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調查局三等申論題 110年 [醫學鑑識組] 有機化學

第 二 題

📖 題組:
根據以下的反應, (圖示:A (1-methylcyclohexene) 經過 1. O3, CH2Cl2, -78°C 2. NaIO4 or H2O2 產生 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)
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (二)

畫出化合物 B 的結構。(2 分)

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首先辨識反應條件:臭氧(O3)搭配過氧化氫(H2O2)進行的是「氧化型臭氧分解(Oxidative Ozonolysis)」。接著分析起始物 1-methylcyclohexene 的雙鍵位置與取代基,雙鍵斷裂開環後,帶有甲基的三級碳會轉化為酮(Ketone),而無取代基的二級碳所生成的醛會被過氧化氫進一步氧化為羧酸(Carboxylic acid)。

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化合物 B 為 6-酮庚酸(6-oxoheptanoic acid)。 【結構繪製指引】

  1. 畫出一條包含 7 個碳的直鏈骨架。

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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考生看到此題應先計算臭氧(O3)的總價電子數(3×6=18e-),畫出符合八隅體的共振路易斯結構。接著利用VSEPR理論判斷中心氧原子為sp2混成(具一對孤對電子),推導出其「角型(bent)」的幾何構型,最後依據公式(價電子數-鍵數-未共用電子數)準確標示各原子的形式電荷。

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【解題關鍵】VSEPR 理論判斷幾何構型與路易斯結構的形式電荷計算。 【解答】 一、幾何構型:

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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解題首先需確認反應條件為烯類的氧化性臭氧解(Oxidative Ozonolysis),推導出產物 B 應為含有酮基與羧基的「6-側氧庚酸」。接著對比起始物(環烯類)與產物(酮與酸)的特徵官能基,找出 IR 光譜中最具鑑別度的 C=O、O-H 以及 C=C、sp² C-H 伸縮振動吸收峰即可。

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【破題】 起始物 A 為「1-甲基環己烯」(具烯烴官能基),經氧化性臭氧解(O3 後接 H2O2 等氧化劑)後,雙鍵斷裂形成產物 B「6-側氧庚酸」(具酮基與羧基)。兩者在 IR 光譜上可由特徵吸收峰的「出現」與「消失」來明顯分辨。 【論述】

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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看到核磁共振(NMR)比較題,首先應確認反應前後「官能基」的改變。本題涉及烯烴(C=C)氧化裂解生成酮(Ketone)與羧酸(Carboxylic acid),因此比較重點在於 C-13 NMR 中烯烴碳(120-140 ppm)的消失與羰基碳(170-220 ppm)的生成。

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【破題】本題關鍵在於判斷起始物與產物官能基的改變,利用 $^{13}\text{C}$-NMR 光譜中 $sp^2$ 碳化學位移(Chemical shift, $\delta$)區段的顯著差異進行分辨。 【論述】 一、起始物 A(1-methylcyclohexene):

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