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高考申論題 105年 [化學工程] 有機化學

第 一 題

📖 題組:
寫出下列反應之產物。(每小題 2 分,共 10 分) (一) Acetophenone + $Br_2, HOAc$ (二) 5-hydroxy-2-pentanone + $H^+$ (產物為 hemiketal) (三) $CH_3COOH + CH_3O^{18}H + H^+$ (四) Cyclopentyl magnesium bromide + propanal, then $H_3O^+$ (五) Cyclopentanone + 1,2-ethanediol + $H^+$
📝 此題為申論題,共 10 小題

小題 (一)

Acetophenone + $Br_2, HOAc$

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看到酮類(Acetophenone)與鹵素(Br2)在酸性(HOAc)條件下的反應,應立即想到「酮的 α-鹵化反應」。酸性條件下反應會經由烯醇(enol)中間體進行,且因為鹵素的吸電子效應會使烯醇化速率下降,故主要生成單鹵化產物。

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【解題思路】酮類在酸性條件下的 α-鹵化反應(經由烯醇中間體,主要生成單鹵化產物)。 【解答】 產物為 α-bromoacetophenone(或稱 2-bromo-1-phenylethanone / phenacyl bromide)。

小題 (二)

5-hydroxy-2-pentanone + $H^+$ (hemiketal)

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看到分子內同時具有羥基(親核基)與羰基(親電基),且在酸性條件下,應直覺想到發生「分子內親核加成反應」。接著計算成環的原子數:從羥基氧算至羰基碳,確認可形成熱力學上穩定的五元或六元環(本題為五元環),最後將羰基轉為半縮酮的羥基即可得出產物。

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【解題思路】利用酸催化進行分子內親核加成反應,形成熱力學穩定的五元環半縮酮 (hemiketal)。 【詳解】

  1. 反應物分析:5-hydroxy-2-pentanone 的結構為 $HO-CH_2-CH_2-CH_2-C(=O)-CH_3$。分子內同時具備親核試劑 (-OH) 及親電中心 (C=O)。

小題 (三)

$CH_3COOH + CH_3O^{18}H + H^+$

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看到酸催化下的羧酸與醇反應,應立刻聯想到 Fischer 酯化反應。此題核心在於「同位素標記追蹤反應機構」,必須清楚認知脫去的水分子中,氧原子來自羧酸,而醇的同位素氧(18O)會保留在酯鍵中。

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【解題思路】利用 Fischer 酯化反應機構,判定同位素標記氧的最終去向。 【詳解】 已知:反應物為 $CH_3COOH$(乙酸)與 $CH_3O^{18}H$(標記甲醇),在酸性 $H^+$ 條件下進行反應。

小題 (四)

Grignard reagent + Aldehyde

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看到此類寫出產物的題型,應先辨識反應物的核心官能基與試劑特性,藉此判斷對應的經典反應類型(如:酸催化α-鹵化、分子內成環、Fischer酯化、Grignard親核加成及縮酮保護)。解題時需在腦中快速跑過反應機構,特別留意酸性條件下的單取代特性、同位素標定原子的去向,以及分子內反應形成的環張力大小(五或六員環最穩定)。

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【解題關鍵】辨識各反應條件對應之經典有機反應,並精確掌握反應機構中原子的流向與立體/區域選擇性。 【解答】 (一) 考點:酮的酸催化 α-鹵化反應 (Alpha-halogenation)。

小題 (五)

Ketone + Diol + $H^+$

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作答此類題型時,首要步驟是辨識「反應物官能基」與「反應條件(酸/鹼/親核試劑)」。例如:酸性條件下的 α-鹵化通常停留在單取代、酯化反應中醇的氧原子會保留於產物中、半縮酮或縮酮反應則需注意形成穩定的五元或六元環狀結構。

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【解題思路】根據各小題的反應物特性與試劑條件,判斷其對應的有機反應機構(如加成、取代、環化或脫水縮合)並推導最終產物。 【詳解】 (一) Acetophenone + $Br_2, HOAc$

小題 (六)

二級胺 + (CH3CH2CO)2O

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看到胺類(二級胺)與酸酐的組合,應立刻聯想到親核醯基取代反應(醯化反應)。二級胺作為親核試劑攻擊酸酐的羰基,脫去一分子羧酸根,最終在氮原子上形成穩定的醯胺鍵。

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【解題關鍵】親核醯基取代反應(醯化反應),生成醯胺(Amide)。 【詳解】 已知:

小題 (七)

氯苯衍生物 + HNO3/H2SO4

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看到 HNO3/H2SO4 應直覺想到芳香環的硝化反應(親電芳香取代,EAS)。接著分析雙取代苯環的導向效應:甲氧基 (-OCH3) 是強活化基,氯 (-Cl) 是弱去活化基,親電體進擊位置由較強的活化基決定。由於 -OCH3 的對位已被佔據,硝基 (-NO2) 將接在 -OCH3 的鄰位。

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【解題關鍵】親電芳香取代反應(EAS)中多取代苯的導向效應法則。 【詳解】

  1. 試劑與反應:HNO3 與濃 H2SO4 混合會產生硝醯陽離子親電體 (NO2+),對苯環進行硝化反應。

小題 (八)

酮 + 二級胺

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看到酮與二級胺(如吡咯烷)的反應,應立即聯想到「烯胺(Enamine)」的生成。反應會先形成亞胺離子中間體,因氮上無質子可脫去,轉而由 α-碳脫去質子形成碳碳雙鍵,同時伴隨脫去一分子水。

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【解題關鍵】酮與二級胺縮合脫水生成烯胺(Enamine)。 【解析】 一、反應機制:

小題 (九)

溴化物 + 1. NaN3 2. LiAlH4 3. H2O

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本題為經典的一級胺合成法(疊氮化物還原)。看到一級鹵代烷(溴化物)與疊氮化鈉(NaN3)反應,應先判斷其發生 SN2 親核取代生成疊氮化物。接著,疊氮基(-N3)在強還原劑 LiAlH4 作用下,會被還原並經水解最終生成一級胺(-NH2)。

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【解題思路】利用 SN2 取代反應引入疊氮基,再透過還原反應製備一級胺。 【詳解】

  1. 第一步:親核取代反應(SN2)

小題 (十)

重氮鹽 + 吡咯烷衍生物

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看到重氮鹽與帶有推電子基(三級胺)的芳香族化合物,應直覺想到「重氮偶合反應(Azo coupling)」。由於重氮鹽是弱親電體,只能與強活化的芳香環反應,且受限於立體阻礙,取代位置會優先發生在推電子基的對位(para position)。

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【解題思路】 本題考查重氮鹽的偶合反應(Azo coupling),屬於親電芳香取代反應(EAS)。重氮鹽為弱親電試劑,而 1-苯基吡咯烷(三級芳香胺)具強推電子性,反應將發生在立體阻礙較小且電子雲密度高的對位。 【解答】

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