112 年 國立清華大學分析與環境科學研究所《有機化學》

核心觀念

本題考查立體異構物中的對映異構物（enantiomers）。對映異構物具有：

• 相同的原子連接順序。
• 每一個手性中心的空間配置完全相反。
• 彼此互為不可重疊的鏡像。

題目中央碳原子連接四種不同基團：

因此中央碳是手性中心。依序比較原子序與所連原子：

解題方法

將各選項的立體模型視為可在空間中旋轉的分子，判斷其與原分子的手性配置是否相同：

• 若只是整個分子旋轉，仍是同一化合物。
• 若只有一對基團的前後位置互換，手性配置會反轉，成為對映異構物。
• 楔線表示朝向觀察者，虛線表示背向觀察者。

原圖中，四個基團的立體排列為：

• $\mathrm{CH_3}$：虛線楔形鍵，朝後。
• $\mathrm{Cl}$：實心楔形鍵，朝前。

此題考驗對對掌異構物 (enantiomers) 在生物體內重要性的理解。

許多生物分子，如蛋白質、核酸、醣類等，本身就是手性分子。生物體內的反應通常由酵素催化，而酵素的活性部位（受體）也是手性結構。因此，當外來的分子（如藥物或代謝物）進入生物體時，它們與手性受體之間的交互作用會受到立體化學的影響。

此題考驗計算分子立體異構物數量的能力。立體異構物包括對掌異構物 (enantiomers) 和非對映異構物 (diastereomers)。

首先，我們需要確定分子中有多少個手性中心。
分子結構為 3-bromo-2-butanol：CH3-CH(OH)-CH(Br)-CH3。
手性中心是與四個不同基團相連的碳原子。
在這個分子中，有兩個手性中心：

1. 連接 -CH3, -OH, -H, 和 -CH(Br)CH3 的碳原子（C2）。
2. 連接 -CH3, -Br, -H, 和 -CH(OH)CH3 的碳原子（C3）。

對於一個具有 $n$ 個手性中心的分子，其最多可能存在的立體異構物數量為 $2^n$。
在這個例子中，$n=2$，所以最多可能存在 $2^2 = 4$ 個立體異構物。

接下來，我們需要確認這些立體異構物是否確實存在，以及是否有對稱面導致某些異構物是內消旋體 (meso compound)。
我們來畫出這兩個手性中心的構型組合：
C2 上的 OH 可以是 R 或 S。
C3 上的 Br 可以是 R 或 S。

可能的構型組合有：

1. (2R, 3R)
2. (2S, 3S)
3. (2R, 3S)
4. (2S, 3R)

核心觀念

鍵的極性取決於成鍵兩原子的電負度差：

電負度差越大，共價鍵的電子越偏向電負度較大的原子，因此鍵的極性越強。

常用 Pauling 電負度約為：

• $F=3.98$
• $O=3.44$
• $C=2.55$
• $H=2.20$

解題方法

逐一計算各鍵的電負度差：

此題考驗對「非共價鍵 (noncovalent interactions)」，特別是「氫鍵 (hydrogen bonding)」的理解。氫鍵是一種特殊的偶極-偶極作用，發生在氫原子與電負度較大的原子（如 O, N, F）之間，且該氫原子本身也與另一個電負度較大的原子鍵結。

我們需要分析三種分子之間可能存在的非共價鍵：

1. CH3CH2NH2 (乙胺)：
   • 分子內有 N-H 鍵，其中 N (電負度約 3.04) 的電負度大於 H (電負度約 2.20)，因此 N-H 鍵是極性的。
   • 由於存在 N-H 鍵，乙胺分子之間可以形成氫鍵。氫原子會與另一個乙胺分子的 N 原子形成氫鍵。

此題考驗對維生素C (Vitamin C，又稱抗壞血酸 Ascorbic Acid) 的結構和性質的理解。

首先，觀察維生素C的結構：
🖼️【此處有附圖，請對照原卷】
該結構中含有多個羥基 (-OH) 和一個內酯環（含有羰基 C=O 和醚氧 O）。

分析選項：
(A) 判斷親水性 (hydrophilic)：親水性通常與分子中含有極性基團（如 -OH, -COOH, -NH2 等）和能形成氫鍵的基團有關。維生素C擁有四個羥基 (-OH) 和一個醚氧原子，這些都是極性基團，並且都能參與氫鍵的形成（作為氫鍵供體或受體）。因此，維生素C是親水的。

