113 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》

此題考驗將線角式結構轉換為縮合式結構的能力。

解題步驟：

1. 辨識線角式結構：觀察題目提供的線角式結構。
2. 辨識官能基：注意到結構中存在一個羧酸官能基 (-CO2H)。
3. 辨識碳鏈骨架：從羧酸的碳原子開始，依序辨識其他碳原子及其連接方式。
   • 羧酸的碳原子連接一個支鏈，該支鏈上有一個甲基。
   • 羧酸的碳原子也連接到另一個碳原子，該碳原子上有兩個甲基，並且同時連接到羧酸的碳原子。
4. 轉換為縮合式：根據辨識的結構，寫出對應的縮合式。
   • 線角式結構中，羧酸基團旁的碳原子連接了兩個甲基和羧酸基團。這個碳原子是季碳（四個鍵都與其他碳原子連接）。
   • 因此，這個碳原子可以表示為 $C(CH_3)_2$。
   • 這個 $C(CH_3)_2$ 基團直接連接到羧酸的碳原子上。
   • 所以，整個結構的縮合式為 $C(CH_3)_2C(CH_3)CO_2H$。

此題考驗元素分析結果推導實驗式（Empirical Formula）及分子式（Molecular Formula）的能力。

解題步驟：

1. 計算各元素在分子中的莫耳數比例：假設取 100 克化合物 X。

   • 碳 (C) 的質量為 39.97 克。莫耳質量約為 12.01 g/mol。
     莫耳數 = $39.97 \text{ g} / 12.01 \text{ g/mol} \approx 3.328 \text{ mol}$
   • 氫 (H) 的質量為 6.73 克。莫耳質量約為 1.008 g/mol。
     莫耳數 = $6.73 \text{ g} / 1.008 \text{ g/mol} \approx 6.677 \text{ mol}$
   • 氧 (O) 的質量為 53.30 克。莫耳質量約為 16.00 g/mol。
     莫耳數 = $53.30 \text{ g} / 16.00 \text{ g/mol} \approx 3.331 \text{ mol}$

2. 將莫耳數轉換為最簡整數比（實驗式）：將上述莫耳數除以最小的莫耳數 (約 3.328)。

   • C: $3.328 / 3.328 \approx 1$

此題考驗對羰基 (carbonyl) 中 sigma ($\sigma$) 鍵形成所涉及的原子軌域重疊的理解。

核心觀念：
羰基 (C=O) 包含一個 sigma ($\sigma$) 鍵和一個 pi ($\pi$) 鍵。

• $\sigma$ 鍵是直接連接兩個原子核的鍵，通常由頭對頭的軌域重疊形成。
• $\pi$ 鍵是通過平行排列的 p 軌域的側向重疊形成的。

分析：

1. 羰基的結構：羰基是碳原子和氧原子之間形成雙鍵 (C=O)。
2. 碳原子的混成軌域：羰基中的碳原子連接了三個原子（一個氧原子和另外兩個原子，例如在酮中是兩個碳原子，在醛中是一個碳原子和一個氫原子）。由於它形成三個 sigma 鍵和一個 pi 鍵，其混成軌域為 $sp^2$。這三個 $sp^2$ 混成軌域分別與氧原子、另外兩個原子形成 sigma 鍵。
3. 氧原子的混成軌域：羰基中的氧原子也通常被認為是 $sp^2$ 混成。

此題考驗判斷烷烴中不同級別碳原子的能力，以及根據 IUPAC 命名規則繪製分子結構。

解題步驟：

1. 繪製分子結構：根據 IUPAC 名稱「5-ethyl-3,3,4-trimethylheptane」繪製結構。

   • 「heptane」表示主鏈有 7 個碳原子。
   • 「5-ethyl」表示在主鏈的第 5 個碳原子上連接一個乙基 (-CH2CH3)。
   • 「3,3-trimethyl」表示在主鏈的第 3 個碳原子上連接兩個甲基 (-CH3)。
   • 「4-methyl」表示在主鏈的第 4 個碳原子上連接一個甲基 (-CH3)。

