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調查局三等申論題 112年 [醫學鑑識組] 有機化學

第 一 題

📖 題組:
四、請寫出下列反應式之主要產物(major product)(請將[A]→[J]的立體化學表示出來)(每小題 5 分,共 50 分) (一) (二) (三) (四) (五) (六) (七) (八) (九) (十)
📝 此題為申論題,共 10 小題

小題 (一)

(一) 產物 [A]
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看到酯類與兩當量的格氏試劑 (Grignard reagent) 反應,應立刻聯想到「兩次親核加成」反應。第一次加成後脫去烷氧基形成酮,第二次格氏試劑再對酮加成,最後經酸處理得到三級醇。推導結構時需注意,接上兩個相同的乙基會使產物失去手性中心。

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【解題思路】酯類與過量(兩當量)格氏試劑反應,會經歷兩次親核加成反應,最終生成含有兩個相同烷基取代基的三級醇。 【詳解】

  1. 第一次親核攻擊(加成-消除):第一當量乙基溴化鎂 ($CH_3CH_2MgBr$) 的乙基碳負離子攻擊丁酸甲酯 ($CH_3CH_2CH_2COOCH_3$) 的羰基碳,形成四面體中間體。隨後,甲氧基 ($-OCH_3$) 作為離去基脫去,羰基雙鍵重建,生成酮類中間產物「3-己酮」 ($CH_3CH_2CH_2COCH_2CH_3$)。

小題 (二)

(二) 產物 [B]
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看到起始物為一級醯胺(Primary amide),且試劑為亞硫醯氯(SOCl₂)與加熱條件,應立即聯想到這是一個經典的脫水反應。一級醯胺在強脫水劑作用下會發生脫水反應(氧原子與氫原子以形成 SO₂ 與 HCl 的形式離去),轉化為相應的腈類(Nitrile)化合物。

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【解題思路】利用亞硫醯氯(SOCl₂)作為脫水劑,將一級醯胺轉化為腈類(Nitrile)化合物。 【詳解】 已知:起始物為環戊烷甲醯胺(Cyclopentanecarboxamide),屬於一級醯胺;試劑為亞硫醯氯(SOCl₂),在苯溶劑中加熱至 80 °C,為標準的脫水條件。

小題 (三)

(三) 產物 [C]
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看到 α,β-環氧酮與親核試劑(如醋酸鈉/醋酸),首先應聯想到環氧化物的區域選擇性開環反應。接著利用立體電子效應判斷親核試劑會攻擊受羰基影響較小的 β-碳(C3),並依循 SN2 機構進行反式加成(anti-attack),最終確定取代基的相對立體化學。

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【解題思路】本題考查 α,β-環氧酮(α,β-epoxy ketone)的親核開環反應,需判斷親核試劑攻擊的區域選擇性(Regioselectivity)與立體化學特徵。 【詳解】 已知:反應物為 2,3-epoxy-1-tetralone,試劑為醋酸鈉/醋酸緩衝系統,提供弱酸性質子與親核性的醋酸根($\text{CH}_3\text{COO}^-$)。

小題 (四)

(四) 產物 [D]
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看到此題,首先辨識出 OsO4 與 NaHSO3 是進行烯類「順式雙羥基化(syn-dihydroxylation)」的經典試劑。接著觀察反應物的雙環結構與角甲基(angular methyl),利用角甲基產生的立體阻礙效應,判斷體積龐大的試劑會從位阻較小的反面攻擊,從而決定新加成羥基的相對立體化學。

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【解題關鍵】鋨酸(OsO₄)對烯類進行順式雙羥基化反應,加成方向受角甲基立體阻礙控制,從反面攻擊產生相對反式的順式二醇。 【解析】 一、反應試劑與機制

小題 (五)

(五) 產物 [E]
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看到反應試劑 1. O3 與 2. Zn, H3O+,應立即聯想到烯類的臭氧化還原裂解反應(Ozonolysis with reductive workup)。解題技巧是直接將 C=C 雙鍵切斷,並在兩個斷裂的碳上各接上一個雙鍵氧(=O)。因為雙鍵在環上,切斷後會發生開環,形成直鏈的二酮結構。

