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調查局三等申論題 109年 [醫學鑑識組] 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) (反應圖示略,為正丙烷之自由基氯化與溴化反應,氯化產物比例60%:40%,溴化為97%:3%)
📝 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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看到 Hammond Postulate 與自由基鹵化,應直覺聯想「吸熱/放熱」對應「晚期/早期」過渡態。氯化拔氫為放熱反應,屬早期過渡態(像反應物);溴化拔氫為吸熱反應,屬晚期過渡態(像產物)。藉此推導 C-H 鍵與 H-X 鍵在過渡態中的相對長短,進而解釋碳自由基特性多寡對方位選擇性的影響。

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【破題】 根據哈蒙德假說(Hammond Postulate),過渡態(Transition state)的結構會較接近能量與其相近的物種。在自由基鹵化反應的決定速率步驟(拔氫反應,Hydrogen abstraction)中,氯化為放熱反應,溴化為吸熱反應,兩者過渡態結構的差異直接決定了方位選擇性的高低。 【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」,應立即聯想到「過渡態結構」與「能量圖」的關聯。答題時務必寫出其核心定義:過渡態會與能量最接近的物種(反應物或產物/中間體)結構相似,並分別論述「吸熱反應」與「放熱反應」中過渡態的偏向(Early/Late transition state)。

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「哈蒙德假說(Hammond Postulate)」是指在單一化學反應步驟中,過渡態(Transition state)的幾何結構與能量,會最接近於反應座標(Reaction coordinate)上與其能量最相近的穩定物種(反應物、反應中間體或產物)。 其核心特徵包含: (1) 放熱反應(Exothermic reaction):過渡態的能量較接近反應物,因此過渡態的結構會與反應物高度相似,此情況稱為「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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本題核心在於將「哈蒙德假說(Hammond Postulate)」應用於自由基鹵化反應的奪氫(Hydrogen abstraction)步驟。考生應先指出氯化為放熱反應(早期過渡態)、溴化為吸熱反應(晚期過渡態),再進一步論述過渡態結構與碳自由基穩定性的關聯,藉此解釋兩者活化能差異及方位選擇性(區域選擇性)的高低。

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【破題】 本題藉由哈蒙德假說(Hammond Postulate),以自由基奪氫步驟之熱力學性質(放熱或吸熱),論述其過渡態(Transition State, TS)結構特徵,進而解釋氯化與溴化反應方位選擇性(區域選擇性)之差異。 【論述】

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