109 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》考古題與詳解

Question 1

Part 1 簡答題 ($70\%$) Show how the following compound can be prepared from the given starting material. Draw the structure of the compound that is formed in each step of the synthesis. 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Accepted Answer

核心觀念

本題考查端炔的去質子化與烷基化、炔烴的溶解金屬還原，以及烯烴的立體專一性環氧化。

端炔末端的氫可被強鹼移除，形成乙炔負離子；乙炔負離子再與一級鹵代烷進行 $S_\mathrm{N}2$ 反應，形成新的碳碳鍵。炔烴以鈉／液氨還原會得到反式烯烴；過氧酸環氧化則保留烯烴的相對立體關係。

解題方法

圖中起始物是乙炔 $H-C{\equiv}C-H$ 。目標物是環氧乙烷環上相鄰兩個碳分別帶有甲基與乙基，且甲基為實楔鍵、乙基為虛楔鍵，因此目標是反式-2,3-環氧戊烷。先用兩次端炔烷基化把甲基與乙基依序接到乙炔兩端，再將炔烴還原成反式烯烴，最後環氧化。

第一步：接上甲基

以氨基鈉移除乙炔的一個末端氫，生成乙炔負離子；再以碘甲烷進行烷基化：

H-C{\equiv}C-H \xrightarrow[\text{2. }CH_3I]{\text{1. }NaNH_2,\ NH_3(l)} CH_3-C{\equiv}C-H

產物為丙炔。

第二步：接上乙基

丙炔仍有一個端炔氫，再以氨基鈉去質子化，接著與碘乙烷反應：

CH_3-C{\equiv}C-H \xrightarrow[\text{2. }CH_3CH_2I]{\text{1. }NaNH_2,\ NH_3(l)} CH_3-C{\equiv}C-CH_2CH_3

產物為 2-戊炔。

第三步：將炔烴還原為反式烯烴

以鈉／液氨進行溶解金屬還原，得到反式-2-戊烯：

Question 2

How many intermediates are formed in the reaction?

Accepted Answer

核心觀念 反應中間體是形成於反應物與產物之間、位於反應座標圖局部能量低點的物種。局部能量高點則代表過渡態，不算中間體。 解題方法 圖中縱軸是自由能，橫軸是反應進程；

Question 3

Which letters represent transition states?

Accepted Answer

核心觀念 反應座標圖中的轉態（transition state）位於反應能量曲線的局部最高點。每個轉態代表反應進行某一步時必須跨越的能量障礙；曲線的谷底則代表反應物、中間體或產物。 解題方法

Question 4

What is the fastest step in the reaction?

Accepted Answer

核心觀念 反應座標圖中，每一步的活化能是該步反應物到相鄰過渡態的自由能差。若各步的頻率因子相近，活化能越低，該步反應速率越快。 解題方法 圖中縱軸是自由能、橫軸是反應進程；曲線依序經過反應物 $A$、峰頂 $B$、中間體 $C$、峰頂 $D$、中間體 $E$、峰頂 $F$，最後到產物 $G$。

Question 5

Which is more stable: $A$ or $G$?

Accepted Answer

核心觀念 在反應座標圖中，縱軸表示自由能。比較兩個物種的穩定性時，在相同條件下，自由能較低者較穩定。 解題方法

Question 6

Does $A$ or $E$ form faster from $C$?

Accepted Answer

核心觀念 反應速率取決於活化自由能 $\Delta G^\ddagger$：從同一中間體出發，通往過渡態所需跨越的能障越低，該方向的反應越快。 解題方法

Question 7

Which is the more stable intermediate?

Accepted Answer

核心觀念 反應座標圖中的局部低點代表中間體；中間體的自由能越低，熱力學穩定性越高。 解題方法

Question 8

What is the reactant of the rate-determining step?

Accepted Answer

核心觀念 速率決定步驟是反應機構中活化自由能最大的基元步驟。每一步的活化自由能，是該步驟反應物所在能谷到下一個過渡態峰頂的自由能差： $$ \Delta G^\ddagger = G{	ext{過渡態}}-G{	ext{該步反應物}} $$ 解題方法 圖中自由能沿反應進程先升後降，曲線依序經過反應物 $A$、峰頂 $B$、中間體 $C$、峰頂 $D$、中間體 $E$、峰頂 $F$，最後到產物 $G$；

Question 9

Is the first step of the reaction exergonic or endergonic?

Accepted Answer

核心觀念 反應步驟是否放能，取決於該步驟產物與反應物的自由能差： $$ \Delta G = G{	ext{產物}}-G{	ext{反應物}} $$ 若 $\Delta G<0$，自由能下降，該步驟為放能；若 $\Delta G0$，自由能上升，該步驟為吸能。反應座標圖中的峰頂代表過渡態，峰頂與反應物的高低差表示活化自由能，不能用來判斷反應放能或吸能。 解題方法

Question 10

Is the overall reaction exergonic or endergonic?

Accepted Answer

核心觀念 反應的總自由能變化為產物與反應物自由能之差： $$ \Delta G{	ext{反應}}=G{	ext{產物}}-G{	ext{反應物}} $$ 若 $\Delta G<0$，產物自由能較低，反應為放能反應（exergonic）；若 $\Delta G0$，反應為吸能反應（endergonic）。 解題方法

Question 11

Which step in the forward direction has the largest rate constant?

Accepted Answer

核心觀念 在反應座標圖中，每一步的活化自由能是該步起始物到過渡態的自由能差： $$ \Delta G^\ddagger = G{	ext{過渡態}}-G{	ext{起始物}} $$ 依阿瑞尼斯式或艾林式，在其他條件相近時，活化自由能越小，速率常數越大。因此，要找正向各步中「起始物到其後過渡態」能量差最小的一步。 解題方法

Question 12

Which step in the reverse direction has the smallest rate constant?

