114 年 國立臺灣大學藥學系碩士班《有機化學(A)》

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第 1 題

According to the CIP nomenclature, the molecule shown below is ____-form 2-butanol.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
A) (D)-form
B) (E)-form
C) (L)-form
D) (R)-form
E) (S)-form

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此題考驗學生對 CIP (Cahn-Ingold-Prelog) 命名規則的理解,特別是如何判斷手性碳的絕對構型(R/S 或 D/L)。題目中給出了 2-butanol 的結構,並要求根據 CIP 命名法判斷其構型。

解題步驟:

  1. 找出手性中心: 2-butanol 的結構為 CH₃CH(OH)CH₂CH₃。其中,與羥基 (-OH)、甲基 (-CH₃)、乙基 (-CH₂CH₃) 和氫原子 (H) 相連的第二個碳原子是手性中心。

  2. 原子序排序: 根據 CIP 規則,優先級由高到低根據直接連接到手性中心的原子序決定。

    • -OH (O 原子,原子序 8)
    • -CH₂CH₃ (C 原子,但其相鄰原子為 H, H, C)
    • -CH₃ (C 原子,但其相鄰原子為 H, H, H)
    • -H (H 原子,原子序 1)

    為了比較 -CH₂CH₃ 和 -CH₃ 的優先級,需要進一步比較:

    • -CH₂CH₃:連接的原子是 C, H, H。
    • -CH₃:連接的原子是 H, H, H。
      由於 C 的原子序高於 H,所以 -CH₂CH₃ 的優先級高於 -CH₃。

    因此,各基團的優先級為:-OH > -CH₂CH₃ > -CH₃ > -H。

  3. 確定構型:

    • 將優先級最低的基團 (-H) 放在遠離觀察者的位置(朝後)。
    • 觀察優先級為 1、2、3 的基團從高到低(-OH → -CH₂CH₃ → -CH₃)的旋轉方向。
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第 2 題

The field of stereochemistry began with the study of tartaric acid (shown below) by Louis Pasteur in the 1850s. Tartaric acid has ____ (X) ____ chiral centers and ____ (Y) ____ possible stereoisomers.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
A) X = 1, Y = 2
B) X = 1, Y = 4
C) X = 2, Y = 2
D) X = 2, Y = 3
E) X = 2, Y = 4

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此題考驗學生對手性中心 (chiral center) 的定義,以及如何根據手性中心的數量計算可能存在的立體異構物 (stereoisomers)。題目以酒石酸 (tartaric acid) 為例,這是立體化學發展史上的經典例子。

解題步驟:

  1. 辨識手性中心:
    酒石酸的結構式為 HO₂C-CH(OH)-CH(OH)-CO₂H。
    手性中心定義為一個碳原子,它連接了四個不同的基團。
    在酒石酸的結構中,有兩個碳原子連接了四個不同的基團:

    • 第一個 CH(OH):連接了 -CO₂H, -H, -OH, 和 -CH(OH)CO₂H。這是一個手性中心。
    • 第二個 CH(OH):連接了 -CO₂H, -H, -OH, 和 -CH(OH)CO₂H。這也是一個手性中心。
      因此,酒石酸有 2 個 手性中心 (X = 2)。
  2. 計算可能存在的立體異構物:
    一般情況下,如果一個分子有 n 個手性中心,且這些手性中心之間沒有對稱性(例如分子本身是手性的),那麼它最多可以有 2n2^n 個立體異構物。
    對於酒石酸,有 2 個手性中心,所以理論上最多有 22=42^2 = 4 個立體異構物。

  3. 考慮對稱性:
    然而,酒石酸分子具有內消旋體 (meso compound) 的可能性。內消旋體是含有手性中心但整體呈鏡像異構的分子,因此是外消旋的(achiral)。

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第 3 題

What is the most likely product of the following hydrobromination reaction?
HBr
?
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
A)
B)
C)
D)
E)

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核心觀念

本題考查共軛二烯的親電加成反應,以及 HBr 的 Markovnikov 加成區域選擇性。

共軛二烯接受 H+H^+ 後,會形成共振穩定的烯丙基碳正離子:

C=C−C=C+HX+→C−CX+−C=C↔C−C=C−CX+\ce{C=C-C=C + H+ -> C-C+-C=C <-> C-C=C-C+}

接著 BrX−\ce{Br^-} 進攻較穩定的碳正離子位置。未標示過氧化物,因此不採自由基反 Markovnikov 加成。

解題方法

首先將 HBr\ce{HBr} 視為:

  1. HX+\ce{H+} 加到較不取代的端碳,使中間體形成較穩定的三級、烯丙基碳正離子。
  2. BrX−\ce{Br^-} 加到較取代的碳正離子位置。
  3. 共軛系統中,主要判斷為動力學上較快形成的 1,2-加成產物;原共軛二烯的另一個雙鍵保留。

因此,溴會接在左側雙鍵較取代的碳上,右側雙鍵保留。

選項分析

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第 4 題

What is the most likely product of the following reaction?
Lindlar catalyst
1 atm H2
?
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
A)
B)
C)
D)
E)

