國立中興大學 115 年 《化學》
第 1 題2 分
What is the bond order of the carbon-carbon bonds in benzene?
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核心觀念
本題考查苯(benzene)的共振結構、π 電子離域化與鍵級(bond order)。
苯的分子式為 ,六個碳原子形成平面六角環。每個碳原子以 混成軌域形成三個 鍵,未混成的 軌域彼此重疊,形成離域的 π 電子系統。
苯可用兩個主要共振結構表示:
- 三個 單鍵與三個 雙鍵交替排列
- 雙鍵位置互換的另一個等價結構
實際苯分子並非在兩種結構間來回切換,而是形成一個共振混成體。因此,六個 鍵完全等價,鍵級介於單鍵與雙鍵之間。
解題方法
將兩個共振結構中的鍵級總和平均分配給六個 鍵。
在任一共振結構中,環內共有:
- 三個單鍵:鍵級總和為
- 三個雙鍵:鍵級總和為
因此,六個碳—碳鍵的總鍵級為:
平均每個 鍵的鍵級為:
也可從 π 電子角度理解:三個 π 鍵的電子離域於六個 鍵上,因此每個碳—碳鍵平均分得半個 π 鍵:
選項分析
第 2 題2 分
1-Methylcyclopentanol is classified as ________.
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核心觀念
醇類依照「與羥基 直接相連的碳原子」所連接的碳原子數目分類:
- 一級醇(primary alcohol):羥基碳連接 個其他碳原子。
- 二級醇(secondary alcohol):羥基碳連接 個其他碳原子。
- 三級醇(tertiary alcohol):羥基碳連接 個其他碳原子。
判斷重點是羥基所在的碳原子,不是整個分子的碳數。
解題方法
在 1-methylcyclopentanol 中:
- 羥基 位於環戊烷的第 號碳。
- 第 號碳同時連接:
- 環上的第 號碳;
- 環上的第 號碳;
- 一個甲基 。
- 因此,與羥基碳相連的碳原子共有 個。
結構可概念化表示為:
羥基碳連接三個碳基,因此此化合物是三級醇。
選項分析
(A) an enol
錯誤。Enol 是羥基直接連接在碳碳雙鍵其中一個碳上的化合物,具有 結構。
本題的 1-methylcyclopentanol 沒有碳碳雙鍵,屬於飽和醇。
第 3 題2 分
The Hofmann elimination proceeds via a(n) ________ pathway.
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核心觀念
本題測驗有機化學中**消除反應(Elimination Reaction)**的反應機構分類。
**霍夫曼消除反應(Hofmann Elimination)通常是指四級銨鹽(quaternary ammonium salt)在鹼性條件(如濕潤氧化銀 加熱,實質鹼為氫氧根離子 )下進行的消除反應:
此反應屬於協同進行的一步消除機轉(concerted, bimolecular elimination),即 機構。其立體化學特性同樣遵循 反應典型的反式共平面(anti-coplanar / anti-periplanar)**幾何構型要求。
解題方法
- 判斷反應類型與步驟:
- 霍夫曼消除反應使用強鹼()去拔取 碳上的質子,同時脫去龐大的離去基(三甲胺,)。
- 質子的拔取與離去基的脫離是協同(concerted)發生的單一步驟,涉及鹼與受質兩種分子,反應速率定律為二次反應:
- 該路徑完全符合雙分子消除反應()的定義。
- 產物選擇性(Hofmann vs. Zaitsev):
- 一般鹵烷進行 反應通常生成取代基較多、較安定的熱力學產物(柴瑟夫產物,Zaitsev product)。
- 霍夫曼消除反應由於四級銨基團體積極大(位阻大),加上強吸電性使得酸性較高的 質子主要位於取代基較少的碳上,因而優先生成取代度較低、較少取代的烯類(霍夫曼產物,Hofmann product)。
- 儘管產物取向不同(Hofmann 規律 vs. Zaitsev 規律),其基本反應機轉本質上仍為 。
選項分析
核心觀念
本題測驗有機化學中**消除反應(Elimination Reaction)**的反應機構分類。
霍夫曼消除反應(Hofmann Elimination)通常是指四級銨鹽(quaternary ammonium salt)在鹼性條件(如濕潤氧化銀 加熱,實質活性鹼為氫氧根離子 )下進行的消除反應:
此反應的反應機轉為協同進行的單一步驟(concerted process),涉及受質與鹼兩者,屬於典型的雙分子消除反應( 機構)。立體化學上亦遵循 反應所必需的**反式共平面(anti-periplanar)**幾何構型過渡態。
第 4 題2 分
Which of the following yields a primary alcohol upon reduction?
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核心觀念
本題考查「羰基化合物還原後生成哪一級醇」以及一級、二級醇的判定。
醇的級數取決於「與 直接相連的碳」所連接的碳數:
- 一級醇:,該碳只連接一個碳。
- 二級醇:,該碳連接兩個碳。
- 三級醇:,該碳連接三個碳。
醛的官能基為 ,還原時羰基 轉變為 :
因此產物為一級醇。
常見還原劑包括 與 。其基本機構是氫化物離子 進攻羰基碳,羰基 電子移至氧形成烷氧負離子,之後經質子化生成醇:
解題方法
直接辨認各選項的官能基,判斷其還原產物:
- 醛 還原為一級醇。
- 酮 還原為二級醇。
- 烯類通常進行加氫,生成烷類。
- 胺與醚在一般有機還原反應中不會直接生成醇。
所以應選擇醛。
選項分析
(A) a ketone
酮的結構為 ,羰基碳兩側各連接一個碳。還原後生成二級醇:
所在的碳連接兩個碳,因此為二級醇,不是一級醇。此選項錯誤。
(B) an alkene
第 5 題2 分
The following two reactions are important in the blast furnace production of iron metal from iron ore, :
Using these balanced reactions, how many moles of are required for the production of of ?
(Molecular weight of = )
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核心觀念
本題考查「化學反應式的莫耳比例」與「連續反應的化學計量關係」。
兩個反應分別為:
由第一式可知:
由第二式可知:
因此,製造 的 ,需要 的 ,而生成 的 需要:
所以整體莫耳比例為:
亦即:
解題方法
第一步:將鐵的質量換算成莫耳數
題目給定:
鐵的分子量為 ,因此:
第二步:利用反應式莫耳比例求
由整體比例:
因此:
因此所需氧氣為:
也可直接使用:
第 6 題2 分
Esters and amides are most easily made by nucleophilic acyl substitution reactions on ________.
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核心觀念
本題考查羧酸衍生物進行「親核性醯基取代反應」(nucleophilic acyl substitution)的反應性。
羧酸衍生物具有一般結構:
反應時,親核試劑進攻羰基碳,經過四面體中間體後,再排出離去基 ,完成醯基取代。
常見羧酸衍生物的反應性大致為:
反應性越高,代表羰基越容易受到親核試劑攻擊,且離去基越容易離去。
其中,醯氯 的離去基為 。氯離子是良好離去基,因此醯氯最容易與醇或胺反應,分別生成酯與醯胺。
解題方法
題目問:
Esters and amides are most easily made by nucleophilic acyl substitution reactions on ________.
酯的形成需要醇作為親核試劑:
醯胺的形成需要氨或胺作為親核試劑:
實際反應中常加入鹼,例如 或 ,吸收生成的 。
醯氯容易反應的原因有兩點:
- 羰基碳具有高度親電性,容易接受醇或胺的孤電子對。
- 是穩定且良好的離去基,可順利離開四面體中間體。
因此,酯與醯胺最容易由醯氯進行親核性醯基取代製備。
反應機構重點
以醇製備酯為例:
第一步:親核攻擊
醇中的氧原子提供孤電子對,攻擊醯氯的羰基碳:
形成四面體中間體。
第二步:質子轉移
經由質子轉移,使離去基氯離子容易離去。
第三步:羰基重建與氯離子離去
氧原子的孤電子對重新形成 ,同時排出 :
產物為酯。
胺的反應機構相同,只是親核試劑由醇改為氨或胺,產物為醯胺。
選項分析
第 7 題2 分
Which of the following is also an acceptable name for 3-nitrophenol?
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核心觀念
本題考查苯環二取代物的相對位置命名法。
以酚 的羥基 作為第 1 號碳,硝基 位於第 3 號碳,因此名稱為:
- 3-nitrophenol:硝基位於羥基的第 3 個位置
- 第 1、3 位為 meta(間位,m-)
苯環二取代物的相對位置如下:
| 數字命名 | 英文前綴 | 中文名稱 |
|---|---|---|
| 1,2- | ortho,o- | 鄰位 |
| 1,3- | meta,m- | 間位 |
| 1,4- | para,p- | 對位 |
因此:
解題方法
將酚的羥基位置固定為第 1 位,再判斷硝基的位置:
第 1 位與第 3 位的相對關係是間位,因此其可接受名稱為:
本題不涉及化學反應,重點是辨認苯環取代基的相對位置與俗名、系統命名的對應關係。
選項分析
(A) 3-cresol
錯誤。
Cresol 是甲酚,表示苯酚分子中的另一個取代基為甲基 ,不是硝基 。
例如:
- 3-cresol:3-methylphenol
- 其結構為羥基與甲基位於 1,3-位置
題目中的化合物含有硝基,因此不能稱為 3-cresol。
第 8 題2 分
Consider the fermentation reaction of glucose:
A 1.00-mole sample of was placed in a vat with 100 g of yeast. If 48.6 grams of was obtained, what was the percent yield of ?
