109 年關務特考三等化學工程考古題與詳解

Question 1

請寫出下列各化合物的結構式（包含其立體化學）。

（每小題 2 分，共 10 分）

(一) $(S)$ -2-溴-1,5-戊二醇

(二) 8-碘-2-萘醇

(三) 吡啶-2-甲酸

(四) $(Z)$ -4-異丙基-3-庚烯

(五) 肉桂醛

Accepted Answer

核心觀念 本題考查有機化合物的命名與結構互換，重點包括： - 依 Cahn–Ingold–Prelog（CIP）規則判定手性中心的 $R/S$ 絕對組態。 - 依 CIP 規則比較雙鍵兩端的取代基，判定 $E/Z$ 幾何異構。 - 正確辨認芳香雜環的編號與取代位置。 - 熟悉常見化合物的俗名與結構，例如肉桂醛。 解題方法 （一）$(S)$-2-溴-1,5-戊二醇 戊二醇主鏈為五個碳，羥基位於 C1、C5，溴位於 C2： $$ \mathrm{HOCH2-CH(Br)-CH2-CH2-CH2OH} $$ C2 是手性中心。依 CIP 規則，四個基團的優先序為： 1. $\mathrm{Br}$ 2. $\mathrm{CH2OH}$ 3. $\mathrm{CH2CH2CH2OH}$ 4. $\mathrm{H}$ 其中兩個碳基團第一層原子相同，均為碳；比較下一層原子，$\mathrm{CH2OH}$ 連接的碳相當於連接 $(\mathrm{O,H,H})$，另一側的碳相當於連接 $(\mathrm{C,H,H})$，因此 $\mathrm{CH2OH}$ 優先序較高。 以下 Fischer 投影中，垂直鍵指向紙面後方，水平鍵朝向觀察者： 依優先序 $1	o2	o3$ 排列，紙面上的方向為順時針；由於最低優先序的 H 位於水平鍵、朝向觀察者，須反轉判定，故為 $S$ 組態。 （二）8-碘-2-萘醇 萘環的編號由環稠合處附近開始；在萘的標準編號中，C2 為 $\beta$ 位，C8 位於另一側的 peri 位置。結構為： - C2 接羥基（—OH） - C8 接碘（—I） 可用結構表示為萘環 C2—OH、C8—I，分子式為 $\mathrm{C{10}H7IO}$。書寫時須保留萘環的稠合骨架，不能將其誤畫成單一苯環。 （三）吡啶-2-甲酸 吡啶環以氮原子為 1 位，與氮相鄰的碳為 2 位。羧基接在 C2： $$ \mathrm{2\!-\!C5H4N-CO2H} $$ 此化合物亦稱皮考啉酸（picolinic acid）。其羧基接在吡啶環上，不能誤寫成吡啶環氮原子上的取代基。

Question 2

下圖為瑞德西韋（Remdesivir）的分子結構，用來對抗 2019 新型冠狀病毒的一種藥物。

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

(一) 請問理論上此化合物的 $^{13}\mathrm{C}\{^{1}\mathrm{H}\}$ NMR 光譜，應該有多少吸收峰？（4 分）

(二) 又此化合物的 $^1\mathrm{H}$ NMR 光譜，會有幾組屬於甲基（methyl）的吸收峰？它們的分裂情形與積分比應為何？（6 分）

Accepted Answer

核心觀念 本題考查核磁共振的化學等價性、分子對稱性，以及氫核訊號的裂分與積分。 在 $^{13}\mathrm{C}\{^{1}\mathrm{H}\}$ NMR 中，每一種化學不等價的碳環境各產生一個訊號。若分子沒有能使碳原子互換的對稱性，碳原子即使連接相同，也可能因分子中的手性中心而處於不同環境。 $^1\mathrm{H}$ NMR 的裂分可用鄰近等價氫數 $n$ 判斷，常用 $n+1$ 規則；積分則反映該訊號所代表的氫數。 解題方法 （一）$^{13}\mathrm{C}\{^{1}\mathrm{H}\}$ 訊號數 先依骨架計算瑞德西韋的碳原子總數： - 2-乙基丁酯側鏈：6 個碳 - 丙胺酸部分：3 個碳 - 醣環：5 個碳 - 氰基：1 個碳 - 苯氧基：6 個碳 - 稠合含氮雜環：6 個碳 總數為 $$ 6+3+5+1+6+6=27 $$

