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調查局三等申論題 114年 [化學鑑識組] 有機化學

第 三 題

📖 題組:
請寫出下列反應的主要產物(表示正確的立體化學,每小題 5 分,共 50 分) (一) 3-nitrophthalic acid + H2N-NH2 (二) Hexan-2-ol derivative + ZnCl2, HCl (三) 4-methylacetophenone + (1)過量I2, NaOH(水溶液) (2) H3O+ (四) 1-allyl-2-methylbenzene ether derivative heated to 160°C (五) (E)-hept-4-en-3-one + nBu2CuLi; H2O (六) (E)-1-(4-methoxyphenyl)propene + Zn/Cu, CH2I2 (七) Trans-decalin derivative + Et3N, SOCl2 (八) 3-methylcyclohex-2-enone + iPr2CuLi; H2O (九) Cyclohexanone + Phenylhydrazine + 催化量 H2SO4 (十) Isoprene + Maleic anhydride + Toluene, 加熱
📝 此題為申論題,共 10 小題

小題 (三)

4-methylacetophenone + (1)過量I2, NaOH(水溶液) (2) H3O+
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觀察反應物包含「甲基酮」結構,且反應條件為過量鹵素與鹼 (I2, NaOH),接著進行酸化,應立即聯想到「鹵仿反應(Haloform reaction/碘仿反應)」。此反應會將甲基酮的甲基斷裂生成碘仿,原酮基碳則轉化為羧酸。

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【解題思路】辨識出反應物具有「甲基酮」結構,搭配「過量碘/氫氧化鈉」及「酸處理」條件,為標準的碘仿反應(Iodoform reaction)。 【詳解】

  1. 鹵代階段:4-methylacetophenone (4-甲基苯乙酮) 的甲基 (-CH3) 具有較強的 α-氫酸性。在 NaOH 存在下,與過量 I2 發生連續三次的 α-鹵代反應,生成三碘代中間體 (-COCI3)。

小題 (一)

3-nitrophthalic acid + H2N-NH2
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  1. 辨識反應物:3-nitrophthalic acid 具有兩個鄰位羧基,與聯胺 (Hydrazine, H2N-NH2) 這個雙親核試劑反應。
  2. 反應類型:在加熱條件下發生雙重親核醯基取代 (脫水縮合),形成穩定的六元環狀醯肼 (cyclic hydrazide)。
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【解題思路】辨識鄰位雙羧基與聯胺的反應特性,進行雙重脫水縮合,形成六元環的環狀醯肼。此為鑑識化學中合成血跡檢測試劑「魯米諾(Luminol)」的經典首步反應。 【詳解】

  1. 第一步(親核攻擊與醯胺化):聯胺($H_2N-NH_2$)具有強親核性,其中一個氮原子攻擊 3-nitrophthalic acid 上的其中一個羧基碳(羰基),經過四面體中間體並脫去一分子水,形成單醯胺。

小題 (二)

Hexan-2-ol derivative + ZnCl2, HCl
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看到二級醇與 ZnCl2/HCl (Lucas 試劑) 反應,應立刻想到這是將醇轉換為氯代烷的親核取代反應。二級醇主要經由 SN1 機制進行,需考慮碳陽離子中間體是否重排,此題無更穩定的重排可能,故直接將 -OH 取代為 -Cl 即可。

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【解題思路】看到醇類與 ZnCl2/HCl (Lucas 試劑) 反應,應聯想到將醇轉化為烷基氯的親核取代反應(以 $S_N1$ 為主)。 【詳解】 已知:底物為 2-己醇 (hexan-2-ol),屬於二級醇;試劑為 ZnCl2 與 HCl (Lucas 試劑)。

小題 (四)

1-allyl-2-methylbenzene ether derivative heated to 160°C
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觀察反應物為烯丙基芳基醚(allyl aryl ether)且反應條件為高溫(160°C),應立即聯想到經典的 Claisen 重排反應([3,3]-σ遷移反應)。接著檢查苯環上的取代基位置,發現一個鄰位與對位已被甲基佔據,烯丙基將透過六元環過渡態遷移至另一個未被取代的鄰位,最後經由互變異構恢復芳香性。

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【解題思路】利用 Claisen 重排反應([3,3]-σ遷移反應)機制進行推導。 【詳解】 已知:反應物為 2,4-dimethylphenyl allyl ether(烯丙基芳基醚),反應條件為 160°C 加熱。

小題 (五)

(E)-hept-4-en-3-one + nBu2CuLi; H2O
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看到 Gilman 試劑(R2CuLi)與 α,β-不飽和羰基化合物,應立即聯想到 1,4-共軛加成(Michael addition)。將正丁基(nBu)加成至 β-碳上,並注意加成後最長碳鏈的改變及立體化學(產生外消旋混合物)。

