108 關務特考三等 化學工程 有機化學 考古題詳解

核心觀念

雙環［2.2.1］庚-2-酮的碳骨架以 C1、C4 為橋頭，C2 為羰基碳。C1、C4 各連接四種不同的基團，都是立體中心；羰基碳 C2 為 $sp^2$，不是立體中心。

C1 的 CIP 優先序為：

C4 的 CIP 優先序為：

其中 C3 路徑較 C7、C5 路徑優先，是因為沿該路徑較早遇到羰基碳。

解題方法

兩個立體中心各有 $R$、$S$ 兩種組態，因此共有 $2^2=4$ 種立體異構物。以下名稱中的組態描述，連同雙環［2.2.1］庚-2-酮的固定連接方式，即表示各異構物的立體結構：

1. （1R,4R）-雙環［2.2.1］庚-2-酮
2. （1S,4S）-雙環［2.2.1］庚-2-酮
3. （1R,4S）-雙環［2.2.1］庚-2-酮
4. （1S,4R）-雙環［2.2.1］庚-2-酮

解題技巧

逐一找出具有四種不同取代基的原子，再套用 CIP 排序。兩個立體中心的組態都反轉時，得到一對對映異構物：$\left(1R,4R\right)$ 與 $\left(1S,4S\right)$ 為一對，$\left(1R,4S\right)$ 與 $\left(1S,4R\right)$ 為另

核心觀念

酸性比較要看化合物失去質子後形成的共軛鹼穩定性。共軛鹼越穩定，原化合物越容易放出質子，酸性越強、$\mathrm{p}K_a$ 越小：

本題的關鍵是比較環戊二烯、茚與芴去質子化後的負電荷離域與芳香穩定化程度。

解題方法

環戊二烯失去五員環上亞甲基的質子後，形成環戊二烯基陰離子。負電荷所在碳的孤電子對可進入環狀共軛，與原有兩個雙鍵合計形成 $6\pi$ 電子系統，符合 $4n+2$ 規則（$n=1$），因此具有顯著芳香穩定化。這使環戊二烯的共軛鹼特別穩定，故它在三者中酸性最強、$\mathrm{p}K_a$ 最小。

茚去質子化形成茚基陰離子，負電荷可在稠合的共軛骨架中離域，陰離子也具有芳香穩定化。不過，茚的中性分子本身已含有稠合苯環；去質子化所增加的穩定化效果，相較於環戊二烯形成環戊二烯基陰離子的情形較小。因此茚酸性較環戊二烯弱，$\mathrm{p}K_a$ 較大。

核心觀念

本題評量有機光譜分析的核心技能，著重於結合質譜分子式、氫核磁共振（$^1\mathrm{H}$-NMR）及碳十三核磁共振（$^{13}\mathrm{C}$-NMR）進行未知分子結構之綜析與推導。所涉及之核心觀念與工具如下：

1. 不飽和度（Degree of Unsaturation, $\Omega$ / IHD）計算： 對於通式為 $\mathrm{C}_c\mathrm{H}_h\mathrm{N}_n\mathrm{O}_o\mathrm{X}_x$ 的有機分子，其不飽和度為： $\Omega = c + 1 - \frac{h}{2} - \frac{x}{2} + \frac{n}{2}$ 不飽和度數值直接對應結構中環（ring）與雙鍵（$\pi$ 鍵）的總數（參鍵計為 2）。

2. $^1\mathrm{H}$-NMR 譜圖判讀三要素：

• 化學位移（Chemical Shift, $\delta$）：反應質子周遭的電子雲密度與去屏蔽效應（deshielding）。例如：芳香族質子約 $\delta 7 \sim 8$；鄰接氧之質子（$\mathrm{-CH_2-O-}$）約 $\delta 3.5 \sim 4.5$；苯甲位質子（$\mathrm{Ar-CH_2-}$）約 $\delta 2.3 \sim 3.0$；羰基 $\alpha$ 位質子（$\mathrm{-CH-C=O}$）約 $\delta 2.0 \sim 2.6$。
• 積分值（Integration）：吸收峰面積正比於各類化學等價質子（chemically equivalent protons）的數目。
• 自旋裂分（Spin-spin splitting）與 $n+1$ 規則：相鄰非等價質子數為 $n$ 時，共振吸收峰分裂為 $n+1$ 條峰。

3. $^{13}\mathrm{C}$-NMR 與對稱性分析：

• 譜線數目代表分子中化學不等價碳（non-equivalent carbons）之種類數。若碳譜訊號數少於分子式碳數，表示分子具對稱性。
• 化學位移代表碳的混成軌域與官能基環境，例如酯基羰基（$\mathrm{-COO-}$）之碳訊號典型出現在 $\delta 165 \sim 180$。

解題方法

一、化合物 $A$（$\mathrm{C_8H_{10}O}$）之結構推導

1. 計算不飽和度： $\Omega_A = 8 + 1 - \frac{10}{2} = 4$ $\Omega = 4$ 高度指示分子內含有一個苯環（1 個六圓環加 3 個雙鍵）。