Accepted Answer

核心觀念 反應速率常數與活化自由能呈反向關係。在相同條件下，活化自由能越大，速率常數越小： $$ k \propto e^{-\Delta G^\ddagger/RT} $$ 因此，要找逆反應中速率常數最小的步驟，就比較各步驟由反應物能量升到過渡態的高度。 解題方法 圖中縱軸是自由能，橫軸是反應進程；正向反應依序由 $A$ 經過過渡態 $B$、中間體 $C$、過渡態 $D$、中間體 $E$、過渡態 $F$，最後到產物 $G$。

Question 13

Explain why 2,3-pentadiene is chiral.

Accepted Answer

核心觀念 本題考查 累積二烯烴（allene）的軸手性。 2,3-戊二烯的結構為： $$ \mathrm{CH3-CH=C=CH-CH3} $$ 其中央的累積雙鍵系統為： $$ \mathrm{C2=C3=C4} $$ 中央碳原子為 $sp$ 混成，具有兩個彼此垂直的 $p$ 軌域，分別與兩端形成兩個互相垂直的 $\pi$ 鍵。因此，兩端碳上的取代基會分處兩個互相垂直的平面。 解題方法 觀察兩端的取代基： - C-2 上連接 $\mathrm{CH3}$、$\mathrm{H}$ 與中央累積雙鍵。 - C-4 上也連接 $\mathrm{CH3}$、$\mathrm{H}$ 與中央累積雙鍵。 兩端碳各自具有兩個不同的取代基 $\mathrm{CH3}$ 與 $\mathrm{H}$，符合累積二烯烴產生軸手性的條件。 沿著 $\mathrm{C2=C3=C4}$ 軸觀看時，前端 C-2 的 $\mathrm{CH3}$／$\mathrm{H}$ 排列，與後端 C-4 的 $\mathrm{CH3}$／$\mathrm{H}$ 排列位於互相垂直的平面。這些取代基的空間排列可形成兩種互為鏡像、且無法藉由旋轉重疊的構型：

Question 14

(a) 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Accepted Answer

核心觀念 兩個分子連接方式相同時，若立體配置只有部分不同，互為非對映異構物；若所有立體中心配置都相反，則互為對映異構物。環上取代基位於環平面的同側為順式（cis），位於異側為反式（trans）。 解題方法

Question 15

(b) 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Accepted Answer

核心觀念 判斷兩個立體結構的關係，先確認原子連接方式是否相同，再比較各立體中心的組態： - 所有立體中心組態相同：相同物。 - 所有立體中心組態都相反，且兩者不可重疊：對映異構物。 - 部分立體中心組態相反：非對映異構物。 - 原子連接方式不同：構造異構物。 解題方法

Question 16

(c) 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Accepted Answer

解題方法 圖中左側是環丙烷，其中同一個環碳連接兩個甲基；右側是環丙烷，兩個甲基分別連接在相鄰的環碳上。兩者的分子式相同，但原子連接方式不同。 核心觀念 構造異構物具有相同分子式，但原子的連接順序不同。對映異構物與非對映異構物則都必須先有相同的原子連接方式，只在空間排列上不同。 解題判斷 左側是 1,1-二甲基環丙烷，兩個甲基接在同一個環碳上；右側是 1,2-二甲基環丙烷，兩個甲基接在相鄰的環碳上。

Question 17

(d) 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Accepted Answer

核心觀念 判斷兩個立體結構的關係，要先確認原子連接方式，再比較每個手性中心的構型： - 連接方式相同，且所有手性中心構型相同：相同物。 - 連接方式相同，且所有手性中心都反轉：對映異構物。 - 連接方式相同，但只有部分手性中心反轉：非對映異構物。 - 原子連接方式不同：構造異構物。 解題方法

Question 18

(e) 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Accepted Answer

核心觀念

判斷兩個分子是相同分子、鏡像異構物、非鏡像異構物或構造異構物，先比較原子連接方式，再比較各立體中心的組態：

相同分子：原子連接方式相同，且所有立體中心組態相同。
鏡像異構物：原子連接方式相同，且所有立體中心組態都相反。
非鏡像異構物：原子連接方式相同，但只有部分立體中心組態相反。
構造異構物：原子的連接方式不同。

解題方法

圖中兩個分子的連接方式相同，骨架皆為 $\mathrm{CH_3CH_2-CH(OH)-C(Br)(CH_3)-CH(CH_3)_2}$ ；兩圖的羥基都是實楔鍵、氫都是虛線鍵。判斷立體關係時，依序比較兩個立體中心的組態，不能只看取代基在紙面上的位置。

含羥基的立體中心

依 CIP 規則，直接連接原子的優先序先比較原子序： $\mathrm{OH}$ 上的氧為最高，氫為最低。其餘兩組都由碳開始比較；相鄰的含溴碳所連原子為 $\mathrm{Br、C、C}$ ，乙基碳所連原子為 $\mathrm{C、H、H}$ ，所以優先序為：

Question 19

(f) 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Accepted Answer

核心觀念 判斷兩個立體結構的關係，要先比較原子連接方式，再比較立體配置。連接方式相同且可藉由旋轉分子使兩者重疊，屬於相同物；若互為不可重疊的鏡像，屬於對映異構物；立體配置不同但不互為鏡像，屬於非對映異構物；原子連接方式不同，則為構造異構物。 椅式環己烷中，軸向鍵大致平行於環的上下方向；赤道向鍵則大致沿環的外側伸展。椅式翻轉會讓軸向與赤道向互換，但不會改變取代基的上下方向，因此不會改變順反關係。 解題方法 圖中兩個結構都是在環己烷的 1、4 位各接一個氯；兩圖的氯鍵都畫成赤道向，且兩個氯分處環的上、下方向，所以都是反式 1,4-二氯環己烷的雙赤道向椅式構形。

