RO·，與 HBr 產生 Br·。

  1. 啟動：RO· + HBr → ROH + Br·
  2. 加成：Br· 加到雙鍵的末端碳 (C‑1) → 產生次級自由基 CH₂‑·CH‑CH₂‑CH₂‑CH₂‑CH₃。
  3. 終止：次級自由基與另一分子 HBr 反應，取 H，得到 1‑溴己烷。

• 關鍵點：自由基加成遵循 Anti‑Markovnikov 規則；布朗氏 (Br) 加到較少取代的碳上。

ii) Li → 己基鋰

• 反應：

$\text{CH}_{2}\text{Br‑(CH}_{2})_{4}\text{CH}_{3} + \text{Li} \;\xrightarrow[\text{dry Et}_{2}\text{O}]{\text{metal}}\; \text{Li‑CH}_{2}\text{(CH}_{2})_{4}\text{CH}_{3} + \text{LiBr}$

• 機制：金屬‑鹵素交換 (metal‑halogen exchange)。鋰作為還原劑，將溴離子還原為 LiBr，留下負電荷在碳上形成 R‑Li。
• 注意：反應必須在無水、無氧的環境下進行，避免 R‑Li 被質子化。

iii) (CH₃CH₂)₂C=O → Tertiary Alcohol

• 加成步驟
  1. 親核攻擊：己基鋰的碳負離子攻擊酮的碳基電離中心，形成烷氧鋰鹽：

$\text{Li‑CH}_{2}\text{(CH}_{2})_{4}\text{CH}_{3} + (CH_{3}CH_{2})_{2}C=O \;\rightarrow\; (CH_{3}CH_{2})_{2}C\!-\!O^{-}\!Li^{+}\!-\!CH_{2}(CH_{2})_{4}CH_{3}$

核心觀念

本題考 Diels–Alder 反應的區域選擇性、立體專一性與手性中心。圖中的共軛二烯帶有給電子的甲氧基（–OCH₃），親雙烯體帶有吸電子的醛基（–CHO）。反應形成兩個新的 σ 鍵，並在環中保留一個雙鍵。

Diels–Alder 反應是協同反應，因此反應物的立體排列會保留在產物中；反應從平面分子的兩面進行，則可形成互為鏡像的產物。

解題方法

先判斷區域選擇性：甲氧基供電子，使共軛二烯遠離甲氧基的一端較富電子；醛基拉電子，使親雙烯體末端的 β 碳較缺電子。因此，主要形成「二烯遠端」與「親雙烯體 β 碳」之間的新鍵，另一個新鍵則連接甲氧基所在的二烯末端與帶醛基的碳。產物中 –OCH₃ 與 –CHO 相鄰。

再數新形成的手性中心：帶 –OCH₃ 的二烯末端碳，以及帶 –CHO 的親雙烯體碳，反應後各連接四種不同基團，因此共形成兩個手性中心。兩個手性中心各有兩種構型，故有 $2^2=4$ 種立體異構物。

(a)、(b) 區域選擇性

有區域選擇性，主要產物是 –OCH₃ 與 –CHO 相鄰的區域異構物。判斷方式是讓二烯較富電子的末端，與親雙烯體較缺電子的 β 碳形成新鍵。

(c)、(d) 手性中心與所有異構物

核心觀念

本題考查芳香環的取代位置與命名。以苯胺為母體時，連接 $NH_2$ 的碳定為 1 號；再沿環編號，使其他取代基的位置符合題名。題目要求溴在 2 位、硝基在 4 位，也就是溴與胺基相鄰，而硝基與胺基位於對位。

