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調查局三等申論題 113年 [醫學鑑識組] 有機化學

第 五 題

📖 題組:
下列化合物是 3-hexyne,分別在 Lindlar catalyst 和 H2的條件下,以及鈉在液態氨中進行還原反應,分別得到化合物 A 和 B;化合物 A 和 B 又分別與溴在四氯化碳中反應,分別得到 C 和 D,請回答下列問題:(每小題 2 分,共 10 分) (反應式圖示略)
題組圖片
📝 此題為申論題,共 5 小題

小題 (五)

鈉剛開始溶在液態氨中是什麼顏色?

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本題測驗對於 Birch 還原反應或炔類還原反應中,鹼金屬溶解於液態氨之物理現象的了解。看到鹼金屬溶於液氨,應立刻聯想到「溶劑化電子(solvated electrons)」的生成,並回憶其在稀溶液與濃溶液中不同的顯色特徵。

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深藍色(Deep Blue)。 說明:鈉金屬剛溶解於液態氨時(稀溶液狀態),會解離成鈉陽離子與「溶劑化電子(Solvated electrons)」。這些溶劑化電子會吸收可見光光譜中的紅光/近紅外光區域,使得溶液呈現特徵性的深藍色。

小題 (一)

寫出化合物 A 的結構。

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看到 3-hexyne(內炔)與 H2 / Lindlar 催化劑的反應條件,應立刻聯想到這是立體專一性的部分還原反應。Lindlar 催化劑會促使氫氣進行同側加成(syn-addition),因此必定生成順式(cis / Z)的烯烴產物。

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【解題關鍵】內炔在 H2 / Lindlar 催化劑條件下會進行同側加成(syn-addition),生成順式(cis / Z)烯烴。 【解析】 反應物 3-hexyne(3-己炔)在 Lindlar 催化劑(經鉛或喹啉毒化的鈀催化劑)的作用下發生部分還原。由於反應在金屬催化劑表面進行,兩個氫原子必須從同側加成至碳-碳參鍵上,形成具順式立體構型的碳-碳雙鍵,且不會繼續被還原為烷類。

小題 (二)

寫出化合物 B 的結構。

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看到「鈉/液態氨(Na/NH3)」作用於炔類,應立即聯想到溶解金屬還原反應(Dissolving metal reduction)。此反應透過自由基陰離子中間體進行反式加成(anti-addition),會專一性地將內部炔(internal alkyne)還原為反式烯類(trans-alkene)。

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【解題思路】炔類在鈉與液態氨(Na/NH3)的條件下會進行溶解金屬還原反應,經由反式加成(anti-addition)機制,立體專一性地生成反式烯類。 【解答】 化合物 B 為 (E)-3-hexene(或 trans-3-hexene)。

小題 (三)

寫出化合物 C 的結構。(提示:必須明確標示立體化學)

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看到此題,首先應從試劑辨識反應的立體化學選擇性:Lindlar 催化劑還原炔類為順式(syn)加成,因此化合物 A 為 cis-3-hexene。接著,烯類與溴的加成反應為反式加成(anti-addition)。將反式加成應用於對稱的順式烯類上,會產生外消旋混合物(racemic mixture)。最後,需將此立體關係正確轉換為標準的鋸齒狀鍵線式作答。

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【解題思路】利用試劑特性判斷每步反應的立體化學特徵(順式還原與反式加成),進而推導最終產物的絕對組態與三維結構。 【詳解】

  1. 推導化合物 A:3-hexyne 在 $H_2$ 與 Lindlar catalyst(林德拉催化劑)作用下,發生順式加成(syn-addition),生成保留順式幾何結構的化合物 A,即 cis-3-hexene(或稱 (Z)-3-hexene)。

小題 (四)

寫出化合物 D 的結構。(提示:必須明確標示立體化學)

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本題核心在於立體化學的連續推導。第一步需知道 Na/NH3 還原炔類會生成反式烯烴((E)-3-hexene);第二步則是烯烴與 Br2 的鹵素加成屬於反式加成(anti-addition)。根據立體化學原則,反式烯烴進行反式加成會產生內消旋(meso)化合物,繪圖時需注意對稱性或反轉中心。

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【解題思路】利用反應機制的立體選擇性,先推導出中間產物 B 的構型,再推導出最終產物 D 的立體化學,最後具體描述其鍵線式空間結構。 【詳解】 已知:

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