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核心觀念
本題考查:
- 化學反應式的莫耳比。
- 理論產量與實際產量。
- 百分產率的計算。
發酵反應為:
由配平後的反應式可知:
百分產率定義為:
酵母在此反應中扮演催化與生物反應系統的角色,不列入此化學反應式的化學計量比,因此題目所給的 酵母不影響計算。
在生化機制上,葡萄糖先經糖解作用形成丙酮酸;丙酮酸脫羧形成乙醛並釋放 ,接著乙醛被還原成乙醇,整體結果即為題目所示的反應式。
解題方法
1. 求乙醇的理論莫耳數
題目給予:
依反應式的莫耳比:
因此:
2. 將理論莫耳數換算成理論質量
乙醇 的莫耳質量為:
所以乙醇的理論產量為:
第 9 題2 分
Which of the following solvents could be described as polar and protic?
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核心觀念
本題考查溶劑的兩項分類:
-
極性溶劑(polar solvent)
分子具有明顯偶極矩,能穩定帶電物種或極性溶質。 -
質子型溶劑(protic solvent)
分子具有鍵結在高電負度原子上的氫,通常是 或 ,能作為氫鍵供體,並在適當情況下提供質子 。
因此,判斷「polar and protic」必須同時確認:
- 分子具有極性;
- 分子含有 或 等可供出的質子。
只含有碳氫鍵 的氫,通常不符合一般有機化學中「protic solvent」的判定。
解題方法
逐一觀察各溶劑的官能基:
- 有 或 :屬於質子型;
- 只有羰基氧、醚氧或腈基氮等受氫鍵原子,沒有 或 :屬於非質子型;
- 再確認分子是否具有明顯極性。
本題中,含有羥基 的 ethanol 同時具備極性與質子供體能力,因此為 polar protic solvent。
選項分析
(A) 18-crown-6
18-crown-6 是環狀聚醚,結構中具有多個醚基 。醚氧的孤電子對使分子具有極性,也能作為氫鍵受體。
但其結構中沒有 或 ,無法作為氫鍵供體,因此屬於:
- polar;
- aprotic。
故此選項錯誤。
(B) ethanol
Ethanol 的結構為:
其中羥基 具有高度極性的 鍵,氧原子電負度高,使 ethanol 具有明顯偶極矩;同時,羥基氫可形成氫鍵並在反應中提供質子。
因此 ethanol 是:
- polar;
- protic。
故此選項正確。
第 10 題2 分
In which of the following compounds does N have its maximum oxidation state?
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核心觀念
本題考查元素的**氧化數(oxidation state)**判定。基本規則如下:
- 中性化合物中,各元素氧化數總和為 。
- 單質的氧化數為 。
- 通常氫為 ,氧為 ,鹼金屬如鈉為 。
- 同一化合物中,同種元素若存在不同位置,其氧化數可不同;若題目只給出元素總量,通常計算其平均氧化數。
解題方法
逐一計算各化合物中氮的氧化數,再比較其最大值。
選項分析
(A)
氫通常為 。設氮的氧化數為 :
因此 中氮為 。
(B)
氧的氧化數為 。設每個氮的平均氧化數為 :
因此 中氮的平均氧化數為 。
(C)
是氮元素的單質,因此:
氮的氧化數為 。
(D)
第 11 題2 分
The RNA backbone is linked through a phosphate group. What type of bonding occurs between two consecutive nucleotides in RNA?
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核心觀念
本題考查核酸(Nucleic Acids)的一級結構與共價鍵結型態。
在 RNA(核糖核酸)或 DNA(去氧核糖核酸)分子中,相鄰核苷酸單體(nucleotides)是透過前一個核糖的 號碳羥基()與後一個核糖 號碳上的磷酸基(phosphate group)進行脫水縮合,形成 -磷酸二酯鍵(-phosphodiester bond)。在有機化學分類中,磷酸與醇類脫水縮合形成的 鍵結本質即為酯鍵(ester bond)。
解題方法
- 分析連結位置與官能基:
RNA 骨架是由「核糖(ribose)」與「磷酸基(phosphate group)」交替串接而成。每個磷酸基兩端分別以共價鍵連接兩個不同的核糖:
- 與前一個核苷酸的核糖 形成磷酸酯。
- 與自身核苷酸的核糖 形成磷酸酯。
- 判定化學鍵結本質:
磷酸二酯鍵包含兩個連續的磷酸酯鍵結(),屬於無機酸(磷酸)與醇類反應生成的酯類鍵結(Ester bonding)。
選項分析
- (A) 正確:相鄰兩核苷酸以 -磷酸二酯鍵(phosphodiester bond)相連,化學鍵型態為酯鍵(Ester)。
- (B) 錯誤:醯胺鍵(Amide bond)在生物化學中特指胜肽鍵(peptide bond),為胺基酸合成蛋白質多肽鏈時,羧基()與胺基()脫水縮合形成的鍵結,不存於核酸主鏈。
第 12 題2 分
How many peaks appear in the proton spin-decoupled NMR spectrum of the compound below?
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核心觀念
本題的核心觀念為質子去偶碳十三核磁共振圖譜(Proton spin-decoupled )的訊號峰數判斷與有機分子的對稱性分析(Symmetry and Chemical Equivalence):
- 質子去偶(Proton spin-decoupling, ):在此照射條件下,所有 之間的自旋偶合裂分()皆被消除,圖譜中的每一個化學非等價碳(chemically non-equivalent carbon)皆表現為一根單峰(singlet)。因此,吸收峰的數量恰好等於分子中化學環境相異的碳原子種類數。
- 分子對稱性與化學等價(Chemical Equivalence):分子若具有對稱元素(如對稱面 或對稱軸 ),經對稱操作可互相置換的碳原子即為化學等價(homotopic 或 enantiotopic),在非掌性環境(如一般 NMR 溶劑)中具有完全相同的化學位移(chemical shift),共用同一個訊號峰。
解題方法
-
結構確認與命名:
題圖中的化合物為五元含氧雜環(四氫呋喃環,tetrahydrofuran),且在 3 號與 4 號位置各接有一個甲基()。兩鍵皆以實心粗楔形鍵(solid wedge)表示,指出兩個甲基朝向環的同側,因此該分子為順式-3,4-二甲基四氫呋喃(cis-3,4-dimethyltetrahydrofuran),化學式為 。 -
尋找分子對稱元素:
cis-3,4-二甲基四氫呋喃具有一個內部對稱鏡面(),此鏡面垂直於五元環平面,精確通過環上的氧原子()並平分 之間的碳–碳鍵:
- 氧原子位於鏡面上。
- 環上的 2 號碳()與 5 號碳()互為鏡像對映。
- 環上的 3 號碳()與 4 號碳()互為鏡像對映。
- 接在 上的甲基()與接在 上的甲基()互為鏡像對映。
- 計算化學非等價的碳原子種類:
分子總共有 6 個碳原子,依對稱性可歸納為以下 3 組不同化學環境的碳:
- 第一組(環上亞甲基碳,): 與 。
第 13 題2 分
UV spectroscopy measures the energy required to promote an electron from the ________ molecular orbital to the ________ molecular orbital.
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核心觀念
UV spectroscopy(紫外光譜)測量分子吸收紫外光後,電子由已佔據的分子軌域躍遷至未佔據的分子軌域所需的能量。
基態時,電子會優先填入能量較低的分子軌域。吸收紫外光後,最容易發生的電子躍遷,是由:
- 最高已佔據分子軌域:HOMO(highest occupied molecular orbital)
- 最低未佔據分子軌域:LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)
因此,主要能量差為:
當光子的能量符合此能量差時,便會被分子吸收:
其中 為普朗克常數、 為光頻率、 為光速、 為波長。
解題方法
題目問的是 UV spectroscopy 所測量的電子躍遷起點與終點。
判斷步驟如下:
- 電子必須從「已佔據」的軌域出發。
- 在所有已佔據軌域中,能量最高者最容易失去電子,因此起點是 HOMO。
- 電子要躍遷至「未佔據」的軌域。
- 在所有未佔據軌域中,能量最低者最容易被填入,因此終點是 LUMO。
所以電子躍遷為:
選項分析
(A) lowest occupied, highest unoccupied
錯誤。最低已佔據軌域與最高未佔據軌域之間的能量差通常很大,不是最容易發生的基本電子躍遷。UV 光譜通常關注的是能量差較小的 HOMO–LUMO 躍遷。
第 14 題2 分
When pent-1-ene is treated with mercury(II) acetate in methanol and the resulting product is reacted with , what is the primary organic compound which results?