解題方法

先在每個選項中找出 $NH_2$，將該碳視為 1 位，再檢查：

• $Br$ 是否在相鄰的 2 位。
• $NO_2$ 是否在對面的 4 位。

選項 III 中，$NH_2$ 與 $Br$ 相鄰，$NO_2$ 與 $NH_2$ 對位，因此符合 2-bromo-4-nitroaniline。

選項分析

核心觀念

• 磺化（sulfonation）是芳香環的親電取代反應，使用的親電試劑為 $\ce{SO3}$（或以濃硫酸形成的 $\ce{SO3·H2SO4}$）。
• 反應機制可分為四個連續步驟：
  1. 生成 $\ce{SO3}$（由濃硫酸脫水得到）。
  2. 質子化 $\ce{SO3}$ 形成 $\ce{SO3H+}$（或稱 $\ce{SO3·H2SO4}$ 的活化形態）。
  3. 親電攻擊：$\ce{SO3H+}$ 加到苯環上，產生 σ‑複合物（arenium ion）。
  4. 去質子：σ‑複合物失去一個質子得到最終產物 苯磺酸（benzenesulfonic acid）。

在多步反應中，速率決定步（rate‑determining step, RDS） 通常是能量壁壘最高、最慢的那一步。對於親電子芳環取代反應，RDS 通常是 親電試劑與芳環的結合，因為形成 σ‑複合物需要克服芳環的去芳香性（失去共軛π系統）所產生的高活化能。

解題方法

1. 先列出反應的完整機制與每一步的能量概念。
2. 比較每一步的活化能大小：
   • 生成 $\ce{SO3}$（脫水）在濃硫酸中已是平衡過程，且$\ce{SO3}$的生成相對易於發生。
   • 質子化 $\ce{SO3}$ 形成 $\ce{SO3H+}$ 僅是酸性的質子轉移，能障不高。
   • $\ce{SO3H+}$ 攻擊苯環使芳環失去芳香性，形成 σ‑複合物，需克服約 +30~+40 kcal mol⁻¹ 的活化能，是所有步驟中最高的。
   • σ‑複合物失去質子恢復芳香性，放熱且障礙低。
3. 依據活化能排序，判斷最高能障的步驟即為 RDS。

選項分析

核心觀念

本題考芳香親電子取代反應（EAS）的定位效應。甲基是活化的鄰、對位定位基，會提高甲基取代苯環上鄰位與對位的電子密度；苯基則是較弱的鄰、對位定位基。反應使用 $\mathrm{Br_2/FeBr_3}$，因此主要是在芳香環上進行溴化。

解題方法

先比較兩個苯環的活性：帶有甲基的苯環受到甲基活化，較容易進行親電子取代，因此主要產物來自這一環，而不是未帶甲基的苯環。

再看定位位置：甲基所指定的鄰、對位中，對位已被苯基占據；可取代的鄰位位置中，依圖中各選項，III 的溴位於帶甲基苯環上、與甲基相鄰的位置，符合甲基的鄰位定位效應。

選項分析

核心觀念

• 離子性 (ionic character) 取決於兩原子之間電負性差 (Δχ)。電負性差越大，鍵越偏向離子型。
• Pauling 電負性表 (常用值)：
  • H：2.20
  • C：2.55
  • Cl：3.16
  • Br：2.96

解題方法

1. 計算每一對原子之電負性差：
   $\Delta\chi = |\chi_A - \chi_B|$
2. 比較各選項的 Δχ，差值最大的鍵即具有最高離子性。

選項分析

核心觀念

共振結構是同一分子的不同電子表示法。原子位置與 $\sigma$ 鍵連接方式必須相同；改變的只能是孤電子對、$\pi$ 鍵與形式電荷的位置。每一個共振式也都必須符合合理的價電子數與八隅體。

解題方法

逐對比較結構的原子連接方式，再確認差異是否只來自電子移動：

• 若原子骨架相同，且只移動孤電子對或 $\pi$ 電子，可能是共振結構。
• 若某個原子換了連接對象，改變了 $\sigma$ 鍵，就不是共振結構。

選項分析

• (A) Pair (a)：是共振結構。 兩式的連接順序都是 $\mathrm{CH_3-O-N-O}$。電子移動後，氧氮間的鍵級與形式電荷改變，原子骨架不變。
• (B) Pair (b)：是共振結構。 兩式都是 $\mathrm{O-C-O}$ 的連接骨架；

核心觀念

本題測驗有機化學中**分子混成軌域（Hybridization）與共價鍵成鍵軌域分析（Orbital Overlap in Covalent Bonding）**的基本概念：

