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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:
以下的反應,是由起始物 A,在不同條件下與 HBr 反應,經由不同的反應機制而分別形成產物 B 和 C, (圖示:A為1-methylcyclopentene。左側箭頭加入HBr形成產物B;右側箭頭加入HBr, RO-OR, heat形成產物C) (一)寫出形成化合物 B 的機制。(2 分) (二)寫出形成化合物 C 的機制。(4 分) (三)以上那一個化合物,B 或 C,是屬於馬可尼可夫法則(Markovnikov rule)加成的產物?(2 分) (四)以上那一個化合物,B 或 C,是屬於反馬可尼可夫法則(anti-Markovnikov rule)加成的產物?(2 分)
題組圖片
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

寫出形成化合物 B 的機制。(2 分)

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看到烯烴與純 HBr 反應(無過氧化物條件),應立刻聯想到「親電加成反應」並遵循「馬可尼可夫法則」。解題關鍵在於描繪 π 電子攻擊質子(H⁺)形成最穩定的三級碳陽離子中間體,接著由溴離子(Br⁻)進行親核攻擊完成反應。

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【解題思路】本題為烯烴的親電加成反應(Electrophilic addition),機制經由最穩定的碳陽離子中間體進行,遵循馬可尼可夫法則(Markovnikov's rule)。 【詳解】 化合物 B 的形成機制包含以下兩個主要步驟:

小題 (二)

寫出形成化合物 C 的機制。(4 分)

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看到反應條件包含過氧化物(RO-OR)與加熱,應立刻聯想到「自由基加成反應(Radical addition)」。此機制的特點是溴自由基(Br•)會先攻擊雙鍵,形成較穩定的三級碳自由基中間體,最終產生反馬可尼可夫(anti-Markovnikov)加成產物。答題時需依序寫出「起始(Initiation)」與「增長(Propagation)」步驟,並提醒自己繪製單電子轉移的魚鉤箭頭(Fishhook arrows)。

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【解題關鍵】在過氧化物(RO-OR)與加熱條件下,HBr 會進行自由基加成反應(Radical addition),產生反馬可尼可夫(anti-Markovnikov)產物。 【詳解】 形成化合物 C 的機制為自由基連鎖反應,主要包含起始(Initiation)與增長(Propagation)步驟。實務作答時需繪製結構並以單箭頭(魚鉤箭頭,fishhook arrows)標示單電子轉移:

小題 (三)

以上那一個化合物,B 或 C,是屬於馬可尼可夫法則(Markovnikov rule)加成的產物?(2 分)

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看到本題,首先回想「馬可尼可夫法則」的定義:在不對稱烯烴的親電加成反應中,親電體(如 H+)會加在原本含氫較多的雙鍵碳上,使鹵素加在取代基較多(能形成較穩定碳陽離子)的碳上。接著比較兩側反應條件,左側(純 HBr)走親電加成,右側(含過氧化物 RO-OR)走自由基加成,即可判斷前者對應馬可尼可夫產物。

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化合物 B 是屬於馬可尼可夫法則(Markovnikov rule)加成的產物。 理由:起始物 A(1-methylcyclopentene)在僅加入 HBr 的條件下,會進行親電加成反應(Electrophilic addition)。質子(H⁺)優先加成於含氫較多的烯碳上,形成較穩定的三級碳陽離子中間體,隨後溴離子(Br⁻)攻擊該碳位置,生成鹵素接於高取代碳上的產物(1-bromo-1-methylcyclopentane),此區域選擇性(Regioselectivity)完全符合馬可尼可夫法則。

小題 (四)

以上那一個化合物,B 或 C,是屬於反馬可尼可夫法則(anti-Markovnikov rule)加成的產物?(2 分)

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辨別反應條件與加成區域選擇性(Regioselectivity)的關係。看到過氧化物(RO-OR)與加熱條件,應立即聯想到自由基反應機制,導致氫溴酸發生反馬可尼可夫(anti-Markovnikov)加成。

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化合物 C。 當烯烴在過氧化物(RO-OR)與加熱的條件下與 HBr 進行反應時,會依循自由基加成機制進行。在反應過程中,溴自由基(Br·)會優先加成在雙鍵上含氫較多(取代基較少)的碳原子上,以形成較穩定的三級碳自由基中間體;隨後該中間體再奪取 HBr 的氫原子,最終導致溴原子加成於含氫較多的碳上,形成反馬可尼可夫法則(anti-Markovnikov rule)加成的產物 C(1-bromo-2-methylcyclopentane)。

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