地特四等申論題
111年
[化學工程] 有機化學概要
第 七 題
📖 題組:
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 2 分,共 20 分)
(圖形題,以下文字為題目圖形之描述)
📝 此題為申論題,共 10 小題
小題 (七)
反應物:cyclopentanone,試劑:對甲苯磺酸 (p-TsOH), CH3CH2OH
思路引導
VIP
看到酮類與醇類在強酸(如對甲苯磺酸 p-TsOH)催化下反應,應立即聯想到縮酮化(Ketalization)反應。酮會與兩當量的醇反應,脫去一分子水,最終生成縮酮產物。
【解題思路】利用強酸催化酮類與醇類進行縮合反應,生成縮酮(Ketal)。
【詳解】
已知:反應物為環戊酮(Cyclopentanone),試劑為乙醇(CH3CH2OH)與酸催化劑對甲苯磺酸(p-TsOH)。
小題 (一)
反應物:1-氯代十六烷 (CH3-(CH2)14-CH2-Cl),試劑:吡啶 (Pyridine),加熱條件
思路引導
VIP
先判斷鹵代烷的級數,1-氯代十六烷為「一級鹵代烷」,立體位阻小;接著分析試劑,吡啶 (Pyridine) 是一種具有良好親核性的弱鹼。兩者相遇時,一級鹵代烷傾向與親核試劑發生 SN2 取代反應,最終生成穩定的吡啶鎓鹽(季銨鹽)。
【解題思路】判斷反應物級數與試劑特性,一級鹵代烷與中性親核試劑(吡啶)發生 $S_N2$ 反應生成季銨鹽。
【詳解】
- 反應物分析:1-氯代十六烷 ( $\text{CH}_3-(\text{CH}2){14}-\text{CH}_2-\text{Cl}$ ) 為一級鹵代烷,立體阻礙小,不利於 $S_N1$ 反應。若要發生 E2 消除反應通常需要強鹼,故此處傾向進行 $S_N2$ 親核取代反應。
小題 (二)
反應物:苯甲醯甲酸異丙酯 (Ph-CO-CO2iPr),試劑:H2SO4, H2O, 150°C
思路引導
VIP
觀察圖片,反應物為 β-酮酸酯(注意:題目文字描述有誤,圖示中羰基與酯基間明顯有亞甲基 -CH2-,應以圖示為準)。在強酸水溶液與 150°C 高溫條件下,酯類會先水解成 β-酮酸,隨即發生熱脫羧反應產生酮類產物。
【解題思路】利用 β-酮酸酯的酸性水解與脫羧反應性質來推導產物。
【詳解】
已知:依據題目圖示,反應物為苯甲醯乙酸異丙酯 (Isopropyl benzoylacetate),屬於 β-酮酸酯;反應條件為強酸水溶液 (H₂SO₄, H₂O) 與 150°C 高溫。
小題 (三)
反應物:2-methylcyclohex-2-en-1-one,試劑:nBu2CuLi ; H3O+
思路引導
VIP
本題測驗 Gilman 試劑對 α,β-不飽和酮的 1,4-共軛加成反應。需注意題目圖片真實結構與 OCR 文字描述有出入,解答將以圖片原題為主進行反應推導,並點出加成後新生成手性中心的外消旋 (racemic) 立體化學特徵。
【解題關鍵】Gilman 試劑 ($R_2CuLi$) 會對 $\alpha,\beta$-不飽和羰基化合物進行專一性的 1,4-加成 (共軛加成) 反應。
【解析】
壹、圖片真實結構之反應分析
小題 (四)
反應物:N-phenylpropionamide (苯丙醯胺),試劑:濃 H2SO4, 加熱
思路引導
VIP
看到苯胺的醯胺衍生物與「濃 H2SO4, 加熱」反應,首先應聯想到芳香族親電取代(磺化反應),而非水解。接著分析醯胺基(-NHCOR)的性質,它屬於鄰、對位導向的活化基,最後綜合考量立體障礙與熱力學穩定性,即可推導出對位磺化為主要產物。
【解題關鍵】醯胺基為活化基且為鄰、對位導向,在濃硫酸加熱條件下發生芳香環磺化反應,主產物為對位取代。
【解答】
Step 1(反應類型判斷):試劑「濃 H2SO4, 加熱」是標準的芳香族親電取代(EAS)之磺化反應條件。在濃硫酸(缺水)環境下,醯胺不易水解,主要作為保護基並參與芳香環的取代反應。
小題 (五)
反應物:1-propylcyclohex-1-ene,試劑:(1) O3, CH2Cl2, -78°C (2) (CH3)2S
思路引導
VIP
看到 O3 搭配 (CH3)2S 的試劑組合,應立即聯想到烯烴的「臭氧化-還原切割反應」。解題關鍵是將碳碳雙鍵 (C=C) 完全切斷,並在兩端各加上一個雙鍵氧 (=O)。因為反應物為環狀烯烴,雙鍵切斷後環會打開,形成含有兩個羰基的直鏈產物。
【解題思路】利用臭氧化反應及還原性處理(reductive workup)將烯烴的雙鍵斷裂,生成對應的醛或酮。
【詳解】