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核心觀念
本題考查烯類的烷氧汞化–去汞化反應(alkoxymercuration–demercuration):
反應結果具有以下特徵:
- 基團加到雙鍵中較多取代的碳,符合 Markovnikov orientation。
- 加到雙鍵中較少取代的碳。
- 反應不經由自由碳正離子,因此通常不發生碳骨架重排。
- 在甲醇中反應時,親核試劑為 ,最後形成醚基 。
解題方法與反應機構
起始物為 pent-1-ene:
雙鍵兩端分別為:
- C-1:末端
- C-2:內側 ,連接較多碳基,因此是較多取代的碳
第一步為烯鍵進攻 ,形成環狀汞離子中間體:
此中間體不是自由碳正離子,而是帶有橋式汞的三員環結構。由於 C-2 的正電性較大,且 C-1 的位阻較小,甲醇優先從 C-2 進行親核攻擊:
接著由醋酸根或其他鹼移除甲醇上的質子,形成有機汞醚:
第二步加入 進行去汞化。 被 取代,碳–汞鍵轉變為碳–氫鍵:
將結構依最長碳鏈命名,即為:
第 15 題2 分
Provide an acceptable name for the compound below.
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核心觀念
本題考查醚類的結構辨認與命名。醚的官能基為:
若氧原子兩側各連接一個苄基 ,其結構為:
此化合物的俗名為 dibenzyl ether。
題目附圖未包含第 15 題的結構;以下依選項中最合理的結構假設為 作答。
解題方法
先辨認氧原子兩側的碳基:
- 是 phenoxy,形成 diphenyl ether 時結構為 。
- 是 benzyl,兩側皆為 benzyl 時結構為 ,名稱為 dibenzyl ether。
因此若圖中氧原子兩側都是 ,答案即為 dibenzyl ether。
選項分析
(A) 1,3-diphenyl-3-oxypropane:錯誤。
此名稱表示含有三碳鏈與兩個 phenyl,且「3-oxy」不是此醚類結構的正確命名方式,無法正確表達 。
第 16 題2 分
How would you perform the following transformation?
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核心觀念
本題考查有機化學中羧酸衍生物(酯類)的選擇性還原反應及不同氫化物還原劑的反應性差異:
- 酯類(Ester)部分還原為醛類(Aldehyde):一般強還原劑會將酯類過度還原為一級醇。若要將酯類選擇性控制在醛類階段,需使用具有立體障礙且在低溫下能穩定四面體中間體的特異性試劑——二異丁基氫化鋁(DIBAL-H)。
- 常見還原劑的活性等級:
- :強親核性氫化物還原劑,能將酯類完全還原為一級醇。
- :溫和還原劑,一般條件下無法還原酯類。
- (低溫,如 ):受立體位阻與低溫控制,可將酯類部分還原為醛類。
解題方法
- 辨識反應物與目標產物的官能基變化:
- 反應物:結構為環己基乙酸乙酯(ethyl 2-cyclohexylacetate,),屬於酯類(ester)。
- 目標產物:結構為環己基乙醛(2-cyclohexylacetaldehyde,),屬於醛類(aldehyde)。
- 本反應的本質為將酯基()選擇性還原為醛基()。
- 反應機構與反應條件:
- 第一步(親核加成與形成穩定的四面體中間體):
()具備路易斯酸性與大位阻異丁基。在低溫()條件下,鋁原子先與酯的羰基氧配位,隨後轉移一個氫負離子()至羰基碳,形成一個穩定的含鋁四面體中間體(aluminum-containing tetrahedral intermediate)。在低溫下,該四面體中間體不會自行離解脫去乙氧基(),從而避免在反應體系中提早生成活性更高的醛,杜絕了被進一步還原為一級醇的途徑。 - 第二步(水解猝滅與產物釋放):
反應後段加入水()進行水解淬滅,此時四面體中間體發生水解崩解,脫去乙醇並釋出醛類產物:
因此,選用 (D)「1. / 2. 」即可完成此轉化。
第 17 題2 分
What is the best way to perform the transformation shown below?
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本題考查**由鹵烷製備多一個碳的羧酸(Chain elongation / Carboxylic acid synthesis)**的經典有機合成途徑與常見試劑陷阱:
- 腈基化水解法(Nitrile Hydrolysis Route):一級鹵烷在弱位阻且無強鹼性條件下,透過氰離子()進行雙分子親核取代反應()引入氰基(),使碳鏈延長一個碳原子;隨後在酸性水溶液加熱下進行腈基水解反應,生成對應之羧酸。
- 格氏試劑羧基化反應(Grignard Carboxylation Route):有機鹵化物與金屬鎂作用形成格氏試劑(),必須使用二氧化碳()作為親電劑加成,經酸洗後方可得到多一個碳的羧酸;不可混淆為一氧化碳()。
解題方法
- 比對反應物與產物結構及碳數變化:
- 反應物:苄基溴(Benzyl bromide,),苯環外側鏈含有 個碳原子。
- 生成物:苯乙酸(Phenylacetic acid,),苯環外側鏈含有 個碳原子()。
- 合成目標:將苄基位的碳—溴鍵()轉化為羧酸基,同時在碳鏈上增加一個碳原子(同系化反應,Homologation)。
- 評估合成路徑:
- 增加一個碳且形成羧酸的兩大標準方法為:
- 路徑一:
- 路徑二:
- 檢視各選項之試劑,確認何者能精確完成此轉化。
選項分析
- (A) 1. / 2. 【正確】:
- 步驟 1( 取代):苄基溴為典型的一級鹵烷,立體阻礙小,且苄基位置能藉由苯環的 電子系統共軛穩定過渡態,對親核試劑極具反應活性。氰化鈉()解離出的氰離子()為強親核基,發生 置換反應,形成苯乙腈(),使碳骨架成功增加一個碳原子:
第 18 題2 分
Which of the following molecules has a characteristic stretch at ?
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本題考察紅外光譜法(IR spectroscopy)中,不同化學鍵伸縮振動的特徵吸收位置。
常見官能基伸縮振動範圍如下:
| 化學鍵或官能基 | 特徵吸收位置 |
|---|---|
| 約 ,通常寬而強 | |
| 約 | |
| 末端炔烴 | 約 ,尖銳 |
| 烯烴 | 約 |
| 飽和 | 約 |
| 約 | |
| 約 ,有時較弱 |
其中,位於約 且呈尖銳吸收的典型鍵,是末端炔烴的 鍵。
解題方法
先逐一觀察各選項是否含有下列結構:
- 或
- 末端炔烴的
- 烯烴的
- 一般飽和
本題的關鍵是分辨「三鍵本身」與「末端炔氫」:
- 三鍵伸縮約在 。
- 末端炔氫 伸縮約在 。
選項 含有末端炔基 ,因此具有約 的特徵伸縮吸收。
選項分析
(A)
此分子為酯類,含有:
- 酯基羰基 :約
- 飽和烷基的 :約
分子中沒有 、 或 ,因此沒有典型的 伸縮吸收。
錯誤。
(B)
第 19 題2 分
What type of carbon environment does not generate a signal in the DEPT-90 spectrum and gives a positive peak in the DEPT-135 spectrum?
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本題考查 NMR 中 DEPT(Distortionless Enhancement by Polarization Transfer)光譜對不同碳環境的判讀。
DEPT 的訊號主要取決於該碳原子直接連接的氫原子數:
| 碳種類 | 直接連接的氫數 | DEPT-90 | DEPT-135 |
|---|---|---|---|
| ,methine | 1 | 正訊號 | 正訊號 |
| ,methylene | 2 | 無訊號 | 負訊號 |
| ,methyl | 3 | 無訊號 | 正訊號 |
| ,quaternary | 0 | 無訊號 | 無訊號 |
DEPT 是藉由氫核與碳核之間的偶合進行極化轉移,因此沒有直接連接氫原子的四級碳通常不會產生 DEPT 訊號。
解題方法
題目給出兩項條件:
- 在 DEPT-90 中不產生訊號。
- 在 DEPT-135 中產生正峰。
依照上表:
- methine:DEPT-90 有正峰,不符合。
- methylene:DEPT-135 為負峰,不符合。
- quaternary:DEPT-135 無訊號,不符合。
- methyl:DEPT-90 無訊號,DEPT-135 為正峰,完全符合。
- 一般 carbonyl carbon:通常沒有直接連接的氫,因此不會在 DEPT-135 出現正峰。
因此符合條件的是 ,即 methyl carbon。
選項分析
(A) methine
第 20 題2 分
An NMR spectrometer that operates at a frequency of 60 MHz for NMR spectra operates at what frequency for NMR spectra?
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核心觀念
核磁共振(NMR)共振頻率由拉莫爾方程式決定:
其中:
- :共振頻率
- :該原子核的旋磁比
- :外加磁場強度
同一台 NMR 儀器具有相同的外加磁場 ,因此不同原子核的共振頻率比例等於其旋磁比比例:
質子的旋磁比約為碳-13 的 倍:
因此,同一磁場下, 的 NMR 頻率約為 的四倍。
解題方法
題目給定:
利用頻率比例:
代入:
所以質子 NMR 頻率為 。
選項分析
第 21 題2 分
If a mixture contains 75% of one compound and 25% of its enantiomer, what is the e.e. of the mixture?
