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調查局三等申論題 109年 [醫學鑑識組] 有機化學

第 二 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%)
題組圖片
📝 此題為申論題,共 3 小題

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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看到比較氯化與溴化選擇性的題目,應直覺聯想到「奪氫步驟的熱力學差異」與「哈蒙德假說(Hammond Postulate)」。分析時需指出氯化奪氫為放熱反應(早過渡態,活化能差異小),溴化奪氫為吸熱反應(晚過渡態,活化能差異大),晚過渡態的結構更接近中間體自由基,進而將二級與一級自由基的穩定性差異與活化能高低連結。

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【破題】 本題核心在於利用哈蒙德假說(Hammond Postulate)解釋烷類自由基鹵化反應中,決定速率的「奪氫步驟(Hydrogen abstraction)」之熱力學性質如何影響過渡態結構與反應的區域選擇性。 【論述】

小題 (一)

請解釋什麼是哈蒙德假說。

思路引導 VIP

看到「哈蒙德假說」,應直指核心概念:『過渡態的結構與能量上最接近的物種相似』。接著進一步以放熱反應(Early transition state)與吸熱反應(Late transition state)為例,說明其如何應用於預測反應過渡態的特徵,為後續解釋鹵化反應選擇性鋪路。

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【破題】 哈蒙德假說(Hammond Postulate)是化學動力學中用於推測過渡態(Transition State)結構與性質的重要經驗法則。 【論述】

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。

思路引導 VIP

看到此題,應立即聯想 Hammond Postulate 對應的吸放熱特性:氯化拔氫為放熱(早過渡態,結構似反應物),溴化為吸熱(晚過渡態,結構似產物)。以此推導過渡態中 C-H 與 H-X 鍵長相對長短,進一步說明晚過渡態因具備顯著自由基特性,使烷基自由基的穩定度差異能充分反映在活化能上,從而解釋溴化反應為何具有高方位選擇性。

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【破題】 依據哈蒙德假說(Hammond Postulate),過渡態的結構會與能量相近的物種相似。自由基氯化為放熱反應(早過渡態),而溴化為吸熱反應(晚過渡態),此熱力學差異決定了兩者過渡態中化學鍵的長短特徵,以及反應的方位選擇性(Regioselectivity)。 【論述】

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