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高考申論題 111年 [化學工程] 有機化學

第 十 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 (十)

2,2-二甲基環氧乙烷 + CH3OH (催化量 H2SO4)
題目圖片

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看到不對稱環氧化合物的開環反應,首先判斷反應條件為「酸性」還是「鹼性」。在酸催化條件下,親核試劑(CH3OH)會優先攻擊「取代基較多」的碳原子(因其能較好地穩定過渡態中的部分正電荷);反之若為鹼性,則攻擊立體障礙較小的一級碳。

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【解題關鍵】酸催化不對稱環氧化合物開環的位置選擇性(Regioselectivity)。 【解析】

  1. 質子化:在催化量硫酸(H₂SO₄)存在下,環氧化合物的氧原子會先被質子化,形成氧鎓離子(Oxonium ion)。

小題 (一)

環己酮與 HO-NH2 在催化量 H2SO4 下反應
題目圖片

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觀察試劑羥胺(HO-NH₂)與酸催化條件,判斷此為酮類形成肟(Oxime)的親核加成-消除反應。由於題圖所示之起始物為非對稱酮(環己基苯基甲酮),作答時需特別注意產物 C=N 雙鍵會形成 E/Z 兩種幾何異構物。

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【解題關鍵】非對稱酮類與羥胺(Hydroxylamine)在酸催化下進行親核加成-脫水消除反應,生成具有幾何異構的肟(Oxime)。 【解析】

  1. 結構釐清:文字雖簡寫為「環己酮」,但依題圖所示,實際反應物為「環己基苯基甲酮(Cyclohexyl phenyl ketone)」。

小題 (二)

對硝基苯重氮硫酸氫鹽 + CuCN
題目圖片

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看到芳香族重氮鹽與亞銅鹽 (CuCN) 的組合,應立即聯想到 Sandmeyer 反應。解題關鍵在於辨識重氮基 (-N2+) 將被氰基 (-CN) 取代,並脫去氮氣,同時保留苯環上其他取代基的原有位置。

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【解題思路】觀察到芳香族重氮鹽與 CuCN 的組合,應直接應用 Sandmeyer 反應(桑德邁爾反應)的原理。 【詳解】 已知:反應物為苯重氮鹽。依據題目所附圖片,硝基 (-NO2) 位於重氮基 (-N2⁺) 的鄰位(ortho位),即鄰硝基苯重氮鹽。加入的試劑為氰化亞銅 (CuCN)。

小題 (三)

苯并呋喃格氏試劑 + CO2(固體); H3O+
題目圖片

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看到 Grignard 試劑與 CO2 (乾冰) 的反應,應立即想到這是合成羧酸的經典方法。反應中,Grignard 試劑的親核性碳會攻擊 CO2 生成羧酸鹽,隨後的酸性水解 (H3O+) 會將其質子化,最終結果是將原本的 -MgBr 轉換為 -COOH。

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【解題思路】Grignard 試劑與固體二氧化碳(乾冰)反應並經酸性水解,是製備羧酸的標準合成路徑。 【詳解】

  1. 親核加成反應:Grignard 試劑(Ar-MgBr)中的芳基碳具有碳負離子特性,作為強親核試劑,會攻擊二氧化碳(O=C=O)上缺電子的親電性碳原子,打開一個 C=O π鍵,形成對應的羧酸鎂鹽(Ar-COO⁻ ⁺MgBr)。

小題 (四)

四級銨鹽 (含三甲基) + AgOH, 加熱
題目圖片

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看到四級銨鹽與 AgOH 並加熱,應立即聯想到 Hofmann 脫去反應(E2)。解題關鍵在於尋找所有可能的 β-氫,並依據 Hofmann 規則與立體障礙(反式共平面的構象要求),判斷鹼會優先拔除位阻最小的質子,進而生成取代度最低的烯類(Hofmann產物)。