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核心觀念
本題考查對映體過量(enantiomeric excess, e.e.)的定義。
一對對映體中,含量較多者稱為主要對映體,含量較少者稱為次要對映體。對映體過量表示主要對映體超過次要對映體的比例:
本題混合物由同一化合物的兩個對映體組成,比例為 與 。
解題方法
將題目數據代入公式:
因此,此混合物的對映體過量為 。也可直接利用:
其中 與 的總和為 ,所以直接相減即可。
選項分析
第 22 題2 分
Consider the constitutional isomers 2-methylbut-1-ene, 2-methylbut-2-ene, and 3-methylbut-1-ene. When each of these alkenes is subjected to catalytic hydrogenation (), a single product results. Which of the following best describes the structural relationship among these products?
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核心觀念
本題考查:
- 催化氫化反應
- 烯烴氫化後的結構判定
- constitutional isomers(構造異構物)與 stereoisomers(立體異構物)的區別
在鉑催化劑存在下,烯烴的碳碳雙鍵與氫氣反應,雙鍵被還原為單鍵:
反應結果是雙鍵兩端的碳各接上一個氫原子。一般機構包括:
- 吸附於鉑表面並解離成活化氫;
- 烯烴的 電子與鉑表面作用;
- 兩個氫原子依序加到雙鍵兩端;
- 生成烷烴並脫附。
此反應不會改變碳骨架,只會使 變成 。
解題方法
逐一將三種烯烴進行催化氫化,判斷生成物的碳骨架。
1. 2-methylbut-1-ene
結構可表示為:
氫化反應:
生成物為 2-methylbutane。
2. 2-methylbut-2-ene
結構可表示為:
氫化反應:
同樣生成 2-methylbutane。
3. 3-methylbut-1-ene
結構可表示為:
氫化反應:
依照最長碳鏈重新編號,生成物也是 2-methylbutane。
因此,三種烯烴氫化後的產物具有相同的原子連接方式,三者為同一物質。
選項分析
(A) The products are diastereomers.
第 23 題2 分
How many elements of unsaturation are implied by the molecular formula ?
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核心觀念
「元素不飽和度」又稱不飽和度指數(degree of unsaturation, DBE),代表分子中:
- 每一個環: 個不飽和度
- 每一個 或 : 個不飽和度
- 每一個 或 : 個不飽和度
因此:
由分子式即可計算:
其中:
- :碳原子數
- :氫原子數
- :氮原子數
- :鹵素原子數,包含 、、、
- 氧、硫等二價元素不影響計算,因此不列入公式
本題分子式為 ,沒有鹵素。
解題方法
代入不飽和度公式:
所以, 所暗示的不飽和度為 ,表示分子中環與 鍵的總數為 。
例如苯環含有一個環與三個 ,因此總不飽和度為:
這只是符合分子式的一種結構可能,不代表題目必然要求判定實際結構。
選項分析
- (A) 0:錯誤。
不飽和度為 的分子必須符合完全飽和的氫數。對含有 個碳與 個氮的中性分子而言,完全飽和氫數為:
第 24 題2 分
Which of the following terms best describes the stereochemical relationship of the two compounds shown below in Fischer notation?
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
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核心觀念
- 費雪投影式(Fischer Projection)的空間意義與操作規則:
- 在費雪投影式中,十字交點代表手性中心(掌性碳,chiral center);垂直鍵代表朝紙面後方伸出(遠離觀察者),水平鍵代表朝紙面前方伸出(指向觀察者)。
- 平面旋轉規則:將費雪投影式在紙面平面內旋轉 ,其立體組態()保持不變,代表完全相同的化合物。若旋轉 或 ,則相當於將垂直鍵與水平鍵互換,立體組態會反轉。
- 立體異構物(Stereoisomers)的分類:
- 對映異構物(Enantiomers,鏡像異構物):互為鏡像且不可重疊的立體異構物。在含有多個手性中心的分子中,所有手性中心的組態必須全部反轉(例如 與 )。
- 非對映異構物(Diastereomers):彼此非鏡像且不可重疊的立體異構物。在含有多個手性中心的分子中,部分手性中心組態相同、部分手性中心組態相反(例如 與 )。
- 內消旋化合物(Meso compound):分子內含有手性中心,但具備對稱面()或對稱中心(),導致分子內部鏡像抵消而無光學活性。若分子兩端基團不同,則必定無法構成對稱,絕非內消旋體。
- Cahn-Ingold-Prelog (CIP) 優先順序規則與 判定:
- 原子序愈大者優先度愈高:。
- 在費雪投影式中,若最低優先順序基團(第 4 順位,通常為 )位於水平鍵上,則順時針(clockwise)外觀判定為 ,逆時針(counter-clockwise)外觀判定為 。
解題方法
本題提供兩種嚴謹解法,皆可得出相同結論:
方法一:費雪投影式旋轉 比較法(最快速直觀)
- 檢視主鏈連接關係:
- 左側化合物(化合物 1):主鏈由上至下為 ,IUPAC 名稱為 2-bromo-3-chloropentane。
- 右側化合物(化合物 2):主鏈由上至下為 ,碳鏈方向上下顛倒,但連接順序同樣為 2-bromo-3-chloropentane。
- 將化合物 2 在紙面內旋轉 :
依據立體化學規則,將化合物 2 平面旋轉 後仍為同一化合物:
- 上方的 轉至下方;下方的 轉至上方。
- 上方的手性碳(原連接 在左、 在右)轉至下方(C3),基團旋轉 後變為: 在左、 在右。
- 下方的手性碳(原連接 在左、 在右)轉至上方(C2),基團旋轉 後變為: 在左、 在右。
- 對齊主鏈進行逐碳對比:
- 化合物 1:
- C2: 在左、 在右
- C3: 在左、 在右
- 旋轉後的化合物 2:
- C2: 在左、 在右(與化合物 1 相反,組態反轉)
- C3: 在左、 在右(與化合物 1 相同,組態相同)
- 判斷立體關係:
兩化合物在 C3 上的立體組態完全相同,但在 C2 上的立體組態相反。兩者互為非鏡像且不可重疊的立體異構物,因此為 Diastereomers(非對映異構物)。
方法二:CIP 系統確定 絕對組態法(最標準嚴謹)
- 化合物 1 的組態判定:
- C2 位置:
- 四個取代基優先度: (1) (2) (3) (4)。
- 在費雪投影式中:1 () 在左、2 (C3) 在下、3 () 在上。
第 25 題2 分
Which line-angle formula corresponds to the chair conformation shown below?