   從左到右編號主鏈：
   C1 - C2 - C3 - C4 - C5 - C6 - C7

   添加取代基：

   • C5 連接 -CH2CH3 (乙基)
   • C3 連接兩個 -CH3
   • C4 連接一個 -CH3

   完整結構如下（僅標出碳骨架，氫原子未標出）：
   CH3 - CH2 - C(CH3)2 - CH(CH3) - CH(CH2CH3) - CH2 - CH3

   為了更清晰地判斷碳級別，可以寫出詳細結構：
   CH3 CH3 CH2CH3
   | | |
   CH3-CH2-C --- CH --- CH --- CH2-CH3
   |
   CH3

   重新繪製並標註碳原子編號（從左或右開始編號，以得到最簡化的取代基編號）：
   如果從左邊開始編號：
   CH3 CH3 CH2CH3
   | | |
   1CH3-2CH2-3C --- 4CH --- 5CH --- 6CH2-7CH3
   |
   CH3

此題考驗對自由基反應中終止步驟 (termination step) 的理解。

自由基反應通常包含鏈引發 (initiation)、鏈增長 (propagation) 和鏈終止 (termination) 三個階段。

• 鏈引發：產生自由基，例如 Cl2 在光或熱作用下分解為 2 Cl·。
• 鏈增長：自由基與非自由基分子反應，生成新的自由基和新的分子，使反應得以延續。例如 Cl· + CH4 → HCl + CH3·，以及 CH3· + Cl2 → CH3Cl + Cl·。
• 鏈終止：兩個自由基相互反應，生成穩定的非自由基分子，從而結束反應鏈。

分析選項：
A) $CH_3 \cdot + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + Cl\cdot$
這個反應是一個自由基與一個非自由基分子反應，生成一個新的自由基 ($Cl\cdot$) 和一個穩定的分子 ($CH_3Cl$)。這屬於鏈增長步驟，而不是終止步驟。

核心觀念

命名時先選出符合官能基與不飽和鍵規則的母體，再依序決定編號方向、取代基位置與名稱。環狀化合物要讓取代基取得最低位次；含雙鍵或三鍵的母體，編號時要讓不飽和鍵取得最低位次。醚類可用「烷氧基＋烷烴」命名；苯環上有羥基時，以苯酚作為母體。

解題方法與各小題命名

1. 環己烷取代物
   環己烷上有一個溴取代基，以及同一個碳上的兩個甲基。從帶兩個甲基的碳開始編號，可得到位次 $1,1,4$；若從帶溴的碳開始，位次則為 $1,4,4$。選擇較低的一組 $1,1,4$，並依取代基名稱的字母順序排列。

   名稱：4-溴-1,1-二甲基環己烷

2. 含雙鍵的直鏈化合物
   選取包含雙鍵的最長碳鏈，從溴乙基端開始編號，得到七碳母體，雙鍵位於第 3 位；氯位於第 4 位、溴位於第 1 位。雙鍵左側的高優先序取代基是含溴的碳鏈，位於雙鍵上方；右側的高優先序取代基是氯，位於下方。兩個高優先序基團分居雙鍵兩側，因此為 $E$ 構型。

   名稱：$(3E)$-1-溴-4-氯庚-3-烯

核心觀念

本題要求依據五組反應物、試劑與反應條件，判定有機反應類型及生成物結構。常見考點可能包括取代、消去、加成、氧化還原、羰基反應與芳香族反應，但必須先確認各小題的結構式與試劑。

解題方法

目前題目中的五張附圖均未提供，僅有「🖼️【此處有附圖，請對照原卷】」文字，缺少以下必要資訊：

核心觀念

本題為有機化學多步驟轉換題，必須依據每一小題的起始物、試劑、反應條件及產物結構，判斷各步驟涉及的反應類型，例如官能基轉換、氧化還原、取代、消去、加成、保護基操作或芳香族反應。

