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調查局三等申論題 110年 [化學鑑識組] 有機化學

第 一 題

📖 題組:
根據以下的反應, (圖示:化合物A (1-methylcyclohexene) 經過 1. O3 / CH2Cl2, -78°C 2. NaIO4 or H2O2 反應生成化合物B) (一)畫出 O3 的幾何構型。(1 分)請明確標示每個原子的孤對電子和形式電荷(formal charge)。(1 分) (二)畫出化合物 B 的結構。(2 分) (三)利用紅外線(IR)光譜,如何分辨起始物 A 和產物 B 在光譜上明顯的不同之處?(3 分) (四)利用碳-13 核磁共振(C-13 nuclear magnetic resonance)光譜,如何分辨起始物 A 和產物 B 在光譜上明顯的不同之處?(3 分)
題組圖片
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

畫出 O3 的幾何構型。(1 分)請明確標示每個原子的孤對電子和形式電荷(formal charge)。(1 分)

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看到此題,首先計算臭氧(O3)的總價電子數為 18。接著利用 VSEPR 理論判斷中心氧原子具有一對孤對電子及兩個鍵結方向,為 sp² 混成,故幾何構型為角型(Bent)。最後畫出路易斯共振結構,利用公式(形式電荷 = 價電子數 - 孤對電子數 - 鍵數)精準計算並標示每個氧原子的形式電荷。

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【解題關鍵】利用價殼層電子對互斥理論(VSEPR)推導幾何構型,並依據路易斯結構分配 18 個價電子計算形式電荷。 【解答】 一、幾何構型

小題 (二)

畫出化合物 B 的結構。(2 分)

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本題考查烯類的臭氧化反應(Ozonolysis)及其後處理條件的影響。看到第二步試劑為 H2O2 等氧化劑,應立即判斷為「氧化型臭氧化反應(Oxidative cleavage)」,雙鍵斷裂後,有取代基的一端生成酮(Ketone),含氫的一端則會進一步被氧化為羧酸(Carboxylic acid)。

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【解析】 反應物 A(1-methylcyclohexene)進行臭氧化並搭配氧化性後處理(H2O2 等),會發生環的氧化裂解。 雙鍵斷裂後:

小題 (三)

利用紅外線(IR)光譜,如何分辨起始物 A 和產物 B 在光譜上明顯的不同之處?(3 分)

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本題重點在於辨識反應前後的官能基變化,並將其對應至紅外線光譜(IR)的特徵吸收波數。起始物 A 為環烯烴,需指出其烯烴的 C=C 與 sp2 C-H 吸收峰;產物 B 經歷氧化裂解生成酮酸,需指出新增的羰基(C=O)與羧酸羥基(O-H)的強烈特徵峰。

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【破題】 利用起始物 A(烯烴)與產物 B(含酮基與羧基之脂肪族化合物)官能基之差異,比對兩者在紅外線(IR)光譜上特徵吸收波數(wavenumber)的變化即可分辨。 【解析】

小題 (四)

利用碳-13 核磁共振(C-13 nuclear magnetic resonance)光譜,如何分辨起始物 A 和產物 B 在光譜上明顯的不同之處?(3 分)

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面對光譜鑑別題,應先寫出兩化合物的核心官能基差異。起始物A含有碳碳雙鍵(C=C),而產物B為氧化裂解(臭氧化且進行氧化性後處理)後的產物,含有酮基(ketone)與羧基(carboxylic acid)。接著,具體列出這些特徵碳原子在 C-13 NMR 光譜上的化學位移(chemical shift, ppm)範圍以作精準對比。

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【解題關鍵】指出起始物烯烴碳訊號的消失,以及產物羰基碳(酮與羧酸)訊號的出現,並標示對應的 C-13 NMR 化學位移(δ)範圍。 【解析】 一、起始物 A(1-methylcyclohexene):

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