1. 碳原子的混成狀態判定：
   • 根據價層電子對互斥理論（VSEPR）或立體數（Steric Number, $\text{SN}$）：
     $\text{SN} = (\text{鍵結的原子數}) + (\text{孤對電子對數})$
     • $\text{SN} = 4 \implies sp^3$ 混成（四面體形）
     • $\text{SN} = 3 \implies sp^2$ 混成（平面三角形）
     • $\text{SN} = 2 \implies sp$ 混成（直線形）
2. 化學鍵的本質與重疊軌域：
   • $\sigma$ 鍵（Sigma bond）：軌域頭碰頭（head-on / end-to-end）重疊所形成，通常由兩原子的混成軌域（或氫原子的 $1s$ 軌域）重疊而成。
   • $\pi$ 鍵（Pi bond）：未參與混成的未混成 $p$ 軌域側靠側（side-by-side）重疊所形成。

解題方法

1. 繪製乙炔（Acetylene / Ethyne）的 Lewis 結構式：
   $\text{H}-\text{C}\equiv\text{C}-\text{H}$
2. 分析碳原子的混成狀態：
   • 每個碳原子分別與 1 個氫原子（單鍵）以及另 1 個碳原子（參鍵）相連，無孤對電子。
   • 碳原子的立體數 $\text{SN} = 2 + 0 = 2$，因此兩個碳原子皆採用 $sp$ 混成軌域（使用主量子數 $n=2$ 的價軌域，即 $2sp$）。
3. 分析碳－碳間各鍵結的組成軌域：
   • 乙炔分子間的碳－碳參鍵（$\text{C}\equiv\text{C}$）由 1 個 $\sigma$ 鍵 與 2 個 $\pi$ 鍵 組成。
   • $\text{C}-\text{C}\ \sigma$ 鍵：由兩個碳原子的 $2sp$ 混成軌域沿著鍵軸方向對稱重疊（head-on overlap）而成，其參與成鍵的原子軌域為 ($2sp$, $2sp$)。

核心觀念

• sp² 雜化：碳原子若採 sp² 雜化，會形成三個等價的 sp² 軌道（平面呈 120°）與一個未雜化的 p 軌道。常見於雙鍵碳（C=C）或正離子（如 CH₃⁺）的碳。
• 雜化判斷：觀察碳原子的鍵結數與電子對（孤對或正/負電荷）：
  • 四個 sigma 鍵 → sp³（如 CH₄、CH₃CH₃）。
  • 三個 sigma 鍵 + 1 個 p‑π 鍵（雙鍵） → sp²。
  • 三個 sigma 鍵且缺少一個鍵或電子（正離子） → 為 sp²（以保留未雜化 p 軌道供空軌道或 π 鍵使用）。
• 負離子（如 CH₃⁻）通常為 sp³，因為多一對孤電子形成四個等價的 sp³ 軌道。

解題方法

1. 列出每個分子/離子的鍵結與電子配置。
2. 判斷碳原子的 sigma 鍵數，以及是否有 π 鍵 或 缺少鍵/電子（正離子）。
3. 根據上述判斷，確定是否屬於 sp² 雜化。

選項分析

核心觀念

雜化軌域由原子的 $\sigma$ 鍵與孤電子對所在軌域決定；參與 $\pi$ 鍵的未雜化 $p$ 軌域則不計入雜化。

圖中是含氮六員芳香環。氮原子與兩個相鄰碳原子各形成一個 $\sigma$ 鍵，並以一對孤電子對占據一個雜化軌域；此外，氮原子還有一個未雜化 $p$ 軌域參與環上的 $\pi$ 電子系統。

解題方法

氮原子周圍有三個用於平面排列的軌域：兩個形成 $\sigma$ 鍵，一個容納孤電子對，因此採用 $sp^2$ 雜化。剩下的未雜化 $p$ 軌域負責參與芳香環的 $\pi$ 系統。

