112 年 國立成功大學臨床藥學與藥物科技研究所丙組《有機化學》

核心觀念

本題考查鍵結極性。判斷共價鍵是否極性，可比較成鍵原子的電負度：電負度差越大，鍵結電子越偏向電負度較大的原子，鍵的極性越強。

碳的電負度約為 $2.55$，氫約為 $2.20$，因此碳氫鍵的電負度差約為：

此差值小，碳氫鍵通常視為近乎非極性共價鍵。

解題方法

乙烷的結構為 $\mathrm{CH_3CH_3}$。每個碳氫鍵都是碳與氫之間的單一共價鍵，鍵結電子只略微偏向碳，極性很弱，因此最適合描述為「近乎非極性」。

選項分析

核心觀念

共價鍵由 $\sigma$ 鍵與 $\pi$ 鍵組成。單鍵含 $1$ 個 $\sigma$ 鍵；雙鍵含 $1$ 個 $\sigma$ 鍵與 $1$ 個 $\pi$ 鍵；三鍵含 $1$ 個 $\sigma$ 鍵與 $2$ 個 $\pi$ 鍵。因此，計算碳—碳 $\sigma$ 鍵時，要數碳原子之間的連接數，每一組碳—碳連接都只算 $1$ 個 $\sigma$ 鍵。

解題方法

圖中結構為 $\mathrm{H-C\equiv C-CH_2-CH_3}$：兩個三鍵碳相連，右側再依序連接 $\mathrm{CH_2}$ 與 $\mathrm{CH_3}$。

逐段計算碳—碳 $\sigma$ 鍵：

• $\mathrm{C\equiv C}$ 三鍵：含 $1$ 個 $\sigma$ 鍵。
• $\mathrm{C-CH_2}$ 單鍵：含 $1$ 個 $\sigma$ 鍵。

核心觀念

烷烴是只含碳、氫兩種元素，且碳原子之間皆以單鍵連接的飽和烴。非環狀烷烴的通式為 $C_nH_{2n+2}$，其中 $n$ 是碳原子數，因此氫原子數為 $2n+2$。

解題方法

將 $n$ 個碳原子視為一條非環狀碳骨架。每個碳原子可形成四個共價鍵；非環狀的 $n$ 個碳原子彼此以 $n-1$ 個碳－碳單鍵相連。這些碳－碳鍵合計占用 $2(n-1)$ 個碳的鍵結位置，剩下的鍵結位置由氫原子補足：

所以，非環狀烷烴含有 $2n+2$ 個氫原子，分子式為 $C_nH_{2n+2}$。

選項分析

核心觀念

氫原子的級數取決於它所連接的碳原子級數：

• $1^\circ$ 氫連在只連接一個其他碳原子的碳上。
• $2^\circ$ 氫連在連接兩個其他碳原子的碳上。
• $3^\circ$ 氫連在連接三個其他碳原子的碳上。

解題方法

圖中是帶有一個甲基取代基的環丁烷：方形代表四個環碳，右上角伸出的線段末端代表一個甲基碳。環上連接甲基的碳是 $3^\circ$ 碳；其餘三個環碳是 $2^\circ$ 碳；甲基碳是 $1^\circ$ 碳。

逐類計算氫原子數：

• 甲基碳連接一個環碳，屬於 $1^\circ$ 碳，帶有 $3$ 個氫。
• 其餘三個環碳各連接兩個環碳，屬於 $2^\circ$ 碳，各帶有 $2$ 個氫，共 $3 \times 2 = 6$ 個氫。
• 連接甲基的環碳連接兩個環碳和一個甲基碳，屬於 $3^\circ$ 碳，帶有 $1$ 個氫。

核心觀念

判斷兩個分子是否為構造異構物，先比較原子種類與分子式，再比較原子的連接方式。分子式相同、但原子連接位置不同，便是構造異構物；若連接方式相同、只在空間排列上不同，才是立體異構物。

解題方法

圖中兩個分子都有相同的雙環碳骨架，並各帶一個氯取代基。左圖的氯連在非橋頭碳，右圖的氯連在橋頭碳；因此，氯與碳骨架的連接位置不同。

兩者的分子式相同，但連接方式不同，所以是構造異構物。

選項分析

• (A) constitutional isomers（構造異構物）—正確。 兩者分子式相同，氯取代的位置不同。
• (B) enantiomers（對映異構物）—錯誤。 對映異構物的原子連接方式相同，且兩者互為不可重疊的鏡像；