Question 20

(g) 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Accepted Answer

核心觀念 本題考烯烴的幾何異構與立體異構分類。判定 $E/Z$ 時，先依照 CIP 規則比較雙鍵兩端各自連接的取代基優先序：兩個高優先序取代基在同側為 $Z$，在異側為 $E$。連接方式相同、立體排列不同且互不為鏡像的分子，互為非對映異構物。 解題方法 依原卷圖，兩個結構的雙鍵左端都連接 $H$ 與 $CH3$；右端都連接 $Br$ 與 $CH3$。左端的高優先序取代基是 $CH3$，右端的高優先序取代基是 $Br$。

Question 21

(h) 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Accepted Answer

核心觀念 判斷烯烴的 $E/Z$ 異構，雙鍵的兩端都必須各自連接兩種不同的取代基。若其中一端連接兩個相同取代基，便沒有可區分的 $E/Z$ 構型。判斷一對結構是否相同，也要先比較原子連接方式，再確認是否存在不同的立體構型。 解題方法 圖中兩個結構都是同一種連接方式：雙鍵左端連接 Br 與 H，右端連接兩個相同的 $\mathrm{CH3}$。兩圖只把 Br 與 H 畫在雙鍵左端的不同位置；雙鍵右端的兩個甲基完全相同，因此不會形成兩種不同的烯烴立體異構物。 分類判斷

Question 22

Indicate the reagents needed for the following multistep transformation. 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Accepted Answer

核心觀念 本題考察芳香環苄位的自由基溴化、格氏試劑製備，以及格氏試劑對酮的親核加成。酮接受一次格氏試劑加成並經酸化後，羰基碳轉變為帶有羥基的三級碳。 解題方法 圖中起始物是對二甲苯；產物保留一個芳香環甲基，另一個甲基延伸成 $\mathrm{Ar{-}CH2{-}C(OH)(CH3)(CH2CH3)}$。因此，起始物的其中一個甲基需轉為苄基格氏試劑，再加到 2-丁酮上。 反應試劑依序如下： $$ \mathrm{p{-}CH3C6H4CH3} \xrightarrow[	ext{光照}]{\mathrm{NBS}} \mathrm{p{-}CH3C6H4CH2Br} \xrightarrow[	ext{無水乙醚}]{\mathrm{Mg}} \mathrm{p{-}CH3C6H4CH2MgBr} $$

Question 23

(a) 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】 ($E$ or $Z$)

Accepted Answer

解題方法

圖中兩個芳香環都是對位甲基取代；目標可寫成 $\mathrm{(p\!-\!CH_3C_6H_4)CH_2CH=C(C_6H_4CH_3\!-\!p)CHO}$ 。這是由相同醛分子進行羥醛縮合、脫水形成的共軛烯醛。

核心觀念

羥醛縮合先由醛的 $\alpha$ -碳形成烯醇負離子，進攻另一分子醛，得到 $\beta$ -羥基醛；加熱脫水後， $\alpha$ 、 $\beta$ -碳之間形成雙鍵。由於兩個起始醛相同，縮合後可得到題示碳骨架。

合成步驟

先由甲苯在甲醛、HCl、ZnCl₂ 下進行氯甲基化，分離對位異構物；再將苄氯以 NaCN 取代，得到對甲基苯乙腈。用 DIBAL-H 低溫還原腈基並水解，製得對甲基苯乙醛：

Question 24

(b) 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Accepted Answer

核心觀念

本題考查用芳香族化合物起始，依序建立碳骨架、控制烯烴加成位置，再以 Williamson 醚合成法製備醚類。關鍵反應是 Friedel–Crafts 醯基化、Wittig 烯化、氫硼化氧化，以及醇鹽對一級鹵代烷的 $S_\mathrm{N}2$ 取代。

解題方法

圖中目標物是乙基異丁基苯基醚中的苄位碳骨架，結構為 $\mathrm{Ph{-}CH(CH_3){-}CH_2{-}O{-}CH_2CH_3}$ ；圖上沒有楔形或虛線鍵，因此未指定立體化學。先由苯製備 $\alpha$ -甲基苯乙烯，再利用氫硼化氧化將末端碳轉成醇，最後接上乙基。

\mathrm{C_6H_6} \xrightarrow[\mathrm{AlCl_3}]{\mathrm{CH_3COCl}} \mathrm{C_6H_5COCH_3} \xrightarrow{\mathrm{Ph_3P{=}CH_2}} \mathrm{C_6H_5C(CH_3){=}CH_2} \xrightarrow[\mathrm{2.\ H_2O_2,\ NaOH}]{\mathrm{1.\ BH_3\cdot THF}} \mathrm{C_6H_5CH(CH_3)CH_2OH} \xrightarrow[\mathrm{CH_3CH_2Br}]{\mathrm{NaH}} \mathrm{C_6H_5CH(CH_3)CH_2OCH_2CH_3}

Question 25

(d) 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】 ($E$ or $Z$)

