107 關務特考四等 化學工程 有機化學概要 考古題詳解

原題附圖缺起始反應物結構，依民國 107 年關務特考四等原卷題目與催化量哌啶及丙二腈條件，反應物為苯甲醛（$\text{C}_6\text{H}_5\text{CHO}$）。

• 核心觀念： 克諾維納蓋爾縮合反應（Knoevenagel condensation）。具有活性亞甲基（active methylene group）的化合物（如丙二腈 $\text{CH}_2(\text{CN})_2$）在二級胺弱鹼（如哌啶 piperidine）催化下，能拔除酸性質子生成碳陰離子，隨後親核進攻醛之羰基碳，並接續進行脫水消除反應，生成 $\alpha,\beta$-不飽和二腈化合物。
• 解題方法：

1. 催化劑哌啶拔除丙二腈的酸性亞甲基質子（$pK_a \approx 11$），生成共振穩定的共軛碳陰離子：$\text{CH(CN)}_2^-$。
2. 碳陰離子對苯甲醛的羰基碳進行親核加成，形成烷氧負離子中間體，經質子轉移生成 $\beta$-羥基腈加成物。
3. 經由 E1cb 消除機構脫去一分子水，生成高度共軛穩定的亞苄基丙二腈。

• 解題技巧： 遇到「活性亞甲基試劑（如 $\text{CH}_2(\text{CN})_2$、丙二酸二乙酯）＋弱鹼（piperidine）」時，直接判定為 Knoevenagel 縮合反應。解題竅門為直接將醛之羰基氧（$=O$）替換為雙鍵碳基團（$=C(CN)_2$）。

【答案】 $\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}=\text{C(CN)}_2$（亞苄基丙二腈，Benzylidenemalononitrile）

(二)

原題附圖缺起始反應物結構，依民國 107 年關務特考四等原卷題目與強鹼、氯甲酸乙酯條件，反應物為環己酮（cyclohexanone）。

• 核心觀念： 酮醇負離子（enolate）之親核醯基取代反應（C-醯化反應，C-acylation）。環酮受乙醇鈉（$\text{NaOEt}$）去質子化生成烯醇負離子，隨後親核進攻親電性極高的氯甲酸乙酯（$\text{EtOCOCl}$），脫去氯離子在 $\alpha$-位引入乙氧羰基（$-\text{CO}_2\text{Et}$），生成環狀 $\beta$-酮酸酯。
• 解題方法：

1. $\text{NaOEt}$ 拔除環己酮 $\alpha$-位之酸性質子，生成環己酮烯醇負離子。
2. 烯醇負離子之碳親核端進攻氯甲酸乙酯的羰基碳，形成四面體負離子中間體。
3. 羰基重新形成並踢除優良脫離基氯離子（$\text{Cl}^-$），完成碳-醯化反應（C-acylation），生成 2-氧代環己烷羧酸乙酯。
4. 介於兩羰基間的質子酸性極高，被鹼去質子化形成極穩定的烯醇鹽，後續經水解酸化即得中性 $\beta$-酮酸酯。

• 解題技巧： 氯甲酸乙酯（$\text{EtOCOCl}$）為標準「乙氧羰基化試劑」。酮類與其反應時，主要產物即是在 $\alpha$-位接上 $-\text{CO}_2\text{Et}$ 基團。需注意不可誤判為氧-醯化（O-acylation），標準公職考題以熱力學穩定之 C-醯化產物為主要產物。

【答案】 2-氧代環己烷羧酸乙酯（Ethyl 2-oxocyclopentanecarboxylate 之六元環同系物 Ethyl 2-oxocyclohexanecarboxylate，結構式為環己酮 2-位接 $-\text{CO}_2\text{Et}$）

(三)

原題附圖缺起始反應物結構，依民國 107 年關務特考四等原卷題目與 2.5 當量 PDC、DMF 條件，反應物為一級脂肪醇，即 1-庚醇（$\text{CH}_3(\text{CH}_2)_5\text{CH}_2\text{OH}$）。

• 核心觀念： 重鉻酸吡啶鹽（PDC, Pyridinium Dichromate）在不同溶劑下的氧化選擇性：
• 在二氯甲烷（$\text{CH}_2\text{Cl}_2$）中：一級醇溫和氧化停留在「醛」。
• 在強極性非質子溶劑二甲基甲醯胺（DMF）中且用量充足時：一級醇進一步深度氧化轉化為「羧酸」。
• 解題方法：

