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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:
以下的反應,是由起始物 A,在不同條件下與 HBr 反應,經由不同的反應機制而分別形成產物 B 和 C, (圖示:A為端烯 terminal alkene。A 加入 HBr 生成 B。A 加入 HBr, RO-OR, heat 生成 C) (一)寫出形成化合物 B 的機制。(2 分) (二)寫出形成化合物 C 的機制。(4 分) (三)以上那一個化合物,B 或 C,是屬於馬可尼可夫法則(Markovnikov rule)加成的產物?(2 分) (四)以上那一個化合物,B 或 C,是屬於反馬可尼可夫法則(anti-Markovnikov rule)加成的產物?(2 分)
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

寫出形成化合物 B 的機制。(2 分)

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看到端烯與HBr反應且無過氧化物,應立即聯想「親電加成反應」與「馬可尼可夫法則」。解題關鍵在於分步描述:先由π電子攻擊質子形成較穩定的碳陽離子中間體,再由溴離子進行親核攻擊生成產物。

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【解題思路】本題考查端烯與鹵化氫的親電加成反應機制(Electrophilic Addition),反應遵循馬可尼可夫法則(Markovnikov's rule),經由較穩定的碳陽離子中間體進行。 【詳解】 設端烯 A 之一般式為 R-CH=CH₂。形成產物 B 的反應機制包含以下兩個步驟:

小題 (二)

寫出形成化合物 C 的機制。(4 分)

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看到烯類與 HBr 搭配過氧化物 (RO-OR) 及加熱條件,應立刻聯想到「反馬可尼可夫加成」的自由基連鎖反應。解題時必須精確分段寫出:起始 (Initiation)、傳遞 (Propagation) 及終止 (Termination) 三個步驟,並點出「形成較穩定的二級碳自由基」是決定反馬氏位向選擇性的關鍵。

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【解題思路】利用自由基連鎖反應(Radical Chain Reaction)機構,並以單電子轉移(均裂)說明端烯與 HBr 在過氧化物存在下的反馬氏加成反應。 【詳解】 端烯(化合物 A:R-CH=CH₂)與 HBr 在過氧化物(RO-OR)與加熱(heat)條件下,會進行自由基加成反應,生成反馬可尼可夫(anti-Markovnikov)產物 C(一級溴代烷)。其反應機構分為三個主要階段,電子轉移均以單向魚鉤箭頭(Fishhook arrows)表示單電子之移動:

小題 (三)

以上那一個化合物,B 或 C,是屬於馬可尼可夫法則(Markovnikov rule)加成的產物?(2 分)

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看到烯類與 HBr 反應但條件不同時,應立即聯想到「親電加成」與「自由基加成」的差別。無過氧化物(RO-OR)存在時走碳陽離子中間體機制,遵循馬可尼可夫法則;有過氧化物存在時走自由基中間體機制,表現出反馬可尼可夫選擇性。

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化合物 B 是屬於馬可尼可夫法則(Markovnikov rule)加成的產物。 【補充說明】端烯(A)在單獨與 HBr 反應時,會進行親電加成反應(Electrophilic addition)。依據馬可尼可夫法則,質子(H⁺)會加成在含氫較多的碳原子(端碳)上,形成較穩定的碳陽離子中間體,隨後溴離子(Br⁻)再攻擊該碳陽離子,使得溴原子連接在取代基較多的內部碳原子上,生成產物 B。

小題 (四)

以上那一個化合物,B 或 C,是屬於反馬可尼可夫法則(anti-Markovnikov rule)加成的產物?(2 分)

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看到 HBr 與過氧化物(RO-OR)共用的條件,應立即聯想到「自由基加成反應」。此機制中,溴自由基會優先攻擊端烯以形成較穩定的碳自由基中間體,導致溴原子接在取代基較少的碳上,從而判斷出反馬可尼可夫產物。

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化合物 C 是屬於反馬可尼可夫法則(anti-Markovnikov rule)加成的產物。 因為在過氧化物(RO-OR)及加熱條件下,HBr 對端烯的加成會依循自由基反應機構(Free-radical addition)。溴自由基(Br·)會優先加成於雙鍵中含氫數較多的碳上(即端碳),以形成較穩定的碳自由基中間體,最終生成溴原子位於取代基較少位置的產物,故表現出反馬可尼可夫加成的區域選擇性。

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