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高考申論題 114年 [化學工程] 化學程序工業(包括質能均衡)

第 一 題

📖 題組:
下圖為 2-methyl-1-pentene 之 1H NMR 之圖譜,2.97、2.08、2.96、2.06 和 2.00 為五個 NMR 峰的積分值,請回答下列有關分析化學之問題。
題組圖片
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

請畫出 2-methyl-1-pentene 之化學結構,並指出下圖 a、b、c、d、e 這五個 NMR 峰各為 2-methyl-1-pentene 化學結構中那個氫之吸收峰?(10 分)

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首先畫出 2-methyl-1-pentene 的化學結構式,並確認分子內共有 5 組不同化學環境的氫原子。接著利用圖譜提供的「積分面積(代表相對氫原子數量)」、「化學位移(代表官能基所處環境)」以及「自旋耦合分裂規律(n+1 法則)」進行交叉比對,將 a~e 五個峰精準歸屬至結構中對應的氫原子。

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【解題關鍵】利用 1H-NMR 之「化學位移(所處環境)」、「積分值(質子數量)」與「分裂圖形(鄰近質子數)」進行結構歸屬。 【解答】 一、 2-methyl-1-pentene 之化學結構

小題 (二)

下圖 a、b、c、d、e 這五個 NMR 峰當中,何者受屏蔽效應(shielding effect)之影響最大?(3 分)

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解答此題的關鍵在於理解核磁共振(NMR)圖譜中化學位移(chemical shift, δ)與屏蔽效應的關聯。受屏蔽效應越大的質子,其共振吸收發生在高場區(upfield),對應的化學位移數值越小(位於圖譜的最右側)。只需觀察圖譜中哪個峰的 ppm 值最低即可快速得出答案。

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【解題關鍵】受屏蔽效應越大的質子,其化學位移(δ值)越小,位於圖譜的越右側(高場區)。 【解析】 在 $^1$H NMR 圖譜中,橫軸代表化學位移(單位為 ppm)。

小題 (三)

下圖 a、b、c、d、e 這五個 NMR 峰當中,何者位於最高場(upfield)之位置?(3 分)

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本題測驗核磁共振(NMR)圖譜的基礎判讀。解題關鍵在於理解『高場 (upfield)』與『低場 (downfield)』在圖譜上的相對位置,高場即代表化學位移(δ值)較小、受到電子雲遮蔽較強,位於圖譜最右側的區域。

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【解答】 位於最高場(upfield)的 NMR 峰為 a。 【解析】

小題 (四)

苯(C6H6)在紫外光範圍的最大吸收波長(λmax)為 255 nm,苯胺(C6H5NH2)的 λmax為 280 nm,請說明苯胺 λmax往紅光位移的原因。(4 分)

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看到此題應先比較苯與苯胺的結構差異,找出氨基(-NH2)官能基的存在。接著思考氨基上氮原子的「孤對電子」如何與苯環的 π 電子產生「共軛效應」,進而縮小躍遷能隙(ΔE),根據 E=hc/λ,能量變小會導致吸收波長變長(紅移)。

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【破題】苯胺的 λmax 產生向紅位移(Bathochromic shift / Red shift),主因是氨基(-NH2)扮演了「輔色基(Auxochrome)」的角色,產生 p-π 共軛效應。 【論述】 一、結構差異與共軛擴展:苯胺分子結構中,連接於苯環的氨基(-NH2)其氮原子上具有一對未共用的孤對電子(Lone pair electrons / n電子)。此孤對電子的 p 軌域能與苯環的 π 電子系統發生重疊,產生 p-π 共軛效應(共振),使分子整體的共軛體系擴展。

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