2. 解析 $^1\mathrm{H}$-NMR 訊號與構建基團碎片：

• $\delta 7.4 \sim 7.3$（$m$, 5 H）：積分為 5 個質子且落在芳香區，代表一個單取代苯環（$\mathrm{C_6H_5-}$）。
• $\delta 4.00$（br. s, 1 H）：1 個質子的寬單峰，無裂分，為典型醇類之羥基質子（$\mathrm{-OH}$）。
• $\delta 3.66$（$t$, 2 H）與 $\delta 2.77$（$t$, 2 H）：
• 兩組訊號各含 2 個質子，且皆裂分為三重線（$t$），依據 $n+1$ 規則，代表分子中存在互相緊鄰的兩個次甲基片段（$\mathrm{-CH_2-CH_2-}$）。
• $\delta 3.66$ 處於低磁場區，是受到強電負度氧原子去屏蔽的結果，故為直接接在羥基旁的次甲基（$\mathrm{-CH_2-OH}$）。
• $\delta 2.77$ 處於苯甲位（benzylic position），受芳香環反磁環電流去屏蔽，故為直接接在苯環上的次甲基（$\mathrm{Ph-CH_2-}$）。

3. 碎片拼接與確證： 將上述官能基碎片整合： $\mathrm{C_6H_5-} + \mathrm{-CH_2-} + \mathrm{-CH_2-} + \mathrm{-OH} \longrightarrow \mathrm{C_6H_5-CH_2-CH_2-OH}$ 分子式為 $\mathrm{C_8H_{10}O}$，完全吻合各項光譜數據，結構為 2-苯基乙醇（2-Phenylethanol）。

二、化合物 $B$（$\mathrm{C_6H_{12}O_2}$）之結構推導

1. 計算不飽和度： $\Omega_B = 6 + 1 - \frac{12}{2} = 1$ $\Omega = 1$ 且分子含有 2 個氧原子，化合物可能為羧酸（$\mathrm{-COOH}$）、酯（$\mathrm{-COOR}$）或含雙鍵／環狀之二元醇醚。

核心觀念

本題考兩類反應機構：

1. 苯胺活化的芳香環與甲醛進行酸催化的芳香親電子取代，形成亞甲基橋連接的 MDA。
2. 一級胺與光氣反應，先形成氨基甲醯氯，再脫去 HCl 生成異氰酸酯。

以下依題圖所示的對位產物作答。令 Ar 表示 MDA 的二苯甲烷骨架。

解題方法

（一）苯胺與甲醛生成 MDA

甲醛先被質子化，成為親電子體。苯胺的胺基活化芳香環，使對位碳進攻甲醛的碳；去質子化恢復芳香性後，得到對胺基苯甲醇中間體：

接著，羥基質子化後以水離去，形成苄基正離子。第二分子苯胺的對位碳進攻該正離子，再去質子化恢復芳香性，生成 MDA：

苄基正離子也可由胺基共振穩定，酸在反應後再生。

（二）MDA 與光氣生成 MDI

核心觀念

本題考查芳香族親核取代、選擇性還原、羧化、環縮合／環收縮、環氧化物開環、臭氧分解、羰基去氧，以及立體化學控制。判讀時先比較反應物和產物的官能基、碳骨架及立體組態，再選擇能完成該轉換的試劑。

解題方法與各小題

（一）$A$：芳香族親核取代

硝基在氟的鄰位，可穩定親核加成形成的中間體；硝基在氯的間位，不能以相同方式活化氯所在的位置。因此甲氧基取代氟，氯保留。

$A$：1-氯-2-甲氧基-3-硝基苯。

（二）$B$：炔烴部分還原

$\mathrm{H_2/Pd/CaCO_3}$ 並加喹啉，是 Lindlar 催化條件，使炔鍵加氫至順式烯烴為止。圖中起始物為 $\mathrm{Ph{-}C{\equiv}C{-}CH_3}$，產物是順式烯烴。

