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調查局三等申論題 114年 [醫學鑑識組] 有機化學

第 八 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)
📝 此題為申論題,共 10 小題

小題 (八)

圖示為 4,4-dimethylcyclohex-2-en-1-one 加入 iPr2CuLi; H2O

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考生看到 Gilman 試劑 (iPr₂CuLi) 加上 α,β-不飽和酮,應立即反射想到「1,4-共軛加成(Michael addition)」。解題關鍵在於確認親核攻擊發生在 β-碳(C3位置),並留意起始物為非手性分子,故新生成的立體中心將形成外消旋混合物(Racemate),作答時結構式務必標示「(±)」以展現對立體化學的學術嚴謹度。

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【解題思路】 本題考查有機金屬試劑的化學選擇性(Chemoselectivity)與立體化學。利用 Gilman 試劑對 α,β-不飽和羰基化合物進行 1,4-加成是標準且高產率的合成途徑。 【反應機構與分析】

小題 (一)

圖示為 3-nitrophthalic acid 加入 H2N-NH2 的反應

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看到鄰苯二甲酸 (phthalic acid) 衍生物與聯氨 (H2N-NH2) 的反應,應直覺聯想到發光物質「魯米諾 (Luminol)」的經典合成路徑第一步。解題關鍵在於聯氨的兩個氮原子會分別對兩個羧基發生親核醯基取代 (Nucleophilic acyl substitution),經加熱脫水後閉環,形成穩定的六元環醯肼 (cyclic hydrazide) 結構。需注意原苯環上硝基的相對位置不變。

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【主要產物】 產物名稱:3-nitrophthalhydrazide (3-硝基鄰苯二甲醯肼),其 IUPAC 系統名為 5-nitro-2,3-dihydrophthalazine-1,4-dione。 【結構特徵描述】(考試作答時請直接繪製此鍵線式結構)

小題 (二)

圖示為含有端烯與二級醇的長鏈分子,加入 ZnCl2, HCl

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看到二級醇與 ZnCl2/HCl (Lucas試劑) 的組合,首要聯想是醇基被活化生成碳陽離子 (SN1機制)。當分子內同時存在具親核性的端烯時,必須立即檢查兩者距離:若能形成穩定的五元或六元環,則極可能發生分子內「陽離子-烯烴環化反應」;若距離不符,則分別進行醇的外消旋氯取代與烯烴的馬氏加成。

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【解題思路】利用 Lucas 試劑生成碳陽離子,評估分子內陽離子-烯烴環化(Cation-olefin cyclization)的可能,或進行獨立的取代與加成反應。 【詳解】 由於題目未提供具體結構圖示,本解析依據「端烯與二級醇的長鏈分子」及試劑「ZnCl2, HCl (Lucas reagent)」進行全方位反應機構推導:

小題 (三)

圖示為 4-methylacetophenone 加入 (1) 過量 I2, NaOH(水溶液) (2) H3O+

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看到反應物含有「甲基酮 (-COCH3)」結構,且試劑為「過量碘 (I2) 與氫氧化鈉 (NaOH)」,應立即聯想到經典的「碘仿反應 (Iodoform reaction)」。此反應會將甲基酮的甲基切斷生成碘仿沉澱,剩餘的結構經最後的酸處理 (H3O+) 後會轉化為相應的羧酸;同時需注意,苯環上的甲基在此條件下性質穩定,不會參與反應。

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【解題關鍵】鹵仿反應 (Haloform Reaction) 將甲基酮轉化為羧酸 【解答】 主要有機產物為:4-methylbenzoic acid (對甲基苯甲酸,或稱 p-toluic acid)

小題 (四)

圖示為 1-allyloxy-2-methylbenzene 在 160°C 的反應

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看到 allyl aryl ether(烯丙基芳基醚)與高溫(160°C)條件,應直覺聯想到 Claisen 重排反應。此為協同的 [3,3]-單電子轉移重排([3,3]-sigmatropic rearrangement),需注意反應會發生在未受阻礙的鄰位,並透過互變異構恢復芳香性。

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【解題思路】本題考查 Claisen 重排反應(Claisen Rearrangement),為一種協同的 [3,3]-單電子轉移重排([3,3]-sigmatropic rearrangement)反應。 【詳解】 已知:反應物為 1-allyloxy-2-methylbenzene(烯丙基芳基醚),反應條件為 160°C 加熱。