解題方法

目前題幹中的四個結構均僅標示為「🖼️【此處有附圖，請對照原卷】」，未提供實際分子結構、箭頭上的試劑與反應條件。因此無法判定：

1. 各小題的起始物與目標產物。
2. 每一步需要使用的試劑。
3. 反應機構與區域選擇性。
4. 立體化學結果。
5. 各步驟的確切化學答案。

核心觀念

本題考查立體異構物的分類：

• 相同化合物（same compound）：兩個結構可藉由旋轉單鍵、翻轉紙面表示法，或重新編排楔線與虛線後完全重疊。
• 對映異構物（enantiomers）：互為不可重疊的鏡像；所有立體中心的組態均相反，即 $R \leftrightarrow S$。
• 非對映異構物（diastereomers）：不是鏡像關係的立體異構物；至少一個立體中心相同，至少一個立體中心相反。

解題方法

判斷此類題目應依序進行：

1. 找出兩個分子中的所有立體中心。
2. 依 CIP 規則比較每一個立體中心的 $R/S$ 組態。
3. 比較兩個分子的組態：

$$\begin{array}{c|c} \text{所有立體中心均相同} & \text{same compound} \\ \text{所有立體中心均相反} & \text{enantiomers} \\ \text{部分相同、部分相反} & \text{diastereomers} \end{array}$$

題圖資訊

目前文字中未顯示四個選項的結構，因此無法將答案對應至特定的 A、B、C、D；判定依據如下。

核心觀念

紅外光譜中，羰基伸縮振動頻率可近似表示為：

$$\nu=\frac{1}{2\pi c}\sqrt{\frac{k}{\mu}}$$

其中 $k$ 為鍵的力常數，$\mu$ 為約化質量。各選項的羰基皆為 $C=O$，因此 $\mu$ 差異很小，主要比較羰基鍵的有效鍵級：

• 共振離域越強，$C=O$ 鍵級越低，$k$ 越小，伸縮頻率越低。
• 電子吸引基會提高羰基鍵級，使頻率升高。
• 環張力會使羰基鍵較強，使頻率升高。

解題方法

逐一觀察每個羰基是否具有下列效應：

1. 羰基與烯鍵或芳香環共軛：頻率下降。
2. 羰基旁接可供電子的原子，例如醯胺中的氮：氮的孤電子對可與羰基共振，頻率大幅下降。
3. 羰基位於小環中：環張力提高，頻率上升。
4. 羰基旁接強吸電子基：頻率上升。

一般而言，常見羰基伸縮頻率約為：

$$\text{醯胺} < \text{共軛醛／酮} < \text{非共軛醛／酮} < \text{酯}$$

核心觀念

本題利用分子式與核磁共振訊號數目判定烷類結構，重點包括：

1. 由分子式計算不飽和度。
2. $^{13}\mathrm{C}$ NMR 訊號數代表不同化學環境的碳原子數。
3. $^1\mathrm{H}$ NMR 訊號數代表不同化學環境的氫原子種類。
4. 依據 $n+1$ 規則判斷氫核彼此偶合造成的裂分型態。

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解題方法

1. 判斷分子骨架

對分子式 $\mathrm{C_7H_{16}}$，烷類的通式為：

$$\mathrm{C_nH_{2n+2}}$$

當 $n=7$ 時：

$$\mathrm{H}=2(7)+2=16$$

因此化合物 I 為飽和、無環的鏈狀烷類，不含雙鍵、三鍵或環。

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2. 配合 $^{13}\mathrm{C}$ NMR 的 3 個訊號

要使 7 個碳只出現 3 種碳環境，分子必須具有高度對稱性。

符合條件的結構為：

$$\mathrm{(CH_3)_2CHCH_2CH(CH_3)_2}$$

其名稱為 2,4-二甲基戊烷。

結構可表示為：

        CH3       CH3
         |         |
CH3 — CH — CH2 — CH — CH3

此分子具有左右對稱面，因此：

• 左、右兩端的四個 $\mathrm{CH_3}$ 完全等價；
• 左、右兩個 $\mathrm{CH}$ 完全等價；
• 中央 $\mathrm{CH_2}$ 為另一種碳環境。