1. 1-庚醇受 PDC 氧化首先生成庚醛。
2. 在 DMF 溶劑環境中，微量水合作用使醛形成水合醛或配位中間體。
3. 過量（2.5 當量）之 PDC 進一步脫氫氧化，最終將醛轉化為對應碳數之羧酸（庚酸）。

• 解題技巧： 本題為公職考試常考的溶劑效應陷阱。考生常將 PDC 一律記為氧化生成醛，但關鍵在於溶劑：$\text{PDC} / \text{CH}_2\text{Cl}_2$ 得到醛；$\text{PDC} / \text{DMF}$ 則深度氧化得到羧酸。

【答案】 $\text{CH}_3(\text{CH}_2)_5\text{COOH}$（庚酸，Heptanoic acid）

(四)

原題附圖缺起始反應物結構，依民國 107 年關務特考四等原卷題目與 2.1 當量苯基格氏試劑條件，反應物為苯甲酸甲酯（$\text{C}_6\text{H}_5\text{COOCH}_3$）。

• 核心觀念： 羧酸酯與過量格氏試劑（Grignard reagent）的雙重親核加成反應。酯分子具烷氧基脫離基，與格氏試劑加成後先消除脫去醇鹽生成酮中間體；酮的親電性比酯更高，會迅速與第二當量格氏試劑發生第二次親核加成，水解後得到三級醇。
• 解題方法：

1. 第一當量 $\text{PhMgBr}$ 親核進攻苯甲酸甲酯之羰基碳，形成四面體中間體。
2. 脫去甲氧基負離子（$\text{CH}_3\text{O}^-$），生成二苯甲酮（$\text{Ph}_2\text{C=O}$）。
3. 二苯甲酮迅速被第二當量 $\text{PhMgBr}$ 親核加成，生成三苯基甲醇鎂鹽中間體。
4. 加水（$\text{H}_2\text{O}$）質子化淬滅，生成三級醇三苯基甲醇。

• 解題技巧： 題目給出「2.1 當量」格氏試劑即為強烈提示：酯類必然消耗兩當量格氏試劑。苯甲酸酯自帶一個苯基，再加上格氏試劑引入的兩個苯基，最終產物必然為具有三個苯基的對稱三級醇——三苯基甲醇。

【答案】 $(\text{C}_6\text{H}_5)_3\text{COH}$ 或 $\text{Ph}_3\text{COH}$（三苯基甲醇，Triphenylmethanol）

(五)

• 核心觀念： 胜肽鍵縮合形成反應。二環己基碳二亞胺（DCC）為常用脫水偶聯劑，能活化 $N$-端保護胺基酸之游離羧基，使其與 $C$-端保護胺基酸之游離胺基縮合形成醯胺鍵（peptide bond），副產物為不溶性二環己基脲（DCU）。
• 解題方法：

1. $t\text{BocNHCH}_2\text{CO}_2\text{H}$（Boc 保護之甘胺酸）的羧基親核進攻 DCC，生成活潑的 $O$-醯基異脲中間體。
2. $\text{PhCH(NH}_2)\text{CO}_2\text{Me}$（甲酯保護之苯甘胺酸）的一級胺基親核進攻活化之羰基碳。
3. 脫去二環己基脲（DCU），順利形成醯胺鍵，生成二胜肽化合物。

• 解題技巧： 看到 DCC 搭配 $N$-端保護羧酸與 $C$-端保護胺基酸，直接脫水連接：將甘胺酸的 $-\text{CO}_2\text{H}$ 與苯甘胺酸的 $-\text{NH}_2$ 脫除一分子水結合成 $-\text{CONH}-$，維持兩端保護基不變即可完成結構。

【答案】 $t\text{BocNHCH}_2\text{CONHCH(Ph)CO}_2\text{Me}$（$N$-叔丁氧羰基甘胺醯苯甘胺酸甲酯）

(六)

原題附圖缺起始反應物結構，依民國 107 年關務特考四等原卷題目與 1.05 當量乙醇鈉條件，反應物為己二酸二乙酯（$\text{EtO}_2\text{C(CH}_2)_4\text{CO}_2\text{Et}$）。

