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高考申論題 106年 [化學工程] 有機化學

第 一 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 (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】

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]

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看到對-硝基苯氧負離子,首要聯想是『電子供給基(氧負離子)與電子吸引基(硝基)的協同共軛效應(Push-Pull effect)』。利用箭頭推電子法,將氧上的孤對電子推入苯環,依序在鄰位、對位產生負電荷;考試得分的絕對關鍵在於,務必畫出電子進一步推入對位硝基,使負電荷落在『硝基氧原子』上的延伸共振結構。

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【解題思路】利用推電子箭頭(Arrow-pushing)將酚氧負離子上的孤對電子推入苯環,並透過共軛系統一路推至對位的硝基,畫出所有電荷離域的可能結構。 【詳解】 已知:對-硝基苯氧負離子中,酚氧端具強推電子性(+R效應),對位硝基具強拉電子性(-R效應)。

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