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【解題思路】Gilman 試劑($R_2CuLi$)作為軟性親核試劑(Soft nucleophile),對 $\alpha,\beta$-不飽和羰基化合物傾向進行 1,4-共軛加成反應,而非 1,2-直接加成。 【詳解】 已知:反應物為 $\alpha,\beta$-不飽和酮,依圖片結構為 (E)-5-methylhept-4-en-3-one(題目文字略有疏漏,依圖為主)。試劑為 $nBu_2CuLi$(二正丁基銅鋰)。

小題 (六)

(E)-1-(4-methoxyphenyl)propene + Zn/Cu, CH2I2
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看到 Zn/Cu 與 CH2I2,應立刻聯想到 Simmons-Smith 反應。此反應會產生類碳烯 (carbenoid) 中間體,對雙鍵進行立體專一性的順式加成 (syn addition),生成環丙烷,且完全保留起始物 (E)-烯烴的立體化學特徵。

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【解題思路】Simmons-Smith 反應(立體專一性順式加成環丙烷化)。 【詳解】 已知:試劑 Zn/Cu(鋅銅偶)與 CH2I2 會生成類碳烯 (carbenoid) 活性中間體 $ICH_2ZnI$。圖中起始物為 (E)-1,2-雙(4-甲氧苯基)乙烯,具反式 (trans) 幾何構型。

小題 (七)

Trans-decalin derivative + Et3N, SOCl2
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看到二級醇與亞硫醯氯(SOCl2)及胺類鹼(Et3N 或 pyridine)的組合,應立刻聯想到醇轉換為烷基氯化物的反應。加入鹼的作用是捕捉生成的 HCl 並釋放親核性 Cl⁻,促使反應走 SN2 機制,這意味著該手性中心會發生立體構型的翻轉(Inversion of configuration)。

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【解題思路】醇類與 SOCl2 及 Et3N(鹼)反應會經歷 SN2 取代機制,將羥基轉換為氯,並伴隨手性中心立體構型的翻轉。 【詳解】 已知:反應物為帶有二級醇側鏈的 trans-decalin 衍生物。在側鏈的手性碳上,-OH 為實楔形鍵(wedge,朝外),-H 為虛楔形鍵(dash,朝內)。

小題 (八)

3-methylcyclohex-2-enone + iPr2CuLi; H2O
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看到 α,β-不飽和酮與 Gilman 試劑 (R2CuLi) 的組合,應立即聯想到「1,4-共軛加成反應」。Gilman 試劑作為軟親核劑,會優先攻擊立體障礙較小的 β-碳,最後加水質子化得到烷基取代的飽和酮。

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【解題關鍵】有機銅鋰試劑 (Gilman reagent, $\text{R}_2\text{CuLi}$) 屬於軟親核劑,會對 $\alpha,\beta$-不飽和羰基化合物進行 1,4-共軛加成 (Conjugate addition)。 【解析】 一、試劑與反應位點分析:$\text{iPr}_2\text{CuLi}$ 提供異丙基 ($\text{-CH}(\text{CH}_3)_2$) 作為親核劑。由於其為軟親核劑,不會直接攻擊羰基碳 (1,2-加成),而是選擇攻擊 $\alpha,\beta$-不飽和酮的 $\beta$-碳 (即 C3 位置)。

小題 (九)

Cyclohexanone + Phenylhydrazine + 催化量 H2SO4
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觀察圖片中的反應物為酮類 (α-tetralone) 與二級胺 (pyrrolidine) 及酸催化劑,這是一典型的烯胺 (Enamine) 形成反應。需特別注意酮的 α-碳位置,因為一側為苯環無 α-氫,脫水後雙鍵必然形成在另一側具有 α-氫的碳原子方向上。

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【解題思路】酮類與二級胺在酸催化下脫水生成烯胺(Enamine)。 【詳解】 已知:

小題 (十)

Isoprene + Maleic anhydride + Toluene, 加熱
題目圖片

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看到共軛二烯(Diene)與親雙烯體(Dienophile)在加熱條件下反應,應立刻聯想到 Diels-Alder [4+2] 環加成反應。解題關鍵在於辨識參與反應的真實結構,並確認親雙烯體(Maleic anhydride)的順式(cis)立體化學會專一性地保留在產物中。

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【解題思路】本題為典型的 Diels-Alder [4+2] 環加成反應。需利用協同反應原理並注意立體專一性原則進行推導。 【詳解】 已知:反應物為共軛雙烯與順丁烯二酸酐(Maleic anhydride)。

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