108 關務特考四等 化學工程 有機化學概要 考古題詳解

**核心觀念與解法：**依 Cahn–Ingold–Prelog（CIP）規則，先排出每個掌性中心四個取代基的優先序，再將最低優先序基團轉到紙面後方，判斷 $1\to2\to3$ 的方向。題圖以楔線、虛線表示基團朝向紙面前方或後方。

題圖的三個掌性中心依序為側鏈的 $\alpha$-碳，以及頭孢菌素環系的 6、7 位碳。依 CIP 優先序判定，側鏈 $\alpha$-碳為 $R$；環系 6、7 位碳均為 $R$。

**解題技巧：**這類藥物結構可先辨認已知骨架，再逐一核對圖上的楔線與虛線。不能只憑藥名套組態，因為立體異構物的楔線方向可能不同。

（二）化合物 A、B、C 的中文命名

**核心觀念與解法：**先選含有最多重鍵的母體，再依規則編號：重鍵取得最低可能號碼；若雙鍵、三鍵的號碼組合相同，雙鍵優先取得較小號碼。取代基則依編號位置列出。

• **A：**母體為環己二烯，雙鍵位置為 1、4；選擇使取代基位置較小的編號後，乙基在 1 位，甲基在 4、5 位。 命名：1-乙基-4,5-二甲基-1,4-環己二烯。

• **B：**選取包含雙鍵與三鍵的七碳主鏈。由雙鍵端編號，雙鍵在 1 位、三鍵在 6 位；氯在 4 位、甲基在 2 位。 命名：4-氯-2-甲基-1-庚烯-6-炔。

• **C：**主鏈為丁醛，醛基碳編為 1 位；2 位有溴，3 位有甲基。圖示的 2 位掌性中心為 $S$ 組態。 命名：（2S）-2-溴-3-甲基丁醛。

**解題技巧：**C 的 Fischer 投影中，水平鍵朝向觀察者、垂直鍵背向觀察者。3 位碳連有兩個相同的甲基，不是掌性中心；不可把它誤列為立體標記位置。

（三）環戊烷與環己烷三級氯化物的溶劑解速率

**核心觀念：**溶劑解主要經由 $S_\mathrm{N}1$ 反應進行。速率決定步驟是碳氯鍵解離形成碳陽離子，因此碳陽離子越穩定、形成時所需的結構變形越小，溶劑解通常越快。

**解題方法：**兩者離去後都是三級碳陽離子，碳陽離子的取代級數相同；比較重點在環系幾何形狀造成的變形。形成平面的碳陽離子時，環戊烷環在帶正電的碳附近須承受較大的角度變形；環己烷環較能適應該中心趨近平面的幾何要求。

因此，1-氯-1-甲基環己烷的溶劑解速率較快。

**解題技巧：**先看離去後的中間體是否同為三級碳陽離子；若是，再比較環張力及碳陽離子形成時的幾何變形，不能僅以「兩者都是三級」就判定速率相同。

（四）1,3-環戊二烯的熱聚合

**核心觀念與解題方法：**題幹指定產物是「不具有雙鍵的長鏈化合物」，但未指定聚合方式或提供能唯一決定單體連接位置的結構圖。

核心觀念

本題考查芳香族親電子取代反應的定位效應、官能基轉換，以及 Grignard 試劑與醛、酮的加成反應。

第一小題的目標物是間胺基苯甲酸：胺基與羧基在苯環上呈間位關係。合成時先引入具間位定位效應的羧基，再進行硝化，最後把硝基還原成胺基。

第二小題利用醇的氧化與 Grignard 加成，依序增加兩個碳，形成目標三級醇。

解題方法

（一）由苯合成間胺基苯甲酸

先以傅–克烷基化引入甲基，再把甲基氧化成羧基。羧基是間位定位基，因此後續硝化主要生成間硝基苯甲酸；最後還原硝基，得到目標胺基。

苯 → 甲苯

甲苯 → 苯甲酸鹽 → 苯甲酸

苯甲酸 → 間硝基苯甲酸 → 間胺基苯甲酸

（二）由 1-丁醇合成目標三級醇

圖示起始物為 1-丁醇，目標物可寫成 $\mathrm{CH_3CH_2CH_2C(OH)(CH_3)_2}$。先將 1-丁醇選擇性氧化成丁醛，再以甲基 Grignard 試劑加成，得到 2-戊醇。將其氧化為 2-戊酮後，再加一次甲基 Grignard 試劑，即可得到三級醇。

核心觀念

本題考查常見有機反應的試劑辨認與骨架變化：烯烴還原性臭氧分解、醯胺生成、Chichibabin 胺化、醯氯製備、Paal–Knorr 呋喃合成、Friedel–Crafts 烷基化、Raney 鎳脫硫、肟生成、自由基溴化，以及 Diels–Alder 反應。

