113 關務特考三等 化學工程(選試英文) 有機化學 考古題詳解

核心觀念

本題考查依英文化合物名稱辨認官能基與碳骨架，再把各部分組合成結構。常用縮寫為 Ph，代表苯基 $\mathrm{C_6H_5{-}}$。

酯的基本結構為 $\mathrm{R{-}C(=O){-}O{-}R'}$；醚為 $\mathrm{R{-}O{-}R'}$；羧酸為 $\mathrm{R{-}C(=O){-}OH}$。苯基接在 $\mathrm{CH_2}$ 上形成苄基 $\mathrm{Ph{-}CH_2{-}}$。

解題方法與各小題結構

先辨認名稱中的官能基，再確認各取代基接在官能基的哪一側：

1. Ethyl acetate（乙酸乙酯） 「acetate」提供乙酸部分 $\mathrm{CH_3C(=O)O{-}}$；「ethyl」接在酯氧原子上。 結構： $\mathrm{CH_3{-}C(=O){-}O{-}CH_2{-}CH_3}$

2. Tetrahydrofuran（四氫呋喃，THF） 為五員環醚：環中有一個氧原子與四個 $\mathrm{CH_2}$，依序閉合成環。 結構： $\mathrm{O(CH_2)_4}$ 環狀，即五元環 $\mathrm{O{-}CH_2{-}CH_2{-}CH_2{-}CH_2}$，末端碳再接回氧。

核心觀念

本題涵蓋有機反應的產物判斷與立體化學：Diels–Alder 反應、烯烴與炔烴加成、芳香族親電取代、格林納試劑開環、Dieckmann 縮合、重氮鹽反應，以及芳香族親核取代。作答時先辨認官能基和反應試劑，再判斷鍵結位置、區域選擇性與立體選擇性。

解題方法與各小題

（一）Diels–Alder 反應

反應物為帶有偕二甲基的環戊二烯與丙烯酸甲酯。共軛二烯和烯類親雙烯體在加熱條件下進行協同環加成，形成雙環產物；反應物的環狀骨架限制了新鍵的連接方式。此反應遵守立體專一性，且酯基以 endo 方向為主要產物。

主要產物為 endo-7,7-二甲基雙環[2.2.1]庚-5-烯-1-甲酸甲酯。酯基朝向較長的橋，兩側面進攻會形成一對對映異構物，因此產物為外消旋混合物。

（二）烯烴加溴

底物是苯環稠合的環己烯。$\mathrm{Br_2}$ 對烯鍵進行親電加成，經由溴鎓離子中間體，再由溴離子從反面進攻，因此兩個溴呈 anti 加成。

主要產物為 反式-1,2-二溴四氫萘，即兩個溴位於環的相反面；由平面烯烴兩側進攻，產生一對對映異構物。

（三）烯烴氫硼化—氧化

起始物為亞甲基環己烷。氫硼化—氧化使 $\mathrm{OH}$ 加到較少取代的烯碳；此例的末端 $\mathrm{CH_2}$ 得到 $\mathrm{OH}$，環上的烯碳得到氫。

主要產物為 環己基甲醇，結構為 $\mathrm{C_6H_{11}CH_2OH}$。判斷時先找出雙鍵的末端碳，氫硼化—氧化會在該碳形成 $\mathrm{CH_2OH}$。

（四）末端炔烴水合

圖示底物為 1-戊炔。$\mathrm{HgSO_4}$、$\mathrm{H_2SO_4}$ 和水促進末端炔烴依 Markovnikov 方向水合，先形成烯醇，再互變異構成較穩定的酮。

主要產物為 2-戊酮，結構為 $\mathrm{CH_3COCH_2CH_2CH_3}$。末端炔烴水合後，羰基出現在炔鍵內側碳。

（五）芳香族硝化

底物為芳基烷基酮，苯環連接的取代基是 $\mathrm{-COC_6H_{11}}$。羰基直接連在苯環上，會使苯環失活，並導向 間位取代。

主要產物為 間硝基苯基環己基酮，也就是硝基位於芳環上與羰基取代基呈間位的位置。判斷定位效應時，應看直接連在芳環上的原子；此處是羰基碳，因此是間位定位基。

（六）格林納試劑開環

苯基溴化鎂與甲基取代環氧乙烷反應。格林納試劑從較少取代的環氧碳進攻並開環；氧留在帶甲基的碳上，反應完成後經酸處理形成醇。圖中手性碳的鍵沒有斷裂，因此其空間排列保留。

主要產物為 （R）-1-苯基丙-2-醇，結構為 $\mathrm{PhCH_2CH(OH)CH_3}$；圖示甲基仍為實心楔線。

核心觀念

$\mathrm{p}K_a=-\log K_a$。$\mathrm{p}K_a$ 越大，酸性越弱；本題要求由大至小排列，就是由較不易失去質子排到較容易失去質子。