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核心觀念

本題考查炔烴的選擇性部分氫化。Lindlar catalyst(林德拉催化劑)是經毒化的鈀催化劑,搭配 11 atm 的 H2H_2,可將炔烴還原為順式烯烴,但通常停在烯烴階段,不會繼續還原成烷烴:

R−C≡C−RX′→HX2,  LindlarR−CH=CH−RX′\ce{R-C#C-R' ->[H2,\ Lindlar] R-CH=CH-R'}

氫原子在金屬表面以同面方式加成,因此生成的兩個碳取代基位於同側,形成 ZZ(cis)烯烴。分子中原本的環烯烴不會是主要反應位置。

解題方法

圖中反應物具有兩個重要部位:

  1. 分子骨架中的既有環烯烴。
  2. 右側與 COX2Me\ce{CO2Me} 相連的碳碳三鍵。

Lindlar 催化劑會選擇性地還原右側碳碳三鍵:

C≡C→HX2,  Lindlarcis−C=C\ce{C#C ->[H2,\ Lindlar] cis-C=C}

因此反應後:

  • 右側炔烴變成順式烯烴;
  • COX2Me\ce{CO2Me} 取代基與環骨架位於雙鍵同側;
  • 原本的環烯烴保持不變;
  • 不會形成完全飽和的單鍵,也不會形成反式烯烴。

選項分析

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第 5 題

Which of the following reactions will NOT give benzylamine as the final product after workup?
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
A)
B)
C)
D)
E)

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此題考驗學生對將不同官能基轉化為胺的反應的理解,特別是哪些反應最終能得到苄胺 (benzylamine)。苄胺的結構是 C₆H₅CH₂NH₂。

解題步驟:

逐一分析各選項的反應,判斷最終產物是否為苄胺。

選項 (A):

  • 起始物:苯甲醛 (Benzaldehyde, C₆H₅CHO)
  • 第一步:與 NH₂OH (hydroxylamine) 在酸催化下反應,生成苯甲醛肟 (benzaldoxime, C₆H₅CH=NOH)。
  • 第二步:Pd/C, H₂ (催化氫化)。這一步會將肟還原為胺。
    • C₆H₅CH=NOH + 2H₂ → C₆H₅CH₂NH₂ + H₂O
    • 產物是苄胺。

選項 (B):

  • 起始物:苯甲醯胺 (Benzamide, C₆H₅CONH₂)
  • 反應:LiAlH₄ (強還原劑)。LiAlH₄ 可以將醯胺還原為胺。
    • C₆H₅CONH₂ + LiAlH₄ → C₆H₅CH₂NH₂
    • 產物是苄胺。

選項 (C):

  • 起始物:苯甲醛 (Benzaldehyde, C₆H₅CHO)
  • 第一步:與 NH₃ (ammonia) 在酸催化下反應。這一步可能形成亞胺 (imine, C₆H₅CH=NH)。
  • 第二步:-80 °C, MgBr₂。MgBr₂ 是一個路易斯酸,可能用於穩定某些中間體,但在此情況下,它不太可能直接將亞胺還原為胺。
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第 6 題

What is the most likely product of the following reaction sequence?

  1. AICI3
  2. Zn(Hg), HCl
  3. SOCI2
  4. AICI3
    🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
    A)
    B)
    C)
    D)
    E)
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核心觀念

本題連續考查:

  1. Friedel–Crafts 酰化反應:芳香環與酸酐在 AlCl3AlCl_3 作用下進行酰化。
  2. Clemmensen 還原:Zn(Hg),HClZn(Hg), HCl 將芳基酮的羰基 C=OC=O 還原為亞甲基 −CH2−-CH_2-。
  3. 羧酸轉化為酰氯:SOCl2SOCl_2 將 −COOH-COOH 轉為反應性較高的 −COCl-COCl。
  4. 分子內 Friedel–Crafts 酰化:酰氯在 AlCl3AlCl_3 作用下,使芳香環分子內關環形成環己酮稠合系統。

解題方法

第一步,甲苯與琥珀酸酐進行 Friedel–Crafts 酰化:

Ar−CHX3+succinic anhydride→AlClX3Ar−CO−CHX2−CHX2−COOH\ce{Ar-CH3 + succinic\ anhydride ->[AlCl3] Ar-CO-CH2-CH2-COOH}

甲基是活化芳香環的鄰、對位定位基,且對位受位阻影響較小,因此主要在甲基的對位發生酰化。

第二步,使用 Clemmensen 還原:

Ar−CO−CHX2−CHX2−COOH→Zn(Hg), HClAr−CHX2−CHX2−CHX2−COOH\ce{Ar-CO-CH2-CH2-COOH ->[Zn(Hg),HCl] Ar-CH2-CH2-CH2-COOH}

第三步,SOCl2SOCl_2 將羧酸轉成酰氯:

Ar−(CHX2)X3−COOH→SOClX2Ar−(CHX2)X3−COCl\ce{Ar-(CH2)3-COOH ->[SOCl2] Ar-(CH2)3-COCl}
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第 7 題3 分

What is the name of the reaction in steps 1 and 4 shown in Question 6?

