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調查局三等申論題 111年 [化學鑑識組] 有機化學

第 一 題

📖 題組:
四、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)
📝 此題為申論題,共 10 小題

小題 (一)

(S)-1-chloro-1-deuteroethane + HC≡C(-) Li(+)
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看到一級鹵代烷與強親核劑(炔負離子),應直覺判斷這是一個標準的 SN2 反應。接著要注意題目特別要求「正確的立體化學」,必須運用 Walden Inversion(構型反轉)原理,將親核劑從離去基背面攻擊的立體結果精準描繪出來:碳骨架不變下,楔形與虛線取代基位置互換。

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【解題思路】本題考查強親核劑與一級鹵代烷進行雙分子親核取代反應(SN₂)之機構,及隨之發生的立體化學反轉(Walden Inversion)。 【詳解】 已知:

小題 (二)

p-Bromoacetanilide + FeBr3, Br2
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看到這題首先辨識為親電性芳香族取代反應(EAS)。接著分析苯環上現有兩個取代基(-NHCOCH3 與 -Br)的指向效應競爭,依據「最強活化基主導」原則,由中度活化基 -NHCOCH3 決定新取代基的位置。最後確認其對位已被佔據,故親電體只能攻擊鄰位。

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【解題思路】判斷親電性芳香族取代反應(EAS)中,多取代苯環的指向效應(Directing effects)競爭,以最強活化基主導為原則。 【詳解】

  1. 反應類型:Br₂ 在路易斯酸 FeBr₃ 的催化下,產生親電體(Electrophile)Br⁺,對苯環進行親電性芳香族取代反應。

小題 (三)

4-isobutylcyclohexene + 1. O3, CH2Cl2, -78度C 2. (CH3)2S
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看到這題首先辨識反應條件:O3 搭配 (CH3)2S 為經典的「臭氧解配合還原性後處理」反應。其核心功能是將碳碳雙鍵 (C=C) 完全切斷,兩端的碳原子皆氧化成羰基 (C=O)。接著觀察圖片中的反應物結構,為 1-isobutylcyclohexene(1-異丁基環己烯),環狀烯類被切斷雙鍵後會發生「開環」,形成一端為醛、一端為酮的長鏈分子。

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【解題關鍵】臭氧解反應(Ozonolysis)配合二甲基硫(DMS)的還原性後處理,會將烯類的碳碳雙鍵完全斷開,並將原雙鍵碳分別轉化為羰基(醛或酮)。 【解析】 一、 反應物確認

小題 (四)

1-(4-bromophenyl)-3-phenylpropan-1-one + 催化量 H2SO4, HO-NH2
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看到酮類(Ketone)與羥胺(HO-NH2)在酸性催化下反應,應立即聯想到「肟(Oxime)的生成反應」。解題關鍵在於將羰基(C=O)替換為碳氮雙鍵(C=N-OH),並且必須注意到因反應物為不對稱酮,產物將包含 E/Z 兩種立體異構物。

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【解題關鍵】酮類與羥胺(Hydroxylamine)在酸催化下發生親核性加成-脫去反應,生成肟(Oxime),並須注意立體化學的 E/Z 異構物。 【解析】 一、反應機構:

小題 (五)

2-cyclohexenone + nBu2CuLi; H2O
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看到 $\alpha,\beta$-不飽和酮 (2-cyclohexenone) 與有機銅鋰試劑 (Gilman reagent, $n\text{Bu}_2\text{CuLi}$) 的組合,應立即聯想到「1,4-共軛加成反應 (Conjugate addition)」。Gilman 試劑為軟親核基,會選擇性攻擊 $\beta$-碳而非羰基碳,經水淬滅質子化後,即可推導出於 3 號位發生取代的飽和酮產物。

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【解題思路】利用有機銅鋰試劑(Gilman試劑)具備「軟親核性(Soft nucleophile)」的特徵,對 $\alpha,\beta$-不飽和羰基化合物進行高度區域選擇性的 1,4-共軛加成(Michael addition)。 【詳解】 已知條件:反應物為 2-cyclohexenone($\alpha,\beta$-不飽和酮),試劑為 $n\text{Bu}_2\text{CuLi}$ (二正丁基銅鋰)。

