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調查局三等申論題 110年 [醫學鑑識組] 有機化學

第 五 題

📖 題組:
請預測以下的化合物在氫質子核磁共振(1H NMR)光譜中,一共有多少訊號的吸收?(每小題 2 分,共 10 分) (圖示五種化合物) (一) Naphthalene (萘) (二) 2-Methylnaphthalene (2-甲基萘) (三) 2,6-Dimethylnaphthalene (2,6-二甲基萘,視圖面而定) (四) Methyl (2E)-2-hexenoate 或類似之不對稱直鏈酯類衍生物 (五) 3-Bromopentane (3-溴戊烷)
題組圖片
📝 此題為申論題,共 5 小題

小題 (五)

(五) 化合物(圖示 3-Bromopentane)的 1H NMR 訊號數?

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看到這類 NMR 預測題,首先必須依據圖示確認正確的化學結構與立體構型(圖示實為 2-溴戊烷,而非提示文字中誤植的 3-溴戊烷)。接著利用化學等價性原理分析,當分子中存在「手性中心」(如題圖特意畫出的楔形鍵)時,務必考慮鄰近亞甲基(-CH2-)質子是否具備非對映異位(Diastereotopic)性質,這是區分考生鑑識實務與高等有機程度的核心考點。

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【解題思路】依據分子結構分析質子的化學等價性,並利用立體化學觀念判斷手性中心對亞甲基質子造成的非對映異位效應(Diastereotopic effect)。 【詳解】 已知:依據圖(五)的鍵線式,該分子主鏈為 5 個碳,溴原子位於第 2 號碳,實際結構為 2-溴戊烷 (2-Bromopentane)。圖中刻意以楔形鍵標示立體化學,提示 C2 為一手性中心 (Chiral center)。

小題 (一)

(一) 化合物(圖示 Naphthalene)的 1H NMR 訊號數?

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預測 NMR 訊號數量的核心在於尋找分子的對稱性(對稱面、對稱中心或旋轉軸)。透過畫出對稱面,將化學環境完全相同的氫質子(化學等價質子)歸類,種類數即為吸收訊號的數量。

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【解題思路】利用分子對稱性判斷化學等價的質子(Chemically equivalent protons)種類數。 【解析】

  1. 化合物(一)為萘(Naphthalene),分子具備高度平面對稱性($D_{2h}$ 點群),包含穿過 C9-C10 鍵的對稱面,以及垂直於 C9-C10 鍵將分子左右平分的對稱面。

小題 (二)

(二) 化合物(圖示 2-Methylnaphthalene)的 1H NMR 訊號數?

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判斷分子中是否有對稱面或旋轉軸是決定 1H NMR 訊號數的關鍵。2-甲基萘因甲基的取代破壞了原本萘的對稱性,導致環上每個氫原子的化學環境都不同。

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【解題關鍵】利用分子對稱性(Symmetry)判斷化學等價質子(Chemically equivalent protons)。 【解答】 分析化合物 (二) 2-Methylnaphthalene (2-甲基萘) 的結構:

小題 (三)

(三) 化合物(圖示對稱的二甲基萘)的 1H NMR 訊號數?

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判斷 ¹H NMR 訊號數的關鍵在於找出分子的對稱性以確定「化學等價」的質子。首先必須依據圖面確認真實結構為 2,3-二甲基萘,找出其水平對稱面後,即可快速歸納出不同化學環境的質子種類。

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【解題思路】判斷 ¹H NMR 訊號數的關鍵在於找出分子結構中的化學等價質子,可透過尋找分子的對稱軸或對稱面來快速歸納。 【詳解】 已知:依據圖(三)所示,該化合物結構為 2,3-二甲基萘(2,3-dimethylnaphthalene),而非題目文字背景中誤植的 2,6-二甲基萘。

小題 (四)

(四) 化合物(圖示一直鏈不飽和酯類)的 1H NMR 訊號數?

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判斷 1H NMR 訊號數的關鍵在於尋找分子中『化學環境不同』的質子。本題需特別注意直鏈的各個碳環境皆不對稱,且末端烯基(-CH=CH2)的兩個質子因立體空間(順反位置)不同,互為非對映異位質子,因此會產生兩組獨立訊號。

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【解題思路】利用結構對稱性與替換測試法判斷分子中質子的化學等價性。該分子無對稱性,須特別注意末端單取代烯烴上的兩個質子因空間位置互異,屬非對映異位(diastereotopic),會分別給出不同的訊號。 【詳解】 已知:化合物(圖四)為 4-戊烯基乙酸酯(pent-4-enyl acetate),結構為 CH₃-C(=O)-O-CH₂-CH₂-CH₂-CH=CH₂。

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