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【解題思路】本題考查四級銨氫氧化物的 Hofmann 脫去反應(Hofmann elimination)。解題關鍵在於判斷 E2 脫去的區域選擇性,因受限於龐大離去基的立體障礙與反式共平面要求,反應會遵循 Hofmann 規則生成取代度最低的烯類。 【詳解】 已知:反應物為 1-甲基-1-(三甲銨基)環己烷溴鹽。

小題 (五)

環戊酮 + HCN
題目圖片

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看到酮類(如附圖的環己酮)與 HCN 反應,應立即聯想到親核加成反應(Nucleophilic addition)。氰根離子(CN⁻)攻擊羰基碳,隨後氧原子質子化,最終生成氰醇(Cyanohydrin)產物。

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【解題思路】羰基化合物(酮類)與氫氰酸(HCN)進行親核性加成反應(Nucleophilic addition),生成對應的氰醇(Cyanohydrin)。 【詳解】 已知:題目文字雖敘述為「環戊酮」,但依據附圖結構,反應物實際為「環己酮(Cyclohexanone)」與 HCN,故以附圖為準。

小題 (六)

α,β-不飽和酮 + nBu2CuLi; H3O+
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看到 Gilman 試劑 (R₂CuLi) 與 α,β-不飽和酮的組合,必須立刻聯想到 1,4-共軛加成。有機銅試劑是「軟」親核基,不同於一般 Grignard 試劑的 1,2-加成,它會專一性地攻擊 β-碳,反應後經酸水解會產生在 β-位烷基化的飽和酮。

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【解題關鍵】Gilman 試劑的 1,4-共軛加成(Conjugate addition) 【解析】 一、試劑特性分析:

小題 (七)

4-氨基苯酚 + 乙酸酐
題目圖片

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看到分子內同時存在胺基 (-NH2) 與羥基 (-OH) 時,應立即比較兩者的親核性。由於氮的電負度小於氧,-NH2 的親核性更強,因此親核醯基取代反應會優先發生在胺基上,生成醯胺 (amide)。

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【解題關鍵】競爭性親核基團的選擇性反應(-NH₂ 親核性大於 -OH)。 【詳解】

  1. 試劑分析:4-氨基苯酚同時具備胺基(-NH₂)與酚羥基(-OH)兩種潛在的親核基團;而乙酸酐(Acetic anhydride)為良好的醯化試劑(親電體)。

小題 (八)

水楊醛 + 苯乙腈 (NaOEt, EtOH)
題目圖片

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看到強鹼與具有活性 α-氫的苯乙腈及不含 α-氫的芳香醛,應立即聯想到 Knoevenagel 縮合反應。解題關鍵在於畫出碳陰離子加成至羰基後脫水所生成的高度共軛產物,並藉由最小化立體障礙(兩個最大的芳香環基團位於反側)來判斷烯烴的立體化學。

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【解題思路】本題考查 Knoevenagel 縮合反應(Aldol 縮合的延伸)。利用活性亞甲基化合物在鹼性條件下對醛進行親核加成並脫水,生成共軛的不飽和化合物。 【詳解】 已知:

小題 (九)

4-甲氧基苯乙酸 + SOCl2
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看到試劑 SOCl2 (亞硫醯氯),應立即聯想其為將羧酸 (-COOH) 轉化為醯氯 (-COCl) 的標準氯化試劑。分子中的醚基 (-OCH3) 與苯環在該條件下不受影響,只需將羧酸的 -OH 替換為 -Cl 即可得到產物。

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【解題關鍵】SOCl2 (亞硫醯氯) 是將羧酸轉化為高活性醯氯的標準試劑。 【解析】 一、反應物分析:依據圖片所示,反應物為 3-甲氧基苯乙酸 (3-methoxyphenylacetic acid);題幹文字雖描述為「4-甲氧基」,但無論甲氧基在何處,反應核心僅在於側鏈的羧酸官能基。

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