核心觀念

本題考查選定烷烴主鏈、由適當端點編號，以及標示取代基位置。碳氫骨架中，每個線段端點與轉折處代表一個碳；環戊基是接在主鏈上的環狀取代基。

解題方法

圖中可讀出一條六碳開鏈；環戊基接在主鏈一端，第 2 個碳接有甲基，第 5 個碳連有溴。六碳開鏈比五碳環含有更多碳，因此以己烷作為母體，環戊基列為取代基。

從環戊基所在的一端開始編號，取代基位置為：

核心觀念

本題考查選定烷烴主鏈、由適當端點編號，以及標示取代基位置。碳氫骨架中，每個線段端點與轉折處代表一個碳；環戊基是接在主鏈上的環狀取代基。

解題方法

圖中可讀出一條六碳開鏈；環戊基接在主鏈一端，第 2 個碳接有甲基，第 5 個碳連有溴。六碳開鏈比五碳環含有更多碳，因此以己烷作為母體，環戊基列為取代基。

從環戊基所在的一端開始編號，取代基位置為：

核心觀念

本題考查選定烷烴主鏈、由適當端點編號，以及標示取代基位置。碳氫骨架中，每個線段端點與轉折處代表一個碳；環戊基是接在主鏈上的環狀取代基。

解題方法

圖中可讀出一條六碳開鏈；環戊基接在主鏈一端，第 2 個碳接有甲基，第 5 個碳連有溴。六碳開鏈比五碳環含有更多碳，因此以己烷作為母體，環戊基列為取代基。

從環戊基所在的一端開始編號，取代基位置為：

核心觀念

本題考查選定烷烴主鏈、由適當端點編號，以及標示取代基位置。碳氫骨架中，每個線段端點與轉折處代表一個碳；環戊基是接在主鏈上的環狀取代基。

解題方法

圖中可讀出一條六碳開鏈；環戊基接在主鏈一端，第 2 個碳接有甲基，第 5 個碳連有溴。六碳開鏈比五碳環含有更多碳，因此以己烷作為母體，環戊基列為取代基。

從環戊基所在的一端開始編號，取代基位置為：

核心觀念

本題考查選定烷烴主鏈、由適當端點編號，以及標示取代基位置。碳氫骨架中，每個線段端點與轉折處代表一個碳；環戊基是接在主鏈上的環狀取代基。

解題方法

圖中可讀出一條六碳開鏈；環戊基接在主鏈一端，第 2 個碳接有甲基，第 5 個碳連有溴。六碳開鏈比五碳環含有更多碳，因此以己烷作為母體，環戊基列為取代基。

從環戊基所在的一端開始編號，取代基位置為：

核心觀念

本題考查鹵化氫對不對稱烯烴的親電加成。反應依馬可尼可夫規則進行：氫加到原本氫較多的烯碳，使碳正離子形成在較穩定、取代度較高的碳上；接著氯離子進攻碳正離子。

解題方法

圖中起始物是環己烯，雙鍵的一端連有甲基，另一端未連甲基；試劑為 HCl，圖中沒有楔形鍵、虛線鍵或電荷標示。先判斷雙鍵兩端的取代程度，再依碳正離子穩定性決定加成方向。

核心觀念

本題考查末端炔的酸鹼反應，以及炔負離子對醛的親核加成。末端炔的氫可被強鹼 $\mathrm{NaNH_2}$ 移除，形成具親核性的炔負離子；炔負離子加成到苯甲醛的羰基碳，酸化後得到炔丙醇。

解題方法

圖中起始物為末端炔 $\mathrm{CH_3CH_2-C{\equiv}C-H}$，試劑依序是 $\mathrm{NaNH_2}$、$\mathrm{PhCHO}$、$\mathrm{H_3O^+}$。

1. $\mathrm{NaNH_2}$ 移除末端炔的氫，形成炔負離子：
   $\mathrm{CH_3CH_2-C{\equiv}C-H \xrightarrow{NaNH_2} CH_3CH_2-C{\equiv}C^-}$

2. 炔負離子進攻苯甲醛的羰基碳，形成新的碳—碳鍵，並使羰基氧轉為烷氧負離子：

核心觀念

本題考「醇先轉成磺酸酯，再進行親核取代」的立體化學。$TsCl$／吡啶會把羥基轉成離去性佳的甲苯磺酸酯（$OTs$）；接著 $Br^-$ 以 $S_N2$ 反應取代 $OTs$，使該碳的立體構型反轉。

