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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:
考慮以下的反應, (圖示:A(2-methyl-2-butanol,三級醇,CH3CH2-C(CH3)2-OH)加入 HBr -> B(2-bromo-2-methylbutane)+ H2O) (一)以上的反應是化合物 A 被加入 HBr 以後的取代反應而成為化合物 B,此反應是進行所謂的雙分子親核取代反應(bimolecular nucleophilic substitution reaction, SN2)或單分子親核取代反應(unimolecular nucleophilic substitution reaction, SN1)?(2 分) (二)寫出以上反應的速率方程式。(2 分) (三)若將 HBr 的濃度提高兩倍,會加快、減慢或者不影響反應的速率?(1 分)為什麼?(2 分) (四)寫出以上化合物 A 形成化合物 B 的反應機制。(3 分)
題組圖片
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

以上的反應是化合物 A 被加入 HBr 以後的取代反應而成為化合物 B,此反應是進行所謂的雙分子親核取代反應(bimolecular nucleophilic substitution reaction, SN2)或單分子親核取代反應(unimolecular nucleophilic substitution reaction, SN1)?(2 分)

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解答此題的關鍵在於辨識受質(醇類)的結構級數與反應試劑(強酸 HBr)的特性。本題圖示中與 -OH 相連之碳連有乙基與兩個甲基,共三個碳基,故為三級醇。三級醇在強酸環境下,質子化脫水即可直接生成穩定的三級碳陽離子;再加上三級碳位阻極大、Br⁻ 無法背面攻擊,兩項條件都指向 SN1 而非 SN2。

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【解答】單分子親核取代反應(SN1)。 【解析】 一、受質特性分析

小題 (二)

寫出以上反應的速率方程式。(2 分)

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本題測驗 SN1 反應的動力學特徵。受質為三級醇,質子化脫水後直接生成三級碳陽離子,屬單分子親核取代反應(SN1)。SN1 的速率決定步驟(RDS)為質子化醇的脫水解離,故反應速率僅與受質濃度成正比,為一級反應,與 Br⁻ 濃度無關。

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【解題關鍵】SN1 反應的速率決定步驟為單分子的解離過程,反應速率僅與受質濃度有關,而與親核試劑 Br⁻ 之濃度無關。 【解答】 本反應為單分子親核取代反應(SN1)。其速率決定步驟為「質子化的化合物 A」脫去水分子而形成三級碳陽離子的慢步驟(A 為三級醇 2-methyl-2-butanol)。

小題 (三)

若將 HBr 的濃度提高兩倍,會加快、減慢或者不影響反應的速率?(1 分)為什麼?(2 分)

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看到這題,首先確認二級或三級醇與 HBr 反應會經歷碳陽離子中間體,機制為 SN1。接著要避開「SN1 速率僅取決於受質,故不受親核試劑濃度影響」的常見陷阱。必須認知到 HBr 在此反應中兼具酸與親核試劑的雙重角色:雖然親核劑 (Br⁻) 不參與速率決定步驟,但氫離子 (H⁺) 會促進醇的質子化,提高反應物 (質子化醇) 濃度,因此整體反應會加快。

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【解題思路】分析 SN1 反應中速率決定步驟(RDS)的參與物特性,並區分 HBr 提供的 H⁺ 與 Br⁻ 對反應機制的個別影響。 【詳解】 一、結論

小題 (四)

寫出以上化合物 A 形成化合物 B 的反應機制。(3 分)

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三級醇在氫鹵酸條件下生成三級鹵代烷,應立即聯想到 SN1 機制。解題時需依序寫出三個步驟:羥基質子化、脫水直接生成三級碳陽離子(速率決定步驟)、Br⁻ 親核攻擊,並精準描述電子轉移箭頭的方向以符合閱卷標準。⛔ 本題不涉及碳陽離子重排:中間體一開始就是三級碳陽離子,1,2-氫轉移無從提升其穩定度;若考生寫出「二級碳陽離子經重排」反屬錯誤,但正確寫出三步驟而未提重排者不得以「漏寫重排」扣分

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【解題思路】化合物 A(2-methyl-2-butanol)為三級醇,與 HBr 反應依 SN1 機構進行,共三個步驟;因中間體已是三級碳陽離子,全程不發生重排。 【詳解】 作答時須在結構上明確標示電子轉移之曲線箭頭(curved arrows)。

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