(A) Cannizzaro reaction
(B) Claisen condensation
(C) Friedel–Crafts reaction
(D) Grignard reaction
(E) Swern oxidation

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核心觀念

本題考查芳香環的傅–克反應。傅–克反應利用路易士酸活化酰化試劑,讓芳香環進行親電子芳香取代;若酰化試劑分子內含有可反應的酰基,反應也能形成環狀結構。

解題方法

圖中第 6 題的反應序列在第 1 步與第 4 步都使用 AlCl3AlCl_3:第 1 步以酸酐對甲苯進行酰化;第 4 步則以酰氯進行分子內環化酰化。兩步都是傅–克酰化反應,因此辨認反應類型即可作答。

選項分析

  • (A) Cannizzaro reaction:醛在強鹼下歧化,生成醇與羧酸鹽;與題目中的芳香環酰化及 AlCl3AlCl_3 不符。
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第 8 題3 分

Which combination of reagents would yield the product shown below?

Reaction conditions: catalytic base (Robinson annulation).

🖼️【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) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
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核心觀念

本題考察 Robinson 環化:先由酮形成烯醇負離子,對 α,β\alpha,\beta-不飽和羰基化合物進行 Michael 1,4-加成,再經分子內 aldol 環化與脫水,形成稠合環烯酮。

解題方法

圖中產物是帶有橋頭甲基的稠合環烯酮。反應物組合須提供 2-甲基環己酮作為 Michael 供體,以及甲基乙烯基酮(CHX2=CHCOCHX3\ce{CH2=CHCOCH3})作為 Michael 受體。形成新鍵時,2-甲基環己酮必須在帶甲基的 α\alpha-碳形成烯醇負離子;如此甲基才會留在產物的橋頭位置。

Michael 加成後,另一個羰基提供分子內 aldol 環化所需的反應位點,接著脫水形成圖示的稠合環烯酮。

選項分析

  • (A) 錯誤。 左側雖有甲基取代的環己酮,但右側是含氧五員環反應物,並非圖示環化所需的甲基乙烯基酮,因此無法經標準 Robinson 環化得到產物。
  • **(B) 錯誤。
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📄 以下 2 題共用同一段題幹

The first step in the reaction sequence shown below is a heat-promoted rearrangement to generate intermediate XX.

The first step is carried out at 200 ∘C200\,^\circ\mathrm{C}. Reagent YY is used in the second step.

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

第 9 題3 分

It contains a new functional group ZZ not seen in the starting material. Z=Z= ____?

(A) Aldehyde
(B) Carboxylate
(C) Ester
(D) Ketone
(E) Peroxide

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核心觀念

本題考熱促進的 Claisen 重排。烯醇醚與烯丙基醚加熱時,經由 [3,3][3,3]-σ 遷移重排,形成新的碳碳鍵,並在重排後生成羰基。判斷羰基屬於醛或酮,要看羰基碳連接的碳基數目。

解題方法

圖中起始物是環狀烯醇醚,氧原子連接著烯丙基;反應先在 200 ∘C200\,^\circ\mathrm{C} 加熱生成中間體 XX,再使用試劑 YY 進行第二步。第一步是 Claisen 重排:烯醇醚部分轉變為環酮,故 XX 新生成的官能基是酮。

酮的羰基碳連接兩個碳基;若是醛,羰基碳則至少連接一個氫。本題重排後的羰基碳位於環內,連接環上的兩個碳,因此判定為酮。

選項分析

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第 10 題3 分

What reagent YY should be used in the second step of the reaction shown in Question 9?

(A) HBpin\mathrm{HBpin}
(B) H2O2/BF3\mathrm{H_2O_2}/\mathrm{BF_3}
(C) I2\mathrm{I_2}
(D) KOH\mathrm{KOH}/14-crown-4
(E) Pd(OAc)2\mathrm{Pd(OAc)_2}

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
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核心觀念

本題考查烯醇醚的熱促進 Claisen 重排,以及酮的 Baeyer–Villiger 氧化。Claisen 重排會把烯丙基轉移到羰基的 α 位,形成酮;Baeyer–Villiger 氧化則在酮的羰基碳與相鄰碳之間插入一個氧原子,環狀酮因此擴環形成內酯。

解題方法

圖中起始物是環己烯基烯醇醚,氧上連有烯丙基;加熱至 200 ∘C200\,^\circ\mathrm{C} 後,先發生 Claisen 重排。第二步的產物是含有烯丙基取代基的環狀內酯,表示中間體 XX 中的環狀酮經氧化後擴環。

因此,YY 必須能將酮轉成內酯。H2O2/BF3\mathrm{H_2O_2}/\mathrm{BF_3} 可促進 Baeyer–Villiger 氧化,符合圖示的轉化。

選項分析

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📄 以下 2 題共用同一段題幹

Questions 11 & 12 are about sugars. The chemical formula for all three structures shown below is C7H14O6\mathrm{C_7H_{14}O_6}. Choose the term that correctly describes the relationship between these stereoisomers.