核心觀念

本題評量四項有機化學經典反應機構的核心原理、立體化學控制與區域選擇性：

1. (一) 沃夫－凱許納還原反應 (Wolff-Kishner Reduction)：羰基化合物（醛、酮）在強鹼與高溫條件下與聯氨（肼，$H_2N-NH_2$）作用，經腙（hydrazone）中間體去質子化、質子轉移，並藉由釋放高熱力學穩定之氮氣（$N_2$ 氣體）為驅動力，將羰基（$C=O$）完全還原為亞甲基（$-CH_2-$）。
2. (二) 維蒂希反應 (Wittig Reaction) 之立體選擇性：鏻鹽受強鹼去質子化生成磷依立德（phosphonium ylide）。帶有吸電子酯基（$-CO_2Et$）之「穩定型依立德（stabilized ylide）」與空間位阻大的叔丁醛進行加成時，受熱力學平衡控制，高選擇性生成 $(E)$-構型之反式 $\alpha,\beta$-不飽和酯。
3. (三) 烯烴鹵醇化反應 (Halohydrin Formation) 之立體與區域化學：烯烴與 $Br_2$ 在水溶液中反應，先形成架橋的三元環溴鎓離子（bromonium ion），隨後溶劑水分子由背面（anti-attack）進行親核開環，生成具有反式加成（anti-addition）立體化學之鄰羥基溴化物。
4. (四) 傅－克烷基化反應 (Friedel-Crafts Alkylation) 之重排與多重烷基化：1-氯丙烷與路易斯酸（$AlCl_3$）配位生成一級碳陽離子錯合物時，會自發發生 $1,2$-氫負離子轉移（$1,2$-hydride shift）重排為熱力學更穩定的二級異丙基碳陽離子；且生成的烷基苯為活化苯環，更易繼續進行二次親電芳香取代反應（EAS）。

解題方法與反應機構詳解

(一) 芳香族酮之沃夫－凱許納還原反應 (Wolff-Kishner Reduction)

以典型受質苯乙酮（acetophenone, $PhCOCH_3$）為例，其還原為乙苯之詳細步驟如下：

1. 腙（Hydrazone）中間體的生成：

• 聯氨（$H_2N-NH_2$）親核進攻酮羰基碳，形成四面體兩性離子中間體。
• 經分子間質子轉移與脫水，生成苯乙酮腙： $Ph-C(=O)-CH_3 + H_2N-NH_2 \longrightarrow Ph-C(=N-NH_2)-CH_3 + H_2O$

2. 鹼去質子化與共振異構化：

• 鹼液中之 $OH^-$ 拔除末端氮上的酸性質子，生成具共振穩定之共軛負離子： $Ph-C(CH_3)=N-\bar{N}H \longleftrightarrow Ph-\bar{C}(CH_3)-N=NH$

3. 質子轉移至碳端：

• 碳負離子端從溶劑水分子中奪取質子，形成二亞胺衍生物，並再生 $OH^-$： $Ph-\bar{C}(CH_3)-N=NH + H_2O \longrightarrow Ph-CH(CH_3)-N=NH + OH^-$

4. 二次去質子化與脫除氮氣分子：

• $OH^-$ 拔除氮上最後一個質子，電子轉移形成極強的 $N \equiv N$ 參鍵，釋放出極穩定的 $N_2$ 氣體，同時產生共振穩定的苄基碳負離子（benzylic carbanion）： $Ph-CH(CH_3)-N=\bar{N} \longrightarrow Ph-\bar{C}H-CH_3 + N_2 \uparrow$

5. 產物生成：

• 苄基碳負離子奪取水中的質子，生成產物乙苯（$PhCH_2CH_3$），完成整體還原反應。

(二) 叔丁醛與膦鹽之維蒂希反應 (Wittig Reaction)

反應物：叔丁醛（$(CH_3)_3CCHO$）與溴化乙氧羰甲基三苯基鏻（$EtO_2CCH_2PPh_3^+Br^-$）。

1. 生成酯基穩定型依立德 (Stabilized Ylide)：

• 強鹼 $NaH$（$H^-$ 離子）去質子化鏻鹽 $\alpha$ 碳上的氫原子，釋出 $H_2$ 氣體： $EtO_2C-CH_2-PPh_3^+ + H^- \longrightarrow EtO_2C-\bar{C}H-P^+Ph_3 + H_2 \uparrow$
• 該負離子可透過相鄰的酯基羰基產生強烈共振穩定化： $EtO_2C-\bar{C}H-P^+Ph_3 \longleftrightarrow ^-O-C(OEt)=CH-P^+Ph_3$