(B) 判斷分散力 (dispersion forces)：所有分子，無論極性如何，都存在分散力。維生素C分子也存在分散力。

此題考驗對常見有機官能基的組成元素的了解。

我們逐一分析各個選項的官能基結構：
(A) Ether (醚)：通式為 R-O-R'。醚官能基包含氧原子。
(B) Thiol (硫醇)：通式為 R-SH。硫醇官能基包含硫原子 (S) 和氫原子 (H)，但不包含氧原子。
(C) Aldehyde (醛)：通式為 R-CHO。醛官能基包含一個羰基 (C=O) 和一個氫原子。它包含氧原子。
(D) Ester (酯)：通式為 R-COO-R'。

此題考驗對有機官能基中碳原子雜化軌域 (hybridization) 的判斷。sp² 雜化是指一個碳原子與三個其他原子形成 sigma 鍵，並且有一個 pi 鍵。這通常發生在碳原子形成雙鍵時。

我們逐一分析各個選項的官能基，並判斷其中碳原子的雜化狀態：
(A) Alkyl halide (鹵代烷)：通式為 R-X，其中 X 是鹵素。碳原子與四個單鍵相連（三個 R 基團或 H，一個 X），因此是 sp³ 雜化。
(B) Sulfide (硫醚)：通式為 R-S-R'。硫原子連接兩個碳原子，它有兩個孤對電子，因此硫原子的雜化是 sp³。碳原子與硫原子形成單鍵，與其他碳原子形成單鍵，因此碳原子是 sp³ 雜化。
(C) Alcohol (醇)：通式為 R-OH。與羥基相連的碳原子與四個單鍵相連（一個 R 基團，一個 H，一個 OH），因此是 sp³ 雜化。
(D) Aldehyde (醛)：通式為 R-CHO。

此題考驗對烷烴鹵代反應的理解，特別是反應條件（過量鹵素、長時間）對產物生成的影響。

乙烷 (ethane, CH3CH3) 與氯氣 (Cl2) 的反應通常在光照或加熱的條件下進行，屬於自由基取代反應 (free radical substitution)。反應的機理如下：

1. 起始 (Initiation)：Cl2 在光或熱下分解為兩個氯自由基 (Cl·)。
   $Cl_2 \xrightarrow{h\nu \text{ or } \Delta} 2Cl·$
2. 傳播 (Propagation)：
   • 氯自由基奪取乙烷中的氫原子，生成 HCl 和乙基自由基 (CH3CH2·)。
     $CH_3CH_3 + Cl· \rightarrow CH_3CH_2· + HCl$
   • 乙基自由基與氯氣反應，生成氯乙烷 (CH3CH2Cl) 和一個新的氯自由基。
     $CH_3CH_2· + Cl_2 \rightarrow CH_3CH_2Cl + Cl·$
3. 終止 (Termination)：自由基結合生成穩定分子。

此題考驗對有機反應類型的判斷。觀察反應物和產物，以及反應中涉及的試劑。

反應物是第三級醇：2-甲基-2-丙醇 (tert-butyl alcohol, (CH3)3COH)。
試劑是 HBr。
產物是第三級鹵代烷：2-溴-2-甲基丙烷 ((CH3)3CBr)。
反應式：(CH3)3COH + HBr → (CH3)3CBr + H2O

在這個反應中，醇的羥基 (-OH) 被溴原子 (-Br) 取代了。
反應機理通常涉及質子化 (protonation) 形成更好的離去基團 (good leaving group)，然後離去形成碳陽離子，最後親核試劑進攻碳陽離子。

1. 醇的質子化：
   $(CH3)_3COH + H^+ \rightarrow (CH3)_3C-OH_2^+$
2. 離去基團離去，形成碳陽離子：
   $(CH3)_3C-OH_2^+ \rightarrow (CH3)_3C^+ + H_2O$
   (第三級碳陽離子很穩定)
3. 親核試劑 (Br-) 進攻碳陽離子：

此題考驗對反應中間體 (reaction intermediate) 的識別。反應式如下：
🖼️【此處有附圖，請對照原卷】
反應物 A 是 2-溴-2-甲基丙烷 ((CH3)3CBr)。
產物 B 是 (CH3)3C+。

這個反應是從 2-溴-2-甲基丙烷 (A) 轉變為 (CH3)3C+ (B)。
從結構上看，A 是一個烷烴，其中一個碳原子連接了一個溴原子和三個甲基。
B 結構上是 (CH3)3C 加上一個正電荷。這表示溴原子以 Br- 的形式離去，留下一個帶正電的碳原子。