Methyl-α\alpha-glucopyranoside, methyl-β\beta-glucopyranoside, and methyl-α\alpha-galactopyranoside:

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

第 11 題3 分

Methyl-α\alpha-glucopyranoside and methyl-α\alpha-galactopyranoside are a pair of ____.

(A) anomers
(B) epimers
(C) enantiomers
(D) tautomers
(E) the same

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
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核心觀念

差向異構物(epimers)是只在一個手性中心構型不同的一對非鏡像異構物。異頭物(anomers)則是差向異構物的特殊類型,差異發生在糖的異頭碳。

解題方法

原圖列出甲基-α\alpha-葡萄吡喃糖苷與甲基-α\alpha-半乳吡喃糖苷;兩者的異頭碳都連接同側向下的甲氧基,且其餘手性中心相同。比較環上各碳的羥基方向,唯一不同處在葡萄糖與半乳糖的 C4C4,因此兩者只在一個手性中心構型不同。

選項分析

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第 12 題3 分

Methyl-α\alpha-glucopyranoside and methyl-β\beta-glucopyranoside are a pair of ____.

(A) anomers
(B) epimers
(C) enantiomers
(D) tautomers
(E) the same

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核心觀念

異頭物(anomers)是環狀糖中只在異頭碳構型不同的一對立體異構物。異頭碳是糖由開鏈形式環化後形成的新立體中心;在葡萄糖苷中,異頭碳是 C1。α 與 β 的差別,就是異頭碳上的取代基方向不同。

解題方法

圖中兩個結構都標示為甲基葡萄糖吡喃糖苷:環大小與原子連接方式相同,甲氧基連在異頭碳 C1;兩者差異僅在 C1 的構型,也就是甲氧基的方向。其餘立體中心相同,因此這一對是異頭物。

選項分析

  • (A) anomers:正確。 兩者只在異頭碳 C1 的構型不同,符合異頭物定義。
  • **(B) epimers:不選。
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第 13 題3 分

Which of the following molecules is NOT aromatic?

(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) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
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核心觀念

芳香性通常須同時符合:環狀、連續共軛、近似平面,且具有 4n+24n+2 個 π\pi 電子(n=0,1,2,…n=0,1,2,\ldots),即休克爾規則。環狀共軛系統若有 4n4n 個 π\pi 電子,平面構形會造成不利的反芳香性;分子常採非平面構形以避免反芳香性,此時判為非芳香性。

解題方法

圖中各選項依序為稠合環共軛系統、萘、環辛四烯、環庚三烯酮(tropone)與薁(azulene)。逐一判斷各分子的共軛範圍、π\pi 電子數及幾何構形,即可找出不具芳香性的選項。

選項分析

  • (A) 芳香性。 此稠合共軛環系具有連續的 π\pi 電子離域,包含芳香性環系,因此不是答案。
  • **(B) 芳香性。
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第 14 題3 分

Which of the following molecules is stable in air at room temperature?

(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) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
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第 15 題3 分

Which of the following molecules is a D-sugar?

(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) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

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核心觀念

單醣的 D/L 判定看的是離羰基最遠的手性碳,也就是費雪投影中最下方的手性碳。將碳鏈畫成羰基在上方的費雪投影後,該碳的 OH 在右側為 D 糖,在左側為 L 糖。這個判定與分子的旋光方向無關。

解題方法

圖中 A、B、D、E 的羰基位於碳鏈頂端;C 的羰基位於第二個碳,屬於酮糖。逐一找出各結構中離羰基最遠的手性碳,再看該碳上 OH 的左右位置;E 在較上方的手性碳帶有 NHCOCH₃,但仍以最下方手性碳判定 D/L。

選項分析

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第 16 題3 分

Rank the acidity of the most acidic proton in the following molecules (from strongest to weakest).

Molecules I\mathrm{I}, II\mathrm{II}, III\mathrm{III}, and IV\mathrm{IV}:

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

(A) I>II>III>IV\mathrm{I}>\mathrm{II}>\mathrm{III}>\mathrm{IV}
(B) IV>III>II>I\mathrm{IV}>\mathrm{III}>\mathrm{II}>\mathrm{I}
(C) III>IV>II>I\mathrm{III}>\mathrm{IV}>\mathrm{II}>\mathrm{I}
(D) III>II>I>IV\mathrm{III}>\mathrm{II}>\mathrm{I}>\mathrm{IV}

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
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核心觀念

酸性強弱取決於失去質子後共軛鹼的穩定度:共軛鹼越穩定,酸性越強、pKapK_a 越低。判斷時要先找出各分子中最酸性的質子,再比較其共軛鹼能否透過共振或吸電子效應得到穩定。

解題方法

圖中 I 是乙醯苯的甲基氫;II 是鄰硝基乙醯苯的甲基氫;III 是苯酚的羥基氫;IV 是苯甲羥肟酸的 NN–OHOH 羥基氫。依序比較這些質子解離後的共軛鹼穩定度。

IV 的 O−HO-H 解離後,負電荷可由相鄰羰基穩定,因此酸性強於苯酚。III 解離後形成的苯氧負離子可將負電荷共振分散到芳香環上。I、II 的甲基氫解離後形成烯醇負離子;II 的鄰硝基具有吸電子效應,能穩定共軛鹼,使 II 的酸性強於 I。這類甲基氫的酸性仍弱於 IV、III 的羥基氫。

因此由強到弱的順序為:

IV>III>II>I\mathrm{IV}>\mathrm{III}>\mathrm{II}>\mathrm{I}

選項分析

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第 17 題3 分

Which of the following descriptions about phosphatidylcholine is NOT correct?

