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調查局三等申論題 107年 [化學鑑識組] 有機化學

第 一 題

📖 題組:
一、請寫出下列反應式之主要產物。(請表示正確的立體化學,每小題 5 分,共 40 分)
📝 此題為申論題,共 8 小題

小題 (一)

(一) 芳香族甲氧基酮衍生物 + H2N-NH2, NaOH, HOCH2CH2OH, reflux
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看到羰基化合物與聯氨 (H2N-NH2) 在強鹼 (NaOH) 及高沸點溶劑下加熱回流,應立即聯想到「Wolff-Kishner 還原反應」。此反應專一性地將醛或酮的羰基 (C=O) 還原為亞甲基 (CH2),且強鹼條件不會破壞分子中的醚鍵 (甲氧基)。

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【解題思路】看到酮類與聯氨、強鹼於高沸點溶劑中加熱回流,即為 Wolff-Kishner 還原反應 (Wolff-Kishner reduction)。 【詳解】 一、反應類型:Wolff-Kishner 還原反應。

小題 (二)

(二) 3,4-二甲基環戊-2-烯-1-酮 + (1) Me2CuLi, Et2O (2) NH4Cl, H2O
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  1. 觀察反應物與試劑:確認試劑為 Gilman 試劑(Me2CuLi),其特性為對 α,β-不飽和羰基化合物進行 1,4-共軛加成(Michael addition)。
  2. 核對結構與命名:圖片顯示的結構為 5,5-二甲基環戊-2-烯-1-酮,與文字敘述的 3,4-二甲基不同。應以圖片為準,判斷親核試劑會攻擊 β-碳(C3 位)。
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【解題思路】 利用 Gilman 試劑(二甲基銅鋰)對 α,β-不飽和酮進行 1,4-共軛加成反應(Michael addition)。 【詳解】

小題 (三)

(三) 環戊二烯 + (E)-丁烯醛 (加熱 120°C)
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看到環戊二烯與具拉電子基的烯類加熱,應直覺想到 Diels-Alder [4+2] 環加成反應。解題關鍵在於立體化學的推導:(1) 立體專一性:親雙烯體的立體構型會保留,起始物為 (E)-反式,故產物中甲基與醛基須互為反式;(2) 立體選擇性:依循「內向規則(Endo rule)」,具 π 電子系統的拉電子基(-CHO)會優先佔據 endo(內向)位置,使得相對應的甲基位於 exo(外向)位置。

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【解題思路】本題考查 Diels-Alder [4+2] 環加成反應(Cycloaddition)的反應機構及其立體化學特徵(立體專一性與立體選擇性)。 【詳解】

  1. 反應類型:環戊二烯(鎖定在 s-cis 構象之良好雙烯體 Diene)與 (E)-丁烯醛(具拉電子基的親雙烯體 Dienophile)在加熱條件下進行 [4+2] 協同環加成反應,生成雙環[2.2.1]庚烯骨架。

小題 (四)

(四) 庚二酸二乙酯 + 1.02 當量NaOEt; H3O+
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看到長鏈二酯類(Diester)與相對應的醇鈉鹼(NaOEt)反應,應立即聯想到「分子內克萊森縮合反應」(Dieckmann Condensation)。解題關鍵在於標號計算碳數以決定成環大小:庚二酸二酯的 C2 碳(α-碳)攻擊 C7 碳(羰基碳)會形成熱力學上最穩定的六員環。最後確認酸處理(H3O+)無加註加熱(Δ),故產物停留在 β-酮酸酯階段,不會進一步發生水解與脫羧反應。

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【解題思路】本題考查分子內克萊森縮合反應(Dieckmann Condensation)機制與環狀化學結構推導。 【詳解】

  1. 起始物分析:庚二酸二乙酯(Diethyl pimelate)為主鏈含 7 個碳的二酯類化合物(EtO2C-C2-C3-C4-C5-C6-C7O2Et)。

小題 (五)

(五) 苯乙炔 + (1) PhMgBr, THF (2) CH3CH2-Br; H3O+
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看到末端炔烴(具有微酸性氫)與格氏試劑(強鹼),應首先想到發生酸鹼中和反應生成炔基陰離子;接著該陰離子作為親核試劑,與一級鹵代烷進行 SN2 親核取代反應,完成碳鏈延長(烷基化)。

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【解題思路】末端炔氫具微酸性,遇強鹼(格氏試劑)優先進行酸鹼反應生成炔基陰離子,隨後對一級烷基鹵化物進行 SN2 烷基化反應。 【詳解】 Step 1:酸鹼反應(Deprotonation)

小題 (六)

(六) 己二腈 + aq. KOH, Δ; H3O+
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看到氰基 (-CN) 搭配強鹼水溶液 (aq. KOH) 並加熱,應立即聯想到氰基的鹼性水解反應。反應會先將兩端的氰基水解成羧酸根鹽類,接著透過第二步的酸性水溶液後處理 (H3O+) 進行質子化,最終將氰基完全轉化為羧酸產物。

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【反應類型】氰基的水解反應(Hydrolysis of Nitriles) 【解析】 一、 鹼性水解(aq. KOH, Δ):

小題 (七)

(七) 反式-2-丁烯酸甲酯衍生物 + Zn/Cu, CH2I2, THF, reflux
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首先辨識反應條件 Zn/Cu, CH2I2 為 Simmons-Smith 反應,會產生類卡賓中間體進行環丙烷化。接著仔細觀察附圖結構,確認雙鍵兩側的碳鏈分居異側,為反式 (trans/E) 烯烴。最後運用該反應「立體專一性同側加成 (syn-addition)」的特性,推導出產物必為保留反式立體關係的環丙烷衍生物(外消旋體)。

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【解題思路】本題考查 Simmons-Smith 反應(環丙烷化反應)之反應機構及其立體專一性同側加成(Stereospecific syn-addition)特性。 【詳解】 一、反應試劑與活性中間體

小題 (八)

(八) 環己酮 + NaH, NC-CH2-PPh3Br, DMF; H3O+
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看到鏻鹽 (phosphonium salt) 與強鹼 NaH 的組合,應直覺聯想到 Wittig 反應。第一步生成由氰基穩定的磷葉立德 (ylide),接著與環己酮發生反應,將 C=O 轉化為 C=C 雙鍵;第二步的 H3O+ 僅為酸性後處理 (work-up),無加熱不考慮腈水解。同時需評估產物雙鍵的對稱性以判斷是否存在 E/Z 立體異構物。

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【解題關鍵】本題考查 Wittig 反應(Wittig Reaction)的機理及雙鍵立體化學判斷。 【解析】 壹、反應機理推導

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