Accepted Answer

解題方法 圖中產物是對硝基取代的查耳酮骨架：$\mathrm{p	ext{-}NO2C6H4CH=CHCOC6H5}$。硝基與側鏈在同一苯環上呈對位；題目標示「$E$ or $Z$」，表示產物的雙鍵幾何異構形式可為 $E$ 或 $Z$。 核心觀念 這題考芳香族取代基的導向效應、苯甲基氧化，以及交叉羥醛縮合（Claisen–Schmidt condensation）。讓芳香醛與甲基酮反應，經由碳碳鍵形成及脫水，可製備 $\alpha,\beta$-不飽和酮；本題的主要產物通常是較穩定的 $E$ 異構物。 合成步驟 1. 由甲苯製備對硝基苯甲醛：甲苯硝化會生成鄰、對硝基甲苯，分離出對硝基甲苯，再以 Etard 氧化將甲基轉成醛基。 $$ \mathrm{C6H5CH3} \xrightarrow{\mathrm{HNO3/H2SO4}} \mathrm{o	ext{-}及\ p	ext{-}NO2C6H4CH3} \xrightarrow[	ext{分離}]{} \mathrm{p	ext{-}NO2C6H4CH3} \xrightarrow[	ext{水解}]{\mathrm{CrO2Cl2}} \mathrm{p	ext{-}NO2C6H4CHO} $$

Question 26

(e) 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】 ($E$ or $Z$)

Accepted Answer

核心觀念 本題考芳香醛與含 α-氫的羧酸酐進行 Perkin 縮合，形成 α,β-不飽和羧酸。圖中目標結構是 $\mathrm{PhCH=C(CH3)COOH}$，即 α-甲基肉桂酸；題目標示「$E$ or $Z$」，表示合成任一幾何異構物皆可。 解題方法 圖中苯環連接烯鍵的一端，另一端連有 $\mathrm{CH3}$ 與 $\mathrm{COOH}$，未標示楔形或虛線鍵。先由甲苯製備苯甲醛，再讓苯甲醛與丙酸酐進行 Perkin 縮合，最後水解即可得到目標酸。 $$ \mathrm{C6H5CH3} \xrightarrow[	ext{水解}]{\mathrm{CrO2Cl2,\ CCl4}} \mathrm{C6H5CHO} $$

Question 27

Part 2 單選題 ($30\%$, $1.5\%$ each) Which of the following resonance structures is not a significant contributor to the hybrid for the carbonyl group? Structures $\mathrm{I}$, $\mathrm{II}$ and $\mathrm{III}$: 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】 (A) $\mathrm{I}$ (B) $\mathrm{II}$ (C) $\mathrm{III}$ (D) Neither $\mathrm{II}$ nor $\mathrm{III}$ is important. (E) All are significant contributors.

Accepted Answer

核心觀念 本題考查羰基的共振式貢獻度。判斷時要看各共振式是否符合八隅體，以及形式電荷是否落在較能穩定該電荷的原子上。氧的電負度高，較能穩定負電荷；把負電荷放在碳、正電荷放在氧，通常不利。 解題方法 圖中 I 是中性的 $C=O$；II 是碳帶負電、氧帶正電的單鍵式；III 是碳帶正電、氧帶負電的單鍵式。比較兩個帶電共振式：III 將負電荷放在電負度較高的氧上，且氧具有八隅體，因此是可貢獻的次要共振式；II 的電荷分布不利，且氧未滿八隅體，貢獻極小。 選項分析

Question 28

The following transformation would be considered a(n)? 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】 (A) Reduction (B) Oxidation (C) Addition (D) Elimination (E) Rearrangement

Accepted Answer

核心觀念

判斷有機反應的氧化還原，可比較反應前後特定碳原子的氧化態。對碳而言：

每與一個比碳更電負的原子（如 Br）成鍵，氧化態貢獻 $+1$ 。
每與一個氫成鍵，氧化態貢獻 $-1$ 。
碳與碳成鍵，氧化態貢獻 $0$ 。

碳的氧化態下降代表還原；上升則代表氧化。

解題方法

圖中反應物是苄溴 $C_6H_5CH_2Br$ ，產物是甲苯 $C_6H_5CH_3$ 。苄基碳在反應前與兩個氫、一個溴及一個碳鍵結；反應後與三個氫及一個碳鍵結。

反應前苄基碳的氧化態為：

2(-1)+(+1)+0=-1

其中兩個碳氫鍵各貢獻 $-1$ ，碳溴鍵貢獻 $+1$ ，碳碳鍵貢獻 $0$ 。

反應後苄基碳的氧化態為：

3(-1)+0=-3

Question 29

Which of these molecules is not expected to arise as a product of the high temperature chlorination of methane?

(A) $\mathrm{CCl_4}$
(B) $\mathrm{HCCl_3}$
(C) $\mathrm{CH_2Cl_2}$
(D) $\mathrm{CH_3CH_3}$
(E) $\mathrm{CH_2{=}CH_2}$

Accepted Answer

核心觀念 本題考查甲烷的自由基氯化反應。高溫使氯分子均裂，產生氯自由基；自由基鏈反應會逐步以氯取代甲烷中的氫，也會在終止步驟中結合形成副產物。 解題方法 氯自由基先從甲烷奪取氫，形成甲基自由基： $$ \mathrm{Cl\cdot + CH4 \rightarrow HCl + CH3\cdot} $$ 甲基自由基與氯分子反應，生成氯甲烷並再生氯自由基： $$ \mathrm{CH3\cdot + Cl2 \rightarrow CH3Cl + Cl\cdot} $$ 氯甲烷可繼續被氯化，依序形成二氯甲烷、三氯甲烷與四氯化碳。另一方面，兩個甲基自由基在終止步驟中結合，形成乙烷： $$ \mathrm{CH3\cdot + CH3\cdot \rightarrow CH3CH3} $$ 這條自由基鏈反應會形成乙烷，卻沒有直接生成碳碳雙鍵的步驟，因此乙烯不是預期產物。 選項分析

Question 30

The IUPAC name for the following compound is:

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

(A) 6-Ethyl-3,4-dimethylheptane
(B) 2-Ethyl-4,5-dimethylheptane
(C) 3,4,6-Trimethyloctane
(D) 3,5,6-Trimethyloctane
(E) 2-(1-Methylpropyl)-4-methylhexane