(A) It is a common lipid in biological membranes
(B) It is zwitterionic under physiological conditions
(C) It contains a phosphodiester moiety
(D) It contains two ester moieties
(E) It contains a tertiary amine

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核心觀念

磷脂醯膽鹼(phosphatidylcholine,PC)是由甘油骨架、兩條脂肪酸、磷酸基與膽鹼組成的膜脂。判斷各選項時,需掌握其官能基與電荷:

  • 甘油的兩個羥基分別與脂肪酸形成酯鍵。
  • 磷酸基連接甘油與膽鹼,形成磷酸二酯。
  • 膽鹼的氮原子帶有四個碳取代基,屬於季銨鹽,不是三級胺。

解題方法

依序檢查磷脂醯膽鹼的分子結構:先確認它是否為常見膜脂,再判斷生理條件下的電荷狀態,最後數出酯鍵與辨認膽鹼氮原子的取代型態。關鍵在於區分「三級胺」與「季銨鹽」:三級胺的氮連接三個碳取代基,季銨鹽的氮則連接四個碳取代基並帶正電。

選項分析

(A) 正確。 磷脂醯膽鹼是生物膜中常見的磷脂,許多細胞膜都含有此成分。

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第 18 題3 分

Flavin is an important cofactor that mediates electron transfer in enzymes that catalyze redox reactions. It can exist in various forms (I\mathrm{I} to IV\mathrm{IV}). Rank them from highest to lowest oxidation state.

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

(A) I>II>III>IV\mathrm{I}>\mathrm{II}>\mathrm{III}>\mathrm{IV}
(B) IV>III>II>I\mathrm{IV}>\mathrm{III}>\mathrm{II}>\mathrm{I}
(C) I>II>IV>III\mathrm{I}>\mathrm{II}>\mathrm{IV}>\mathrm{III}
(D) I>III>II>IV\mathrm{I}>\mathrm{III}>\mathrm{II}>\mathrm{IV}

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

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核心觀念

黃素的氧化還原態可用接受電子的數目比較:氧化型黃素接受 11 個電子成為半醌自由基,再接受 11 個電子成為雙電子還原型。接受電子愈多,氧化態愈低;黃素的 N5N5-氧化物則比一般氧化型黃素更氧化。

解題方法

圖中,結構 I 在 N5N5 上有氧化物的 N–ON–O 結構;II 是一般氧化型黃素;IV 是單電子還原的半醌自由基;III 的 N1N1 與 N5N5 均帶有氫,為雙電子還原型。依序比較各結構相對於氧化型黃素接受電子的數目,即可排列氧化態。

以氧化型黃素 II 為基準,半醌自由基 IV 接受 11 個電子,雙電子還原型 III 接受 22 個電子,因此:

II>IV>III\mathrm{II}>\mathrm{IV}>\mathrm{III}

結構 I 是 N5N5-氧化物,氧化態高於一般氧化型黃素 II,故完整排序為:

I>II>IV>III\mathrm{I}>\mathrm{II}>\mathrm{IV}>\mathrm{III}

選項分析

  • **(A) I>II>III>IV\mathrm{I}>\mathrm{II}>\mathrm{III}>\mathrm{IV}:錯誤。
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📄 以下 2 題共用同一段題幹

Questions 19 & 20 are about cysteine proteases. The active site of these enzymes usually consists of three key amino acid residues that are in spatial proximity, referred to as the catalytic triad.

第 19 題2 分

The catalytic triad of a cysteine protease usually contains ____ (XX), ____ (YY), and cysteine (name of the amino acids).

Hint: The acid dissociation constants (pKa\mathrm{p}K_{\mathrm{a}}) of the side-chain functional groups of these amino acids are approximately 4.04.0 (XX), 6.06.0 (YY), and 8.38.3 (cysteine).

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核心觀念

本題用胺基酸側鏈的酸鹼性質辨認殘基。可解離基團的 pKa\mathrm{p}K_{\mathrm a},是其酸型與共軛鹼型濃度相等時的 pH;常見側鏈中,羧酸基的 pKa\mathrm{p}K_{\mathrm a} 約為 4,組胺酸咪唑基約為 6,半胱胺酸巰基約為 8 左右。

解題方法

  1. XX 的側鏈 pKa≈4.0\mathrm{p}K_{\mathrm a}\approx 4.0,對應酸性胺基酸的羧酸側鏈;依題目所指的催化殘基,XX 為天冬胺酸(Asp)。
  2. YY 的側鏈 pKa≈6.0\mathrm{p}K_{\mathrm a}\approx 6.0,對應組胺酸的咪唑側鏈,因此 YY 為組胺酸(His)。
  3. 題幹已給第三個殘基為半胱胺酸(Cys)。

解題技巧與補充

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第 20 題2 分

Draw the structures of the two amino acids in the previous question.

