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高考申論題 105年 [化學工程] 有機化學

第 四 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 (四)

Grignard reagent + Aldehyde
題目圖片

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看到 Grignard 試劑與醛酮的反應,優先想到親核加成反應(Nucleophilic addition)。Grignard 試劑提供碳親核劑攻擊羰基,接著酸洗(水解)生成醇類。記住通則:甲醛生成一級醇,其他醛生成二級醇,酮則生成三級醇。

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【解題思路】辨識本題為 Grignard 試劑的親核加成反應,環戊基碳陰離子對丙醛的羰基進行攻擊,隨後經酸洗質子化生成二級醇。 【詳解】

  1. 親核加成 (Nucleophilic Addition):Cyclopentyl magnesium bromide(環戊基溴化鎂)為 Grignard 試劑,具有強親核性的環戊基碳會攻擊 propanal(丙醛)上的親電性羰基碳,打斷 C=O 的 π 鍵,形成醇鹽(Alkoxide)中間體。

小題 (一)

Acetophenone + $Br_2, HOAc$
題目圖片

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看到酮類與鹵素在酸性條件(HOAc)下反應,應直覺聯想到「酸催化的 α-鹵化反應」。此反應經由烯醇(enol)中間體進行,且因引入鹵素原子的吸電子效應會降低進一步烯醇化的速率,故反應會停留在單取代產物。

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【解題思路】酮類在酸催化下的 α-鹵化反應(Alpha-halogenation)。 【詳解】

  1. 反應機制:在酸性溶劑(醋酸,HOAc)中,苯乙酮(Acetophenone)的羰基氧會先質子化,隨後脫去 α-氫,發生酮-烯醇互變異構現象(Keto-enol tautomerization),形成烯醇(enol)中間體。

小題 (二)

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

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看到同一分子內同時具有羥基(-OH)與酮基(>C=O),且在酸催化條件下,應立刻聯想到分子內半縮酮(hemiketal)的形成。由圖片結構判斷,羥基氧會作為親核基攻擊羰基碳,形成熱力學穩定的五元含氧環。

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【解題思路】利用酸催化進行分子內親核加成,形成熱力學較穩定的含氧五元環。 【詳解】

  1. 結構判讀:依據題目提供的結構式圖片,反應物應為 5-hydroxy-2-hexanone(主鏈 6 個碳,C2 為酮基,C5 接有羥基。題幹文字「5-hydroxy-2-pentanone」與圖片不符,國考實務上通常以圖示為準)。

小題 (三)

$CH_3COOH + CH_3O^{18}H + H^+$
題目圖片

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看到羧酸、醇及酸催化劑,應立即聯想到 Fischer 酯化反應。此題核心考點在於同位素追蹤,需透過反應機構判斷脫水過程是脫去羧酸的 -OH 與醇的 -H,因此醇上的同位素 O18 會保留在產物酯鍵的單鍵氧位置。

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【解題關鍵】Fischer 酯化反應中,產物酯類的烷氧基氧原子 (-OR) 完全來自於反應物的醇類,而非羧酸。 【解析】

  1. 反應條件分析:乙酸 (Acetic acid) 與同位素標記的乙醇 (Ethanol-O18,根據附圖結構式為 $CH_3CH_2O^{18}H$) 在酸 ($H^+$) 催化下,會進行 Fischer 酯化反應。

小題 (五)

Ketone + Diol + $H^+$
題目圖片

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看到酮類(Cyclopentanone)與 1,2-二醇(1,2-ethanediol)在酸性(H⁺)環境下的反應,應立即聯想到「環狀縮酮 (cyclic ketal) 的生成」。這是有機合成中極為常見的羰基保護基 (protecting group) 反應,反應會脫去一分子水並形成包含兩個氧原子的五元環結構。

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【解題思路】酮類與雙醇在酸性條件下進行縮酮化反應 (ketalization),生成環狀縮酮。 【詳解】 已知:反應物為 Cyclopentanone 與 1,2-ethanediol (乙二醇),催化劑為酸 ($H^+$)。

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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