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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:
以下每一組的化合物中,決定彼此之間的關係是鏡像異構物(enantiomer)、非鏡像異構物(diastereomer)、相同(identical)、立體異構物(stereoisomer)或結構異構物(constitutional isomer 或稱構造異構物)。 (圖示四組化合物:(1) A與B;(2) C與D;(3) E與F;(4) G與H) (一) A 與 B 彼此之間的關係是?(2 分) (二) C 與 D 彼此之間的關係是?(2 分) (三) E 與 F 彼此之間的關係是?(2 分) (四) G 與 H 彼此之間的關係是?(2 分) (五)以上那一個或那些化合物,在結構上是屬於內消旋化合物(meso compound)?(2 分)
題組圖片
📝 此題為申論題,共 5 小題

小題 (一)

A 與 B 彼此之間的關係是?(2 分)

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考生面對比較分子間關係的題目,首要任務是確認分子連接順序(排除結構異構物)。在骨架相同的前提下,若分子含多個手性中心,最嚴謹的方法是分別定出每個手性碳的 R/S 絕對構型。若構型完全一致為相同(Identical),完全相反為鏡像(Enantiomer),部分相同則為非鏡像(Diastereomer)。

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【解題思路】透過分別判斷兩化合物中各手性中心(C2 與 C3)的絕對構型(R/S configuration),比對兩者結果以決定彼此之關係。 【詳解】 一、化合物 A(費歇爾投影式,Fischer projection)之絕對構型:

小題 (二)

C 與 D 彼此之間的關係是?(2 分)

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拿到異構物比較題,切忌直接進入 R/S 構型或順反異構的計算。首要步驟是「確認原子的連接順序(Regiochemistry)」,也就是判斷取代基在主鏈/環上的位置編號。觀察圖 C 為連續四個碳被取代(1,2,3,4-取代系統),再仔細追蹤圖 D 椅型構象中各取代基的碳編號,即可迅速找出破綻。

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【解題思路】判斷異構物關係時,應優先確認分子的「原子連接順序(取代基位置)」;若主鏈或環上的連接位置不同,即為結構異構物,無須進一步判斷立體構型。 【詳解】 一、化合物 C 之結構分析

小題 (三)

E 與 F 彼此之間的關係是?(2 分)

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本題測驗環己烷椅型構象的立體化學判斷。解題時請先確認取代基的相對位置(同為 1,2-取代),接著利用「鍵的指向(朝上 UP / 朝下 DOWN)」來判斷相對組態(cis/trans),最後根據組態的差異來判定其異構物關係。

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【解題關鍵】利用椅型構象中取代基鍵的朝向(向上 UP 或向下 DOWN)來判定順反異構物。 【解析】 一、化合物 E 結構分析:

小題 (四)

G 與 H 彼此之間的關係是?(2 分)

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看到比較兩化合物關係的題目,首先確認它們的分子式和主鏈連接順序是否相同。G 和 H 皆為 1,3-二甲基環己烷,故屬於立體異構物。接著分析 G 的椅型構象(判斷 axial/equatorial 的上下方向)與 H 的楔形鍵標示(判斷同側或異側),進而得出兩者的順反關係來確認答案。

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【解題思路】分析兩化合物中取代基的相對空間位置(順/反構型),以判定其立體異構物關係。 【詳解】 已知:化合物 G 與 H 皆為 1,3-二甲基環己烷(1,3-dimethylcyclohexane)。

小題 (五)

以上那一個或那些化合物,在結構上是屬於內消旋化合物(meso compound)?(2 分)

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看到尋找「內消旋化合物(meso compound)」的題目,應立即浮現兩個判斷條件:(1) 分子內需有兩個以上手性中心(chiral centers);(2) 具備內部對稱面或對稱中心使整體無手性。解題時可先排除上下兩端取代基不對稱的直鏈分子(A/B)及取代基不同的環狀分子(C/D)。接著須特別注意 1,4-二取代環己烷(E/F)因兩側環路徑相同而「沒有手性中心」的經典陷阱。最後鎖定具有手性中心且為順式(cis)的 1,3-二取代結構(H),確認其存在對稱面,即為正解。

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【解題關鍵】內消旋化合物(meso compound)需嚴格滿足兩個要件:(1) 分子內含有兩個或兩個以上的手性中心(chiral centers);(2) 分子具備內部對稱面(plane of symmetry)或對稱中心,使整體呈現無手性(achiral)。 【解析】

  1. 化合物 A 與 B:主鏈上下兩端分別為醛基(-CHO)與羥甲基(-CH2OH),基團不同導致分子無法形成內部對稱面,故不為內消旋化合物。

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