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核心觀念

第 20 題要畫出前一題所判定的兩種胺基酸。圖中第 19 題提供側鏈 pKapK_a 約為 4.0、6.0、8.3,並已指出其中一個殘基是半胱胺酸;前兩個數值分別對應天冬胺酸的羧基側鏈與組胺酸的咪唑側鏈。因此要畫的是天冬胺酸與組胺酸。

解題方法

依圖中所列的側鏈 pKapK_a 判斷:側鏈羧基的 pKapK_a 約為 4.0,對應天冬胺酸;咪唑側鏈的 pKapK_a 約為 6.0,對應組胺酸。下列以常見的未解離形式表示,並標出各自的側鏈特徵:

  1. 天冬胺酸(Asp, D)

    HOOC−CH(NH2)−CH2−COOH\mathrm{HOOC{-}CH(NH_2){-}CH_2{-}COOH}

    側鏈為 −CH2−COOH\mathrm{-CH_2-COOH}。

  2. 組胺酸(His, H)

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📄 以下 2 題共用同一段題幹

Answer Questions 21 & 22 based on the following compounds and reagents.

Compounds (I\mathrm{I}), (II\mathrm{II}), and (III\mathrm{III}), and reagents (IV\mathrm{IV}), (V\mathrm{V}), and (VI\mathrm{VI}):

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

第 21 題3 分

Bromoalkane can undergo substitution or elimination when it reacts with a base. Choose the combination that yields the highest ratio of elimination product.(全對才給分)

21.1 Choose a bromoalkane from compound [I\mathrm{I}, II\mathrm{II}, or III\mathrm{III}].

21.2 Choose a base from reagent [IV\mathrm{IV}, V\mathrm{V}, or VI\mathrm{VI}].

21.3 Choose to run the reaction at [High or Low] temperature.

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

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核心觀念

本題考查鹵烷與鹼反應時,如何讓消去反應(E2)相較於親核取代反應占較高比例。E2 需要鹼從鹵素所在碳相鄰的 β-碳抓取氫,同時離去基離開並形成雙鍵。

提高消去比例的典型選擇是:使用三級鹵烷降低 SN2S_\mathrm{N}2 取代的可能性、使用體積大的強鹼促進抓取 β-氫,並提高反應溫度以利消去反應。

解題方法

依圖讀取結構:化合物 I 是一級溴烷,II 是二級溴烷,III 是三級溴烷;試劑 IV 是乙氧基鉀,V 是異丙氧基鉀,VI 是第三丁氧基鉀。三種溴烷皆有可供消去的 β-氫。

先比較底物對取代與消去的影響,再比較鹼的體積,最後選擇較有利於消去的溫度。三級溴烷因溴所在碳周圍擁擠,不利於親核試劑從背面進攻,因此 SN2S_\mathrm{N}2 受抑制;第三丁氧基鉀則是體積較大的強鹼,偏向抓取 β-氫進行 E2。

選項分析

21.1 溴烷選擇

  • I:錯。 I 是一級溴烷,位阻小,親核試劑容易進攻,取代反應較容易與消去競爭。
  • **II:錯。
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第 22 題3 分

Draw the structure of the elimination product.

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

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核心觀念

本題考鹵烷的消去反應。烷基溴與強鹼進行 E2E2 消去時,鹼抓取 β\beta-碳上的氫,同時溴離去,形成碳碳雙鍵。體積大的強鹼較不利於取代反應;升高溫度也有利於消去反應。

解題方法

圖中化合物(III)是三級溴烷,試劑(VI)是體積較大的三級丁氧基鉀;第 21 題要提高消去產物比例時,應選(III)、(VI)及高溫。三級丁基溴的三個甲基等價,從任一甲基移除一個 β\beta-氫,所得烯烴相同。

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📄 以下 2 題共用同一段題幹

Questions 23 & 24 are about Diels–Alder reactions, a type of [4+2][4+2] cycloaddition reaction.

第 23 題3 分

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

Draw the product PP for the reaction shown above. Clearly indicate stereochemistry.

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

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核心觀念

本題考 Diels–Alder 反應的立體專一性:反應會保留親雙烯體(dienophile)雙鍵兩端取代基的相對立體關係。圖中是環戊二烯與反式的二甲基丁烯二酸酯(dimethyl fumarate)反應;雙鍵上的兩個 CO2Me\mathrm{CO_2Me} 位於相對兩側,因此產物中的兩個酯基必須仍為反式。

解題方法

先辨認圖中環戊二烯提供雙烯,而二甲基丁烯二酸酯的碳碳雙鍵提供親雙烯體。形成兩個新的碳碳鍵後,環戊二烯的兩個末端接上原雙鍵的兩個碳;雙烯中間的雙鍵保留,形成 norbornene 骨架。

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第 24 題3 分

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

The starting material SS underwent an intramolecular Diels–Alder reaction to generate compound (I\mathrm{I}).