所以共有：

$$\boxed{3\text{ 種碳環境}}$$

與 $^{13}\mathrm{C}$ NMR 的 3 個訊號相符。

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3. 分析 $^1\mathrm{H}$ NMR 的 3 種氫

（1）甲基氫：doublet

四個等價的甲基氫共有：

$$4\times 3=12\text{ H}$$

每個甲基相鄰於一個 $\mathrm{CH}$，因此依 $n+1$ 規則：

$$n=1 \Rightarrow n+1=2$$

此題考驗多步驟有機反應的產物預測，涉及 Friedel-Crafts 烷基化、KMnO4 氧化和芳香親電取代反應。

步驟分析：

1. 第一步：$CH_3CH_2Cl, AlCl_3$

   • 這是 Friedel-Crafts 烷基化反應。$AlCl_3$ 是路易斯酸，與 $CH_3CH_2Cl$ 反應生成親電的乙基碳陽離子 ($CH_3CH_2^+$)。
   • 這個碳陽離子會進攻芳香環。題目中未提供起始芳香物，但從後續反應來看，很可能是一個苯環。
   • 假設起始物是苯 (Benzene)。
   • 苯與乙基碳陽離子反應，生成乙基苯 (Ethylbenzene)。
   • 反應方程式：$C_6H_6 + CH_3CH_2^+ \rightarrow C_6H_5CH_2CH_3 + H^+$ (H+ 與 $AlCl_4^-$ 反應再生 $AlCl_3$)。
   • 產物：乙基苯。

2. 第二步：$KMnO_4$

   • 高錳酸鉀 ($KMnO_4$) 是一種強氧化劑。
   • 對於烷基苯，KMnO4 在適當條件下（通常是鹼性或中性加熱，然後酸化）會氧化烷基側鏈，直到只剩下一個羧基 (-COOH)。
   • 對於乙基苯 ($C_6H_5CH_2CH_3$)，它會氧化整個乙基側鏈，生成苯甲酸 (Benzoic acid)。

此題要求寫出乙醯氯 (acetyl chloride) 與正丙胺 (n-propylamine) 反應的詳細步驟機制的。這是一個典型的醯鹵與胺的反應，屬於親核醯基取代反應 (Nucleophilic Acyl Substitution)。

反應物：

• 乙醯氯 (Acetyl chloride): $CH_3COCl$。醯氯是反應性很高的醯基化試劑。
• 正丙胺 (n-propylamine): $CH_3CH_2CH_2NH_2$。胺是親核試劑，也是鹼。

反應類型：
親核醯基取代。胺的氮原子上的孤對電子進攻乙醯氯的羰基碳。

反應步驟機制：

1. 親核進攻：正丙胺的氮原子上的孤對電子（作為親核試劑）進攻乙醯氯羰基碳的 $\delta^+$ 中心。同時，羰基的 $\pi$ 鍵電子轉移到氧原子上，形成一個四面體中間體 (tetrahedral intermediate)。

   $$CH_3CH_2CH_2\overset{\curvearrowright}{N}H_2 + CH_3\overset{\overset{O}{\parallel}}{C}-Cl \rightarrow$$ $$\begin{bmatrix} & \overset{O^-}{C} \\ Cl & | & CH_3 \\ & N^+H_2CH_2CH_2CH_3 \end{bmatrix}$$

2. 中間體重排（或稱回程）：四面體中間體不穩定。羰基的 $\pi$ 鍵重新形成，將氧原子上的負電荷推回，同時離去基團氯離子 ($Cl^-$) 作為離去基團離開。

   $$\begin{bmatrix} & \overset{O^-}{C} \\ Cl & | & CH_3 \\ & N^+H_2CH_2CH_2CH_3 \end{bmatrix} \rightarrow CH_3\overset{\overset{O}{\parallel}}{C}-N^+H_2CH_2CH_2CH_3 + Cl^-$$