Question 3

寫出下列反應的主要產物。

（每小題 3 分，共 24 分）

(一)

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

$n$ -BuLi
$\mathrm{CH_2=CHCH_2Br}$

(二)

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

$\mathrm{H_2SO_4}$

(三)

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

$\mathrm{MnO_2}$ ，diethyl ether

(四)

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

$\mathrm{SOCl_2}$ ， $\Delta$

(五)

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

$t$ -BuOK， $t$ -BuOH

(六)

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

1 eq. $\mathrm{Br_2}$

(七)

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

$\mathrm{NaNO_2/HCl}$ ， $0^\circ\mathrm{C}$
$\mathrm{C_6H_5NEt_2}$

(八)

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

$\mathrm{CH_3CH_2NH_2}$ ，pH $\sim 4$

Accepted Answer

核心觀念

本題涵蓋炔負離子的烷基化、芳香親電子取代、選擇性氧化、醯胺脫水、消去反應、共軛二烯的親電加成、重氮鹽偶合，以及羰基與一級胺的縮合。作答時先辨認官能基，再依試劑判斷反應類型與主要區位。

解題方法與各小題

（一）末端炔的烷基化

$n$ -BuLi 先拔除末端炔的酸性氫，形成炔負離子；炔負離子再對烯丙基溴進行 $S_\mathrm{N}2$ 取代。

產物為環己基連接炔丙基烯基鏈：

$\mathrm{C_6H_{11}-C{\equiv}C-CH_2CH{=}CH_2}$

也就是 1-環己基戊-1-烯-4-炔（以圖示骨架表示）。

（二）甲氧基苯的傅-克烷基化

異丁烯在酸性條件下形成三級碳正離子等效體，進行傅-克烷基化。甲氧基是活化的鄰、對位定位基；三級丁基體積較大，因此對位產物為主。

主要產物為 對三級丁基甲氧基苯（ $p$ -tert-butylanisole）。

（三）烯丙位醇的氧化

起始物是苯基取代的二級烯丙位醇。 $MnO_2$ 可選擇性氧化烯丙位醇為羰基化合物，通常保留原有碳碳雙鍵的幾何構型。

主要產物為：

$\mathrm{(E)-C_6H_5COCH{=}CHCH_3}$

即 （ $E$ ）-1-苯基丁-2-烯-1-酮。

（四）醯胺脫水

$SOCl_2$ 加熱可使一級醯胺脫水生成腈，芳環上的甲基位置不變。圖中甲基與醯胺基為間位。

產物為 3-甲基苯甲腈（間甲基苯甲腈）。

（五）強鹼促進的消去反應

$t$ -BuOK 是體積較大的強鹼，促進 $E2$ 消去；其優先拔除較不擁擠位置的氫，形成取代度較低的烯烴（Hofmann 產物）。

主要產物為 1-己烯。較取代的 2-己烯是次要產物。

（六）共軛二烯與溴的加成

圖示底物為 1,3-環己二烯。與 1 當量 $Br_2$ 反應時，會形成 1,2-加成與1,4-加成產物；兩者比例受反應溫度影響。題目未給溫度，因此無法只憑題目指定唯一的主要產物：

低溫、動力學控制：以 1,2-加成產物為主，生成 3,4-二溴環己-1-烯。
較高溫、熱力學控制：以 1,4-加成產物為主，生成 3,6-二溴環己-1-烯。

Question 4

寫出下列反應的機制。

（每小題 6 分，共 12 分）

(一) 降冰片烯（norbornene）與 DBr 作用，除了直接生成加成產物 Z 外，還有 U 的產物。請提出其可能的反應途徑。

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

(二) 將二苯基酮用 $\mathrm{NH_2NH_2}$ 在鹼性（ $\mathrm{NaOH}$ ）加熱條件下，會生成二苯甲烷的還原產物。請提出其可能的反應途徑。