解題方法

圖中是環己烷：右上方碳連著虛線楔形的 $OH$，左下方碳連著實心楔形的甲基，兩個取代基位於 $1,4$ 位置。依序加入 $TsCl$／吡啶和 $NaBr$，只有原本連著 $OH$ 的碳發生取代。

核心觀念

本題考「Williamson 醚合成」：先以強鹼將醇去質子化，形成烷氧負離子；再讓烷氧負離子對一級烷基鹵化物進行 $S_\mathrm{N}2$ 取代，生成醚。

解題方法

圖中起始物的含氧碳連著兩個甲基與一條正丙基鏈，並帶有 $\mathrm{OH}$；試劑依序為 $\mathrm{NaH}$ 或 $\mathrm{Na}$，以及烯丙基溴 $\mathrm{BrCH_2CH{=}CH_2}$。

第一步，鹼移除醇的氫，形成烷氧負離子：

核心觀念

本題考狄爾斯–阿爾德反應（Diels–Alder reaction）：共軛二烯與烯類親雙烯體受熱進行 $[4+2]$ 環加成，一次形成兩個新的 $\sigma$ 鍵與一個新的 $\pi$ 鍵。對環戊二烯而言，反應常生成降冰片烯骨架；親雙烯體上的吸電子基通常以 endo 產物為主要產物。

解題方法

依原圖，反應物是環戊二烯與丙烯酸甲酯（$\mathrm{CH_2{=}CHCO_2CH_3}$），反應條件為加熱 $\Delta$。環戊二烯的兩個末端碳分別與丙烯酸甲酯雙鍵的兩個碳成鍵，形成降冰片烯骨架。

鍵結變化如下：

解題方法

圖中左側是苯甲酸（$C_6H_5CO_2H$），右側產物是二苯甲酮（$C_6H_5COC_6H_5$）。羧酸的羰基碳保留，並在羰基碳上接入一個苯基；可先將苯甲酸轉成醯氯，再以苯進行傅－克醯化。

核心觀念與推導

第一步以亞硫醯氯將苯甲酸轉成苯甲醯氯：

第二步讓苯甲醯氯與苯在無水氯化鋁存在下進行傅－克醯化，水解處理後得到二苯甲酮：

核心觀念

本題考「芳香族親電取代反應」的定位效應，以及硝基還原成胺基。苯環上的烷基會活化苯環，並導向鄰位、對位；硝基則可經還原轉成胺基。

解題方法

圖中起始物是苯；目標物的苯環上有一個第三丁基與一個胺基，兩者位於對位。先在苯環引入第三丁基，再硝化，最後將硝基還原成胺基。

1. 傅-克烷基化：以第三丁基氯和氯化鋁處理苯，形成第三丁基苯。
2. 硝化：以濃硝酸、濃硫酸處理第三丁基苯。第三丁基是鄰、對位定位基，硝基會進入鄰位或對位；由於對位產物的立體排斥較小，分離出對位異構物。
3. 還原硝基：以錫、鹽酸還原硝基成胺基，再以氫氧化鈉處理使胺基產物游離。

解題方法

圖中左側是苯甲酸（$C_6H_5CO_2H$），右側產物是二苯甲酮（$C_6H_5COC_6H_5$）。羧酸的羰基碳保留，並在羰基碳上接入一個苯基；可先將苯甲酸轉成醯氯，再以苯進行傅－克醯化。

核心觀念與推導

第一步以亞硫醯氯將苯甲酸轉成苯甲醯氯：

第二步讓苯甲醯氯與苯在無水氯化鋁存在下進行傅－克醯化，水解處理後得到二苯甲酮：

解題方法

圖中左側是苯甲酸（$C_6H_5CO_2H$），右側產物是二苯甲酮（$C_6H_5COC_6H_5$）。羧酸的羰基碳保留，並在羰基碳上接入一個苯基；可先將苯甲酸轉成醯氯，再以苯進行傅－克醯化。