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
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核心觀念
本題考查環己烷椅形構象(chair conformation)與平面鍵線式(line-angle / wedge-dash formula)之間的立體化學轉換。涉及之核心觀念包含:
- 椅形碳頂點與鍵結方向性:
- 環己烷椅形構象的 6 個碳原子頂點交替朝上與朝下。
- 頂點朝上( 形)之碳:軸向鍵(axial, )垂直朝上(Up),赤道向鍵(equatorial, )斜朝下(Down)。
- 頂點朝下( 形)之碳:軸向鍵(axial, )垂直朝下(Down),赤道向鍵(equatorial, )斜朝上(Up)。
- 立體投影轉換法則(Up / Down Wedge / Dash):
- 取代基在空間中朝上(Up)者,於平面鍵線式中表示為實線楔形(Wedge,)。
- 取代基在空間中朝下(Down)者,於平面鍵線式中表示為虛線(Dash,)。
- 轉換判斷之本質為立體朝向(Up/Down),與該取代基是軸向或赤道向無直接對應,而取決於該鍵相對於環平面的指向。
解題方法
原卷試題圖形為 1,3-二取代環己烷之椅形構象,環上帶有乙基()與溴原子()。解題步驟如下:
- 確定取代基的環上相對位置(編號定位):
- 將帶有乙基的碳原子標定為 。
- 依環之順序數至帶有溴原子的碳原子,位在 位置。
- 確定此化合物為 1,3-二取代環己烷(1-溴-3-乙基環己烷,1-bromo-3-ethylcyclohexane)。
- 判斷各取代基之空間上下朝向(Up / Down):
- 位置(乙基 ):該碳原子為頂點朝下之轉折點,其軸向鍵垂直朝下(axial-down),乙基則接於赤道向鍵(equatorial-down)。由於赤道鍵略朝向下方,因此乙基的空間指向為 Down(朝下)。
- 位置(溴原子 ):該碳原子為頂點朝上之轉折點,溴原子接於垂直向上的軸向鍵(axial-up),因此溴原子的空間指向為 Up(朝上)。
- 兩取代基一上一下( 朝下、 朝上),相對立體化學為反式(trans-1,3)。
- 轉換為平面鍵線式(Wedge / Dash):
- 上的 為 Up 在鍵線式中必須為實線楔形(Wedge)。
第 26 題2 分
Predict the major organic product from the following reaction.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
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核心觀念
本題的核心考點為羧酸衍生物的化學反應,涵蓋兩個關鍵有機合成步驟:
- 一級醯胺( amide)的氫化鋁鋰()還原反應:醯胺受強還原劑 還原時,與酯或羧酸還原為醇不同,醯胺的羰基氧原子會被脫除,將羰基()還原為次甲基(),保留氮原子轉化為一級胺( amine)。
- 胺類的親核性醯基取代反應(Nucleophilic Acyl Substitution, ):一級胺上的氮原子具有孤對電子,可作為親核試劑進攻高活性的乙醯氯(acetyl chloride, ),脫去一分子 後生成 -取代的二級醯胺( amide)。
解題方法
題目給定的反應物為一級脂肪族醯胺(3,4-二甲基戊醯胺,結構簡寫為 ,其中 )。反應分為兩階段進行:
第一階段:醯胺還原生成一級胺(步驟 1 與 2)
- 親核加成: 釋出氫負離子()親核進攻醯胺的羰基碳,電子轉移至氧原子,形成烷氧鋁四面體中間體。
- 脫除氧原子(亞胺生成):氮原子上的孤對電子推回形成 雙鍵(亞胺離子中間體,iminium ion),同時將配位了鋁物種的氧負離子(良好離去基)排出。
- 二次加成與水解:第二個氫負離子()再度進攻亞胺碳,將雙鍵完全還原;經步驟 2 的水溶液後處理( workup)質子化後,生成對應的一級胺( amine):
第二階段:一級胺醯基化生成二級醯胺(步驟 3)
- 親核性醯基取代:第一階段產生的親核性一級胺()進攻乙醯氯()極度缺電的羰基碳,形成四面體中間體。
- 消除離去基:四面體中間體上的氧負電荷推回重新形成 雙鍵,氯離子()作為極佳離去基離去。
第 27 題2 分
Show how you would perform the following synthesis.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
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核心觀念
本題測驗核心為烯烴的氧化斷裂反應(Oxidative Cleavage of Alkenes)與臭氧分解(Ozonolysis)的後處理條件:
- 雙鍵斷裂之產物規律:
- 烯烴雙鍵碳上若帶有兩個烷基取代基(),斷裂後形成酮(ketone)。
- 烯烴雙鍵碳上若帶有一個烷基與一個氫原子(),在還原性後處理(reductive workup)條件下形成醛(aldehyde);在氧化性後處理(oxidative workup)或強氧化劑條件下則會進一步被氧化為羧酸(carboxylic acid)。
- 臭氧分解與還原性淬滅:
- 烯烴先與臭氧()經由偶極環加成形成初級臭氧化物(molozonide),重排為次級臭氧化物(ozonide)。
- 接著以還原劑二甲基硫醚(dimethyl sulfide, DMS, )或鋅粉與水()進行還原分解,可使醛基完整保留而不被過度氧化。
解題方法
- 結構比對與碳數清點:
- 反應物:1-甲基環己烯(1-methylcyclohexene),為具有 7 個碳的環烯烴。雙鍵之 為三取代碳(接有一個甲基 及環上碳鏈), 為雙取代碳(接有一個氫原子 及環上碳鏈)。
- 產物:6-側氧庚醛(6-oxoheptanal),為 7 個碳的鏈狀二羰基化合物。左端為甲基酮(),右端為醛()。
- 反應位點與轉化途徑:
- 環狀烯烴的雙鍵完全斷裂開環,將雙鍵的兩個碳原子分別轉化為羰基()。
- (連甲基端)轉化為甲基酮,(連氫端)轉化為醛。
- 此一官能基轉換必須在「能完全切斷雙鍵且不將醛氧化成酸」的溫和氧化斷裂條件下進行,最適試劑即為臭氧分解配合還原性淬滅()。
- 配平反應式:
其中 1-甲基環己烯()轉化為 6-側氧庚醛(),二甲基硫醚則被氧化為二甲基亞碸(DMSO, )。
選項分析
第 28 題2 分
Identify the correct name for the following structure.
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圖形資訊說明
附上的原卷掃描圖僅包含第 24~27 題,未出現第 28 題的結構圖。因此以下依選項所對應的結構判讀:環庚烯骨架具有醇羥基、甲基及 -甲基胺基,且雙鍵位置如選項所示。
核心觀念
本題考察有機化合物的 IUPAC 命名,重點包括:
- 官能基優先順序。
- 主鏈及主官能基的選擇。
- 環狀化合物的編號規則。
- 雙鍵與取代基定位。
- 胺基的取代命名。
在此結構中,醇羥基 的命名優先權高於胺基 ,因此母體應以 cycloheptenol 命名,而不是以 cycloheptenamine 命名。
解題方法
先將含有最高優先權官能基的環碳定為第 1 號碳:
- 所在的碳為 cycloheptenol 的第 1 號碳。
- 接著從使雙鍵取得最小定位號的方向編號。
- 環上其餘取代基分別標出位置。
- 應命名為
methylamino,因為氮上連接一個甲基。 - 另一個 則為
methyl。
依此得到:
- 羥基:第 1 號碳,作為母體字尾
-ol - 雙鍵:第 3 號位置,為
cyclohept-3-enol - 甲基:第 4 號碳
- 甲基胺基:第 5 號碳
完整名稱為:
選項分析
(A) 4-hydroxy-7,N-dimethylcyclohept-6-enamine
第 29 題2 分
Which of the following structures is aromatic?
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核心觀念
判定有機環狀化合物是否具有芳香性(Aromaticity),必須依循**休克爾規則(Hückel's Rule)**的四項基本要件:
- 環狀結構(Cyclic):分子必須具有環狀的閉合體系。
- 共平面性(Planar):環上的所有原子必須大致共平面,使各原子上的 軌域能有效平行側向重疊。
- 完全共軛(Completely Conjugated):環上的每個環原子都必須具有未混成的 軌域(通常為 混成,不可有中斷共軛的飽和 碳原子),使 電子可在整個環上完全離域。
- 符合電子數規則:
- 芳香族(Aromatic):完全共軛的平面環狀體系中,具有 個離域 電子(,即 2、6、10、14 個 電子),具備高度熱力學穩定性。
- 反芳香族(Antiaromatic):完全共軛的平面環狀體系中,具有 個離域 電子(,即 4、8、12 個 電子),極度不穩定。
- 非芳香族(Non-aromatic):只要破壞「環狀」、「完全共軛」或「平面」任一條件者,即屬非芳香族(性質與一般鏈狀烯烴相似)。
解題方法
依序以四步驟進行系統性檢驗:
- 檢驗共軛完整性:環上是否有 碳原子中斷 軌域重疊?若共軛中斷,直接判定為非芳香族。
- 確認空間構型:分子是否能維持平面?若環過大且會為了避免反芳香性而自發扭曲成非平面構型,則為非芳香族。
- 計算參與環共軛的 電子總數:
- 每個 雙鍵提供 2 個 電子。
- 碳陽離子()的空 軌域提供 0 個 電子。
- 碳陰離子()的孤對電子若處於 軌域,提供 2 個 電子。
- 比對 Hückel 規則:
- 平面完全共軛且 電子數為 芳香族。
- 平面完全共軛且 電子數為 反芳香族。
選項分析
-
(A) 正確:
此結構為環庚三烯陽離子(Cycloheptatrienyl cation,俗稱䓬陽離子 Tropylium cation,)。 -
為七員環,環上包含 3 個交替的 雙鍵與 1 個帶正電荷的碳原子()。
-
帶正電荷的碳為 混成,擁有 1 個空的 軌域;其餘 6 個碳原子亦皆為 混成,整座七員環形成無中斷的閉合平面共軛系統。
-
共軛 電子總數為:
-
電子符合 規則(當 時,),因此為芳香族(Aromatic)。
-
(B) 錯誤:
此結構為環己二烯陰離子衍生物。 -
六員環中包含 2 個雙鍵、1 個帶負電荷的碳(),以及 1 個飽和的亞甲基碳(
第 30 題2 分
Acid chlorides can be prepared from carboxylic acids by treatment with ________.
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核心觀念
本題測驗有機化學中**羧酸(Carboxylic acids)衍生化製備醯氯(Acid chlorides / Acyl chlorides)**的常用試劑與反應機構。
羧酸中的羥基()屬於不良的離去基(poor leaving group),無法直接被氯離子()親核取代。因此,製備醯氯必須藉由具高度親電性的活化試劑,先將 轉化為優良的離去基(如氯亞硫酸酯中間體或草醯基衍生物),隨後利用氯離子進行親核醯基取代反應(Nucleophilic Acyl Substitution, ),生成醯基氯。經典且在實驗室廣泛使用的試劑包含:
- 亞硫醯氯(Thionyl chloride, )
- 草醯氯(Oxalyl chloride, ,常搭配催化量的 )
- 三氯化磷()與五氯化磷()
解題方法
檢驗各選項給出的試劑是否能將羧酸()轉化為醯氯():
- 草醯氯()的反應性:
羧酸與草醯氯反應,羧酸氧原子親核進攻草醯氯的羰基碳,離去氯離子;氯離子再進攻羧基碳,並伴隨裂解脫去氣體分子:
生成副產物二氧化碳()、一氧化碳()與氯化氫()皆為氣體,驅使平衡完全向產物端移動,是極高效率且溫和的醯氯製備法。
- 亞硫醯氯()的反應性:
羧酸羰基氧(或羥基氧)進攻親電性的硫原子,經過氯亞硫酸酯中間體,氯離子進行親核醯基取代:
副產物二氧化硫()與氯化氫()亦皆為氣體逸出,反應產率極高,為有機化學中最普遍使用的標準試劑。
第 31 題2 分
By what mechanism does cyclohexanol react when treated in sulfuric acid and what compound results?