判斷酸性時，先看失去質子後的共軛鹼是否穩定：共軛鹼越穩定，酸性越強，$\mathrm{p}K_a$ 越小。共振離域、芳香性及取代基的誘導效應與共振效應，都會影響共軛鹼的穩定度。

解題方法與各組分析

（一）乙醇、苯酚、丙酮、乙炔

常見 $\mathrm{p}K_a$ 約值如下：

• 乙炔 $\mathrm{HC{\equiv}CH}$：$25$
• 丙酮的 $\alpha$-氫：$19\sim20$
• 乙醇：$16$
• 苯酚：$10$

乙炔失去氫後形成的碳負離子位於 $sp$ 混成碳上，$s$ 特性較高，能較穩定地容納負電荷，因此乙炔比乙醇酸性弱、$\mathrm{p}K_a$ 較大。丙酮失去 $\alpha$-氫後形成烯醇負離子，可由羰基共振穩定，因此酸性比乙醇強。苯酚失去氫後的負電荷可在芳香環上共振離域，故酸性比乙醇強，$\mathrm{p}K_a$ 較小。

由大至小排列：

（二）對甲基苯甲酸、苯甲酸、對甲氧基苯甲酸、對氟苯甲酸

常見 $\mathrm{p}K_a$ 約值如下：

• 對甲氧基苯甲酸：$4.47$
• 對甲基苯甲酸：$4.37$
• 苯甲酸：$4.20$
• 對氟苯甲酸：$4.14$

對位的甲基與甲氧基具有給電子效應，會使苯甲酸根共軛鹼較不穩定，因此酸性降低、$\mathrm{p}K_a$ 升高；其中甲氧基的對位共振給電子效應使其 $\mathrm{p}K_a$ 高於對甲基。

核心觀念

本題考查兩種羰基反應機構：

1. 還原胺化：醛與一級胺先形成亞胺鎓離子，再由 $\mathrm{NaBH_3CN}$ 還原成胺。
2. Robinson annulation（羅賓遜環化）：先進行 Michael 1,4-加成，再進行分子內 aldol 環化與脫水，形成共軛烯酮。

（一）還原胺化

苯甲醛與甲胺反應，將醛基的 $\mathrm{C=O}$ 轉換成 $\mathrm{CH_2NHCH_3}$，產物為 $N$-甲基苄胺。

1. 胺進攻羰基 酸使苯甲醛的羰基氧質子化，增加羰基碳的親電性。$\mathrm{CH_3NH_2}$ 進攻羰基碳，經質子轉移形成半縮胺：

$\mathrm{C_6H_5CHO + CH_3NH_2 \longrightarrow C_6H_5CH(OH)NHCH_3}$

2. 脫水形成亞胺鎓離子 半縮胺的羥基經質子化後成為良好離去基，脫去水，形成亞胺鎓離子：

$\mathrm{C_6H_5CH(OH)NHCH_3 \longrightarrow [C_6H_5CH{=}NHCH_3]^+ + H_2O}$

3. 還原亞胺鎓離子 $\mathrm{NaBH_3CN}$ 提供氫化物，進攻亞胺鎓碳；再經去質子化，得到二級胺：

$\mathrm{[C_6H_5CH{=}NHCH_3]^+ \xrightarrow{NaBH_3CN} C_6H_5CH_2NHCH_3}$

$\mathrm{NaBH_3CN}$ 在 $pH=4$ 的條件下可還原亞胺鎓離子，因此反應依序完成胺縮合與還原。

（二）Robinson annulation

核心觀念

本題考查乙醯乙酸酯的活性亞甲基烷基化、分子內成環，以及 β-酮酯水解後的脫羧反應。化合物 A 為乙醯乙酸甲酯，結構是 $\mathrm{CH_3COCH_2CO_2CH_3}$；其中 $\mathrm{CH_2}$ 夾在兩個吸電子基團之間，容易被 $\mathrm{NaOEt}$ 去質子化，形成烯醇負離子。

解題方法

(一) 試劑 B

烯醇負離子與二鹵化物進行兩次烷基化，最後分子內關環。產物 C 是環丁烷骨架，因此從 A 的活性亞甲基碳算起，B 必須提供另外三個碳，組成四員環。

一種符合條件的試劑為 1,3-二溴丙烷：

第一次烷基化將 A 接上丙基鏈；再次去質子化後，另一端分子內進行 $\mathrm{S_N2}$ 關環，形成 C。C 保留酮基與酯基；後續脫羧後得到 D 的乙醯基環丁烷。

(二) C 轉變為 D 的反應條件

先將酯基水解成羧酸，再加熱使 β-酮酸脫羧。可寫為：