選項分析

核心觀念

• 分子偶極矩（dipole moment）：若分子內所有鍵偶極向量相互抵消，則整體偶極矩 $\mu = 0$（無淨偶極）。
• 鍵偶極向量：由較電負原子指向較正電原子，大小與鍵長、電負度差成正比。
• 對稱性與偶極抵消：分子若具高對稱性（如四面體、線形、平面正方形等）且取代基相同或相對位置互為鏡像，則所有鍵偶極會相互抵消。
• 立體異構（cis / trans）：同側（cis）會使偶極在同一方向疊加，異側（trans）則可能相互抵消，需視分子幾何而定。

解題方法

1. 先辨認每個分子的幾何形狀與取代基分布。
2. 依據分子點群或對稱元素（鏡面、中心、軸對稱）判斷鍵偶極是否會互相抵消。
3. 若分子屬於**非極性（non‑polar）**且具有對稱排列的等效鍵，則 $\mu = 0$。
4. 若分子缺乏上述對稱或取代基不等效，則會留下淨偶極。

選項分析

核心觀念

• 碳‑鹵素單鍵鍵能（C–X bond dissociation energy, BDE）表示把 C–X 鍵斷裂所需要的能量。鍵能大小受兩個主要因素影響：
  1. 原子半徑：原子半徑越大，C‑X 鍵長越長，重疊度較差，鍵能較低。
  2. 電負性與離子性：電負性差異大時，鍵呈部分離子性，鍵能會因靜電吸引而提升。對於同族鹵素，電負性依次下降（F > Cl > Br > I），但半徑的增大效應在後期佔優勢。

解題方法
比較四個鹵素（F、Cl、Br、I）與碳形成的單鍵鍵能。查閱常用的實驗鍵能表（或利用趨勢）：

從表可直接看出，鍵能隨鹵素原子半徑增大而逐漸下降，I 的 C–I 鍵最弱。

核心觀念

醚的結構為 $R-O-R'$，氧原子兩側各連接一個碳基。判斷取代基時，從氧原子往外數碳原子，並留意苯環與氧之間是否隔著一個 $\ce{CH2}$。

苯環直接連接 $\ce{CH2}$ 的基團是苄基（benzyl，$\ce{C6H5CH2-}$）；兩個碳組成的基團是乙基（ethyl，$\ce{CH3CH2-}$）。

解題方法

圖中醚氧左側連著 $\ce{CH2}$，再連到苯環，因此左側是苄基。氧右側連著 $\ce{CH2CH3}$，共有兩個碳，因此右側是乙基。

所以此醚由乙基與苄基組成。

選項分析

核心觀念

1. 有機鋰試劑（R‑Li）：具有強鹼性與強親核性，能將質子（H⁺）或其他酸性氫（如 D₂O 中的 D⁺）抽走，並在隨後的酸化步驟中接受所抽走的氫/氘。
2. 酸鹼中和反應：R⁻（或 R‑Li）與水（或重水 D₂O）反應時，R⁻ 會抓取水分子中的可供給的質子（此處為氘），生成相應的有機化合物 R‑D，並產生相應的鹼鹽（LiOD）。
3. 醇陰離子（RO⁻）的反應性：RO⁻ 同樣為鹼，但它是氧負離子，與 D₂O 反應時會把氘加在氧上，生成 RO‑D，而不是在碳上取代氫。
4. 中性分子（R‑H、ROH）：在沒有催化劑或強鹼的條件下，與 D₂O 的直接交換極少發生，僅可能在羥基上發生 O‑H ↔ O‑D 置換。

解題方法
逐一檢視每個選項的反應機制，判斷產物中氘是否會接在 碳原子 上形成 CH₃CH₂‑D。

• 若反應物為 強鹼性有機鋰（R‑Li），則在與 D₂O 中和時必定在碳上得到 D。
• 若反應物為 醇陰離子（RO⁻）或 中性醇（ROH），則氘會加在氧上，產生 R‑O‑D。
• 若僅為 烷烃（R‑R），缺乏鹼性或親核性，與 D₂O 不會發生置換。

