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調查局三等申論題 109年 [化學鑑識組] 有機化學

第 三 題

📖 題組:
請根據哈蒙德假說(Hammond Postulate)解釋為什麼下列自由基溴化反應比起自由基氯化反應的方位選擇性高。(每小題4分,共12分) (一)請解釋什麼是哈蒙德假說。 (二)請利用能量剖面圖分別解釋自由基溴化與氯化丙烷反應的反應過渡態能量,請標示圖的橫軸與縱軸之含意。 (三)請畫出上述自由基溴化正丙烷以及氯化正丙烷的反應過渡態,請標示化學鍵的長短特徵。
題組圖片
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (三)

請畫出上述自由基溴化正丙烷以及氯化正丙烷的反應過渡態,請標示化學鍵的長短特徵。

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解題關鍵在於應用哈蒙德假說判斷過渡態(Transition State, TS)的位置:氯化反應的奪氫步驟為放熱反應,過渡態偏向反應物(早過渡態);溴化反應的奪氫步驟為吸熱反應,過渡態偏向產物(晚過渡態)。依此特徵,在紙上作答時需透過虛線的長短,明確畫出 C-H 鍵與 H-X 鍵斷裂與形成的相對程度,並標示部分自由基(δ•)特徵。

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【破題】 依據哈蒙德假說,決定產物方位選擇性的關鍵步驟為「鹵素自由基奪取氫原子」的過程。氯化反應此步驟為放熱反應,其過渡態結構偏向反應物;溴化反應此步驟為吸熱反應,其過渡態結構偏向產物。 【論述】

小題 (一)

請解釋什麼是哈蒙德假說。

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看到「哈蒙德假說」,應直覺聯想「過渡態結構與能量最相近的物種最相似」。作答時必須涵蓋核心定義,並分別說明在「放熱反應(早期過渡態)」與「吸熱反應(晚期過渡態)」中的具體推論,以獲取完整分數。

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「哈蒙德假說(Hammond Postulate)」指出:在一個化學反應步驟中,過渡態(Transition state)的幾何結構與性質,會與能量圖上和它能量最接近的穩定物種(反應物、中間體或產物)最為相似。 特徵包含: (1) 放熱反應(Exothermic reaction):過渡態的能量較接近反應物,因此過渡態的結構與反應物較相似,稱為「早期過渡態(Early transition state)」。

小題 (二)

請利用能量剖面圖分別解釋自由基溴化與氯化丙烷反應的反應過渡態能量,請標示圖的橫軸與縱軸之含意。

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本題核心在於應用哈蒙德假說(Hammond Postulate)解釋吸熱與放熱反應的過渡態特徵。思考時,先確認「氯化奪氫為放熱反應(早期過渡態),溴化奪氫為吸熱反應(晚期過渡態)」,接著結合自由基穩定度,比較兩者生成一級與二級自由基時的活化能差異,即可完美解釋方位選擇性的高低。

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【破題】 本題考查哈蒙德假說在自由基鹵化反應中的實際應用。透過分析能量剖面圖中氯化(放熱)與溴化(吸熱)奪氫步驟的過渡態能量差異,即可解釋其方位選擇性。 【論述】

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親核取代、加成反應、消除反應與立體效應
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