(CH3)3CBr → (CH3)3C+ + Br-

一個帶正電的碳原子，具有六個價電子（形成三個單鍵，但缺少一對電子），稱為碳陽離子 (carbocation)。

此題考驗對胺基酸側鏈結構的認識。芳香族側鏈是指含有苯環或其他芳香族環結構的側鏈。

我們逐一檢查各個胺基酸的側鏈結構：
(A) Isoleucine (異白胺酸)：側鏈是 -CH(CH3)CH2CH3 的支鏈烷烴。這是脂肪族的，非芳香族的。
(B) Valine (纈胺酸)：側鏈是 -CH(CH3)2 的支鏈烷烴。這是脂肪族的，非芳香族的。
(C) Tyrosine (酪胺酸)：側鏈是 -CH2-C6H4-OH (對位取代的苯酚)。它包含一個苯環，因此是芳香族側鏈。

此題考驗對 DNA 和 RNA 的基本結構和組成成分的了解。

我們逐一分析各個選項：
(A) Both DNA and RNA are completely double-stranded. (DNA 和 RNA 都是完全雙股的。)

• DNA 通常是雙股螺旋結構。
• RNA 通常是單股結構，雖然它內部可以形成髮夾結構或與其他 RNA 分子形成雙股區域，但其整體結構是單股的。
• 此陳述是錯誤的。

(B) Both DNA and RNA are completely single-stranded. (DNA 和 RNA 都是完全單股的。)

• 如上所述，DNA 通常是雙股的，RNA 通常是單股的。
• 此陳述是錯誤的。

(C) Both DNA and RNA contain ribose. (DNA 和 RNA 都含有核糖。)

• RNA 的組成單位核苷酸中含有核糖 (ribose)。
• DNA 的組成單位核苷酸中含有去氧核糖 (deoxyribose)，而不是核糖。

此題考驗對「保護基 (protecting group)」概念的理解。保護基的目的是暫時性地修飾一個官能基，使其在某個反應條件下不發生反應，以便另一個官能基能夠選擇性地進行反應。反應完成後，保護基需要能夠被移除，恢復原來的官能基。

我們來分析一個理想保護基應具備的性質：

1. 選擇性引入 (Selective Introduction)：保護基能夠選擇性地與目標官能基反應，而不會影響分子中的其他官能基。
2. 惰性 (Inertness)：在目標反應條件下，被保護的官能基應該是惰性的，即不發生反應。這意味著保護基本身對目標反應條件是穩定的。
3. 選擇性移除 (Selective Removal)：在目標反應完成後，保護基能夠在不影響分子其他部分的情況下被移除，恢復原來的官能基。

現在我們逐一檢視選項：
(A) Change the reactivity of a functional group (改變官能基的反應性)：這是保護基的主要功能。例如，將醇的 -OH 保護成醚，使其不與氧化劑反應。這是保護基的性質。

此題考驗對蛋白質結構層次 (levels of protein structure) 的理解，特別是「一級結構 (primary structure)」。

蛋白質的結構可以分為四個層次：

• 一級結構 (Primary Structure)：指蛋白質中胺基酸的線性順序，由肽鍵 (peptide bonds) 連接而成。這是蛋白質分子中最基本的結構，決定了蛋白質的二級、三級和四級結構，以及其最終的生物功能。
• 二級結構 (Secondary Structure)：指蛋白質局部區域的規則性摺疊，如 α-螺旋 (α-helix) 和 β-摺疊 (β-sheet)，這些結構是由肽鏈骨架之間的氫鍵形成的。
• 三級結構 (Tertiary Structure)：指整個蛋白質多肽鏈的三維空間結構，包括二級結構的進一步摺疊以及側鏈之間的各種相互作用（如離子鍵、氫鍵、疏水作用、雙硫鍵等）。

核心觀念

依原圖，(III) 為苯酚 $C_6H_5OH$；題目文字中的「DOH」應為辨識誤植。判斷酸性強弱主要比較 $pK_a$：

各物質的共軛鹼及約略 $pK_a$ 為：

• (I) $H_3O^+$：共軛鹼為 $H_2O$，$pK_a\approx -1.7$
• (II) $C_6H_5NH_3^+$：共軛鹼為苯胺 $C_6H_5NH_2$，$pK_a\approx 4.6$
• (III) $C_6H_5OH$：共軛鹼為苯氧負離子 $C_6H_5O^-$，$pK_a\approx 10$
• (IV) $H_2O$：共軛鹼為 $OH^-$，$pK_a\approx 15.7$