   此時，生成了一個質子化的醯胺。

3. 去質子化：生成的質子化醯胺是帶正電荷的。另一分子正丙胺（或反應體系中的其他鹼，如 $Cl^-$，但胺作為鹼更強）作為鹼，奪取醯胺氮原子上的質子，生成穩定的醯胺產物和相應的銨鹽。

   $$CH_3\overset{\overset{O}{\parallel}}{C}-N^+H_2CH_2CH_2CH_3 + CH_3CH_2CH_2NH_2 \rightarrow$$

此題考驗多步驟有機反應的產物預測，涉及自由基加成、格氏試劑製備與反應、以及羧酸的形成。起始物是一個烯烴，結構為 $CH_3CH=CHCH_3$ (2-丁烯)。

步驟分析：

1. 第一步：$HBr, ROOR$

   • $HBr$ 在過氧化物 (ROOR) 存在下，會發生自由基加成反應，遵循反馬氏規則 (anti-Markovnikov's rule)。
   • 對於 2-丁烯 ($CH_3CH=CHCH_3$)，兩個烯丙位碳上的取代基相同，因此 $HBr$ 會加成到兩個碳原子上，形成一個溴代烷。
   • 由於烯烴的對稱性，兩種加成方式（H 加到左邊的 C，Br 加到右邊的 C；或 H 加到右邊的 C，Br 加到左邊的 C）會得到相同的產物。
   • 反應：$CH_3CH=CHCH_3 + HBr \xrightarrow{ROOR} CH_3CH_2CHBrCH_3$ (2-溴丁烷)。
   • 產物：2-溴丁烷。

2. 第二步：$Mg, \text{ether}$

   • 這是格氏試劑 (Grignard reagent) 的製備步驟。
   • 2-溴丁烷與金屬鎂在無水乙醚 (ether) 中反應，生成格氏試劑。

核心觀念

本題考查：

• Newman projection（紐曼投影式）的畫法。
• 沿指定碳—碳鍵旋轉時，不同構形的能量差異。
• 重疊式構形（eclipsed conformation）具有最高的扭轉張力。
• 重疊時，取代基越大，彼此的立體阻礙越強，構形能量越高。

2-甲基丁烷結構為：

$$\mathrm{CH_3-CH(CH_3)-CH_2-CH_3}$$

指定旋轉的是 $C_2-C_3$ 鍵。

解題方法

沿著 $C_2 \to C_3$ 方向觀察：

• 前方的 $C_2$ 連接：
  • $\mathrm{CH_3}$
  • $\mathrm{CH_3}$
  • $\mathrm{H}$
• 後方的 $C_3$ 連接：
  • $\mathrm{CH_3}$
  • $\mathrm{H}$
  • $\mathrm{H}$

最高能量必為重疊式構形。三組前後取代基必須完全重疊，其中應使體積最大的 $\mathrm{CH_3}$ 與 $\mathrm{CH_3}$ 重疊，形成最大的立體排斥。

因此三組重疊關係為：

觀察方向上的位置	前方 $C_2$	後方 $C_3$
12 點鐘方向	$\mathrm{CH_3}$	$\mathrm{CH_3}$
4 點鐘方向	$\mathrm{CH_3}$	$\mathrm{H}$
8 點鐘方向	$\mathrm{H}$	$\mathrm{H}$

其二面角均為 $0^\circ$，且存在一組甲基—甲基重疊：

$$\mathrm{CH_3 \ eclipsing \ CH_3}$$

這比甲基—氫重疊造成更大的立體排斥，因此是最高能量構形。

Newman 投影式

沿 $C_2 \to C_3$ 觀看，前方碳以圓心的「點」表示，後方碳以圓表示；前後取代基在相同方向重疊：

核心觀念

本題考查鹵代烷在反應條件下的兩條競爭途徑：

• 取代反應（substitution）：親核試劑取代離去基，形成新的 $\mathrm{C-N}$、$\mathrm{C-O}$ 或 $\mathrm{C-C}$ 鍵。
• 消去反應（elimination）：鹼抓取 β-碳上的氫，同時離去基離開，在 $\alpha$-碳與 $\beta$-碳之間形成 $\mathrm{C=C}$ 雙鍵。