Accepted Answer

核心觀念 命名支鏈烷烴時，先選出含碳數最多的連續主鏈，再從適當的一端編號，使取代基得到最低的一組位次。相同取代基以「二、三」等前綴表示，並在名稱中標示其位置。 解題方法 圖中每個線段端點與折點都代表一個碳原子。沿著碳骨架由左端出發，經過下方的鋸齒鏈，再沿右上方的分支延伸至末端，可數出連續 8 個碳原子，因此主鏈是辛烷。其餘三個末端分支各含一個碳，都是甲基。 將左端定為第 1 個碳，沿主鏈編號至右上端，三個甲基分別位於第 3、4、6 個碳上，因此名稱為 3,4,6-三甲基辛烷。 若反向編號，甲基位置會是 3、5、6。依最低位次原則，比較兩組位次 $3,4,6$ 與 $3,5,6$，第一個不同的數字是 $4<5$，所以採用 $3,4,6$。 選項分析

Question 31

What is the name of this compound?

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

(A) Bicyclo[2.2.2]octane
(B) Bicyclo[3.2.1]octane
(C) Bicyclo[4.1.1]octane
(D) Bicyclo[4.2.0]octane
(E) Bicyclo[3.3.0]octane

Accepted Answer

核心觀念 雙環化合物的命名依兩個橋頭碳之間的三條路徑來定。方括號中的三個數字，依路徑所含的碳原子數由大到小排列；橋頭碳不計入路徑數字。名稱中的總碳數為三個數字相加再加 $2$。 解題方法 圖中可見一個四員環與一個六員環共用一條邊；共用邊的兩端是橋頭碳。沿六員環另一側從一個橋頭碳走到另一個橋頭碳，途中有 $4$ 個碳；沿四員環另一側則有 $2$ 個碳；兩橋頭之間的共用邊不含其他碳，因此第三條路徑有 $0$ 個碳。三條路徑依序為 $4、2、0$，總碳數為 $4+2+0+2=8$，所以名稱是雙環[$4.2.0$]辛烷。 選項分析 - (A) Bicyclo[2.2.2]octane：錯。 三條路徑都應各含 $2$ 個碳，與圖中 $4、2、0$ 的路徑數不符。 - (B) Bicyclo[3.2.1]octane：錯。

Question 32

The most stable conformation of 2,3-dibromobutane, viewed through the $\mathrm{C_2{-}C_3}$ bond:

Conformations $\mathrm{I}$ , $\mathrm{II}$ , $\mathrm{III}$ , $\mathrm{IV}$ and $\mathrm{V}$ :
🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

(A) $\mathrm{I}$
(B) $\mathrm{II}$
(C) $\mathrm{III}$
(D) $\mathrm{IV}$
(E) $\mathrm{V}$

Accepted Answer

核心觀念 本題考查沿著 $\mathrm{C2{-}C3}$ 鍵觀察的紐曼投影，以及構形穩定度。相鄰碳上的鍵若呈交錯排列，扭轉張力較小；在交錯構形之間，體積較大的基團彼此呈反位（$180^\circ$）時，立體排斥通常較小。 解題方法 圖中是 2,3-二溴丁烷沿 $\mathrm{C2{-}C3}$ 鍵觀察的五種紐曼投影；每個碳都連接 $\mathrm{Br}$、$\mathrm{CH3}$ 和 $\mathrm{H}$。先辨認交錯或重疊排列，再比較各構形中溴與甲基等基團的相對位置。 構形 $\mathrm{III}$ 是交錯構形，而且兩個 $\mathrm{Br}$、兩個 $\mathrm{CH3}$ 與兩個 $\mathrm{H}$ 分別都呈反位。這使兩組較大的基團（$\mathrm{Br}$ 和 $\mathrm{CH3}$）都能彼此遠離，整體立體排斥較小，因此最穩定。 選項分析

Question 33

Which of the following compounds contains polar covalent bonds? (A) $\mathrm{CS2}$ (B) $\mathrm{LiF}$ (C) $\mathrm{F2}$ (D) $\mathrm{CH3F}$ (E) None of these choices.

Accepted Answer

核心觀念 鍵結可依電子分布大致分為非極性共價鍵、極性共價鍵與離子鍵。兩原子的電負度差越大，共用電子越偏向電負度較大的原子，鍵結的極性越明顯。 - 非極性共價鍵：兩原子的電負度相同或非常接近，共用電子分布大致均勻。 - 極性共價鍵：兩原子的電負度有明顯差異，共用電子偏向其中一個原子，形成部分正電與部分負電。 - 離子鍵：電子主要由一個原子轉移至另一個原子，形成帶相反電荷的離子。 解題方法 逐一判斷各化合物中的鍵結類型，確認是否含有電負度差明顯、但仍以共用電子形成的共價鍵。題目問的是化合物「含有」極性共價鍵，因此只要其中一種鍵符合條件即可。 選項分析 - (A) $\mathrm{CS2}$：錯誤。 碳與硫的電負度相近，C—S 鍵通常視為近似非極性共價鍵。即使分子整體的對稱性可使偶極互相抵銷，判斷鍵本身的極性仍應看兩原子的電負度差。 - (B) $\mathrm{LiF}$：錯誤。

Question 34

What functional group(s) is/are present in the following compound?

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

(A) ether and $2^\circ$ amine
(B) ester and $3^\circ$ amine
(C) $3^\circ$ amine
(D) $3^\circ$ amine and ether
(E) None of these choices.

