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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 NaBH4,首先聯想其作為「溫和還原劑」的特性。本題核心考點為「化學選擇性 (Chemoselectivity)」,NaBH4 只能還原醛、酮,無法還原酯基;同時繪圖時需注意雙環結構帶來的立體位阻效應,氫負離子會由位阻小側進攻,決定還原後羥基的立體化學組態。

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【解題思路】運用 NaBH4 的化學選擇性還原原則。 【詳解】 已知:反應物為雙環酮酯(分子內同時具有酮基與酯基的雙環化合物),試劑為 NaBH4(溶劑為 MeOH)。

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「1-乙烯基吡咯」與強親雙烯體「丁烯二腈」並明確提示 Diels-Alder,應立即聯想到吡咯環在 N-取代下可作為雙烯體(diene)。N-乙烯基的共軛削弱了吡咯的芳香性,使其環上的 C2 和 C5 位能與親雙烯體進行跨環的 [4+2] 環加成,生成含有橋頭氮的雙環化合物。

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【解題關鍵】N-取代吡咯跨越芳香性障礙,作為 1,3-二烯參與 [4+2] 環加成反應(Diels-Alder Reaction)。 【詳解】 已知:

小題 (三)

環己酮與 NaCN/HCl 反應

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看到酮類(環己酮)與 NaCN/HCl,應立即聯想到這是在系統內原位(in situ)生成 HCN,並進行「親核性加成反應」。解題關鍵在於辨識出親核基 CN⁻ 會攻擊羰基碳,最終 C=O 雙鍵轉變為單鍵,形成同時接有 -OH 與 -CN 的「氰醇(Cyanohydrin)」產物。

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【解題思路】此為酮類與氰化氫進行親核性加成,生成氰醇(Cyanohydrin)的經典反應。 【詳解】 已知:反應物為環己酮(Cyclohexanone),試劑為 NaCN/HCl。

小題 (四)

1,6-二酯與 NaOCH3 反應(分子內)

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看到 1,6-二酯與強鹼(如 NaOCH3)進行分子內反應,應立刻聯想到「狄克曼縮合反應(Dieckmann condensation)」。解題關鍵是將一端酯基的 α-碳去質子化形成親核性烯醇陰離子,接著攻擊另一端酯基的羰基碳,藉由計算碳數(C2 攻擊 C6),推導出會形成穩定的「五元環」 β-酮酯產物。

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【解題思路】狄克曼縮合反應(Dieckmann condensation,即分子內克萊森縮合)。 【詳解】 已知:反應物為 1,6-二酯(如:1,6-己二酸二甲酯),試劑為甲醇鈉(NaOCH3)。

小題 (五)

三氟甲基苯與 HNO3/H2SO4 反應

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看到混酸 (HNO3/H2SO4) 首先想到親電芳香取代反應 (EAS) 中的「硝化反應」,產生親電體 NO2+。接著分析原苯環上的取代基:三氟甲基 (-CF3) 因三個氟原子的強電負度,具強烈拉電子誘導效應 (-I effect),為去活化基且屬於「間位導向基 (meta-directing group)」。結合兩者,親電體會接在間位上。

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【破題】 本題測驗親電芳香取代反應(EAS)中的硝化反應,以及苯環上既有取代基的導向效應與活性影響。 【論述】

小題 (六)

環烷溴與 NaN3/DMF 反應

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看到 NaN3 (強親核劑) 與 DMF (極性非質子溶劑),應立即聯想到典型的 SN2 反應條件。二級鹵烷(環烷溴)在此條件下會發生雙分子親核取代,若起始物具有立體化學標示,務必注意產物需呈現構型翻轉 (Walden inversion)。

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【解題關鍵】強親核劑 (NaN₃) 於極性非質子溶劑 (DMF) 中,會促使二級鹵代烷發生 SN2 反應。 【解答】 反應機制:疊氮根離子 (N₃⁻) 透過背面攻擊 (backside attack) 環烷溴之帶微正電的碳原子,同步脫去溴離子離去基,進行 SN2 (雙分子親核取代) 反應。

小題 (七)

氘代烯烴與 Br2 反應

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看到「烯烴與 Br2 反應」,第一時間必須聯想到「親電加成反應 (Electrophilic addition)」,且關鍵在於會形成環狀「溴鎓離子 (Bromonium ion)」中間體。接著,剩餘的溴離子 (Br⁻) 必然從立體阻礙較小的背面進行攻擊,產生「反式加成 (anti-addition)」。解題時務必根據起始物的順反組態 (Z/E),推導出產物是外消旋混合物 (racemic mixture) 還是內消旋化合物 (meso compound)。

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【解題思路】本題考查烯烴的鹵化反應。關鍵機制為形成環狀溴鎓離子中間體後,進行具立體專一性的反式加成 (anti-addition)。 【詳解】 由於題目未提供具體的氘代烯烴結構圖,此處以國考最常考的立體化學模型——順式與反式-1,2-二氘乙烯 (1,2-dideuteroethene) 為例進行推導:

小題 (八)

環氧化物與 PhMgBr/H+ 反應

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看到格林納試劑(PhMgBr)與環氧化物反應,應立刻聯想到「鹼性條件/強親核試劑的環氧化物開環反應」。解題關鍵在於辨識 SN2 機構,親核試劑會攻擊空間位阻較小(取代較少)的碳原子,開環後經酸(H⁺)處理質子化,生成增加相應碳數的醇類化合物。

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【解題思路】利用格林納試劑進行 SN2 區位選擇性開環反應,攻擊立體障礙較小之碳原子,再經酸處理生成醇類。 【詳解】 已知:試劑為 PhMgBr(強親核試劑、強鹼)與環氧化物,第二步為酸性後處理(H⁺)。因未明示環氧化物結構,以通則與最常見之環氧乙烷進行推導。

小題 (九)

芳香胺與苯甲酸酐作用

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看到「芳香胺」與「酸酐」,應立刻聯想到「親核性醯基取代反應(醯化反應)」。芳香胺上的氮原子具孤對電子,作為親核基攻擊苯甲酸酐的羰基碳,最後脫去苯甲酸根離去基,生成 $N$-芳基苯甲醯胺。

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【解題思路】本題考查胺類的親核性醯基取代反應(Nucleophilic acyl substitution,即醯化反應)。 【詳解】 已知反應物:芳香胺(通式:$Ar-NH_2$)與 苯甲酸酐(結構式:$Ph-CO-O-CO-Ph$ 或 $(C_6H_5CO)_2O$)。

小題 (十)

醇與 PCC 反應

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看到 PCC (Pyridinium chlorochromate),應立即聯想到它在無水環境(如二氯甲烷)中是「溫和的氧化劑」。接著需判斷反應物「醇」的級數:一級醇會被氧化並停留在「醛」階段(不會繼續氧化成羧酸),二級醇會被氧化成「酮」,三級醇則因缺乏 α-氫而不發生反應。

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【解題關鍵】PCC (Pyridinium chlorochromate) 為溫和的氧化試劑,氧化產物取決於起始醇類的級數。 【解答】 由於題目未指定特定醇類分子,依據有機化學原理,各級醇與 PCC 反應的有機產物結構通式與說明如下:

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