Draw the structure of SS. Clearly indicate stereochemistry.

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

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Questions 25 & 26 are about the “Fmoc” (fluorenylmethyloxycarbonyl) protecting group. It is often used as the amine protecting group in solid-phase peptide synthesis. Fmoc-protected phenylalanine (Fmoc-Phe-OH) is shown as an example.

Fmoc-Phe-OH undergoes deprotection with base to give X+Y+ZX+Y+Z.

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

第 25 題3 分

Draw the products (XX, YY, and ZZ) of Fmoc-Phe-OH deprotection.

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 4 頁

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核心觀念

Fmoc 是胺基的保護基。鹼會促使 Fmoc 基團經由消除反應脫除,接著形成的胺基甲酸酯中間體脫羧,釋出原本受保護的胺基。

解題方法

依原圖,起始物是 Fmoc 保護的苯丙胺酸:α 碳連接胺基甲酸酯、羧酸、氫,以及以實心楔形鍵連接的 CH2Ph\mathrm{CH_2Ph}。判斷產物時,要保留這個 α 碳的立體配置;反應不會切斷 α 碳與 CH2Ph\mathrm{CH_2Ph} 的鍵。

  1. 鹼移去芴環 9 位的氫,接著發生消除,形成二苯並富烯(dibenzofulvene,也稱 9-亞甲基芴),並留下胺基甲酸酯中間體。
  2. 胺基甲酸酯中間體脫去 CO2\mathrm{CO_2},釋出苯丙胺酸的胺基。
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第 26 題3 分

Draw the arrow-pushing mechanism of Fmoc-Phe-OH deprotection.

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 4 頁

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Questions 27 & 28 are about the Wittig reaction. It was first reported in 1954 by Georg Wittig, who was awarded the Nobel Prize in Chemistry in 1979 for his discovery and research of this reaction. It is a useful method to synthesize alkenes from aldehydes or ketones.

Preparation of reagent (I\mathrm{I}) and its reaction through intermediate XX:

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

第 27 題2 分

Reagent (I\mathrm{I}) is formally a carbanion directly attached to a positively charged phosphorus atom. This type of neutral dipolar molecule is called a ____.

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 4 頁

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核心觀念

題目考「葉立德」(ylide)的定義:分子內相鄰的原子帶有形式上的相反電荷,整個分子仍為中性。Wittig 反應使用的膦葉立德中,帶負電的碳直接連接帶正電的磷。

解題方法

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第 28 題3 分

Draw the structure of the key oxaphosphetane intermediate XX.

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 4 頁

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核心觀念

Wittig 反應中,葉立德的帶負電碳與羰基碳形成新的碳碳鍵;羰基氧則與磷形成磷氧鍵,生成四員環的氧雜磷雜環丁烷(oxaphosphetane)中間體。此中間體裂解後形成烯烴與三苯基氧化膦。

解題方法

原圖的試劑(I)是 Ph3P=C(CH3)2\mathrm{Ph_3P=C(CH_3)_2},葉立德碳連接兩個甲基;羰基底物是苯甲醛 PhCHO\mathrm{PhCHO},其羰基碳帶有氫與苯基。成環時,葉立德碳連到羰基碳,羰基氧連到磷,因此環的連接順序為 P−O−C−C\mathrm{P-O-C-C}:

          O
        /   \
     Ph₃P   CH(Ph)
        \   /
       C(CH₃)₂
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📄 以下 4 題共用同一段題幹

Questions 29 to 32 are about NMR spectroscopy knowledge.

第 29 題6 分

Teixobactin was discovered in 2015 and is a promising antibiotic candidate. Answer the following questions about its NMR properties based on its structure shown below.

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

29.1 How many carbons in 13C^{13}\mathrm{C} NMR do you expect to see in the δ>100 ppm\delta>100\,\mathrm{ppm} range?(1 分)

29.2 Among the carbons in 29.1, how many of them are sp3\mathrm{sp}^3 hybridized?(1 分)

29.3 How many protons in 1H^1\mathrm{H} NMR do you expect to see in the δ<2.0 ppm\delta<2.0\,\mathrm{ppm} range?(1 分)

29.4 Among the protons in 29.3, how many of them split into doublets?(1 分)

29.5 The arrow points to two protons. Will they have the same chemical shift?(1 分)

29.6 The arrow points to two protons. Will they have the same splitting pattern?(1 分)

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 4 頁

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載入中…

第 30 題3 分

The molecular formula of molecule 30 is C10H12O\mathrm{C_{10}H_{12}O}. Its 1H^1\mathrm{H} NMR spectrum is shown below. Draw the most likely structure of this molecule.

