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調查局三等申論題 113年 [醫學鑑識組] 有機化學

第 三 題

📖 題組:
根據下列兩個反應,請回答下列問題:(每小題 2 分,共 10 分) 反應(I): 化合物 A + CH3I -> B 反應(II): 化合物 C + H3O+/heat -> D
題組圖片
📝 此題為申論題,共 5 小題

小題 (三)

寫出化合物 D 的結構。

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觀察反應 (II),起始物化合物 C 為含有氰基(-C≡N)的苯甲腈(Benzonitrile),試劑為酸性水溶液(H3O+)並伴隨加熱(heat)。考生應立刻聯想到有機化學中經典的「腈類水解反應(Hydrolysis of nitriles)」,在酸性加熱條件下,氰基會完全水解轉變為羧基(-COOH),藉此推導出產物結構。

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【解題關鍵】腈類化合物(Nitrile)在酸性水溶液中加熱,會發生完全水解反應,生成對應的羧酸(Carboxylic acid)。 【解析】 反應 (II) 的起始物化合物 C 為苯甲腈(Benzonitrile)。在 H3O+ 且加熱的條件下,氰基(-C≡N)會先水解成醯胺(Amide)中間體,接著繼續水解,最終碳氮參鍵完全斷裂,生成羧酸與銨離子(NH4+)。

小題 (一)

寫出化合物 B 的結構。

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看到二級胺(Compound A)與碘甲烷(CH3I)的反應,應直覺聯想到親核性取代反應(SN2)。胺基上的氮原子具有孤對電子,可作為親核基攻擊碘甲烷的碳原子,進行 N-烷基化反應,將原結構的 N-H 轉換為 N-CH3 形成三級胺。

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【解題思路】判斷試劑性質與反應中心,二級胺遇一級烷基鹵化物會進行親核取代(SN2)產生 N-烷基化(N-Alkylation)。 【詳解】 已知:化合物 A 為含有一個二級胺(Secondary amine)結構的 1,2,3,6-四氫吡啶(1,2,3,6-tetrahydropyridine)。試劑為碘甲烷(CH3I),為一空間障礙小且帶有良好脫去基的甲基化試劑(親電體)。

小題 (二)

如何利用紅外線光譜儀(IR)辨別化合物 A 和 B 的不同。

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考生看到此題應先分析反應(I),判斷出化合物A(二級胺)與CH3I反應後生成化合物B(三級胺),兩者結構差異在於有無「N-H鍵」。接著回憶官能基的IR特徵吸收波數,針對N-H鍵的伸縮振動區間(3300-3500 cm⁻¹)進行比對說明即可。

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【解題關鍵】利用二級胺(具N-H鍵)與三級胺(無N-H鍵)在紅外線光譜上的特徵吸收峰差異進行鑑別。 【解析】

  1. 化合物 A 為二級胺(Secondary amine),結構中含有 N-H 鍵。在紅外線光譜(IR)中,其 N-H 伸縮振動(stretching vibration)會在 3300 ~ 3500 cm⁻¹ 之間出現一個中等強度的尖銳吸收峰

小題 (四)

如何利用紅外線光譜儀(IR)辨別化合物 C 和 D 的不同。

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首先需由反應條件推導產物 D 的結構。苯甲腈 (C) 經酸性加熱水解會生成苯甲酸 (D)。接著分別列出腈基 (-C≡N) 與羧基 (-COOH) 在紅外線光譜 (IR) 中具高度鑑別力的官能基特徵吸收頻率(波數),並比較其吸收峰形狀特徵即可。

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【破題】 反應(II)為苯甲腈(Benzonitrile, 化合物C)在酸性加熱條件下發生水解反應,最終生成苯甲酸(Benzoic acid, 化合物D)。兩者可透過含氮與含氧官能基在紅外線光譜(IR)的特徵吸收峰差異進行明確辨識。 【論述】

小題 (五)

寫出將化合物 C 以 LiAlH4還原後的產物。

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首先辨識化合物 C 為苯甲腈 (Benzonitrile),具有腈基 (-C≡N) 官能基。接著回想氫化鋁鋰 (LiAlH4) 為強還原劑的化學性質,它能將腈類的碳氮三鍵完全還原,最終生成對應的一級胺。

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【解題關鍵】氫化鋁鋰 (LiAlH4) 為強還原劑,可將腈類 (-C≡N) 完全還原為一級胺 (-CH2NH2)。 【解答】

  1. 辨識反應物:由圖中結構可知,化合物 C 為苯甲腈 (Benzonitrile, Ph-CN)。

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