小題 (五)

圖示為 α,β-不飽和酮 加入 nBu2CuLi; H2O

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看到 Gilman 試劑 (R2CuLi) 與 α,β-不飽和酮反應,應立刻聯想到「1,4-共軛加成 (Conjugate addition)」。與 Grignard 試劑不同,有機銅鋰試劑為軟親核試劑,會選擇性將烷基(此題為正丁基)加成在 β-碳上,隨後經水解生成 β-取代的飽和酮,同時須注意攻擊方向取決於底物的立體空間障礙。

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【破題】 本題核心考點為 Gilman 試劑(二烷基銅鋰)對 α,β-不飽和羰基化合物的位置選擇性 1,4-共軛加成反應。 【解析】

小題 (六)

圖示為 4,4'-dimethoxystilbene 加入 Zn/Cu, CH2I2

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看到 Zn/Cu 與 CH2I2 組合,應立即聯想到 Simmons-Smith 反應,其功能為將烯烴轉化為環丙烷。此反應為立體專一性(stereospecific)的協同加成,因此必須先判斷起始物 4,4'-dimethoxystilbene 的幾何構型(未標示則預設為熱力學穩定的反式 E 構型),進而推導出保留反式關係的環丙烷產物。

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【解題思路】Simmons-Smith 反應(環丙烷化),具立體專一性的 [2+1] 協同環加成反應。 【詳解】

  1. 試劑作用:CH2I2 與 Zn/Cu(鋅銅偶)作用,發生氧化加成生成 Simmons-Smith 試劑(類卡賓 Carbenoid 中間體):$ICH_2ZnI$。

小題 (七)

圖示為帶有三級醇的 trans-decalin 衍生物加入 Et3N, SOCl2

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看到三級醇加上 SOCl2 與 Et3N,應立即想到羥基被轉化為優良離去基(氯亞硫酸酯),並在鹼性環境下進行 E2 消除反應。關鍵在於 trans-decalin 是無法進行環翻轉的「剛性」結構,因此必須畫出其椅型構象,尋找與離去基處於「反式共平面(anti-periplanar,即雙軸向 diaxial)」位置的 β-氫,才能準確預測雙鍵生成的位置與立體化學。

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【解題思路】利用 SOCl₂/Et₃N 將三級醇轉化為優良離去基後進行 E2 消除反應,並套用 trans-decalin 剛性椅型構象分析反式共平面(anti-periplanar)幾何條件。 【詳解】 (註:因題目未提供具體之 trans-decalin 衍生物圖示,以下闡述此類題型之標準推導邏輯與核心判斷原則。)

小題 (九)

圖示為 1-tetralone 與 pyrrolidine (催化量 H2SO4)

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看到酮類(1-tetralone)與二級胺(pyrrolidine)在微酸性環境下反應,應立即聯想到「烯胺(Enamine)合成反應」。解題關鍵在於推導出亞胺離子(iminium ion)中間體後,α-碳去質子化的區域選擇性(Regioselectivity),必須尋找能與芳香環形成延伸共軛系統的 α-氫進行脫去,以獲得熱力學最穩定的產物。

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【解題思路】本題考查酮類與二級胺的縮合反應,核心為「烯胺(Enamine)的生成機制」及區域選擇性(Regioselectivity)的熱力學判斷。 【詳解】 已知條件:

小題 (十)

圖示為一多取代二烯與馬來酸酐 (Maleic anhydride) 在甲苯中加熱

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看到「二烯 (Diene)」與「馬來酸酐 (Maleic anhydride)」在甲苯中加熱,立刻聯想到 [4+2] Diels-Alder 環加成反應。解題關鍵在於掌握「順式原則 (Cis-principle)」與「內型法則 (Endo rule)」,確保產物的立體化學正確反映出吸電子基的內型加成偏好。

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【解題思路】本題考查經典的 Diels-Alder [4+2] 環加成反應。由於原題目缺少具體的多取代二烯圖示,以下提供通用的立體化學推導法則與繪製標準,適用於調查局特考對反應機構與立體化學的嚴格評分標準。 【詳解】 已知條件解析:

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