2. 親核加成與可逆 $[2+2]$ 環化：

• 碳負離子進攻叔丁醛之羰基碳，並伴隨磷與氧成鍵，形成四元環氧磷雜環丁烷（oxaphosphetane）。
• 立體化學控制：因依立德受酯基共振穩定，加成步驟具「可逆平衡」特性（熱力學控制）。在形成四元環時，龐大的叔丁基（$-C(CH_3)_3$）與酯基（$-CO_2Et$）彼此趨向呈反面（trans）排布以避開巨大立體位阻。

3. 逆向 $[2+2]$ 環消除生成 $(E)$-烯烴：

• 穩定的反式氧磷雜環丁烷協同裂解，以形成極強之 $P=O$ 雙鍵為驅動力，裂解為熱力學優勢之 $(E)$-4,4-二甲基-2-戊烯酸乙酯（ethyl $(E)$-4,4-dimethylpent-2-enoate）與三苯基氧化膦（$Ph_3P=O$）。

(三) 烯烴鹵醇化反應 (Halohydrin Formation)

以考卷典型之環烯烴（如環己烯或取代環己烯）為基準，其立體化學與區域選擇性機構如下：

核心觀念

本題的核心觀念為親核性芳香族取代反應（Nucleophilic Aromatic Substitution, $S_NAr$）​中的加成-消去機構（Addition-Elimination Mechanism）​與麥森海默錯合物（Meisenheimer Complex）的共振穩定性。

題意釐清： 試題題目敘述中括號所註記之「Electrophilic Substitution（親電性取代）」實為試題命題時之名詞誤植。甲醇鈉（$NaOMe$）在溶液中解離出甲氧基負離子（$CH_3O^-$），具有孤對電子與負電荷，為典型的強親核試劑（Nucleophile），進攻芳香環取代離去基溴離子（$Br^-$），本質上屬於親核性芳香族取代反應（$S_NAr$），而非親電性取代反應。

解題方法

解析本題反應性差異之關鍵，在於分析親核試劑進攻後所形成之碳陰離子中間體（Meisenheimer 錯合物）​是否能獲得有效穩定：

1. 反應機構分析（加成-消去歷程，$S_NAr$）

• 第一步：親核加成（決速步，Rate-determining step, rds） 甲氧基負離子（$CH_3O^-$）進攻連有溴原子之碳（$ipso$-carbon），苯環的共軛芳香體系暫時被破壞，形成帶負電荷的環己二烯基陰離子中間體，即麥森海默錯合物（Meisenheimer complex）。
• 第二步：消去離去基（快速步） 環上的電子對重新釋出形成雙鍵，促使溴離子（$Br^-$）帶著電子離去，環系統恢復穩定的芳香六隅體結構，生成產物鄰硝基苯甲醚（2-Nitroanisole）。

2. 鄰硝基溴苯（1-Bromo-2-Nitrobenzene）能反應的原因

• 硝基（$-NO_2$）兼具極強的誘導拉電子效應（$-I$ 效應）​與共振拉電子效應（$-M$ 效應）。
• 當硝基位於離去基（$-Br$）的鄰位（ortho-position）​時，親核試劑進攻 $ipso$-碳產生的負電荷在共振離域過程中，會直接落於與硝基相連的碳原子上。
• 此時，負電荷可進一步離域至電負度極高的硝基氧原子上，形成特別穩定的共振極限結構： $\rm C^- - N^+( = O)O^- \longleftrightarrow C = N^+(O^-)_2$
• 硝基的氧原子有效分散了環上的負電荷，大幅降低了決速步的中間體能量與活化能（$E_a$），使反應在溫和的加熱與 $NaOMe$ 鹼性條件下即可順利發生。

3. 溴苯（Bromobenzene）無法反應的原因

• 苯環具有富電子的 $\pi$ 電子雲，與進攻的陰離子親核試劑（$CH_3O^-$）彼此互斥。

核心觀念

本題旨在測驗專一性合成一級胺（Primary Amine, $1^\circ\text{ amine}$）​之經典反應——加百列合成法（Gabriel Synthesis）。

1. 避免過度烷基化（Polyalkylation）： 傳統以氨水（$\text{NH}_3$）與鹵烷直接進行親核取代反應時，產物一級胺的親核性高於氨本身，會持續進攻未反應的鹵烷，依序生成二級胺、三級胺與四級銨鹽的複雜混合物，產率極低。Gabriel Synthesis 利用醯亞胺（Imide）結構，嚴格限制反應僅能進行單次烷基化。
2. 反應試劑與酸鹼特性：