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【解題思路】烯類的臭氧化還原裂解反應(Ozonolysis with reductive workup)。 【詳解】

  1. 反應試劑與機制:第一步加入臭氧(O₃)會與碳碳雙鍵(C=C)進行環加成反應,形成臭氧化物(Ozonide)中間體;第二步加入鋅粉與酸(Zn, H₃O⁺)作為還原劑,將臭氧化物進行還原裂解。

小題 (六)

(六) 產物 [F]
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看到內部炔類 (internal alkyne) 與鋰/液態氨 (Li, NH3) 的反應條件,應立即聯想到「溶解金屬還原反應 (Dissolving metal reduction)」。此反應會透過自由基陰離子中間體,將內部炔立體專一性地還原為「反式 (trans/E) 烯類」,解題重點在於判斷原分子骨架,並正確繪出雙鍵處的反式立體構型。

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【解題關鍵】溶解金屬還原反應(Dissolving metal reduction):鹼金屬(如 Li, Na)在液態氨中會將內部炔類(internal alkyne)還原成反式烯類(trans-alkene)。 【解析】 一、 反應試劑與機制

小題 (七)

(七) 產物 [G]
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看到羧酸加上 Br2/PBr3 接著加水的條件,應立即聯想到 Hell-Volhard-Zelinsky (HVZ) 反應。此反應會專一性地在羧酸的 α-碳上進行溴化;立體化學方面,因經過平面的烯醇(enol)中間體,產物必定為外消旋混合物(racemic mixture)。

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【解題思路】本題考查 Hell-Volhard-Zelinsky (HVZ) 反應(羧酸 α-碳溴化)。 【詳解】

  1. 反應物為丁酸(Butanoic acid)。

小題 (八)

(八) 產物 [H]
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看到 1,3-環己二烯與帶有吸電子基的烯類,應立即想到 [4+2] Diels-Alder 環加成反應。在立體化學上需注意「內型法則」(Endo rule),過渡態中吸電子基團與雙烯體 π 軌域的次級軌域作用會使帶有羰基的取代基指向雙鍵側(endo 位置),形成雙環[2.2.2]辛烯衍生物。

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【解題思路】利用 [4+2] Diels-Alder 反應原理及內型法則(Endo rule)來決定產物的雙環骨架與立體化學。 【詳解】 已知:1,3-環己二烯(Diene,雙烯體)與 甲基乙烯基酮(Dienophile,親雙烯體)反應。

小題 (九)

(九) 產物 [I]
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辨識反應物為羧酸(carboxylic acid),試劑為硼烷(BH3)。BH3 是一種親電性還原劑,能高度選擇性地將羧酸快速還原為一級醇,過程不影響碳骨架,也不涉及立體化學變化。

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【解題關鍵】硼烷 (BH3) 對羧酸的選擇性還原反應 【產物 [I] 解析】 產物名稱:3-methylbutan-1-ol(3-甲基-1-丁醇)

小題 (十)

(十) 產物 [J]
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考生看到 Dess-Martin periodinane (DMP) 應立刻聯想到其為溫和的氧化劑,能選擇性地將一級醇氧化為醛,二級醇氧化為酮。解題關鍵在於辨識產物結構應保留原分子所有的雙鍵及立體化學構型,僅將末端的 -CH₂OH 轉變為 -CHO。

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【重點】考查溫和氧化劑 Dess-Martin periodinane (DMP) 對一級醇的選擇性氧化反應。 【解析】 一、試劑特性:Dess-Martin periodinane (DMP) 是一種高價碘試劑,常於二氯甲烷 (CH₂Cl₂) 溶劑中進行反應。它是一種極溫和且具高度選擇性的氧化劑,能將一級醇氧化為醛 (aldehyde),且不會發生過度氧化產生羧酸。

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