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高考申論題 106年 [化學工程] 有機化學

第 一 題

📖 題組:
寫出下列反應的有機產物結構。(每小題 2 分,共 20 分)
📝 此題為申論題,共 10 小題

小題 (一)

雙環酮酯與 NaBH4/MeOH 反應
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看到這題先想什麼:首先辨識骨架為 5,5-融合的順式雙環系統(cis-bicyclo[3.3.0]octane 衍生物),並確認試劑 NaBH4 為溫和還原劑,能將酮基還原為二級醇。用什麼方法:利用順式雙環系統的 V 型摺疊構形判斷立體障礙。橋頭甲基指向較空曠的凸面(exo face),氫化物將從同側(上方)進行立體選擇性攻擊,將生成的羥基推向立體障礙較大的凹面(endo face),故產物羥基應畫為虛線。

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【解題思路】 本題考查雙環系統中酮的還原立體選擇性。透過分析 cis-bicyclo[3.3.0]octane 的 V 型摺疊構形(凸面與凹面立體障礙差異),推導親核性氫化物(H⁻)的攻擊方向,進而決定生成醇的立體組態。 【詳解】

小題 (二)

1-乙烯基吡咯與丁烯二腈的反應 (Diels-Alder)
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看到加熱條件與共軛雙烯、親雙烯體的組合,應直覺想到 Diels-Alder [4+2] 環加成反應。解題關鍵在於判斷反應物結構,保留親雙烯體的順式(cis)立體化學,並運用次級軌道作用原理,優先繪製出內型(endo)產物結構。

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【解題思路】利用 Diels-Alder [4+2] 環加成反應的立體專一性與內型法則(Endo rule)進行推導。 【詳解】

  1. 反應物分析:

小題 (三)

環己酮與 NaCN/HCl 反應
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看到羰基化合物(環己酮)與 NaCN/HCl 反應,應立即聯想到親核加成反應(Nucleophilic addition)生成「氰醇 (Cyanohydrin)」。解題關鍵在於氰根離子 (CN⁻) 攻擊羰基碳,隨後氧原子質子化,將 C=O 雙鍵轉換為同一個碳上接有 -OH 與 -CN 的結構。

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【解題關鍵】羰基化合物與 NaCN/HCl 發生親核加成反應生成氰醇 (Cyanohydrin)。 【詳解】

  1. 試劑作用:NaCN 與弱酸性條件 (HCl) 混合,在反應系統中原位 (in situ) 產生 HCN,同時提供強親核性的氰根離子 (CN⁻) 與質子源 (H⁺)。

小題 (四)

1,6-二酯與 NaOCH3 反應(分子內)
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看到同時含有酮基與酯基的長鏈化合物及強鹼(NaOCH3)條件,應直覺想到分子內 Claisen 縮合反應。解題關鍵在於尋找能形成穩定五或六元環的 α-碳,本題由酮基末端(C6)去質子化並攻擊酯基碳,恰可形成無張力且穩定的六元環。

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【解題思路】利用分子內 Claisen 縮合反應(Dieckmann 縮合原理)形成熱力學穩定的六元環。 【詳解】 已知:反應物為 methyl 5-oxoheptanoate,在甲醇鈉($NaOCH_3$)鹼性加熱條件下進行分子內縮合。

小題 (五)

三氟甲基苯與 HNO3/H2SO4 反應
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看到這題首先判斷為芳香族親電取代反應(EAS)中的硝化反應,產生親電試劑 NO₂⁺。接著分析取代基效應:三氟甲基(-CF₃)具強烈的誘導拉電子效應,為去活化基,因此具備「間位導向性(meta-directing)」。

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【解題思路】判斷芳香環上既有取代基的導向效應與反應類型。 【詳解】 已知:反應物為三氟甲基苯,試劑為混酸(HNO₃/濃H₂SO₄),為典型的芳香族親電取代(硝化)反應。

小題 (六)

環烷溴與 NaN3/DMF 反應
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看到疊氮化鈉 (NaN3) 與極性非質子溶劑 (DMF),應立即判斷這是一個典型且有利於 SN2 反應的條件。解題關鍵有二:首先,正確判讀起始物椅型構象中各取代基的相對立體位置(上或下);其次,對發生反應的碳中心嚴格應用 SN2 的「立體組態反轉 (inversion of configuration)」原則,同時確保未參與反應的立體中心保持不變。

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【解題思路】利用 SN2 反應機制的立體組態反轉特性,結合椅型構象的上下方位判讀,推導出產物的精確相對立體結構。 【詳解】 已知:

小題 (七)

氘代烯烴與 Br2 反應
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看到氘代烯烴與鹵素 (Br2) 的反應,首先判斷烯烴的幾何構型為反式 (E 型),接著聯想到 Br2 加成為典型的反式加成 (anti addition)。根據立體化學原則『反式烯烴 + 反式加成 = 內消旋 (meso) 產物』,繪圖時只需將雙鍵改為單鍵,保留原平面骨架,並將兩個 Br 分別以實線及虛線畫在相鄰碳上即可。

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【解題關鍵】反式烯烴(E-alkene)進行鹵素的反式加成(anti addition),若分子對稱,必生成內消旋(meso)化合物。 【推導詳解】 一、反應物與試劑分析

小題 (八)

環氧化物與 PhMgBr/H+ 反應
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看到 Grignard 試劑與不對稱環氧化合物反應,應立即聯想到鹼性條件下的開環反應遵循 SN2 機制。強親核試劑(如 PhMgBr)會優先攻擊位阻較小(取代基較少)的碳原子,開環後再經酸性水解質子化形成醇類。判斷出苯基將接於未取代的一級碳上,羥基則留在二級碳上即可解題。

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【解題思路】Grignard 試劑對不對稱環氧化物的區域選擇性 SN2 開環反應。 【詳解】 已知:起始物為 2-異丙基環氧乙烷,試劑為 PhMgBr(苯基溴化鎂)與後續的酸性水解。

小題 (九)

芳香胺與苯甲酸酐作用
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看到一級芳香胺(對甲氧基苯胺)與酸酐(苯甲酸酐),應立刻聯想到「親核醯基取代反應」(醯化反應)。芳香胺上的氮原子會作為親核試劑攻擊酸酐的羰基碳,脫去一分子苯甲酸,最終將胺基轉換為醯胺(Amide)結構,完成苯甲醯化(Benzoylation)。

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【解題關鍵】親核醯基取代反應(Nucleophilic acyl substitution)與胺的苯甲醯化。 【詳解】 已知:反應物對甲氧基苯胺($p$-anisidine)具有一級胺基($-\text{NH}_2$),為良好的親核試劑;試劑苯甲酸酐($(\text{PhCO})_2\text{O}$)為活化的羧酸衍生物,是良好的親電試劑。

小題 (十)

醇與 PCC 反應
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看到此題,首先辨認反應物上的官能基(左側為醚鍵,右側為一級醇),接著認出箭頭上的試劑為 PCC (Pyridinium chlorochromate)。PCC 是有機合成中經典的溫和氧化劑,核心考點在於它能將一級醇氧化為醛並停留在該階段(不會過度氧化成羧酸),同時不會影響分子中的醚鍵。

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【解題關鍵】PCC (Pyridinium chlorochromate) 對一級醇的選擇性溫和氧化。 【解析】 一、試劑分析:圖示試劑結構為 PCC(氯鉻酸吡啶鎓鹽),這是一種缺乏水分的溫和鉻酸系氧化劑。

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