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核心觀念
本題測驗「醇類的酸催化去水反應(Acid-catalyzed Dehydration of Alcohols)」及其「反應機構(Reaction Mechanism)」:
- 離去基的形成:醇類的羥基()本身為不良離去基(poor leaving group),需經由強酸(如 )質子化轉化為優良離去基水分子()。
- 消去反應機構類型(E1 vs. E2):
- 三級醇( alcohol)與二級醇( alcohol):去水反應通常遵循 機制,水分子離去後生成相對穩定的碳陽離子中間體(carbocation intermediate),經脫質子完成消除。
- 一級醇( alcohol):因一級碳陽離子極度不穩定,通常遵循 機制(離去水分子與 -氫脫除同步進行)。
- 產物確認:反應物為環己醇(cyclohexanol),反應體系僅加入硫酸(),無任何含甲基的試劑(如甲醇 ),產物必為消除產物環己烯(cyclohexene)。
解題方法
環己醇為二級醇(secondary alcohol),在濃硫酸作用下的酸催化去水反應,分為以下三步驟:
- 質子化(Protonation):
羥基上的氧孤對電子攻擊硫酸的質子,轉化為易離去的 :
- 碳陽離子中間體生成(Leaving Group Departure,決定速率步驟,RDS):
水分子()離去,生成二級環己基碳陽離子(secondary carbocation),此單分子解離過程為 反應的特徵步驟:
- 脫質子生成烯類(Deprotonation):
弱鹼(如 或 )奪取碳陽離子相鄰碳(-碳)上的質子,形成雙鍵,生成**環己烯(cyclohexene)**並再生酸催化劑:
總反應式為:
第 32 題2 分
Which of the following is a transition metal?
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核心觀念
過渡金屬(transition metal)通常定義為:其原子或至少一種常見陽離子具有未填滿的 軌域。過渡金屬多位於週期表的 區,即第 3 族至第 12 族。
判斷時可觀察:
- 元素是否位於週期表中央的 區。
- 其原子或常見離子是否具有未填滿的 軌域。
銅的基態電子組態為:
銅原子本身的 軌域已填滿,但銅可形成 :
其電子組態為:
由於 具有未填滿的 軌域,因此銅屬於過渡金屬。
解題方法
本題不需計算,採用「元素分類+電子組態」判斷:
- 第 1 族的鈉、鉀屬於鹼金屬,位於 區。
- 銅位於第 11 族,屬於 區,且能形成具有未填滿 軌域的 。
- 矽位於第 14 族,屬於 區,分類為類金屬。
因此符合過渡金屬定義的是銅。
選項分析
(A) Sodium(鈉)錯誤
鈉為第 1 族鹼金屬,基態電子組態為:
鈉通常失去一個 電子形成:
所得 的電子組態為 ,沒有未填滿的 軌域,因此鈉不是過渡金屬。
第 33 題2 分
What is the major organic product that results when 1-heptyne is treated with 2 equivalents of HBr?
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核心觀念
本題考查:
- 末端炔與氫鹵酸 的加成反應
- Markovnikov 加成規則
- 炔烴與 2 當量 反應形成 geminal dihalide
- 區分 geminal dibromide 與 vicinal dibromide
末端炔的一般結構為:
在沒有過氧化物的條件下, 依 Markovnikov 規則加成:氫加到原本氫較多的末端碳, 加到較具取代性的內部碳。
解題方法
第一步:辨認起始物結構
1-Heptyne 的結構為:
將炔鍵兩端編號為 C1 與 C2:
C1 是末端碳,C2 是內部碳。
第二步:加入第一當量
依 Markovnikov 規則:
- 加到末端碳 C1
- 加到內部碳 C2
反應結果為 2-bromo-1-heptene:
機構重點如下:
- 炔鍵的 電子與 反應。
- 質子加到 C1,使正電性主要位於較穩定、較具取代性的 C2。
- 作為親核試劑攻擊 C2,形成乙烯基溴化物。
第三步:加入第二當量
生成的雙鍵仍可再與一當量 反應:
第二次加成仍遵循 Markovnikov 方向:
- 加到 C1
- 加到 C2
因此兩個溴原子都位於 C2,產物為:
此產物命名為 2,2-dibromoheptane。
「2,2-」表示兩個溴原子連接在同一個碳上,稱為 geminal dibromide。
反應機構重點
提供:
第 34 題2 分
Provide the reagents necessary to complete the following transformation.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
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核心觀念
本題考查烯烴的官能基轉換,需依「反應物與產物的官能基、區域選擇性及立體化學」選擇試劑:
- :將烯烴氧化成環氧化物。
- 後接 :環氧化物酸催化開環,生成反式鄰二醇。
- :酸催化水合,生成 Markovnikov 醇。
- :烯烴同步加成兩個 ,生成順式鄰二醇。
- 後接 :氫硼氧化,生成 anti-Markovnikov 醇,且為 syn 加成。
解題方法
本題所附原頁影像僅包含第 28~33 題,未包含第 34 題所需的反應物、產物及轉換圖形。因此缺少判斷唯一答案的必要資訊,無法直接由選項確定正確試劑。
判斷時應先比較反應物與產物:
- 烯烴變成環氧化物:選 。
- 烯烴變成反式鄰二醇:選 ,再以酸性水開環。
- 烯烴變成順式鄰二醇:選 。
- 生成 Markovnikov 醇:選 。
第 35 題2 分
Which of the following additions to alkenes occur(s) specifically in a syn fashion?
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核心觀念
本題測驗烯類(Alkenes)之親電加成反應與催化加成反應的立體化學立體特異性(Stereospecificity),核心在於辨別哪些反應為順式加成(syn-addition)、哪些為反式加成(anti-addition)或非立體專一性加成(Non-stereospecific addition)。
- 順式加成(syn-addition):兩個新引入的基團或原子由雙鍵的「同一面(同側)」進行鍵結。常見於:
- 過渡金屬表面催化之氫化反應(Catalytic Hydrogenation)
- 經由協同反應(Concerted mechanism)形成四員環過渡態之硼氫化反應(Hydroboration)
- 經由五員環狀鋨酸酯中間體之鄰二羥基化反應(syn-Dihydroxylation)
- 反式加成(anti-addition):兩個新基團由雙鍵的「不同面(相反側)」加成。例如鹵化反應( 加成,經由環狀鹵陽離子過渡態/中間體)及鹵醇生成反應(Halohydrin formation)。
- 混合/非立體專一性加成:經由平面碳陽離子(Carbocation intermediate)中間體的反應,親核劑可自正面或背面進攻,同時生成順式與反式產物(例如鹵化氫 加成)。
解題方法
檢視各選項中試劑與烯烴作用時的**反應機構(Mechanism)**與過渡態(Transition state)幾何結構:
- 若反應涉及非均相固體金屬表面吸附或環狀過渡態/酯類中間體水解,產物通常具有高特異性的順式(syn)立體構型。
- 若反應步驟中形成自由旋轉或平面的非環狀碳陽離子(Carbocation),則不具備專一性順式加成特徵。
選項分析
-
(A) addition of :正確(屬 syn-addition)
烯烴在過渡金屬催化劑(如 、 或 )表面進行催化氫化時, 分子先被金屬晶格表面解離吸附,烯烴再以其中一面配位吸附於金屬表面。金屬表面的兩個氫原子依序轉移至同一個面上的兩個雙鍵碳,因此整體化學結果為專一的順式加成(syn-addition)。 -
(B) hydroboration:正確(屬 syn-addition)
硼烷(如 或 )加成至烯烴時,係經由協同四員環過渡態(Concerted four-membered transition state)。 原子與 原子同時從雙鍵的同一面進攻加成,生成烷基硼化合物(Alkylborane)。
第 36 題2 分
What is the correct name for the structure of coordination number 6?
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核心觀念
配位數(coordination number, CN)是指中心金屬離子直接鍵結的配體原子數目。
當配位數為 時,最常見的配位幾何構型是八面體構型(octahedral)。在此構型中,中心金屬位於中央,六個配體分布於正八面體的六個頂點;相鄰配體間的鍵角通常為 ,相對配體間的鍵角為 。
例如 中, 與六個 配體配位,因此配位數為 ,其典型構型為八面體。
解題方法
先判斷題目給出的配位數:
再將配位數與常見配位幾何構型對照:
- 配位數 :直線形(linear)
- 配位數 :四面體(tetrahedral)或正方平面(square planar)
- 配位數 :八面體(octahedral)
因此,配位數為 的正確名稱是 Octahedral。
選項分析
(A) Tetrahedral(四面體)—錯誤
第 37 題2 分
Which of the following has the highest melting temperature?