小題 (六)

4-phenylbutanoic acid + 少量P, Br2
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看到羧酸加上「少量 P, Br2」,應立即辨識為 Hell-Volhard-Zelinsky (HVZ) 反應。此反應的特徵是在羧酸的 α-碳上進行單溴化,且因反應途經平面的烯醇中間體,產物會形成外消旋混合物 (racemic mixture)。

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【解題思路】本題考查 Hell-Volhard-Zelinsky (HVZ) α-溴化反應。 【詳解】 已知條件:起始物為 4-phenylbutanoic acid,試劑為少量 P (磷) 與 Br₂ (溴)。

小題 (七)

p-Aminophenol + Acetic anhydride
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看到分子內同時存在胺基 (-NH2) 與酚羥基 (-OH) 時,應立刻想到親核性 (Nucleophilicity) 的比較。由於氮的電負度較氧小,孤對電子較容易給出,因此胺基是較強的親核試劑。與乙酸酐反應時,會優先發生 N-醯化反應,這是經典的普拿疼 (Acetaminophen) 合成路徑。

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【解題思路】判斷分子內不同親核基團的親核性強弱,進行選擇性親核醯基取代反應。 【詳解】

  1. 反應物分析:p-Aminophenol 含有兩個親核基團:胺基 (-NH2) 與酚羥基 (-OH)。Acetic anhydride (乙酸酐) 為醯化試劑,提供親電子的碳基碳 (carbonyl carbon)。

小題 (八)

Diethyl adipate + 1.05當量 NaOEt; H3O+
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看到兩端皆為酯基的長鏈二酯(1,6-二酯),配上對應的鹼(NaOEt),應直覺想到發生分子內的 Claisen 縮合,即迪克曼縮合(Dieckmann Condensation)。計算碳鏈長度可知將形成穩定的五元環 β-酮酯,最後一步加酸僅作質子化(work-up),未加熱故不脫羧。

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【解題思路】分子內的克萊森縮合(Claisen Condensation),即迪克曼縮合反應(Dieckmann Condensation)。 【詳解】

  1. 形成烯醇陰離子:己二酸二乙酯(Diethyl adipate,一為 1,6-二酯)在鹼性試劑 NaOEt 作用下,其酯基 α-碳上的酸性氫被拔除,形成親核性的烯醇陰離子(enolate)。

小題 (九)

2,4-dimethoxybenzyl alcohol + Et3N, SOCl2
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看到亞硫醯氯 (SOCl2) 與三乙胺 (Et3N) 的試劑組合,應立刻聯想到這是將醇類轉化為氯代烷的經典反應。對於一級苄醇而言,反應會直接將羥基 (-OH) 替換為氯原子 (-Cl),且苄位碳並非手性中心,因此無須考慮立體構型反轉 (inversion of configuration) 的問題。

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【解題思路】利用 SOCl₂ 將醇類轉化為氯代烴,並以 Et₃N 作為鹼來中和反應產生的 HCl,防止對酸敏感的官能基或活潑苯環發生副反應。 【解析】 一、反應機制:

小題 (十)

Benzaldehyde + NaH, Diethyl benzylphosphonate
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看到磷酸酯(phosphonate)、強鹼(NaH)與醛類作用,應立刻聯想到 Horner-Wadsworth-Emmons (HWE) 反應。此反應中的 α-碳帶有苯基可穩定碳負離子,反應受熱力學控制,因此具備高度的立體選擇性,主要生成空間位阻較小、熱力學較穩定的 (E)-反式雙鍵產物。

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【解題思路】利用 Horner-Wadsworth-Emmons (HWE) 反應合成反式烯烴。 【詳解】 已知:反應物為苯甲醛(Benzaldehyde)與 Diethyl benzylphosphonate;試劑 NaH 為強鹼。

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