解題方法

依 $pK_a$ 由小到大排列：

因此酸性由強至弱為：

其中，苯酚的共軛鹼 $C_6H_5O^-$ 可由苯環共振分散負電荷，所以比一般醇更酸；但苯胺鎓離子帶有正電荷，失去質子後形成中性苯胺，酸性仍比苯酚強。

此題考驗對 SN2 反應反應速率與底物結構之間關係的理解。SN2 反應的反應速率主要受親核試劑的強度和離去基團的性質影響，但底物（鹵代烷）的結構是關鍵因素。

SN2 反應是協同反應，親核試劑從底物的碳原子背面進攻，同時離去基團離開。這個過程需要空間上的接近，因此，位阻 (steric hindrance) 對 SN2 反應速率有顯著影響。位阻越小，反應越快。

SN2 反應的底物反應性順序通常是：
甲基鹵代烷 (CH3X) > 一級鹵代烷 (RCH2X) > 二級鹵代烷 (R2CHX) >> 三級鹵代烷 (R3CX)
（三級鹵代烷幾乎不發生 SN2 反應）。

此外，離去基團的性質也很重要。離去能力越強，反應越快。常見的離去基團順序是：
I- > Br- > Cl- >> F-
（離去能力與其共軛酸的酸性成正比）。

我們來分析各個選項的結構和離去基團：
(A) (CH3)3CCH2I：這是一個一級鹵代烷（連接 I 的碳原子只連接一個碳原子），離去基團是 I-。
(B) (CH3)3CCI：這是一個三級鹵代烷（連接 Cl 的碳原子連接三個碳原子），離去基團是 Cl-。三級鹵代烷幾乎不發生 SN2。
(C) (CH3)2CHI：這是一個二級鹵代烷（連接 I 的碳原子連接兩個碳原子），離去基團是 I-。
(D) (CH3)2CHCH2CH2CH2Cl：這是一個一級鹵代烷（連接 Cl 的碳原子只連接一個碳原子），離去基團是 Cl-。
(E) (CH3)2CHCH2CH2CH2I：這是一個一級鹵代烷（連接 I 的碳原子只連接一個碳原子），離去基團是 I-。

比較這些選項：

• (B) 是三級鹵代烷，反應性最低。
• (D) 和 (E) 都是一級鹵代烷，但離去基團不同：(D) 是 Cl-，(E) 是 I-。由於 I- 是比 Cl- 更好的離去基團，(E) 的反應性會比 (D) 強。
• (C) 是二級鹵代烷，反應性低於一級鹵代烷。
• (A) 是一級鹵代烷，離去基團是 I-。

此題考驗對質譜儀 (mass spectrometer) 數據表示的理解。質譜儀用於測量樣品的質荷比 (mass-to-charge ratio, m/z)。

在質譜圖中：

• 橫坐標 (Horizontal axis) 表示離子被檢測到的質荷比 (m/z)。

此題考驗對質譜儀 (mass spectrometer) 數據表示的理解。

在質譜圖中：

• 橫坐標 (Horizontal axis) 表示離子被檢測到的質荷比 (mass-to-charge ratio, m/z)。

此題考驗對核磁共振 (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) 譜學原理的理解。NMR 譜學依賴於原子核的磁性來產生訊號。

一個原子核能夠產生 NMR 訊號，必須滿足以下條件之一：

1. 其核自旋量子數 $I$ 不為零 ($I \neq 0$)。
2. 或者，其核自旋量子數 $I$ 為半整數 (如 1/2, 3/2, 5/2, ...)。
3. 或者，其核自旋量子數 $I$ 為整數 (如 1, 2, 3, ...)，但必須具有偶極矩。

具有 $I=0$ 的原子核，其磁矩為零，因此無法與外加磁場相互作用，也就無法產生 NMR 訊號。

核心觀念

本題考查**核磁共振氫譜（$^1\text{H NMR}$）**的四大核心圖譜特徵及其所代表的結構資訊：

1. 訊號數量（Number of signals）：代表分子中化學環境不相同的質子（非同質質子）種類數。
2. 化學位移（Chemical shift, $\delta$）：代表該種質子所處的電子屏蔽環境（受相鄰官能基的電負度、磁各向異性等影響）。
3. 訊號積分（Integration of signals）：訊號底下的波峰面積，與產生該訊號的質子相對數目成正比。
4. 訊號裂分（Splitting of signals / Spin-spin coupling）：遵守 $n+1$ 定則，反映相鄰碳原子上的非同質質子數目。

解題方法

題目詢問「$^1\text{H NMR}$ 譜圖中的哪一項特徵，提供了分子中各類型氫原子『相對數目（relative numbers of hydrogen atoms）』的資訊？」。