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 5 頁

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核心觀念

¹H NMR 的訊號位置反映氫所處的化學環境;訊號積分與該環境中的氫數成正比。分子不飽和度可用下式計算:

DBE=2C+2−H2\mathrm{DBE}=\frac{2C+2-H}{2}

本題分子式為 C10H12O\mathrm{C_{10}H_{12}O},故不飽和度為

DBE=2(10)+2−122=5\mathrm{DBE}=\frac{2(10)+2-12}{2}=5

這與一個苯環(4 個不飽和度)及一個羰基(1 個不飽和度)相符。

解題方法

圖中可讀到五組訊號:約 δ10\delta 10 ppm(積分 1)、δ7.8\delta 7.8 ppm 附近(積分 2)、δ7.4\delta 7.4 ppm 附近(積分 2)、δ3\delta 3 ppm 附近(積分 1),以及 δ1.2\delta 1.2 ppm 附近(積分 3)。

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第 31 題3 分

The molecular formula of compound 31 is C7H10N2\mathrm{C_7H_{10}N_2}. Its 1H^1\mathrm{H} NMR spectrum is shown below. Draw the most likely structure of this molecule.

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 5 頁

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這一題的完整詳解

核心觀念

用分子式計算不飽和度,並把 1H^1\mathrm{H} NMR 的化學位移、訊號數與積分合併判斷。氫譜積分代表各訊號對應氫數的相對比例;對稱分子中,等價氫會出現相同訊號。

解題方法

圖中可讀到三組主要訊號:δ≈8.1\delta\approx 8.1、6.46.4 與 3.0 ppm3.0\ \mathrm{ppm};標示的近似積分為 11、22、66。分子式為 C7H10N2\mathrm{C_7H_{10}N_2}。

先計算不飽和度:

DBE=2(7)+2+2−102=4\mathrm{DBE} =\frac{2(7)+2+2-10}{2} =4

四個不飽和度符合一個含氮芳香六員環。約 3.0 ppm3.0\ \mathrm{ppm} 的 66 個氫,表示兩個等價甲基連在同一個氮上,形成 N(CH3)2\mathrm{N(CH_3)_2}。

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第 32 題6 分

Match the 1H^1\mathrm{H} NMR spectra below to amino acid structures shown below. All spectra were obtained in D2O\mathrm{D_2O} using a 600 MHz600\,\mathrm{MHz} instrument with tetramethylsilane (TMS) as the internal standard.

Amino acid structures: Alanine, Arginine, Aspartic acid, Histidine, Glutamine, Isoleucine, Serine, Threonine, Leucine, Phenylalanine, Tyrosine, and Tryptophan.

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

Spectrum (I\mathrm{I}), including a zoom in the δ=7.0\delta=7.0–7.8 ppm7.8\,\mathrm{ppm} range:

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

Spectrum (II\mathrm{II}), including a zoom in the δ=1.5\delta=1.5–3.5 ppm3.5\,\mathrm{ppm} range:

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

Spectrum (III\mathrm{III}), including a zoom in the δ=0.5\delta=0.5–2.0 ppm2.0\,\mathrm{ppm} range:

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

32.1 Spectrum (I\mathrm{I}) corresponds to ____ (name of amino acid).(2 分)

32.2 Spectrum (II\mathrm{II}) corresponds to ____ (name of amino acid).(2 分)

32.3 Spectrum (III\mathrm{III}) corresponds to ____ (name of amino acid).(2 分)

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 6 頁

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核心觀念

本題用 1H^1\mathrm{H} NMR 的化學位移、訊號數目與積分辨認胺基酸側鏈。化學環境不同的氫會出現在不同化學位移;積分則反映各組氫的相對數目。

樣品溶於 D2O\mathrm{D_2O},胺基、羧基及側鏈上可交換的 N−H\mathrm{N-H}、O−H\mathrm{O-H} 氫會與氘交換,通常不作為主要判讀依據。判斷時應著重碳上的氫,例如芳香環氫、α\alpha-碳氫與側鏈的 CH\mathrm{CH}、CH2\mathrm{CH_2}、CH3\mathrm{CH_3}。

解題方法

圖中三張光譜呈現的辨認重點依序為:Spectrum (I) 的芳香區 δ=7.0\delta=7.0–7.8 ppm7.8\,\mathrm{ppm} 有多組訊號;Spectrum (II) 在 δ=1.5\delta=1.5–3.5 ppm3.5\,\mathrm{ppm} 有多組脂肪族側鏈訊號;Spectrum (III) 在 δ=0.5\delta=0.5–2.0 ppm2.0\,\mathrm{ppm} 可見兩組甲基訊號,並有較高位移的側鏈氫訊號。

Spectrum (I):色胺酸(Tryptophan)

色胺酸具有吲哚環,碳上的芳香氫分布在 δ≈7.0\delta\approx 7.0–7.8 ppm7.8\,\mathrm{ppm},呈現多組芳香訊號;側鏈的苄位 CH2\mathrm{CH_2} 與 α\alpha-碳氫則出現在較高位移的脂肪族區。此芳香區型態符合色胺酸的吲哚環。苯丙胺酸也有五個芳香氫,但其苯環訊號型態不同,且不具吲哚環的芳香訊號分布。

Spectrum (II):精胺酸(Arginine)

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