Accepted Answer

解題方法

圖中是含有一個氧原子與一個氮原子的六元環；氮原子另連接一個甲基。氮原子因此連著兩個環上的碳與一個甲基，氧原子則連接兩個碳原子。

核心觀念

胺的級數依氮原子直接連接的碳基數目判定：連接三個碳基的是三級胺（ $3^\circ$ amine）。醚的結構為 $R-O-R'$ ；酯則須有 $R-C(=O)-O-R'$ 結構，含有羰基。

選項分析

(A) ether and $2^\circ$ amine：錯。 結構中有醚，但氮原子連接三個碳基，因此是三級胺，不是二級胺。
**(B) ester and $3^\circ$ amine：錯。

Question 35

The IR spectrum of which of the following substances is likely to show a small, but sharp peak at $2200\ \mathrm{cm}^{-1}$ ?

Substances $\mathrm{I}$ , $\mathrm{II}$ , $\mathrm{III}$ , $\mathrm{IV}$ and $\mathrm{V}$ :
🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

(A) $\mathrm{I}$
(B) $\mathrm{II}$
(C) $\mathrm{III}$
(D) $\mathrm{IV}$
(E) $\mathrm{V}$

Accepted Answer

核心觀念 紅外光譜的吸收峰來自化學鍵的振動。炔烴的碳碳三鍵伸縮振動通常出現在約 $2100$–$2260\ \mathrm{cm}^{-1}$，峰形窄而強度較弱。吸收強度取決於振動時偶極矩的變化；碳碳三鍵的偶極矩變化較小，因此峰通常偏弱。 解題方法 圖中 I 是醇，II 是含 N–H 的胺，III 是醚，IV 含碳碳雙鍵，V 含碳碳三鍵。題目所問的約 $2200\ \mathrm{cm}^{-1}$ 小而尖銳的吸收峰，對應炔烴的 $ \mathrm{C\equiv C}$ 伸縮振動，因此選 V。 選項分析 - (A) I：錯。 I 含有醇羥基，O–H 伸縮振動通常出現在約 $3200$–$3600\ \mathrm{cm}^{-1}$，峰形較寬。 - (B) II：錯。

Question 36

What is the conjugate base of ethanol? (A) $\mathrm{CH3CH2O^-}$ (B) $\mathrm{CH3CH2^-}$ (C) $\mathrm{CH3CH2OH2^+}$ (D) $\mathrm{CH3CH3}$ (E) $\mathrm{CH3OCH3}$

Accepted Answer

核心觀念 共軛鹼是酸失去一個質子（$H^+$）後形成的粒子。乙醇的結構為 $\mathrm{CH3CH2OH}$；在一般酸鹼題目中，醇羥基（$\mathrm{-OH}$）上的氫是被移除的酸性氫。移除這個氫後，氧原子留下負電荷，形成乙氧根離子。 解題方法 由乙醇移除羥基上的一個質子： $$ \mathrm{CH3CH2OH \longrightarrow CH3CH2O^- + H^+} $$ 生成物 $\mathrm{CH3CH2O^-}$ 的原子組成比乙醇少一個氫，並帶有 $-1$ 電荷，符合失去一個質子後形成共軛鹼的關係。因此答案是 (A)。 選項分析 - (A) $\mathrm{CH3CH2O^-}$：正確。 這是乙醇失去羥基上的 $H^+$ 後形成的乙氧根離子。

Question 37

What is/are the product(s) of the following acid-base mechanism?

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

(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】
(D) 🖼️【此處有附圖，請對照原卷】
(E) None of these choices.

Accepted Answer

核心觀念 這題考強鹼移除酯類的 $\alpha$-氫，形成鋰烯醇鹽。底物中，羰基旁的 $\alpha$-碳連著一個氫、甲基與左側碳鏈；試劑是二異丙基醯胺負離子及鋰離子。此處的彎箭表示鹼抓取 $\alpha$-氫，碳氫鍵電子形成碳碳雙鍵，而羰基的 $\pi$ 電子移至氧原子。 解題方法 圖中可讀出：二異丙基醯胺負離子指向羰基旁的氫；底物的碳氫鍵電子移向羰基碳與 $\alpha$-碳之間，羰基雙鍵電子移至氧。依此電子流，產物是氧帶負電、氧與鋰離子配對的烯醇鹽，並生成二異丙胺。 反應可表示為： $$ 	ext{酯的羰基旁含氫底物} + \mathrm{LiN(i\!-\!Pr)2} \longrightarrow 	ext{鋰烯醇鹽} + \mathrm{HN(i\!-\!Pr)2} $$ 選項分析

Question 38

In the molecular orbital model of the cyclobutadiene, how many pairs of degenerate $\pi$-bonding molecular orbitals are there? (A) $1$ (B) $2$ (C) $3$ (D) $4$ (E) $0$

Accepted Answer

核心觀念

環丁二烯有四個相鄰的 $sp^2$ 碳原子，每個碳各提供一個 $p$ 軌域，組成四個 $\pi$ 分子軌域。理想正方形環丁二烯的 $\pi$ 軌域能階可用 Hückel 方法表示：

E_k=\alpha+2\beta\cos\left(\frac{2\pi k}{4}\right), \qquad k=0,1,2,3

其中 $\beta<0$ ；能量低於 $\alpha$ 的軌域為成鍵軌域，能量等於 $\alpha$ 的為非鍵結軌域，高於 $\alpha$ 的為反鍵結軌域。

解題方法

將 $k=0,1,2,3$ 代入能階公式，可得：

\begin{aligned} k=0 &: \quad E=\alpha+2\beta \\ k=1 &: \quad E=\alpha \\ k=2 &: \quad E=\alpha-2\beta \\ k=3 &: \quad E=\alpha \end{aligned}

Question 39

What would be the major product of the following reaction?

Reaction conditions: $\mathrm{CN^-}$ , $25\,^\circ\mathrm{C}$ .