在 NMR 實驗中，射頻吸收訊號的面積（積分值）與共振核的數量成直接正比關係。譜圖上的階梯狀積分線或積分標註數值，代表各組吸收峰面積的比值，即為對應各類氫原子的相對比例（例如峰面積比為 $3 : 2 : 1$，代表該三組質子的相對數目比為 $3 : 2 : 1$）。因此，能直接提供氫原子相對數目的特徵為訊號積分（Integration）。

此題考驗對 SN2 反應特性的理解。

我們逐一分析各個選項：
(A) the reaction occurs in two steps (反應在兩個步驟中發生)：

• SN2 反應是協同反應 (concerted reaction)，即所有鍵的斷裂和形成同時發生，在一個步驟中完成。
• SN1 反應才是在兩個或多個步驟中發生（先形成碳陽離子，再被親核試劑進攻）。
• 此陳述是錯誤的。

(B) rate = k[RX] (速率 = k[RX])：

• SN2 反應的速率同時取決於底物 (RX) 和親核試劑 (Nu-) 的濃度。
• 速率方程式應為：rate = k[RX][Nu-]。
• 此陳述是錯誤的。

(C) stabilization of R+ is important (R+ 的穩定性很重要)：

• R+ 是碳陽離子，它在 SN1 反應中是中間體。
• SN2 反應不涉及碳陽離子的形成。
• 此陳述是錯誤的。

(D) the reaction causes racemization (反應導致外消旋化)：

此題考驗對 SN1 反應特性的理解。SN1 反應是單分子親核取代反應。

我們逐一分析各個選項：
(A) the reaction occurs in one-step (反應在一個步驟中發生)：

• SN1 反應是分步反應，通常包括兩個主要步驟：
  1. 離去基團離去，形成碳陽離子（慢步驟，速率決定步驟）。
  2. 親核試劑進攻碳陽離子。
• 此陳述是錯誤的。

(B) there is no effect on reaction rate by nucleophile (親核試劑對反應速率沒有影響)：

• SN1 反應的速率決定步驟是離去基團離去形成碳陽離子，這個步驟只涉及底物。
• 因此，親核試劑的濃度或強度對 SN1 反應的速率沒有影響。
• 此陳述是正確的。

(C) primary alkyl halides react faster than secondary alkyl halides (一級鹵代烷比二級鹵代烷反應更快)：

• SN1 反應的速率決定步驟是碳陽離子的形成。碳陽離子的穩定性順序是：三級 > 二級 > 一級 > 甲基。
• 因此，越容易形成穩定碳陽離子的底物，SN1 反應越快。

此題考驗對 SN1 反應中影響反應速率因素的理解，特別是底物結構。SN1 反應的速率決定步驟是碳陽離子的形成。因此，越容易形成穩定碳陽離子的底物，其 SN1 反應活性越高。

碳陽離子的穩定性順序為：三級 (tertiary) > 二級 (secondary) > 一級 (primary) > 甲基 (methyl)。這種穩定性差異主要歸因於：

1. 供電子效應 (Electron-donating effect)：烷基基團通過誘導效應 (inductive effect) 向帶正電的碳原子提供電子，從而分散正電荷，穩定碳陽離子。烷基基團越多，供電子效應越強，碳陽離子越穩定。
2. 超共軛效應 (Hyperconjugation)：相鄰 C-H 或 C-C 鍵的 σ 電子可以與碳陽離子的空 p 軌域發生重疊，形成超共軛結構，進一步穩定碳陽離子。烷基基團越多，超共軛結構越多，越穩定。

此題考驗對官能基轉換的認識，特別是酮 (ketone) 轉化為醇 (alcohol)。

反應物是 5-甲基-3-庚酮 (5-methyl-3-heptanone)，結構為 CH3CH2CH(COCH2CH3)CH(CH3)CH2CH3。
產物是 5-甲基-3-庚醇 (5-methyl-3-heptanol)，結構為 CH3CH2CH(CH(OH)CH2CH3)CH(CH3)CH2CH3。

這個轉化是將一個酮基 (C=O) 還原成一個醇基 (CH-OH)。

我們需要選擇一個能夠選擇性還原酮為醇的試劑，而不影響分子中的其他部分。

逐一分析選項中的試劑：
(A) CrO3, H3O+, acetone (鉻酸，水，丙酮)：CrO3 是一種強氧化劑，通常用於氧化醇（一級醇氧化為羧酸，二級醇氧化為酮）。它不能用來還原酮。

(B) Pyridinium chlorochromate (PCC), CH2Cl2 (氯鉻酸吡啶，二氯甲烷)：PCC 是一種溫和的氧化劑，常用於將一級醇氧化為醛，或二級醇氧化為酮。它也不能用來還原酮。