• 鄰苯二甲醯亞胺（Phthalimide）：氮原子上的質子受到兩個相鄰羰基（$\text{C}=\text{O}$）強烈共振吸電子的影響，具微酸性（$\text{p}K_a \approx 8.3$），可被中等強度的無機鹼（如 $\text{KOH}$）去質子化，生成共振穩定的親核試劑——鄰苯二甲醯亞胺鉀鹽（Potassium phthalimide）。

3. $\text{S}_\text{N}2$ 親核取代機制與立體化學限制：

• 鄰苯二甲醯亞胺陰離子進攻一級鹵烷（$1^\circ\text{ alkyl halide}$）進行 $\text{S}_\text{N}2$ 反應，生成 $N$-烷基鄰苯二甲醯亞胺（$N\text{-alkylphthalimide}$）。
• 因受質限制於 $\text{S}_\text{N}2$ 機制，僅適用於甲基鹵與未受阻礙的一級鹵烷；若使用二級或三級鹵烷，鄰苯二甲醯亞胺陰離子將扮演鹼的角色，主要發生 $\text{E}2$ 消除反應生成烯烴。

4. 醯胺鍵之斷裂（肼解或水解）： 產物中的兩個醯胺鍵可藉由聯胺（肼，$\text{H}_2\text{NNH}_2$）​進行親核醯基取代（Ing-Manske 法），經環化析出穩定的副產物鄰苯二甲醯肼（Phthalhydrazide），在溫和條件下高產率游離出純一級胺（$R-\text{NH}_2$）。

解題方法

本題原卷圖形因未載明具體碳鏈結構，依題意提示 Gabriel Synthesis，確立本題缺漏資訊為具體碳數受質，依國考命題慣例合理假設本題為以一級鹵烷（以具代表性之 1-溴丁烷 $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{Br}$ 為例，通式表為 $R-\text{CH}_2\text{Br}$）合成純一級胺（1-丁胺 $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2$，通式表為 $R-\text{CH}_2\text{NH}_2$）；若題目起始物為一級醇，則包含前置鹵化步驟。

具體合成步驟與反應機構推導如下：

步驟零：受質之前置處理（若起始物為一級醇）

若起始物為一級醇（$R-\text{CH}_2\text{OH}$），羥基（$-\text{OH}$）為極差的離去基，必須先以三溴化磷（$\text{PBr}_3$）轉化為良好離去基之一級溴烷： $3\,R-\text{CH}_2\text{OH} + \text{PBr}_3 \rightarrow 3\,R-\text{CH}_2\text{Br} + \text{H}_3\text{PO}_3$

步驟一：製備親核試劑（鄰苯二甲醯亞胺之去質子化）

鄰苯二甲醯亞胺加入無機鹼氫氧化鉀（$\text{KOH}$）之乙醇溶液，脫去醯亞胺質子，形成具強親核力之鄰苯二甲醯亞胺鉀鹽： $\text{C}_6\text{H}_4(\text{CO})_2\text{NH} + \text{KOH} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_4(\text{CO})_2\text{N}^-\text{K}^+ + \text{H}_2\text{O}$

步驟二：$\text{S}_\text{N}2$ 烷基化反應

鄰苯二甲醯亞胺陰離子作為親核試劑，於極性非質子溶劑（如 $\text{DMF}$）中對一級鹵烷（如 1-溴丁烷）進行背面進攻，經由五配位過渡態脫去溴離子，生成 $N$-烷基鄰苯二甲醯亞胺（$N$-丁基鄰苯二甲醯亞胺）： $\text{C}_6\text{H}_4(\text{CO})_2\text{N}^-\text{K}^+ + \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{Br} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_4(\text{CO})_2\text{N}-\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_3 + \text{KBr}$ 此產物之氮原子受兩側羰基強烈共振吸電子影響，失去親核性，因此絕不發生多次烷基化。

步驟三：切斷醯胺鍵游離目標一級胺（肼解反應）

加入聯胺（$\text{H}_2\text{NNH}_2$）於乙醇溶劑中加熱回流。聯胺之兩端胺基接連進攻鄰苯二甲醯亞胺之兩個羰基碳，進行雙重分子內親核醯基取代，生成安定的六圓環副產物鄰苯二甲醯肼（Phthalhydrazide）沉澱，過濾去除固體後即可得高純度之一級胺（1-丁胺）：