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%)
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 (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。
思路引導 VIP
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。
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。
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。
哈蒙德假說與選擇性
💡 利用反應熱力學性質判斷過渡態結構,進而解釋反應的方位選擇性。
| 比較維度 | 自由基氯化 (Cl) | VS | 自由基溴化 (Br) |
|---|---|---|---|
| 反應熱性質 | 放熱 (Exothermic) | — | 吸熱 (Endothermic) |
| 過渡態位置 | 早期 (Early TS) | — | 晚期 (Late TS) |
| 過渡態結構 | 較像反應物 | — | 較像中間體自由基 |
| 方位選擇性 | 低 (比例接近) | — | 高 (具高度專一性) |
💬溴化因吸熱需經過晚期過渡態,能充分反映自由基穩定性差異,故具高選擇性。