核心觀念與推導

第一步以亞硫醯氯將苯甲酸轉成苯甲醯氯：

第二步讓苯甲醯氯與苯在無水氯化鋁存在下進行傅－克醯化，水解處理後得到二苯甲酮：

核心觀念

判斷平面共軛環狀 $\pi$ 系統是否具芳香性，使用休克爾規則：

• $4n+2$ 個 $\pi$ 電子：芳香性。
• $4n$ 個 $\pi$ 電子：反芳香性。
• 若未形成連續環狀共軛：非芳香性。

計算時，雙鍵各提供 $2$ 個 $\pi$ 電子；吡咯型氮的孤電子對可納入 $\pi$ 系統，吡啶型氮的孤電子對則不納入。

解題方法

核心觀念

核磁共振（NMR）中，化學環境相同的核會出現在同一組訊號。分子對稱性可使不同位置的甲基彼此等效；訊號積分則反映該組訊號所代表的氫數。

解題方法

圖中兩個結構都是 1,3,5-三甲基環己烷：左側三個甲基都以實心楔形鍵表示，位於環的同一側；右側上方兩個甲基是實心楔形鍵，底部甲基是虛線鍵，位於環的另一側。兩者的立體排列不同，需比較甲基所處的化學環境。

左側結構的三個甲基彼此由分子對稱性等效，因此在 $^1\mathrm{H}$ NMR 中給出一組甲基訊號，積分為 $9\mathrm{H}$。

核心觀念

紅外光譜（IR）可用特徵吸收判斷官能基。橫軸是波數（cm⁻¹），縱軸是透光率；曲線向下的谷代表吸收。判讀時先找辨識力高的訊號：醇類的 O–H 寬峰、羰基 C=O 強峰，以及芳香環的特徵吸收。

解題方法

圖中的光譜在約 $3600$–$3200\ \text{cm}^{-1}$ 有明顯寬峰，符合醇類 O–H 伸縮；約 $1600$、$1500\ \text{cm}^{-1}$ 一帶可見芳香環 C=C 吸收，低於 $1000\ \text{cm}^{-1}$ 的區域也有芳香環面外彎曲吸收。約 $1700\ \text{cm}^{-1}$ 沒有明顯強峰，因此不符合含羰基的結構。

將這些特徵合併判斷：候選物需同時含有醇類 O–H 與芳香環，且不含羰基。

選項分析

• (A) 正確。 結構含芳香環與醇類 O–H，且沒有羰基，符合光譜。芳香環 C–H 伸縮約在 $3100$–$3000\ \text{cm}^{-1}$；

核心觀念

本題考芳香族親電子取代反應中的傅–克醯化（Friedel–Crafts acylation）。丙醯氯與 $\mathrm{AlCl_3}$ 形成醯鎓離子 $\mathrm{CH_3CH_2CO^+}$，再取代芳香環上的氫，生成芳香酮。醚氧可透過共振活化與氧原子直接相連的芳香環，並導向鄰位、對位。

解題方法

原圖中的起始物是 $\mathrm{C_6H_5-O-CH_2-C_6H_5}$：一個苯環直接連著氧，氧再連到 $\mathrm{CH_2}$ 與另一個苯環；試劑為 $\mathrm{CH_3CH_2COCl}$、$\mathrm{AlCl_3}$。因此，直接連氧的苯環受到較強活化，主要在氧的對位進行醯化。

核心觀念

本題考酸催化的醯基取代反應：甲醇進攻醯胺的羰基碳，經四面體中間體後，乙胺基離去，形成甲酯。醯胺中的氮原子不易直接離去，因此先將氮質子化，讓它以中性乙胺離去；最後乙胺再接受質子，成為題目所示的乙基銨離子。

解題方法

圖中反應物是 N-乙基乙醯胺，結構為 $\mathrm{CH_3C(=O)NHCH_2CH_3}$；試劑為 $\mathrm{CH_3OH}$、催化量 $\mathrm{H^+}$。產物是乙酸甲酯與乙基銨離子。以下依序標出每個中間體的形式電荷，並用文字說明箭頭方向。

反應步驟

1. 質子化羰基氧
   羰基氧的孤電子對接取質子，活化羰基，使羰基碳更容易受到親核攻擊。

   $\mathrm{CH_3C(=OH^+)NHCH_2CH_3}$

   氧帶 $+1$ 電荷。

2. 甲醇進攻羰基碳
   甲醇氧的孤電子對進攻羰基碳，$C=O$ 的 $\pi$ 電子移到氧上，形成四面體中間體。

   $\mathrm{CH_3C(OH)(O^+(H)CH_3)NHCH_2CH_3}$

   新接上的甲醇氧同時連接羰基碳、甲基與氫，因此帶 $+1$ 電荷；原羰基氧接取質子後為中性 $\mathrm{OH}$。

3. 去質子化甲氧基氧
   另一分子甲醇或溶液中的鹼接走甲氧基氧上的質子，得到中性四面體中間體。

核心觀念

本題串聯芳香胺的重氮化、Sandmeyer 反應，以及腈與 Grignard 試劑反應後水解生成酮。腈基中的碳會成為產物酮的羰基碳；Grignard 試劑提供羰基另一側的碳基。

