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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:
以下的化合物 A 和化合物 B 分別在進行消除反應中被加入鹼(NaOEt)以後, (圖示:A 和 B 為取代基空間位向不同的 1-chloro-2-isopropylcyclohexane 衍生物。根據化學邏輯,此為經典的 cis/trans 消除選擇性問題) (一)畫出化合物 A 最穩定的椅狀結構(chair form)。(2 分) (二)畫出化合物 B 最穩定的椅狀結構(chair form)。(2 分) (三)那一個化合物,A 或 B,在進行消除反應時只會形成一種最終產物?(1 分)寫出該最終產物。(2 分) (四)那一個化合物,A 或 B,在進行消除反應時會形成兩種最終化合物?(1 分)寫出其中的主要產物。(2 分)
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (二)

畫出化合物 B 最穩定的椅狀結構(chair form)。(2 分)

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解此類題目的關鍵在於「立體張力(Steric strain)」的評估。首先,比較取代基的 A-value(立體障礙大小),異丙基(isopropyl)的體積遠大於氯原子(Cl),因此在最穩定的椅狀結構中,異丙基必須佔據赤道向(equatorial)以避免嚴重的 1,3-雙軸交互作用。接著再依據題目圖示的順反(cis/trans)關係,決定 Cl 原子的軸向(axial)或赤道向位置。

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【解題思路】利用環己烷取代基的 A-value 判斷最穩定構象,體積較大的取代基必須位於赤道向(equatorial position)。 【解析】 由於原題圖示缺失化合物 B 的明確立體位向,以下依據經典 1-chloro-2-isopropylcyclohexane 題型,提供最穩定椅狀結構的推導標準與繪製規範:

小題 (一)

畫出化合物 A 最穩定的椅狀結構(chair form)。(2 分)

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判斷環己烷椅狀結構穩定性的核心原則是「立體位阻最小化」,即將體積最大的取代基(此題為異丙基,isopropyl group)置於赤道位(equatorial position),以避免嚴重的1,3-二軸向排斥作用(1,3-diaxial interaction)。接著根據原題圖示的順反(cis/trans)立體位向,決定氯原子(Cl)位於軸向(axial)或赤道向(equatorial)。

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【解題思路】利用環己烷構象分析(Conformational Analysis)原則,將最龐大取代基置於赤道位(Equatorial)以求得最穩定結構。 【詳解】 已知:1-chloro-2-isopropylcyclohexane 中,異丙基(isopropyl group,-CH(CH3)2)的立體障礙與體積遠大於氯原子(Cl)。

小題 (三)

那一個化合物,A 或 B,在進行消除反應時只會形成一種最終產物?(1 分)寫出該最終產物。(2 分)

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面對環己烷系統的 E2 消除反應,第一步必須畫出椅狀構象(Chair conformation),並牢記 E2 反應的立體電子效應:離去基(-Cl)與被拔除的質子(-H)必須呈現「反對位共平面(anti-periplanar)」,亦即在椅型結構中必須是「雙軸向(diaxial)」的幾何關係。藉由檢查 Cl 處於軸向時,兩側鄰位碳(C2與C6)是否具有軸向氫,即可精準判斷能產生幾種產物。

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【解題思路】環己烷的 E2 消除必須滿足反對位共平面(anti-periplanar)原則,即離去基(Cl)與質子(H)必須同處於軸向(axial, a)位置。 【詳解】 已知:進行 E2 消除時,強鹼(NaOEt)只能拔除與離去基(Cl)呈反對位共平面的質子。

小題 (四)

那一個化合物,A 或 B,在進行消除反應時會形成兩種最終化合物?(1 分)寫出其中的主要產物。(2 分)

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處理環己烷系統的 E2 消除反應,核心破題點在於畫出最穩定的椅狀構象,並尋找與離去基(Cl)呈「反式共平面(anti-periplanar)」(即 axial-axial 關係)的 β-氫原子。結合柴瑟夫法則(Zaitsev's rule)判斷熱力學上最穩定的主要產物。

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【解題思路】利用椅狀構象尋找與離去基(Cl)呈「反式共平面(anti-periplanar)」(雙軸向)的 β-氫原子,以判斷 E2 消除的反應方向及產物多寡。 【詳解】 已知:環己烷系統的 E2 消除反應中,離去基(-Cl)必須處於軸向(axial),且其相鄰碳原子(C2 或 C6)上必須具有反式共平面的軸向 β-氫。

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