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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)
📝 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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看到烯類與 HBr 反應(無過氧化物),應立即聯想到「親電加成反應」。解題關鍵在於描述機制的第一步:雙鍵的 π 電子攻擊質子,並遵循馬可尼可夫法則形成最穩定的三級碳陽離子中間體,接著再由溴離子進行親核攻擊完成反應。

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【解題思路】本題為烯類的親電加成反應(Electrophilic Addition),遵循馬可尼可夫法則(Markovnikov's rule)以形成最穩定的碳陽離子中間體。 【詳解】 起始物 A (1-methylcyclopentene) 與 HBr 形成產物 B 的反應機制包含兩個主要步驟:

小題 (二)

寫出形成化合物 C 的機制。(4 分)

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看到「HBr、過氧化物 (RO-OR) 與加熱」的反應條件,應立即判定此為「自由基加成反應 (Free Radical Addition)」。解題時需依序寫出起始 (Initiation) 與繁衍 (Propagation) 步驟,並特別強調溴自由基會優先攻擊雙鍵上位阻較小(含氫較多)的碳,以生成較穩定的「三級碳自由基」中間體,從而推導出反馬可尼可夫產物。

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【解題思路】 反應條件加入過氧化物 (RO-OR) 與熱,為典型的「自由基加成反應」,反應依循反馬可尼可夫法則 (anti-Markovnikov rule),需以單電子轉移(魚鉤箭頭,fishhook arrows)推導反應機構。 【詳解】 形成化合物 C(1-溴-2-甲基環戊烷,立體異構物包含順反兩種)的反應機制分為起始、繁衍(鏈成長)及終止三個階段:

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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考生應從反應試劑判斷反應機制與區域選擇性。單純的 HBr 進行親電加成反應,經由最穩定的碳陽離子中間體,產物符合馬可尼可夫法則;若加入過氧化物(RO-OR)則會進行自由基加成反應,表現出反馬可尼可夫法則。

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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。 【補充說明】 1-methylcyclopentene(起始物 A)與純 HBr 進行親電加成反應時,氫離子(H⁺)會加成在含氫較多的雙鍵碳上,形成較穩定的三級碳陽離子(3° carbocation)中間體。隨後溴離子(Br⁻)攻擊該碳陽離子,生成 1-bromo-1-methylcyclopentane(化合物 B)。這種將鹵素加成在取代基較多之雙鍵碳上的區域選擇性,即為馬可尼可夫法則。

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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看到題目詢問反馬可尼可夫法則(anti-Markovnikov rule)產物,請立即聯想烯類與 HBr 反應的條件差異。當反應條件中加入過氧化物(RO-OR)與加熱/光照時,反應機構會轉變為自由基加成,導致溴原子加在取代基較少的碳上,即為反馬氏產物。

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化合物 C。 當 1-methylcyclopentene 與 HBr 反應時,若加入過氧化物(RO-OR)並加熱,反應會經由「自由基加成(Radical addition)」機構進行。在此機制中,溴自由基(Br•)會優先加成至雙鍵上取代基較少(立體障礙較小)的碳原子,以形成較穩定之三級碳自由基中間體,最終產生反馬可尼可夫法則(anti-Markovnikov rule)的產物 1-bromo-2-methylcyclopentane,即化合物 C。

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