$B$：$(Z)$-1-苯基丙-1-烯，結構為 $\mathrm{Ph{-}CH{=}CH{-}CH_3}$。

（三）$C$：Kolbe–Schmitt 羧化

氫氧根先使苯酚形成苯氧負離子；加入 $\mathrm{CO_2}$ 後在芳環鄰位羧化，酸化後得到鄰羥基苯甲酸。

$C$：水楊酸（2-羥基苯甲酸）。

（四）$D$：甲氧基取代 tropone 的環收縮

圖示底物為鄰位甲氧基取代的環庚三烯酮。在甲醇鈉／甲醇及加熱條件下發生環收縮，形成苯甲酸甲酯骨架。

$D$：苯甲酸甲酯，$\mathrm{C_6H_5CO_2CH_3}$。

（五）$E$：環氧化物親核開環

$\mathrm{HS^-}$ 在鹼性親核開環條件下攻擊較少取代的環氧碳，也就是末端碳。開環後氧成為烷氧負離子，經質子化形成羥基；氯甲基保留。

$E$：$\mathrm{ClCH_2CH(OH)CH_2SH}$。

（六）$F$：雙鍵臭氧分解

兩個環內雙鍵各自被臭氧分解，切開後形成兩個相同的三碳片段；每個片段的兩端轉成羰基，得到乙醯丙酮。可用還原性處理避免羰基進一步氧化。

$F$：$\mathrm{O_3}$，接續 $\mathrm{(CH_3)_2S}$ 還原處理；亦可用 $\mathrm{Zn/H_2O}$。

（七）$G$：酮羰基還原成亞甲基

核心觀念

本題考查三種常見的有機反應機構：

1. 縮醛的酸催化水解：縮醛氧先質子化，經由離去基離去與水加成，最後恢復羰基。
2. 環醚的溴離子開環：Lewis 酸活化醚氧後，$\mathrm{Br^-}$ 以 $\mathrm{S_N2}$ 方式進攻環上碳，造成該碳反轉；另一端保留原有碳氧鍵，再由乙酸酐乙醯化。
3. $\alpha$-重氮酮的 Wolff 重排：放出 $\mathrm{N_2}$ 後發生 $1,2$-遷移，形成烯酮；烯酮水解生成羧酸。

解題方法與反應機構

（一）縮醛的酸催化水解

圖中起始物是帶乙氧基的環狀縮醛；水解後，縮醛碳恢復為羰基，環上的氧則成為產物的羥基。

1. 先質子化乙氧基氧：乙氧基氧的孤對電子進攻 $\mathrm{H^+}$。
2. 乙醇離去：縮醛碳與質子化乙氧基之間的鍵電子移至氧，乙醇離去，形成受環氧穩定的氧鎓／氧代碳正離子。
3. 水進攻縮醛碳：水的氧以孤對電子進攻缺電子的縮醛碳；再經質子轉移，形成帶羥基的中間體。
4. 切斷環上的碳氧鍵並重建羰基：質子化連接縮醛碳與環的氧，使其成為良好離去基。羥基氧的孤對電子形成 $\mathrm{C=O}$，同時縮醛碳與環氧之間的鍵電子移至環氧。最後去質子化，得到圖示的羥基酮。

判斷重點： 酸催化縮醛水解的總結果是「縮醛碳恢復羰基，參與成環的氧回到醇」。作答時須標出氧的質子化、離去基離去、水加成及羰基重建。

（二）$\mathrm{MgBr_2}$ 促進的環醚開環與乙醯化

1. 活化環醚：環醚氧的孤對電子與 $\mathrm{MgBr_2}$ 配位，使環醚的碳氧鍵更容易被切斷。
2. 溴離子進攻並開環：$\mathrm{Br^-}$ 從背面進攻圖示的溴取代位置，該碳與氧之間的鍵電子移至氧，環開裂。此步為 $\mathrm{S_N2}$，所以受進攻的碳構型反轉。
3. 乙醯化另一端的氧：開環產生的氧負離子進攻乙酸酐的羰基碳，羰基 $\pi$ 鍵移至羰基氧；經質子轉移及乙酸根離去，形成乙酸酯基。這一步在氧上形成酯鍵，不改變該碳的構型。

核心觀念

本題考查如何由三種起始物組合出普羅卡因的兩個關鍵結構：

1. 二乙胺與環氧乙烷開環，製備 2-二乙胺基乙醇，提供目標分子的 $\mathrm{-OCH_2CH_2N(Et)_2}$ 部分。
2. 對硝基苯甲酸轉成醯氯，再與醇形成酯，接上苯甲酸酯骨架。
3. 將芳香族硝基還原成胺基，得到普羅卡因中的對胺基苯甲酸酯結構。

題目圖示的目標產物是普羅卡因游離鹼，其結構為 2-(二乙胺基)乙基 4-胺基苯甲酸酯。

解題方法與合成流程

步驟一：由二乙胺與環氧乙烷製備胺基醇

二乙胺的氮原子以孤電子對進攻環氧乙烷的環碳，使三員環開環；經質子轉移後，得到 2-二乙胺基乙醇。

產物為 2-二乙胺基乙醇，也就是 $\ce{HOCH2CH2N(Et)2}$。操作上宜以二乙胺過量，降低產物再與環氧乙烷反應而進一步烷基化的情形。

步驟二：將對硝基苯甲酸轉成對硝基苯甲醯氯

以亞硫醯氯將羧酸的羥基置換成氯，生成較活潑的醯氯。反應可加熱進行，並移除生成的氣體。

產物為對硝基苯甲醯氯。

步驟三：酯化，接上 2-二乙胺基乙醇

使對硝基苯甲醯氯與步驟一的胺基醇反應，以吡啶或三乙胺捕捉生成的氯化氫，形成酯。