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Products $\mathrm{I}$ , $\mathrm{II}$ , $\mathrm{III}$ and $\mathrm{IV}$ :
🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

(A) $\mathrm{I}$
(B) $\mathrm{II}$
(C) $\mathrm{III}$
(D) $\mathrm{IV}$
(E) Equal amounts of $\mathrm{I}$ and $\mathrm{III}$ .

Accepted Answer

核心觀念 本題考查二級烷基溴化物的親核取代反應，以及 $S\mathrm{N}2$ 反應的立體化學。$S\mathrm{N}2$ 反應由親核試劑從離去基的背面進攻，使反應中心發生構型反轉；氰根以碳端進攻時，生成腈類產物。 解題方法 圖中底物是環己烷：左側碳的甲基為實心楔形鍵、氫為虛線楔形鍵；右側反應碳的氫為實心楔形鍵、溴為虛線楔形鍵。反應條件為 $\mathrm{CN^-}$、$25\,^\circ\mathrm{C}$。 氰根取代右側碳上的溴。由於此處是二級烷基溴化物，主要依 $S\mathrm{N}2$ 途徑反應；氰根從溴的反面進攻，因此新形成的 C—CN 鍵朝向與原 C—Br 鍵相反的一側。原本實心楔形的氫也相應呈虛線楔形；左側立體中心不參與反應，構型維持不變。 符合此構型反轉結果的是 III，即選項 (C)。 選項分析

Question 40

What would be the major product(s) of the following reaction?

Reaction conditions: $\mathrm{CH_3CH_2OH}$ , $25\,^\circ\mathrm{C}$ .

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Products $\mathrm{I}$ , $\mathrm{II}$ , $\mathrm{III}$ and $\mathrm{IV}$ :
🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

(A) $\mathrm{I}$
(B) $\mathrm{II}$
(C) $\mathrm{III}$
(D) $\mathrm{IV}$
(E) None of these choices.

Accepted Answer

核心觀念 本題考芳香族鹵化物的親核取代反應。溴苯的溴直接連在芳香環的 $sp^2$ 碳上，不能像一般烷基溴化物那樣輕易進行 $S\mathrm{N}2$ 或 $S\mathrm{N}1$ 反應。 解題方法 圖中反應物是溴苯，反應條件為乙醇、$25\,^\circ\mathrm{C}$；選項 I 是乙氧基苯，II 是苯炔，III 是含乙氧基的非芳香環產物，IV 是苯。要判斷是否反應，先看溴苯能否在這些條件下被乙醇取代。 溴苯的 C–Br 鍵與芳香環共軛，具有部分雙鍵性，較難斷裂。$S\mathrm{N}2$ 需要親核試劑從背面攻擊連溴的碳，但芳香環的平面結構使這種攻擊不利；$S\mathrm{N}1$ 則須先形成苯基碳正離子，該中間體極不穩定。若要進行芳香族親核取代，通常需要環上有適當的吸電子基，或採用強鹼、高溫等生成苯炔的條件；題目中的乙醇與室溫都不符合。 選項分析

Question 41

Predict the splitting pattern you would observe for the proton at $\mathrm{C_1}$ of 2,3-dimethyl-2-phenylbutane.

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

(A) Doublet
(B) Singlet
(C) Quartet
(D) Septet
(E) Octet

Accepted Answer

核心觀念 核磁共振氫譜中，某組氫的訊號會受相鄰碳上等效氫的自旋耦合而分裂。對簡單的一階耦合，可用 $n+1$ 規則判斷：若相鄰碳上有 $n$ 個等效氫，訊號分裂成 $n+1$ 重峰。 解題方法 圖中的結構是：苯基連在 2 號碳上；2 號碳也連著兩個甲基，並接到帶有兩個甲基的 3 號碳。依丁烷主鏈編號，$C1$ 是末端甲基所在的碳，直接相鄰的 $C2$ 沒有氫。 因此，$C1$ 上的氫旁邊沒有可造成分裂的相鄰氫，$n=0$： $$ n+1=0+1=1 $$ 訊號為單峰（Singlet）。 選項分析

Question 42

For the following compound how many different signals would you see in the proton NMR? (Assume that you can see them all.)

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

(A) $1$
(B) $2$
(C) $3$
(D) $4$
(E) $5$

Accepted Answer

核心觀念 氫核磁共振中，化學環境相同的氫會出現在同一組訊號。判斷訊號數時，要找出分子中彼此化學等價的氫；同一碳上的氫不一定等價，不同碳上的氫也可能等價。 解題方法 圖中的結構是端基炔，骨架為 $\mathrm{HC{\equiv}C{-}CH2{-}C(CH3)3}$：炔鍵末端有一個氫，炔鍵與中心碳之間有一個 $\mathrm{CH2}$，中心四級碳連接三個甲基。圖中沒有楔形鍵、虛線鍵或電荷。 依化學環境分組： 1. 炔鍵末端的氫：只有一個，形成一組訊號。 2. $\mathrm{CH2}$ 上的兩個氫：分子沒有手性中心，這兩個氫處於相同的化學環境，形成一組訊號。 3. 三個甲基上的氫：三個甲基都連在同一個四級碳上，彼此等價；共九個氫形成一組訊號。

Question 43

Which of the following structures contribute(s) to the resonance hybrid of the intermediate formed when acetanilide undergoes para-bromination?

Structures $\mathrm{I}$ , $\mathrm{II}$ , $\mathrm{III}$ and $\mathrm{IV}$ :
🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

(A) $\mathrm{I}$
(B) $\mathrm{II}$
(C) $\mathrm{III}$
(D) $\mathrm{IV}$
(E) All of these choices.