解題方法

圖中起始物是甲基取代的苯胺：$\mathrm{NH_2}$ 與 $\mathrm{CH_3}$ 位於間位，沒有標示楔形或虛線鍵。依序先把芳香胺轉成重氮鹽，再以 $\mathrm{CN}$ 取代重氮基；接著由正丙基 Grignard 試劑加到腈基，最後酸性水解得到酮。

1. **重氮化：**低溫下，$\mathrm{NaNO_2/HCl}$ 將芳香胺轉成芳香重氮氯鹽。苯環上的甲基位置不變。

2. Sandmeyer 反應：$\mathrm{CuCN}$ 使重氮基離去，並以 $\mathrm{CN}$ 取代，生成間甲基苯甲腈。

核心觀念

$\mathrm{PhCO_3H}$ 是過氧酸，會將一個氧原子直接加到烯烴的 $\mathrm{C=C}$ 上，生成環氧化物。此反應具立體專一性：烯烴上取代基的相對位置會保留在環氧化物中。

解題方法

圖中烯烴的左側雙鍵碳連著乙基與甲基，右側雙鍵碳也連著乙基與甲基；兩個乙基位於雙鍵相反側，因此起始物是 $E$ 型烯烴，即 $3,4$-二甲基己-3-烯。$\mathrm{PhCO_3H}$ 將雙鍵轉成環氧環，原有相對立體關係保留。

核心觀念

本題考查 $Br_2、h\nu$ 條件下的自由基溴化。自由基溴化會優先取代能形成較穩定自由基位置上的氫；苄基自由基可由芳香環共振穩定，因此苄位溴化是主要反應。

解題方法

圖中底物是正丙基苯，苯環連接的側鏈為 $-CH_2CH_2CH_3$；試劑為 $Br_2$，反應條件為 $h\nu$。側鏈最靠近苯環的碳是苄位碳，該位置的氫被溴取代後形成苄基自由基，較受穩定。

反應可用自由基鏈反應表示：

核心觀念

這題要綜合分子式、不飽和度、紅外光譜與氫、碳核磁共振，判定分子的官能基與碳骨架。

分子式 $\mathrm{C_7H_{14}O_2}$ 的不飽和度為：

因此分子只有一個不飽和度，最合理的來源是羰基。紅外光譜在 $1740\ \mathrm{cm^{-1}}$ 有吸收，符合酯類羰基的特徵。

解題方法

先由氫核磁共振辨認兩個碳氫片段：

• $\delta 2.3$ 的 $2\mathrm{H}$ 四重峰，與 $\delta 1.0$ 的 $3\mathrm{H}$ 三重峰互相配對，表示有 $\mathrm{-CH_2CH_3}$；其中靠近羰基的 $\mathrm{CH_2}$ 通常出現在較低場。
• $\delta 0.9$ 的 $9\mathrm{H}$ 單峰，表示有三個等價甲基，且相鄰碳上沒有氫，符合叔丁基 $\mathrm{C(CH_3)_3}$。

把這兩個片段與酯羰基組合，可得丙酸叔丁酯：

氫數可直接核對：乙基提供 $5\mathrm{H}$，叔丁基提供 $9\mathrm{H}$，合計 $14\mathrm{H}$；碳數為乙基 $2$ 個、羰基 $1$ 個、叔丁基 $4$ 個，合計 $7$ 個。

核磁共振訊號對照

丙酸叔丁酯的訊號可作如下指認：

核心觀念

本題考查醛的自我羥醛縮合。4-甲基戊醛的 α-碳帶有氫，在氫氧化鈉作用下可形成烯醇負離子，進而攻擊另一分子醛的羰基碳。

羥醛加成先生成 β-羥基醛；加熱時再脫水，形成共軛的 α,β-不飽和醛。因此題目指定加熱，最終產物是脫水後的縮合產物。

解題方法與反應機構

先寫出 4-甲基戊醛的結構：

令 $R=\mathrm{CH_2CH(CH_3)_2}$，則起始物可寫成 $\mathrm{RCH_2CHO}$。

1. 形成烯醇負離子

$\mathrm{OH^-}$ 移除一分子醛的 α-氫，形成烯醇負離子；其共振式可表示為：

2. 進攻另一分子醛

烯醇負離子的 α-碳進攻第二分子醛的羰基碳，羰基氧形成烷氧負離子；烷氧負離子經質子轉移後得到 β-羥基醛：