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核心觀念
本題考查「固體結構與粒子間作用力對熔點的影響」。
物質的熔化需要克服固體晶格中粒子之間的作用力。一般而言:
常見固體熔點大小规律如下:
離子晶體中的正、負離子透過三維靜電吸引力排列;分子晶體則主要依靠氫鍵、偶極—偶極力或倫敦分散力,因此通常較容易熔化。
對離子晶體而言,晶格能大小與離子電荷及離子間距離有關,可用下式表示其趨勢:
其中 、 為離子電荷, 為離子間距離。電荷越大、離子越小,靜電吸引通常越強,晶格能越大,熔點越高。
解題方法
逐一判斷各物質的固體類型與主要作用力:
- :氫鍵形成的分子晶體
- :非極性分子晶體,主要靠倫敦分散力
- :離子晶體,具有強烈靜電作用
- :巨大非極性分子形成的分子晶體,主要靠分散力
其中 的晶體由 與 交互排列而成,具有延伸至整個晶體的三維離子晶格。即使 與 都是單價離子,兩者半徑小、離子間距短,因此晶格能很大。
因此, 需要最高溫度才能破壞其晶格,熔點最高。
選項分析
(A)
水分子之間能形成氫鍵:
氫鍵使水的熔點高於許多相對分子量相近的小分子。然而,水是由獨立的中性分子組成,分子間作用力仍遠弱於離子晶體中的三維靜電吸引。
在一般壓力下的熔點約為 ,不是最高者。
(B)
為直線型、對稱分子:
第 38 題2 分
What is the oxidation number of manganese in ?
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核心觀念
本題考查配位化合物中,利用「化合物總電荷守恆」判定中心金屬氧化數。
氧化數的計算原則為:
在 中:
- 為第 1 族金屬,氧化數固定為 。
- 為帶 電荷的配體。
- 為錯離子,需先由整個化合物的電中性判定其電荷。
解題方法
為電中性化合物。4 個 共帶電荷:
因此錯離子 必須帶 電荷:
設錳的氧化數為 。6 個氰根配體的總電荷為:
根據錯離子總電荷守恆:
因此,錳在 中的氧化數為 。
選項分析
第 39 題2 分
Which of the following metal ions has a electron configuration?
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核心觀念
本題考查過渡金屬離子的電子組態。判斷金屬離子的 電子數,必須先寫出中性原子的基態電子組態,再依氧化態移除電子。
重要原則:
- 過渡金屬原子形成陽離子時,先移除最外層的 電子。
- 接著才移除 電子。
- 題目詢問的是 ,因此需判斷離子中是否具有 個 電子。
解題方法
各元素的原子序與中性原子電子組態如下:
- :原子序 ,電子組態為
- :原子序 ,電子組態為
- :原子序 ,電子組態為
- :原子序 ,電子組態為
接著依離子電荷移除電子。
選項分析
(A)
中性鎳原子:
形成 時,先移除 軌域的 個電子:
因此 具有 電子組態,選項正確。
(B)
中性鋅原子:
移除最外層 軌域的 個電子:
第 40 題2 分
Which of the following is a polar molecule?
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核心觀念
分子極性取決於分子是否具有永久偶極矩。判斷時需考慮:
- 鍵兩端原子的電負度差異,形成鍵偶極。
- 分子幾何形狀,決定各鍵偶極是否相互抵消。
分子總偶極矩可表示為各鍵偶極的向量和:
若總偶極矩不為零,分子為極性分子;若總偶極矩為零,則為非極性分子。
解題方法
逐一判斷各物種是否具有鍵偶極,再觀察分子形狀與對稱性:
- 同種原子形成的鍵,電負度相同,通常沒有鍵偶極。
- 異種原子形成的鍵,可能具有鍵偶極。
- 線性且高度對稱的分子,鍵偶極常會互相抵消。
- 彎曲形分子即使具有相同鍵偶極,也常因方向不完全相反而產生總偶極矩。
選項分析
(A)
由兩個相同的氫原子組成,兩者電負度相同,因此 鍵沒有電負度差,也沒有鍵偶極。
因此 為非極性分子,選項錯誤。
(B)
是單原子物質,不含化學鍵,也沒有分子內正、負電荷分離的情形,因此沒有永久偶極矩。
因此 為非極性,選項錯誤。
(C)
第 41 題2 分
Using the following data reactions:
Calculate the energy of an H-Br bond.
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核心觀念
本題考查「鍵能」與反應焓變的關係:
反應過程中:
- 斷裂 鍵與 鍵,需要吸收能量。
- 形成 個 鍵,會釋放能量。
題目提供的反應:
代表斷裂 1 個 鍵,鍵能為 。
代表斷裂 1 個 鍵,鍵能為 。
解題方法
目標反應為:
依照鍵能公式:
其中 代表 1 莫耳 鍵的鍵能。
先合併斷鍵所需能量:
因此:
移項得:
由於反應生成 個 鍵:
所以一個 鍵的能量為:
選項分析
第 42 題2 分
What type of structure does the molecule have?
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核心觀念
本題考查 Lewis 結構與 VSEPR(價電子對互斥理論)對分子形狀的判斷。
判斷分子幾何形狀時,需注意:
- 多重鍵視為一個電子域。
- 孤電子對也算一個電子域。
- 先判斷中心原子周圍的總電子域數,再扣除孤電子對對分子形狀的影響。
解題方法
以 Xe 為中心原子,先計算總價電子數:
其中 Xe 提供 個價電子,O 提供 個價電子,兩個 F 各提供 個價電子。
Lewis 結構可表示為:
中心 Xe 與 O 形成雙鍵,與兩個 F 形成單鍵;Xe 上保留兩對孤電子對。Xe 周圍的電子域如下:
- 雙鍵: 個電子域
- 兩個 單鍵: 個電子域
- Xe 上兩對孤電子對: 個電子域
因此 Xe 周圍共有 個電子域,屬於:
其中:
- :中心原子 Xe
- :連接三個原子,包含一個 O 與兩個 F
- :中心 Xe 有兩對孤電子對
個電子域的電子域幾何為三角雙錐。兩對孤電子對會優先佔據赤道位置,以減少 排斥;剩下的三個鍵結方向形成「兩個軸向鍵加上一個赤道鍵」的排列,因此分子形狀為 T-shaped。
選項分析
- (A) Trigonal pyramid(三角錐形):錯誤。
第 43 題2 分
How many electrons are involved in bonding in benzene, ?
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核心觀念
苯 的每個碳原子皆為 混成:
- 每個碳以 混成軌域形成三個 鍵:兩個 鍵與一個 鍵。
- 每個碳仍保留一個未混成的 軌域。
- 每個碳的未混成 軌域各含有一個電子,六個 軌域彼此側向重疊,形成離域的 電子系統。
因此,苯環共有六個參與 鍵結的電子,並符合芳香性的 規則:
可得 ,因此苯具有芳香性。
解題方法
苯分子具有六個碳原子。每個碳原子在 混成後,保留一個未混成的 軌域,並提供一個電子參與 鍵結:
苯的結構常以三個交替的雙鍵表示,但每個雙鍵中的 鍵含有 個電子:
所以答案為 。
選項分析
第 44 題2 分
An element with the electron configuration would belong to which class on the periodic table?
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核心觀念
本題考查由電子組態判斷元素在週期表中的分類。
過渡元素(transition elements)位於週期表的 區,特徵是原子或其常見離子具有未填滿的 軌域。題目給出的電子組態為
其中 軌域最多可容納 個電子,目前只有 個電子,因此 軌域尚未填滿,屬於 區元素。
解題方法
先計算總電子數:
原子序 的元素為銥(Ir),其基態電子組態可寫為
判斷分類時,應觀察最後正在填入的次層:
- :正在填入 軌域,屬於 區。
- 區元素主要是第 3 族至第 12 族的過渡元素。
- 已經填滿,並不表示此元素屬於鑭系元素。
因此,本題元素屬於過渡元素。
選項分析
-
(A) transition elements:正確。
電子組態具有未填滿的 軌域,屬於 區的過渡元素。該元素為銥(Ir)。 -
(B) halogens:錯誤。
鹵素位於第 17 族,最外層典型組態為 ,特徵是 軌域接近填滿。
第 45 題2 分
For the reaction
what volume of a solution of is required to react completely with molecules of ?
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核心觀念
本題考查:
- 分子數與莫耳數的換算:
- 配平化學反應式中的莫耳比例。
- 莫耳濃度定義:
因此
反應式為:
由係數可知:
解題方法
先將 分子數換算成莫耳數。使用亞佛加厥常數:
依反應式的莫耳比例:
已知 溶液濃度為 ,所需體積為:
換算成毫升:
第 46 題2 分
The calibration points for the linear Reaumur scale are the usual melting point of ice and boiling point of water, which are assigned the values and , respectively. The boiling point of benzene is . What is this temperature in ?
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核心觀念
本題考查不同溫標之間的換算。Réaumur 溫標(°R)與攝氏溫標(°C)皆為線性溫標,其定義為:
- 冰的熔點:
- 水的沸點:
因此:
華氏溫標與攝氏溫標的換算為:
解題方法
已知苯的沸點為 ,先將其換算為攝氏溫度:
再將攝氏溫度換算為 Réaumur 溫度:
也可直接合併兩個換算式:
代入 :
選項分析
第 47 題2 分
Relative abundance is the unit along the y-axis in a mass spectrum. What are the units on the x-axis?