依此分類即可快速排除不可能得到 CH₃CH₂‑D 的選項。

選項分析

核心觀念

2-溴丁烷經由 E2 脫鹵化氫形成 2-丁烯時，離去基 Br 與相鄰碳上的 β-H 必須呈反式共平面（anti-periplanar），也就是在 Newman 投影中相隔 $180^\circ$。反式共平面條件決定能否直接消去；反應後兩個甲基的相對位置則決定生成順式或反式 2-丁烯。

解題方法

逐一檢查圖中的 Newman 投影，先找出 Br，再看它是否與相鄰碳上的 H 相隔 $180^\circ$。

• **I：**Br 與 β-H 反式共平面，符合 E2 消去條件。兩個甲基在 Newman 投影中呈 gauche 關係，消去後位於雙鍵同側，形成 cis-2-butene。
• **II：**Br 的反位是甲基，不是 β-H，因此不符合直接消去所需的反式共平面條件。

核心觀念

• 在共軛環系統的分子軌道 (MO) 模型中，π 電子以每個原子上的未成鍵 p 軌道組成。
• 以環狀離散傅立葉變換可得到每個 k 值對應的能量
  $E_k=\alpha+2\beta\cos\frac{2\pi k}{N}$
  其中 $N$ 為環上原子數，$\alpha$ 為原子能級，$\beta$ 為共鳴積分 ($\beta<0$)。
• $E_k$ 越低表示越「鍵結」；$E_k$ 越高則為「反鍵結」(antibonding)。
• 「退化」指兩個或多個 MO 具有相同能量且屬於相同的對稱表示。

解題方法

1. 取 $N=4$（環丁二烯），代入公式得到四個 π MO：

2. 能量排序為
   $\alpha+2\beta\;<\;\alpha\;<\;\alpha\;<\;\alpha-2\beta$

3. 判斷「反鍵結」的 MO：只有最高能的 $E_{k=2}=\alpha-2\beta$ 為 $\pi$‑antibonding，且它是唯一的，不與其他能級同值。

核心觀念

芳香性需同時符合：環狀、近似平面、具有連續的 $p$ 軌域共軛，且環上的 $\pi$ 電子數符合休克爾規則：

具有 $4n$ 個 $\pi$ 電子的平面共軛環系則具反芳香性，不具芳香性。

解題方法

逐一數出各環系參與共軛的 $\pi$ 電子。雙鍵各提供 $2$ 個電子；雜原子的孤電子對是否計入，取決於它是否位於垂直於環面的 $p$ 軌域中。圖中 V 的硼原子有空的 $p$ 軌域，不提供電子，因此環內電子數為 $4$。

選項分析

• (A) I：芳香。 I 為吡啶型六員環，三個雙鍵提供 $6$ 個 $\pi$ 電子，符合 $4n+2$（$n=1$）。氮的孤電子對位於環平面內，不計入芳香 $\pi$ 系統。
• (B) II：芳香。 II 為噻吩型五員環。

核心觀念

• 環狀共振 (Resonance) 與等價共振結構：在共振概念中，若所有共振式之原子排布（鍵長、鍵角）完全相同，只是雙鍵與負電荷位置不同，則稱這些結構為等價共振結構。
• 五元環的芳香性：環戊二烯陰離子（cyclopentadienyl anion）含有 5 個 sp² 離域的碳原子。額外的負電荷提供第 6 個π電子，使其符合Hückel 4n+2 規則（n = 1），因此是芳香環。芳香環的π電子必須在環上完全離域，即負電荷必須在所有碳原子之間等效地分布。

解題方法

1. 畫出 cyclopentadienyl anion 的基本構型：五個碳原子形成正五邊形，兩個相鄰碳之間形成雙鍵，剩下一個碳上帶有負電荷（$\,\dot{-}\,$）。
2. 透過移動雙鍵（π電子環流）使負電荷在環上循環。每移動一次雙鍵，負電荷就會從一個碳原子轉移到相鄰的碳原子，同時雙鍵的位置也跟隨移動。
3. 由於環上共有 5 個等價的碳原子，負電荷可以出現在任意一個碳上。每一種負電荷所在的位置對應唯一的一組雙鍵排列（即一個完整的共振式）。
4. 因此，等價共振結構的數目 = 碳原子數 = 5。