題目是產物題，沒有選項需要逐項判斷。作答時先辨認反應類型，再逐一追蹤官能基與碳骨架的變化。

解題方法與各小題產物

（一）還原性臭氧分解

原料是雙環烯烴，雙鍵碳之一帶有甲基，另一個帶有氫。還原性臭氧分解會切斷雙鍵，並將雙鍵兩端各轉成羰基：

• 帶甲基的雙鍵碳沒有氫，生成酮基。
• 帶氫的雙鍵碳生成醛基。
• 雙環骨架因雙鍵斷裂而開環，剩下的環骨架保留。

主要產物為 3-乙醯基環戊烷-1-甲醛，亦即環戊烷上有相隔 1,3 位的甲醛基與乙醯基。

（二）苯胺與乙醯氯

苯胺的胺基對醯氯進行親核醯基取代，氮原子接上乙醯基，生成醯胺。

主要產物為 乙醯苯胺：

（三）吡啶的 Chichibabin 胺化

$\mathrm{NaNH_2/NH_3(l.)}$ 使吡啶環發生親核胺化；胺基主要加到氮原子鄰位的 $\alpha$ 位，酸化後得到中性產物。

主要產物為 2-胺基吡啶。

（四）鄰甲基苯甲酸與氯化亞碸

$\mathrm{SOCl_2}$ 將羧酸的羥基換成氯，製成醯氯；芳香環上的甲基位置不變。

主要產物為 鄰甲基苯甲醯氯（2-methylbenzoyl chloride）。

（五）$\mathrm{P_2O_5}$、$130^\circ\mathrm{C}$

圖中是環己烷相鄰兩個碳各接一個苯甲醯基，形成 1,4-二酮型排列：

$\mathrm{P_2O_5}$ 加熱促進 1,4-二酮脫水環化，進行 Paal–Knorr 呋喃合成。產物為與環己烷共用一條碳碳鍵的二苯基取代呋喃稠環骨架：呋喃氧橋接兩個原羰基碳，兩個苯基仍各接在原羰基碳上；新形成的雙鍵分別位於原羰基碳與相鄰環碳之間。

（六）芳香醚與 1-溴丙烷、$\mathrm{FeBr_3}$

這是 Friedel–Crafts 烷基化。芳香醚上的 $\mathrm{-OC(CH_3)_3}$ 使苯環活化，並導向鄰、對位；對位受位阻較小，為主要取代位置。由於丙基正離子形成時會重排，主要引入異丙基。

核心觀念

本題考查五種常見有機反應機構：二級胺形成烯胺、酸催化環氧化物分子內開環、羥醛縮合、醚的酸裂解與碳正離子重排，以及狄爾斯–阿爾德反應。彎曲箭頭的起點一律放在電子來源，例如孤電子對、$\pi$ 鍵或 $\sigma$ 鍵；箭頭終點則指向電子接受位置。

解題方法與逐題機構

（一）環戊酮形成烯胺

這是環戊酮與二級胺的酸催化縮合。反應依序經過羰基加成、脫水形成亞胺鎓離子，再由 $\alpha$-位去質子化形成烯胺。

1. **活化羰基：**羰基氧的孤電子對抓取 $H^+$，使羰基碳更具親電性。
2. 胺加成：$N$-甲基乙胺的氮孤電子對進攻羰基碳，$C=O$ 的 $\pi$ 電子移至氧，形成四面體中間體。
3. **質子轉移：**經由溶劑協助，使氮去質子化、氧轉成可離去的 $-OH_2^+$。
4. **脫水：**氮孤電子對形成 $C=N$，同時 $C-O$ 鍵電子移至氧，水離去，得到亞胺鎓離子。
5. **形成烯胺：**水或其他鹼抓取亞胺鎓離子相鄰的 $\alpha$-氫；$C-H$ 鍵電子形成 $C=C$，$C=N$ 的 $\pi$ 電子移至氮，得到環戊烯胺產物。

**判斷技巧：**二級胺沒有可供脫水後形成中性亞胺的 $N-H$，因此產物是烯胺；最後一步要從羰基原本的 $\alpha$-位移去一個氫。

（二）酸催化環氧化物分子內環化

此反應是酸催化的分子內環氧化物開環。依產物可判定：原環氧氧留在其中一個環氧碳上，最後成為羥基；分子內醇氧進攻另一個環氧碳，形成新的環醚鍵。

1. **質子化環氧氧：**環氧氧的孤電子對抓取 $H^+$，使環氧環更容易被開環。
2. **分子內進攻：**側鏈 $-CH_2OH$ 的氧以孤電子對進攻產物中形成新 $C-O$ 鍵的環氧碳；該位置的環氧 $C-O$ 鍵電子移向原環氧氧，環氧環開裂。
3. **去質子化：**新成鍵的氧失去質子，成為中性環醚；原環氧氧經質子轉移成為產物上的 $-OH$。

**判斷技巧：**先對照反應物與產物，找出新形成的 $C-O$ 鍵及產物羥基的位置，再安排環氧鍵的斷裂方向。分子內進攻會形成產物所示的含氧環。

（三）環己酮的羥醛縮合

此反應是環己酮的自我羥醛縮合，先形成 $\beta$-羥基酮，再在加熱下脫水，得到共軛烯酮。

1. 形成烯醇負離子：$OH^-$ 抓取一分子環己酮的 $\alpha$-氫；$C-H$ 鍵電子形成羰基碳與 $\alpha$-碳之間的雙鍵，原 $C=O$ 的 $\pi$ 電子移至氧，形成共振穩定的烯醇負離子。
2. **碳碳鍵形成：**烯醇負離子的 $\alpha$-碳進攻另一分子環己酮的羰基碳；受攻羰基的 $\pi$ 電子移至氧，形成新的 $C-C$ 鍵及烷氧負離子。
3. **質子化：**烷氧負離子從乙醇或水取得質子，得到 $\beta$-羥基酮。
4. **E1cb 脫水：**鹼再抓取羰基旁的 $\alpha$-氫，形成烯醇負離子；其電子形成 $\alpha,\beta$-碳碳雙鍵，同時 $C-O$ 鍵電子移至氧，使羥基離去，生成圖示的共軛烯酮。

加熱促進最後的脫水，生成共軛產物；反應式以兩分子環己酮縮合表示，淨結果為烯酮與水。

**判斷技巧：**先找出產物新增的碳碳鍵，確認其中一分子羰基碳是被另一分子的烯醇負離子進攻；加熱及產物中的共軛雙鍵則提示後續脫水。