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核心觀念
質譜圖(mass spectrum)是將樣品分子游離成帶電離子,再依離子的質荷比(mass-to-charge ratio)分離與偵測。
- 軸:質荷比
- 軸:相對豐度(relative abundance),表示各離子訊號強度相對於最強峰的比例
- :離子的質量
- :離子的電荷數
因此,質譜儀實際辨識的是離子的 ,而非單純的分子質量。
解題方法
判斷質譜圖座標軸的定義即可。質譜儀先將分子轉變為離子,例如:
生成的分子離子及其碎片離子,帶有不同質量與電荷。儀器依照下式的比值排列訊號:
多數有機質譜中的離子帶有單位正電荷,即 ,此時 的數值在數值上常接近離子的質量,但座標軸的正式單位仍是 ,不是單純的 或分子量。
選項分析
- (A) mass ():錯誤。質譜儀分析的是帶電離子,離子的運動與偏轉同時受質量及電荷影響,因此必須使用 。只有在所有離子皆為單價離子時, 數值才會恰好接近質量。
第 48 題2 分
Consider the reaction where the rate law is defined as
An experiment is carried out where and . After 3.00 minutes, and . The value of is:
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核心觀念
本題考查:
- 依題目明確給定的速率定律判斷反應級數。
- 二級反應的積分速率定律。
- 速率常數的單位與有效數字。
- 反應物濃度近似保持不變的判斷。
題目給定:
總反應級數為 級,因此 的單位為:
雖然反應式為 ,但題目已直接定義速率為 ,因此不需要再除以化學計量係數 。
解題方法
由於 ,而 的初濃度只有 ,反應過程中 與 的消耗量相對極小,因此可近似視為固定:
速率定律化為:
因此:
對二級反應積分:
整理得:
已知:
所以:
題目給定:
時間換算為:
代入:
第 49 題2 分
The relationship between 1 and 2 is:
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
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核心觀念
本題主要測驗有機立體化學中立體異構物(Stereoisomers)關係的判定,涵蓋以下核心要點:
- 異構物分類定義:
- 結構異構物(Constitutional isomers):分子式相同,但原子鍵結順序不同。
- 對映異構物/鏡像異構物(Enantiomers):分子式與鍵結順序相同,立體結構互為不可重疊的鏡像關係(所有掌性中心之絕對構型皆完全相反)。
- 非對映異構物/非鏡像異構物(Diastereomers):分子式與鍵結順序相同,但不互為鏡像的立體異構物(部分掌性中心構型相同、部分相反;例如赤式/蘇式異構物、順反異構物)。
- 相同化合物(Same compound):可藉由單鍵旋轉或分子整體平移翻轉達到完全重疊。
- 立體投影式的識別與轉換:
- 化合物 1 為紐曼投影式(Newman projection):沿碳-碳鍵視線觀察,前端碳三個鍵交會於中心,後端碳三個鍵自圓周發散。
- 化合物 2 為鋸架/楔形-虛線式(Wedge-dash representation):主碳鏈位於紙面內呈鋸齒狀,實線楔形(wedge)代表朝紙面前方,虛線楔形(dash)代表朝紙面後方。
- Cahn-Ingold-Prelog(C-I-P)優先順序規則與 構型判定:
- 兩化合物均為丁四醇(butane-1,2,3,4-tetraol,),具有 C2 與 C3 兩個掌性碳中心。
- 掌性碳連接的四個基團優先順序依原子序排列為:
解題方法
本題可透過兩種標準分析方法定案:
方法一:C-I-P 規則判定絕對構型( 法)
1. 分析化合物 1(紐曼投影式):
- 前碳(設為 C2):
- 取代基空間方向:正下方為 (優先序 3)、左上方為 (優先序 1)、右上方為 (優先序 4),後碳 C3(優先序 2)沿視線朝紙面正後方伸展。
- 將後碳視為朝後,優先序 4 的 位於前碳平面右上方(朝觀察者方向偏右)。由視線觀察,優先序 (左上 後方 C3 下方 )呈現反時針繞向;由於 略朝觀察者前方,將結果反轉可得其絕對構型為 。
- 後碳(設為 C3):
- 取代基空間方向:正上方為 (優先序 3)、右下方為 (優先序 1)、左下方為 (優先序 4),前碳 C2(優先序 2)朝正前方。
- 由後方向前碳方向看(或將基團轉換),優先序 4 的 朝向後方,由優先序 繞向判定,其絕對構型為 。
- 化合物 1 小結:構型為 。由於分子具有對稱性, 與 相同,為無光學活性的內消旋體(meso compound,赤藻糖醇 erythritol)。
2. 分析化合物 2(楔形-虛線鋸齒式):
- 左側掌性碳(C2):
- 主鏈鍵在紙面上:C1(,優先序 3)朝左下,C3(優先序 2)朝右下。
- 立體鍵:實線楔形(朝紙面前方)為 (優先序 1,右上);虛線楔形(朝紙面後方)為 (優先序 4,左上)。
- 最低優先序基團 已處於朝後之虛線鍵上,直接觀察其餘基團之繞向:
繞向為順時針方向(Clockwise),故其絕對構型為 。 - 右側掌性碳(C3):
- 主鏈鍵在紙面上:C2(優先序 2)朝左上,C4(,優先序 3)朝右上。
- 立體鍵:實線楔形(朝紙面前方)為 (優先序 1,右下);虛線楔形(朝紙面後方)為 (優先序 4,左下)。
- 最低優先序基團 同樣處於朝後之虛線鍵上,直接觀察其餘基團之繞向:
第 50 題2 分
The relationship between 1 and 2 is:
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
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核心觀念
- 立體異構物(Stereoisomers)分類:
- 構造異構物(Constitutional isomers):原子間的鍵結順序不同。
- 立體異構物(Stereoisomers):原子間鍵結順序相同,但空間排布不同,分為:
- 鏡像異構物(Enantiomers):分子與其鏡像不能重疊,所有掌性中心(Chiral centers)的組態皆完全相反(如 與 )。
- 非鏡像異構物(Diastereomers):彼此不是鏡像關係的立體異構物。在含有兩個或多個掌性中心的分子中,部分掌性中心組態相同、部分相反(如 與 )。
- 同一化合物(Same compound):立體組態完全相同(或為內消旋體 meso compound 經旋轉後可重疊)。
- 立體投影式的判讀與轉換:
- 紐曼投影式(Newman projection):沿碳-碳單鍵視線投影,前方碳的三個鍵交於中心,後方碳的三個鍵由圓周向外延伸。
- 費雪投影式(Fischer projection):直立鍵代表朝紙面後方伸出(虛線),水平鍵代表朝紙面前方伸出(實線楔形)。
- Cahn-Ingold-Prelog(CIP)優先順序規則與 組態判定:
- 比較直接連接原子的原子序大小,決定順位 。
- 最低優先順序基團(第 4 順位,通常為 )置於遠離觀察者方向,其餘基團由 :順時針為 組態,逆時針為 組態。
解題方法
本題給出的化合物 1 與 2 之分子主鏈皆為四碳鏈,結構為丁四醇(butane-1,2,3,4-tetrol,),其 C2 與 C3 為兩個化學環境對稱的掌性中心。
連接在 C2 與 C3 上的四個基團之 CIP 優先順序為:
- 第 1 順位:(直接相連的氧原子,原子序最大)
- 第 2 順位:另一個掌性碳 (連接原子為 )
- 第 3 順位:(連接原子為 )
- 第 4 順位:(原子序最小)
方法一:直接判定兩結構掌性中心的 立體組態
1. 結構 1(紐曼投影式)
- 前方碳(C2):
- 鍵結分布:下方(6 點鐘方向)為 (第 3 順位);左上方(10 點鐘方向)為 (第 1 順位);右上方(2 點鐘方向)為 (第 4 順位);後方鍵連結 C3(第 2 順位)。
- 組態判定:第 4 順位的 朝向觀察者(右前方)。由前方直視,基團 ()之繞向為逆時針。因最低優先的 指向前方,將觀測結果反轉(由逆時針轉為順時針),判定 C2 為 組態(即 )。
- 後方碳(C3):
- 鍵結分布:上方(12 點鐘方向)為 (第 3 順位);右下方(4 點鐘方向)為 (第 1 順位);左下方(8 點鐘方向)為 (第 4 順位);前方鍵連結 C2(第 2 順位)。
- 對稱性分析:觀察結構 1,前方碳與後方碳上的三組對應基團皆恰好相距 (互在對位):
- 前方 (下)與後方 (上)相反;
- 前方 (左上)與後方 (右下)相反;
- 前方 (右上)與後方 (左下)相反。
這代表結構 1 的此構型具有反轉對稱中心(Center of inversion, )。具有對稱中心的內消旋分子(meso compound),其對稱的兩個掌性中心立體組態必然相反。因此後方碳 C3 必為 組態(即 )。 - 結構 1 定案:為內消旋體赤藻糖醇(meso-erythritol),組態為 。
2. 結構 2(費雪投影式)
主碳鏈垂直排列,上端為 C1(),下端為 C4():
- 上方掌性碳(C2):