Accepted Answer

核心觀念 本題考芳香族親電取代反應（EAS）的 $\sigma$ 複合物如何以共振離域正電荷。共振式之間只移動 $\pi$ 電子與孤電子對，原子位置及 $\sigma$ 鍵連接方式不變；只要電子移動後符合價數與形式電荷規則，就是該中間體的共振貢獻式。 解題方法 圖中是乙醯苯胺：苯環連接 $-\mathrm{NHCOCH3}$，溴加在胺基的對位；受攻擊的對位碳同時連著 $\mathrm{H}$ 與 $\mathrm{Br}$。四個結構分別呈現正電荷位於胺基連接的環碳、氮原子，以及兩個鄰位環碳的情形。 逐一追蹤 $\sigma$ 複合物中的正電荷即可判斷：對位碳形成與溴的 $\sigma$ 鍵後，正電荷可沿芳環移到相對於受攻擊位置的兩個鄰位環碳，或移到連接胺基的環碳；當正電荷在該環碳時，氮的孤電子對還能進一步與芳環形成共振，使正電荷位於氮上。 選項分析 - (A) $\mathrm{I}$：正確的共振貢獻式。 正電荷位於連接 $-\mathrm{NHCOCH3}$ 的環碳，是 $\sigma$ 複合物正電荷離域的一種形式。

Question 44

The electrophilic bromination or chlorination of benzene requires, in addition to the halogen: (A) a hydroxide ion. (B) a Lewis base. (C) a Lewis acid. (D) peroxide. (E) ultraviolet light.

Accepted Answer

核心觀念 苯的溴化或氯化屬於親電芳香取代反應。苯環的 $\pi$ 電子雲提供電子，與親電試劑反應；反應後再失去一個氫，恢復芳香性。 單獨的 $Br2$ 或 $Cl2$ 親電性不足，通常需要加入路易斯酸作為催化劑，例如溴化反應常用 $FeBr3$，氯化反應常用 $AlCl3$。路易斯酸接受鹵素分子的電子密度，使 $X2$ 極化，提升其中一個鹵素原子的親電性，讓苯環得以進攻。 解題方法 先判斷題目描述的反應類型：苯環上的氫被溴或氯取代，屬於親電芳香取代。接著判斷鹵素如何形成足以進攻苯環的親電物種：需要路易斯酸活化 $X2$，因此答案是路易斯酸。 以溴化為例，常用的反應條件可寫成： $$ \ce{C6H6 + Br2 -[FeBr3] C6H5Br + HBr} $$ $FeBr3$ 協助極化 $Br2$，促使苯環進攻溴；取代完成後，苯環恢復芳香性。 選項分析

Question 45

Which of the following pairs of compounds could be used as the basis for a Diels-Alder synthesis of the compound shown below?

Target compound:
🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

Pairs of compounds $\mathrm{I}$ , $\mathrm{II}$ , $\mathrm{III}$ , $\mathrm{IV}$ and $\mathrm{V}$ :
🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

(A) $\mathrm{I}$
(B) $\mathrm{II}$
(C) $\mathrm{III}$
(D) $\mathrm{IV}$
(E) $\mathrm{V}$

Accepted Answer

核心觀念 狄爾斯－阿爾德反應是共軛二烯與親雙烯體進行的 $[4+2]$ 環加成。若親雙烯體是炔烴，反應後炔鍵會轉成烯鍵，因此炔烴兩端的取代基會留在生成物的雙鍵碳上。 解題方法 圖中的目標物具有含氮的橋環骨架；氮上連有乙醯基，兩個甲氧羰基則連在同一個碳碳雙鍵的兩端。要回推反應物，應找出能提供含氮二烯骨架的共軛二烯，以及帶有兩個甲氧羰基的炔親雙烯體。 選項 I 是氮上帶乙醯基的吡咯，加上二甲基乙炔二羧酸酯。吡咯的四個碳可作為共軛二烯，炔烴則提供目標物中帶兩個甲氧羰基的雙鍵部分；環加成後即可形成相符的含氮橋環骨架。 選項分析 - (A) I：正確。 吡咯提供含氮橋環所需的共軛二烯骨架；二甲基乙炔二羧酸酯提供兩個甲氧羰基。炔鍵加成後保留為雙鍵，與目標物相符。 - (B) II：錯誤。

109 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》

第 1 題5 分

核心觀念

解題方法

第 2-(a) 題

第 2-(b) 題

第 2-(c) 題

第 2-(d) 題

核心觀念

解題方法

第 2-(e) 題

第 2-(f) 題

第 2-(g) 題

第 2-(h) 題

第 2-(i) 題

核心觀念

解題方法

第 2-(j) 題

第 2-(k) 題

第 3 題4 分

核心觀念

解題方法

第 4 題12 分

第 5 題6 分

第 6-(a) 題

第 6-(b) 題

第 6-(c) 題

第 6-(d) 題

第 6-(e) 題

核心觀念

解題方法

第 6-(f) 題

第 6-(g) 題

第 6-(h) 題

第 7 題5 分

第 8-(a) 題

解題方法

核心觀念

合成步驟

第 8-(b) 題

核心觀念

解題方法

第 8-(c) 題

第 8-(d) 題

第 8-(e) 題

第 1 題1 分

第 2 題1 分

核心觀念

解題方法

第 3 題1 分

第 4 題1 分

第 5 題1 分

第 6 題1 分

第 7 題1 分

第 8 題1 分

解題方法

核心觀念

選項分析

第 9 題1 分

第 10 題1 分

第 11 題1 分

第 12 題1 分

第 13 題1 分

核心觀念

解題方法

第 14 題1 分

第 15 題1 分

第 16 題1 分

第 17 題1 分

第 18 題1 分

第 19 題1 分

核心觀念

解題方法

選項分析

第 20 題1 分

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