已知:反應物為 1-propylcyclohex-1-ene(1-丙基環己烯),雙鍵位於環上。雙鍵的一端碳原子(C1)連有一個丙基,另一端碳原子(C2)連有一個氫原子。
小題 (六)
反應物:cyclohexene,試劑:(1) Hg(OAc)2, iPrOH (2) NaBH4, NaOH(水溶液)
思路引導
VIP
看到 Hg(OAc)2 配合醇類,接著使用 NaBH4,應立即聯想到烯類的「烷氧汞化-去汞化反應 (alkoxymercuration-demercuration)」。這是一種將烯類轉化為醚類的方法,反應特徵為符合馬可尼可夫法則,且不會發生碳陽離子重排。
【解題關鍵】烯類的烷氧汞化-去汞化反應 (Alkoxymercuration-Demercuration)
【詳解】
- 第一步 (烷氧汞化):環己烯 (cyclohexene) 的雙鍵與 Hg(OAc)₂ 反應,生成環狀的汞離子中間體 (mercurinium ion)。接著,溶劑中的異丙醇 ($i$PrOH) 作為親核試劑,攻擊環上其中一個碳原子使其開環,形成反式加成的烷氧汞化中間體。
小題 (八)
反應物:對甲基苯重氮氯鹽 (p-CH3-C6H4-N2+ Cl-),試劑:CuCl, 60°C
思路引導
VIP
看到芳香族重氮鹽與亞銅鹽 (CuCl) 試劑,應立即聯想到 Sandmeyer 反應 (桑德邁爾反應)。此反應會將重氮基 (-N2⁺) 替換成對應的鹵素 (-Cl),且不改變苯環上其他取代基的位置。
【解題思路】辨識反應物與試劑,應用 Sandmeyer 反應 (桑德邁爾反應) 進行鹵素取代。
【詳解】
已知:反應物為芳香族重氮鹽,試劑為氯化亞銅 (CuCl)。(註:題目文字描述『對甲基』與所附圖形不符,依據圖形反應物實為『鄰甲基苯重氮氯鹽』,故解答以圖形為準)
小題 (九)
反應物:3,4-dihydronaphthalen-2(1H)-one (2-四氫萘酮),試劑:(1) NaH, H3C-PPh3+ Br- (2) H3O+
思路引導
VIP
看到強鹼 (NaH) 搭配鏻鹽 (Phosphonium salt),應立即聯想到 Wittig 反應。此反應的特徵是將醛或酮的羰基 (C=O) 轉化為碳-碳雙鍵 (C=C),第二步的酸性水溶液則為標準的後處理 (work-up) 步驟。
【解題關鍵】Wittig 反應將酮類化合物的羰基轉換為碳-碳雙鍵。
【解析】
一、生成葉立德 (Ylide):強鹼 NaH 會拔去甲基三苯基溴化鏻 ($\text{H}_3\text{C-PPh}_3^+\text{Br}^-$) 上的一個質子,生成具有親核性的磷葉立德 (Phosphorus ylide),即 $\text{H}_2\text{C=PPh}_3$。
小題 (十)
反應物:(E)-1-phenylprop-1-ene (反式-1-苯基丙烯),試劑:Zn/Cu, CH2I2
思路引導
VIP
看到試劑 Zn/Cu 與 CH2I2,應立即聯想到 Simmons-Smith 環丙烷化反應。解題關鍵在於該反應為立體專一性的順式加成(syn addition),因此必須保留起始物雙鍵的立體構型(反式/E),產物將是反式取代的環丙烷外消旋混合物。
【解題關鍵】Simmons-Smith 反應具備立體專一性,為順式加成 (syn-addition),產物會保留起始物雙鍵的立體化學。
【解析】
Step 1(試劑分析):試劑 Zn/Cu 與 CH2I2 會生成具活性的類碳烯 (Carbenoid) 試劑 ICH2ZnI,對碳碳雙鍵進行 Simmons-Smith 環丙烷化反應。
💡 酮與兩當量醇在酸催化下,經脫水反應生成縮酮。
🔗 縮酮生成之反應歷程
-
1
質子化與加成
— 酸活化羰基氧,第一分子醇進行親核攻擊。
↓
-
2
半縮酮中間體
— 質子轉移形成同時含羥基與醚基的結構。
↓
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3
脫水與再加成
— 羥基質子化脫水成碳陽離子,由二分子醇攻擊。
↓
-
4
生成縮酮產物
— 去質子化後得到穩定的 1,1-二烷氧基化合物。
🔄 延伸學習:延伸學習:縮酮在鹼性環境下穩定,常用作羰基保護基。
🧠 記憶技巧:一酮二醇酸催化,先半後全脫水走,雙氧單碳縮酮成。
⚠️ 常見陷阱:容易誤寫為半縮酮中間體即停止,或忽略酸催化下的脫水要件。
縮醛與縮酮保護基
縮酮的酸催化水解
半縮酮的環化反應
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