Accepted Answer

（一）降冰片烯與 $\mathrm{DBr}$：生成 $Z$ 與 $U$ 核心觀念 此題考烯烴的親電加成，以及降冰片烯形成的 $2$-降冰片基碳正離子。此碳正離子可由鄰近的 $\sigma$ 鍵參與而離域，也可經由骨架鍵遷移重排；溴離子捕捉不同的碳正離子中間體，會形成不同產物。 解題方法與反應途徑 直接加成時，$\mathrm{DBr}$ 異裂為 $\mathrm{D^+}$ 與 $\mathrm{Br^-}$。$\mathrm{D^+}$ 加到降冰片烯的雙鍵碳上，另一個雙鍵碳形成碳正離子；接著 $\mathrm{Br^-}$ 進攻碳正離子，生成圖示的直接加成產物 $Z$。 生成 $U$ 的途徑則由同一碳正離子開始。降冰片烯的鄰近碳碳 $\sigma$ 鍵遷移至帶正電的碳，發生 Wagner–Meerwein 骨架重排，使正電荷移至重排後的骨架位置。最後由 $\mathrm{Br^-}$ 捕捉該碳正離子，生成圖示的重排加成產物 $U$。 以箭推表示，重點步驟為： $$ \ce{norbornene + D+ - norbornyl\ cation -[鄰近\ C-C\ \sigma 鍵遷移] 重排碳正離子 -[Br^-] U} $$ 降冰片基碳正離子也可用鄰近 $\sigma$ 鍵參與、正電荷離域的非典型橋式結構描述；這說明了其能形成多種加成與重排產物。 解題技巧 先將反應拆成「雙鍵接受 $\mathrm{D^+}$，形成碳正離子」與「碳正離子被 $\mathrm{Br^-}$ 捕捉」兩步。若產物骨架位置不同，便檢查碳正離子是否發生鄰近碳碳鍵遷移；降冰片烯是容易發生此類骨架重排的典型底物。 （二）二苯基酮的 Wolff–Kishner 還原

Question 5

請回答下列各子題。

（每小題 5 分，共 20 分）

(一) 比較下列胺類化合物的鹼性大小，並說明原因。

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

(二) 下列三個反應何者是屬於同邊加成反應（syn-addition reaction）？並寫出其正確立體化學的產物結構。

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

(三) 在常溫常壓下，過錳酸鉀（ $\mathrm{KMnO_4}$ ）固體無法溶解於苯的溶劑中，但是加入適量的 18-冠[醚]-6（18-crown-6）後，此溶液呈現紫色。請畫出 18-crown-6 的結構，並說明此現象。

