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調查局三等申論題 110年 [醫學鑑識組] 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: (1) A與B 均為甘油醛的費雪投影及鋸齒投影 (2) C與D 均為具三個取代基之環己烷衍生物 (3) E與F 為開鏈或環狀結構之立體異構 (4) G與H 為1,3-dimethylcyclohexane的立體異構) (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)
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📝 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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本題考查立體異構物關係的判定。遇到此類題型,最穩健的方法是利用 Cahn-Ingold-Prelog (CIP) 優先順序法則,分別定出兩化合物各個手性碳的絕對組態 (R/S)。若所有手性中心組態皆相反且無對稱面,即為鏡像異構物;部分不同則為非鏡像異構物。

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【解題思路】利用 Cahn-Ingold-Prelog (CIP) 優先順序法則,分別定出化合物 A 與 B 各個手性碳的絕對組態 (R/S),再進行比較。 【詳解】 已知化合物 A 與 B 均為 2,3,4-trihydroxybutanal,具備兩個手性碳 C2 與 C3。

小題 (二)

C 與 D 彼此之間的關係是?(2 分)

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看到比較兩個分子的關係時,第一步永遠是先檢查「構造(Connectivity)」是否相同,也就是取代基的相對位置。不要急著判斷 R/S 或順反。仔細追蹤圖中環己烷上取代基的相對編號,確認它們是否連續,即可快速破解此題。

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【破題】 判斷兩分子關係時,首要步驟為檢查其「原子連結順序(Connectivity)」是否相同。若連結順序不同,即為結構異構物;若完全相同,才進一步比較空間中的立體化學。 【論述】

小題 (三)

E 與 F 彼此之間的關係是?(2 分)

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判斷椅型環己烷的異構物關係時,首先需觀察並標定環上取代基的相對位置(即碳骨架編號)。化合物 E 的兩個甲基位於相鄰碳上(1,2-位),而化合物 F 的兩個甲基分別位於相對側的碳上(1,4-位)。當兩者分子式相同但原子連結的位點順序不同時,即可直接判定為結構異構物,無須進一步比較立體組態。

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【解題關鍵】判斷環己烷衍生物之關係時,應優先確認各取代基在環上的相對位置(碳編號),若連結位點不同即為結構異構物。 【解析】

  1. 分析化合物 E:

小題 (四)

G 與 H 彼此之間的關係是?(2 分)

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首先,確認題目已給定 G 與 H 皆為 1,3-二甲基環己烷。接著判斷順反構型:利用 1,3-二取代環己烷的構象規則,同側(cis)必定為 (a,a) 或 (e,e) 構象,反側(trans)必定為 (a,e) 構象。最後,比對兩者的立體關係,若一為順式一為反式,即互為非鏡像異構物。

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【解題思路】利用環己烷構象與順反異構的對應關係,判斷兩化合物的立體組態並推導其關係。 【詳解】 已知:依題意 G 與 H 皆屬 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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判斷內消旋化合物(meso compound)需具備兩大條件:(1) 分子內具有兩個以上的立體中心(stereocenters);(2) 分子具備內部對稱面或反轉中心,整體無法與鏡像重疊(即非手性 achiral)。解題時應逐一檢視各結構,排除無對稱面或無立體中心的化合物,即可快速鎖定具高度對稱性的順式環狀結構。

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【解題關鍵】內消旋化合物(meso compound)必須含有兩個(或以上)的立體中心,且分子具備內部對稱面或對稱中心,使其總體為非手性(achiral)。 【解析】

  1. 化合物 A 與 B:皆為四碳糖衍生物,由於上下兩端的官能基(-CHO 與 -CH_2OH)不同,無法形成內部對稱面,屬於手性分子。

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