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高考申論題 106年 [化學工程] 有機化學

第 六 題

📖 題組:
請回答下列各子題。(每小題 5 分,共 30 分)
📝 此題為申論題,共 6 小題

小題 (六)

請畫出下式離子的所有共振結構。
[結構圖:對-硝基苯氧負離子]
題目圖片

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看到對-硝基苯氧負離子,首先要辨識出這是一個由強推電子基(-O⁻)和強拉電子基(-NO₂)位於對位所形成的完全共軛系統。解題時,利用彎曲箭頭將 -O⁻ 的孤對電子推入苯環形成 C=O 雙鍵,使負電荷依次落在苯環的鄰位與對位碳上。最容易遺漏且最關鍵的得分點是:當負電荷傳導至對位碳時,必須進一步推入硝基,形成 C=N 雙鍵並讓硝基的氧原子承擔負電荷。

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【解題思路】利用彎曲箭頭追蹤孤對電子的流向,將負電荷從酚氧負離子經由苯環的 π 系統(鄰位、對位)一路推導至硝基的氧原子上,繪製出所有符合八隅體法則的共振結構。 【詳解】 對-硝基苯氧負離子(p-Nitrophenoxide ion)具有高度的共振穩定性,共有 5 個主要的共振結構。作答時需畫出以下結構,並以雙向箭頭(↔)連接:

小題 (一)

有ㄧ化合物分子式為 C10H12O2,其 1H NMR 圖譜上有四組吸收峯分別在 δ 1.12 (t, J = 7 Hz, 3H),2.45(q, J = 7 Hz, 2H),4.9(s, 2H),及 7.4(m, 5H),13C NMR 圖譜上的吸收峯有 197.2, 158.1, 136.2, 128.5, 127.2, 72.3, 32.6 和 10.3 ppm,並且紅外線光譜上有 1743 cm-1 的特徵吸收,此化合物的結構為何?

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面對光譜解析題,先計算不飽和度(IHD)找出環或雙鍵數。接著尋找關鍵矛盾點:IR 的 1743 cm-1 看似酯類,但 13C NMR 的 197.2 ppm 卻是典型的酮類羰基,這暗示分子存在『α-氧取代酮』的結構,最後用 1H NMR 的分裂模式拼湊出碳骨架即可破題。

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【解題思路】先由分子式計算不飽和度(IHD),再結合 1H NMR 分裂模式判斷碳骨架片段,最後利用 13C NMR 與 IR 的特徵吸收確認官能基與異構物連接方式。 【詳解】 已知:化合物分子式為 C10H12O2

小題 (二)

如何利用紅外線光譜分析,分辨 1-戊炔與 1-戊烯?

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看到紅外線光譜(IR)分辨題,首先應聯想目標化合物特有的官能基及其對應的特徵吸收波數。1-戊炔為端基炔類,具備獨特的 ≡C-H 及 C≡C 鍵;1-戊烯為烯類,具有 =C-H 及 C=C 鍵,比對這些特徵峰的有無即可輕鬆鑑別。

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【破題】利用紅外線光譜(IR)鑑別 1-戊炔與 1-戊烯的關鍵,在於兩者所含之特徵官能基(端基炔與烯鍵)在光譜上對應的特徵吸收波數差異。 【論述】 一、1-戊炔(1-Pentyne)的 IR 特徵峰:

小題 (三)

將 2-溴-3-甲基戊烷分別與 CH3OK 和(CH3)3COK 作用,會得到不同烯類產物,請寫出烯類產物的結構,並請說明原因。

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看到不同的鹼(小體積甲醇鉀 vs 大體積第三丁醇鉀)作用於同一鹵代烷,應立刻聯想到 E2 脫去反應的位向選擇性(Regioselectivity)。解題關鍵在於:小體積鹼遵循 Zaitsev 法則生成高取代烯類;大體積鹼因立體障礙遵循 Hofmann 法則生成低取代烯類。

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【破題】本題核心考查 E2 脫去反應中,鹼試劑的立體障礙(Steric hindrance)對位向選擇性(Regioselectivity)的影響。 【解析】 反應物「2-溴-3-甲基戊烷」的 α-碳(C2)帶有離去基溴原子,其相鄰的 β-碳有兩處可供脫氫:一是 C1(一級碳,立體障礙小,有 3 個氫),二是 C3(三級碳,立體障礙大,有 1 個氫)。

小題 (四)

請說明如何利用實驗操作將等重量的 N-甲基苯甲醯胺與 N-甲基苯胺之混合物分離,而得到純的化合物。<可用流程圖方式作答>

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看到混合物分離題,首先判斷各成分的官能基與酸鹼性差異。本題中,N-甲基苯胺為二級胺,具鹼性可與酸成水溶性鹽類;N-甲基苯甲醯胺為醯胺,呈中性不與酸反應。因此,利用「酸鹼萃取法(加入稀鹽酸)」即可將兩者分離於水層與有機層中。

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【解題關鍵】利用胺類具鹼性可與酸成鹽而溶於水,而醯胺呈中性不與酸反應的特性,透過「酸鹼萃取法」進行分離。 【解析】 一、 原理分析

小題 (五)

在室溫下,p-CF3C6H4SH 與 C6H5SH 的酸性,何者較強,請說明原因。

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比較有機酸的酸性強弱,首要原則是評估其「共軛鹼」的穩定度。本題需觀察苯環上的取代基效應,判斷拉電子基(-CF3)如何透過誘導效應分散硫原子上的負電荷,進而穩定共軛鹼。

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【破題】 p-CF3C6H4SH(對三氟甲基苯硫酚)的酸性較 C6H5SH(苯硫酚)強。 【論述】

📝 共振結構繪製技巧
💡 利用彎曲箭頭表示電子流向,展現電荷於共軛系統中的分散程度。

🔗 對硝基苯氧負離子電子流向鏈

  1. 1 氧負離子入環 — 酚氧孤對電子推入與苯環形成雙鍵
  2. 2 碳負離子位移 — 負電荷轉移至苯環的鄰位及對位碳
  3. 3 硝基共振參與 — 對位負電推向硝基,使負電落在氧原子
🔄 延伸學習:延伸學習:從共振結構多寡與電荷分散性判斷酸鹼強度。
🧠 記憶技巧:鄰位跑、對位跳,硝基氧負最穩牢;箭頭起點要抓準,電荷標示不可少。
⚠️ 常見陷阱:最常漏掉硝基上的擴展共振式;或是忘了標示硝基氮原子的正電荷導致形式電荷不平衡。
誘導效應與共軛效應 酚類酸性的影響因素 芳香族親電取代反應

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