判斷主產物時，需同時考慮：

1. 鹵代烷的結構：甲基、一级、二級或三級。
2. 試劑是偏向親核試劑還是強鹼。
3. 溶劑與溫度。
4. 取代反應的機構是 $\mathrm{S_N1}$ 或 $\mathrm{S_N2}$。
5. 消去反應的機構是 $\mathrm{E1}$ 或 $\mathrm{E2}$。
6. 烯烴穩定度與立體電子效應。

解題方法

題目要求分別畫出主要取代產物與主要消去產物，標準判斷流程如下。

若底物為三級鹵代烷，立體障礙大，通常不利於 $\mathrm{S_N2}$。在極性質子溶劑中，離去基先離開形成三級碳正離子，反應可經由 $\mathrm{S_N1/E1}$ 進行：

$$\mathrm{R_3C-X \rightarrow R_3C^+ + X^-}$$

取代途徑中，親核試劑進攻碳正離子：

$$\mathrm{R_3C^+ + Nu^- \rightarrow R_3C-Nu}$$

消去途徑中，鹼移除相鄰 β-碳上的氫，形成烯烴：

$$\mathrm{R_3C^+ \xrightarrow[-H^+]{base} alkene}$$

若底物為一级或二級鹵代烷，且使用強而體積小的親核試劑，通常偏向 $\mathrm{S_N2}$。$\mathrm{S_N2}$ 為一步驟協同反應，親核試劑從離去基的反面進攻：

$$\mathrm{Nu^- + R-X \rightarrow R-Nu + X^-}$$

若使用強鹼、升高溫度，或底物具有較大立體障礙，則 $\mathrm{E2}$ 競爭性增加。$\mathrm{E2}$ 同樣為一步驟協同反應：

核心觀念

共軛二烯可與一當量 $\mathrm{Br_2}$ 進行兩種加成：

• 1,2-加成：溴原子加到相鄰的 $C_1$、$C_2$。
• 1,4-加成：溴原子加到末端的 $C_1$、$C_4$，原本的雙鍵移至中央 $C_2=C_3$。

本題指定為 1,4-加成，因此必須保留中央雙鍵，並將兩個溴分別接在二烯的兩個末端。

解題方法

以題圖的共軛二烯編號：

$$\mathrm{C_1=C_2-C_3=C_4}$$

溴分子受到二烯 $\pi$ 電子的進攻而極化，形成共振穩定的烯丙基型中間體。溴離子進攻末端 $C_4$ 後，形成 1,4-加成產物：

$$\mathrm{CH_2=CH-CH=CH_2} \xrightarrow[\text{1,4-addition}]{\mathrm{Br_2}} \mathrm{BrCH_2-CH=CH-CH_2Br}$$

因此：

核心觀念

本題考查有機反應的平衡方向與酸鹼反應的熱力學判斷。酸鹼反應通常可表示為：

$$\mathrm{HA+B^- \rightleftharpoons A^-+HB}$$

平衡會偏向生成「較弱的酸」與「較弱的鹼」的一側。判斷酸鹼強弱時，使用共軛酸的 $pK_a$：

• $pK_a$ 越小，酸性越強。
• $pK_a$ 越大，酸性越弱。
• 反應傾向由較強酸、較強鹼，進行至較弱酸、較弱鹼。

解題方法

先確認題圖中的反應是否涉及質子轉移，再比較反應物與生成物兩側酸的 $pK_a$：

$$K_{\mathrm{eq}}\approx 10^{pK_a(\text{生成物酸})-pK_a(\text{反應物酸})}$$

若生成物側的酸性較強，亦即：

$$pK_a(\text{生成物酸})<pK_a(\text{反應物酸})$$