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高考申論題 111年 [化學工程] 有機化學

第 一 題

📖 題組:
二、請寫出下列反應的主要產物(請表示正確的立體化學)(每小題5 分,共50 分) (一) 環己酮 + HO-NH2 (催化量 H2SO4) (二) 對硝基苯重氮硫酸氫鹽 + CuCN (三) 苯并呋喃格氏試劑 + CO2(固體); H3O+ (四) 四級銨鹽 + AgOH, 加熱 (五) 環戊酮 + HCN (六) α,β-不飽和酮 + nBu2CuLi; H3O+ (七) 4-氨基苯酚 + 乙酸酐 (八) 水楊醛 + 苯乙腈 (NaOEt, EtOH) (九) 4-甲氧基苯乙酸 + SOCl2 (十) 2,2-二甲基環氧乙烷 + CH3OH (催化量 H2SO4)
📝 此題為申論題,共 10 小題

小題 (一)

環己酮與 HO-NH2 在催化量 H2SO4 下反應

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看到「酮或醛」與「一級胺衍生物(如 NH2OH)」在「酸性催化」下反應,應立即聯想到親核加成-消除反應(縮合去水),生成含 C=N 雙鍵的產物。此處試劑為羥胺(Hydroxylamine),故產物為「肟(Oxime)」;同時需注意環己酮為對稱結構,不涉及 E/Z 立體異構的判斷。

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【解題思路】酮類與一級胺衍生物(如羥胺 $NH_2OH$)在微酸催化下會發生親核加成-消除反應,脫去一分子水形成肟(Oxime)。 【解析】

  1. 反應試劑與條件:環己酮(Cyclohexanone)與羥胺(Hydroxylamine, $HO-NH_2$),在催化量硫酸($H_2SO_4$)存在下反應。

小題 (二)

對硝基苯重氮硫酸氫鹽 + CuCN

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看到芳香族重氮鹽(Diazonium salt)與亞銅鹽(CuCN、CuCl 或 CuBr)的組合,應立刻聯想到「桑德邁爾反應(Sandmeyer reaction)」。此反應會將重氮基(-N2+)直接替換為亞銅鹽上的配體(此處為氰基 -CN),並釋放出氮氣。

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【解題思路】利用 Sandmeyer reaction(桑德邁爾反應)將重氮基替換為氰基。 【詳解】 已知:反應物為對硝基苯重氮硫酸氫鹽(p-NO2-C6H4-N2+ HSO4-),試劑為氰化亞銅(CuCN)。

小題 (三)

苯并呋喃格氏試劑 + CO2(固體); H3O+

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看到「格氏試劑 + 固體 CO2(乾冰)並伴隨酸水解」,應立即聯想到羧酸化反應(Carboxylation)。格氏試劑作為親核基攻擊二氧化碳的親電碳原子,生成羧酸鹽,再經酸水解轉化為對應的羧酸。

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【解題思路】利用格氏試劑對二氧化碳進行親核加成反應,再經酸水解製備對應的羧酸。 【詳解】 已知:反應物為苯并呋喃格氏試劑 (Benzofuranylmagnesium halide) 與固體 CO2,隨後進行酸水解 (H3O+)。

小題 (四)

四級銨鹽 (含三甲基) + AgOH, 加熱

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看到「四級銨鹽與 AgOH 共熱」,應立即聯想到霍夫曼消去反應 (Hofmann elimination)。解題關鍵在於辨識這是一個 E2 消去反應,且因脫離基體積龐大,產物將遵循霍夫曼法則,生成取代基最少(立體障礙最小)的烯烴。

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【解題思路】本題考查霍夫曼消去反應 (Hofmann elimination)。四級銨鹵鹽與 AgOH (或 Ag2O/H2O) 作用轉化為四級銨氫氧化物,加熱時發生 E2 消去,依霍夫曼法則產生最少取代的烯烴。 【詳解】 已知:反應物為含有三甲基的四級銨鹽 (R-N⁺(CH3)3 X⁻),試劑為 AgOH 並加熱。

小題 (五)