(四) 苯乙酮於 $\mathrm{KI/I_2}$ 的鹼性水溶液中會產生黃色沉澱，此黃色沉澱為何物？亦請將其反應機制一併陳述。

Accepted Answer

核心觀念 胺的鹼性取決於氮原子孤電子對接受質子的能力。烷基具有供電子誘導效應，通常提高氮原子的電子密度；若孤電子對能與芳香環共振離域，接受質子的能力就會降低。 解題方法 圖中三個化合物依序為 $N$-甲基苯胺、$N$-甲基環己胺及環己胺。前者的氮原子孤電子對能與苯環共振；後兩者是脂肪族胺，氮原子的孤電子對未與芳香環共振。一般在水溶液中，脂肪族二級胺的鹼性略強於脂肪族一級胺。 因此鹼性由強至弱為： $$ \boxed{N	ext{-甲基環己胺}	ext{環己胺}\gg N	ext{-甲基苯胺}} $$ $N$-甲基苯胺雖然有甲基供電子效應，但氮的孤電子對與苯環共振離域，使其鹼性明顯較弱。 解題技巧 先看氮的孤電子對是否被共振離域：芳香胺通常弱於脂肪族胺；比較脂肪族一級、二級胺時，再考慮烷基的供電子效應及溶劑中的溶劑化作用。 五、（二）同邊加成反應 核心觀念與判斷方法 同邊加成是兩個新鍵從烯鍵的同一面形成。$D2/Pd-C$ 的催化加氘反應屬同邊加成；硼氫化氧化的第一步也是同邊加成，氧化時以羥基取代硼並保留碳硼鍵的立體方向。$HOBr$ 形成鹵醇時則為反邊加成。 產物立體化學 1. $HOBr$：反邊加成，不是同邊加成。 溴鎓離子中間體受到水或氫氧根從反面進攻，產物中 $OH$ 與 $Br$ 位於相反面。 2. $D2/Pd-C$：同邊加成。 在原雙鍵兩個碳上各加一個氘，兩個 $D$ 位於同一面。以立體鍵表示，可畫成相鄰兩碳上的 $D$ 都為實楔線；從另一面加成時，兩個 $D$ 都為虛楔線。產物為 1,2-二氘-1,2-二甲基環己烷，兩個新加的氘彼此為順式。 3. $1.\ (BH3)2;\ 2.\ H2O2,\ OH^-$：同邊加成。 硼氫化時 $H$ 加到較多取代的環上烯碳，$BH2$ 加到末端 $CH2$；氧化後末端的 $B$ 換成 $OH$。產物為環上連有 $CH2OH$ 的環戊烷衍生物。新加的環上 $H$ 與末端碳上的 $OH$ 來自雙鍵同一面；畫立體式時，將新加的環上 $H$ 與末端 $OH$ 標示為同面。原有的異丙基立體鍵保持不變。 解題技巧 記住：催化加氫／加氘與硼氫化是同邊加成；鹵醇反應經由環狀鹵鎓離子，親核試劑從反面進攻，因此是反邊加成。 五、（三）18-冠[醚]-6 與高錳酸鉀的增溶 核心觀念 18-冠[醚]-6 是含六個氧原子的環狀聚醚，可用環狀重複單元表示為：

Question 6

果糖（D-fructose）是一種多羥基酮單醣，溶於水，存在於許多食品與水果中。其直鏈式的分子結構如下圖。果糖在水溶液中是以 D-果吡喃糖（D-fructopyranose）與 D-果呋喃糖（D-fructofuranose）形式存在。

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

請寫出 $\alpha$ -D-果吡喃糖與 $\alpha$ -D-果呋喃糖的結構式。又果糖為何稱為 D 構型醣類分子？使用過量 $\mathrm{NaBH_4}$ 試劑與果糖作用，會得到什麼化合物？（12 分）

Accepted Answer

核心觀念

本題考查果糖的環化、Haworth 投影、醣類 D／L 構型判定，以及酮糖的還原反應。

果糖是酮己糖，直鏈式的羰基位於 C2。C2 羰基可與分子內的羥基反應，形成環狀半縮酮：

C6 羥基與 C2 成環，形成六員環的果吡喃糖。
C5 羥基與 C2 成環，形成五員環的果呋喃糖。

環化會使原本的羰基碳 C2 成為異頭碳，因此產生 $\alpha$ 、 $\beta$ 兩種異頭物。

解題方法

先依圖中 Fischer 投影判讀果糖各碳的取代基：C3 的 OH 在左，C4、C5 的 OH 在右。畫成標準 Haworth 投影時，Fischer 投影中右側的取代基朝環下方，左側的取代基朝環上方。

下表列出兩種環型的環原子順序及取代基方向；「上、下」指相對於環平面的兩側。

結構	環原子順序	C2 取代基	其他取代基
$\alpha$ -D-果呋喃糖	O5–C2–C3–C4–C5	OH 向下；C1 的 CH₂OH 向上	C3 的 OH 向上；C4 的 OH 向下；C5 的 CH₂OH（C6）向上
$\alpha$ -D-果吡喃糖	O6–C2–C3–C4–C5–C6	OH 向下；C1 的 CH₂OH 向上	C3 的 OH 向上；C4 的 OH 向下；C5 的 OH 向下