環戊酮 + HCN

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本題考查醛酮的親核加成反應(氰醇反應)。環戊酮與氫氰酸發生反應,氰離子攻擊羰基碳生成氰醇(Cyanohydrin)。需注意環戊酮的對稱性,產物中的碳原子是否具有手性是判斷立體化學的關鍵。

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【破題】本題考查酮類與氫氰酸(HCN)的親核加成反應,生成相應的氰醇(Cyanohydrin)。 【解析】 一、反應機構

小題 (六)

α,β-不飽和酮 + nBu2CuLi; H3O+

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看到 Gilman 試劑(R2CuLi)與 α,β-不飽和羰基化合物的反應,應立刻聯想到「1,4-共軛加成(1,4-conjugate addition)」。Gilman 試劑屬於軟性親核試劑,會選擇性攻擊較缺電子的 β-碳,而非進行 1,2-羰基加成,最後經酸處理互變異構成酮。

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【解題關鍵】Gilman試劑(有機銅鋰試劑)的 1,4-共軛加成反應。 【解答】 主要產物為:β-正丁基取代的飽和酮(β-n-butyl ketone)

小題 (七)

4-氨基苯酚 + 乙酸酐

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看到4-氨基苯酚與乙酸酐的反應,首先應辨識出反應物具有兩個親核基團(-NH2 與 -OH)。接著比較兩者的親核性:由於氮的電負度較氧小,孤對電子較易給出,故胺基的親核性強於酚羥基,乙酸酐將選擇性地優先對胺基進行醯化。

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【解題思路】判斷分子中多個親核基團的相對親核性,確定醯化反應的化學選擇性(Chemososelectivity)。 【詳解】 已知:反應物 4-氨基苯酚(4-aminophenol)具有兩個親核基團:胺基 (-NH2) 與酚羥基 (-OH);試劑乙酸酐(Acetic anhydride)為常用的醯化試劑。

小題 (八)

水楊醛 + 苯乙腈 (NaOEt, EtOH)

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看到苯乙腈(具活性亞甲基)與水楊醛(具羰基與鄰位酚羥基)在鹼性條件下反應,應立刻聯想到 Knoevenagel 縮合反應。縮合後生成的 α,β-不飽和腈,其鄰位酚羥基會進一步對腈基發生分子內親核加成,形成香豆素(Coumarin)衍生物骨架。

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【解題思路】本題綜合考查 Knoevenagel 縮合反應與分子內環化反應。利用活性亞甲基與醛基縮合後,鄰位酚羥基進一步攻擊腈基完成成環。 【詳解】 已知條件:水楊醛(2-羥基苯甲醛)、苯乙腈(PhCH₂CN)、鹼性試劑(NaOEt/EtOH)

小題 (九)

4-甲氧基苯乙酸 + SOCl2

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看到試劑 SOCl2 (氯化亞碸),應立即聯想到這是將羧酸 (-COOH) 轉換為醯氯 (-COCl) 的標準且高效的試劑。評估反應物結構,確認甲氧基 (-OCH3) 為穩定的醚類,在此條件下不會受影響,僅羧基發生轉化。

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【解題關鍵】羧酸轉化為醯氯的親核醯基取代反應。 【解答】 主要產物:4-甲氧基苯乙醯氯 (4-methoxyphenylacetyl chloride)

小題 (十)

2,2-二甲基環氧乙烷 + CH3OH (催化量 H2SO4)

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看到環氧化物 (epoxide) 開環反應,首要判斷反應條件是「酸性」還是「鹼性」。本題有催化量 H2SO4,屬於酸性條件開環。酸性條件下,親核試劑會優先攻擊能穩定部分正電荷的「取代基較多」的碳原子(具備 SN1 碳正離子特性的 SN2 反應);若為鹼性則受立體障礙影響攻擊取代基較少的碳。

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【解題思路】環氧化物在酸性條件下的區位選擇性開環反應(Regioselective ring-opening of epoxide)。 【詳解】 已知反應物:2,2-二甲基環氧乙烷(2,2-dimethyloxirane)含有一個三級碳(C2,連有兩個甲基)與一個一級碳(C1,連有兩個氫)。

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