兩種環型都要將異頭碳標為 C2。成環氧來自 C5 羥基時是果呋喃糖；成環氧來自 C6 羥基時是果吡喃糖。

Question 7

請完成以化合物 XX 為起始原料合成 YY 的設計。這需要多少步驟的反應，寫出每一步驟所用的試劑及產物。（12 分）

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

提示：可以利用分子內 Claisen condensation。

Accepted Answer

核心觀念 本題從環己烯合成圖示的 2-甲基環戊酮，關鍵是先把環己烯氧化開環成己二酸，再利用己二酸二乙酯進行分子內 Claisen condensation（Dieckmann condensation），形成五員環的 β-酮酯。β-酮酯經 α-甲基化、酯水解與脫羧後，得到目標產物。 β-酮酯的活性亞甲基位於酮羰基與酯羰基之間，容易形成烯醇負離子，能以甲基化試劑引入甲基；水解後加熱脫羧，則移除酯基的羧基碳。 解題方法與反應步驟 1. 環己烯氧化開環，製備己二酸 使用熱、高錳酸鉀氧化環己烯的雙鍵，酸化後得到己二酸： $$	ext{環己烯} \xrightarrow[	ext{酸化}]{\mathrm{KMnO4,\ OH^-,\ \Delta}} \mathrm{HOOC(CH2)4COOH}$$ 2. 酯化，製備己二酸二乙酯 己二酸與乙醇進行 Fischer 酯化： $$\mathrm{HOOC(CH2)4COOH} \xrightarrow[	ext{加熱}]{\mathrm{EtOH,\ cat.\ H2SO4}} \mathrm{EtOOC(CH2)4COOEt}$$ 3. 分子內 Claisen condensation，形成 β-酮酯 以乙醇鈉在乙醇中反應，酸化處理後得到 乙基 2-氧代環戊烷-1-羧酸酯： $$\mathrm{EtOOC(CH2)4COOEt} \xrightarrow[	ext{後續酸化}]{\mathrm{NaOEt,\ EtOH}} 	ext{乙基 2-氧代環戊烷-1-羧酸酯}$$

109 關務特考三等化學工程有機化學考古題詳解

第一題10 分

核心觀念

解題方法

（一） $(S)$ -2-溴-1,5-戊二醇

（二）8-碘-2-萘醇

（三）吡啶-2-甲酸

第二題10 分

核心觀念

解題方法

第三題24 分

核心觀念

解題方法與各小題

第四題12 分

（一）降冰片烯與 $\mathrm{DBr}$ ：生成 $Z$ 與 $U$

（二）二苯基酮的 Wolff–Kishner 還原

第五題20 分

五、（二）同邊加成反應

五、（三）18-冠[醚]-6 與高錳酸鉀的增溶

第六題12 分

核心觀念

解題方法

第七題12 分

核心觀念

解題方法與反應步驟

其他考古題

109 年化學工程的其他科目

化學工程《有機化學》其他年度

109 關務特考三等 化學工程 有機化學 考古題詳解

第 一 題10 分

核心觀念

解題方法

（一）(S)(S)(S)-2-溴-1,5-戊二醇

（二）8-碘-2-萘醇

（三）吡啶-2-甲酸

第 二 題10 分

核心觀念

解題方法

第 三 題24 分

核心觀念

解題方法與各小題

第 四 題12 分

（一）降冰片烯與 DBr\mathrm{DBr}DBr：生成 ZZZ 與 UUU

（二）二苯基酮的 Wolff–Kishner 還原

第 五 題20 分

五、（二）同邊加成反應

五、（三）18-冠[醚]-6 與高錳酸鉀的增溶

第 六 題12 分

核心觀念

解題方法

第 七 題12 分

核心觀念

解題方法與反應步驟

其他考古題

109 年化學工程的其他科目

化學工程《有機化學》其他年度

109 關務特考三等化學工程有機化學考古題詳解

第一題10 分

（一） $(S)$ -2-溴-1,5-戊二醇

第二題10 分

第三題24 分

第四題12 分

（一）降冰片烯與 $\mathrm{DBr}$ ：生成 $Z$ 與 $U$

第五題20 分

第六題12 分

第七題12 分