112 調查局特考三等 化學鑑識組 有機化學 考古題詳解

核心觀念

本題考查英文系統命名法與官能基、環狀骨架的判讀。作答時依序確認：

1. 母體結構與官能基。
2. 編號方向與官能基優先序。
3. 取代基所在位置。
4. 將名稱轉換為鍵線式或縮寫結構式。

解題方法與各小題結構

（一）1-Methyl-2-cyclohexen-1-ol

母體為 cyclohexene，羥基優先取得最低編號，因此：

• C1：$-OH$ 與 methyl
• C2、C3：形成雙鍵

結構可表示為：

較清楚的縮寫表示為：

（二）5-bromo-8-chloroquinoline

quinoline 的編號以環上氮為第 1 位，沿含氮環編至第 4 位，再進入融合的苯環：

• 第 5 位接溴：$-Br$
• 第 8 位接氯：$-Cl$

因此為「5-溴-8-氯喹啉」，結構是 quinoline 骨架上，在苯環靠近第 4a 位的碳接 $Br$，在靠近環氮第 1 位的碳接 $Cl$。

可用環狀連接關係表示：

答題時須畫出 quinoline 的稠合雙環結構，並將 $Br$ 標在 C5、$Cl$ 標在 C8。

（三）$m$-Toluene sulfonic acid

toluene sulfonic acid 中，磺酸基為主要官能基，可視為 benzenesulfonic acid：

• C1：$-SO3H$
• methyl 位於 meta 位置，即 C3

因此為 3-methylbenzenesulfonic acid，結構為：

其中 $-CH3$ 與 $-SO3H$ 之間相隔一個苯環碳，呈 1,3-位關係。

（四）Allyl phenyl ether

ether 的兩側分別為：

核心觀念

本題利用質譜的同位素峰判斷分子式，再以氫核磁共振（$^1\mathrm{H}$ NMR）的化學位移、積分與裂分型態判斷結構。

• 氯有兩種主要同位素：$^{35}\mathrm{Cl}$ 與 $^{37}\mathrm{Cl}$。天然豐度約為 $3:1$，因此含一個氯原子的分子會出現相隔 2 質量單位的 $M$ 與 $M+2$ 峰，強度比約為 $3:1$。
• $M+1$ 峰主要來自 $^{13}\mathrm{C}$。其相對於分子離子峰的比例約為每個碳 $1.1\%$，可用來估算碳原子數。
• NMR 的裂分可用 $n+1$ 規則判讀：相鄰等價氫有 $n$ 個時，該訊號通常裂分為 $n+1$ 重峰。

解題方法

分子離子峰在 $m/e=78$，$M+2$ 峰在 $m/e=80$。先比較兩峰強度：

此比值約為 $1:3.13$，符合一個氯原子的天然同位素特徵。

再比較 $M+1$ 峰與分子離子峰：

每個碳約貢獻 $1.1\%$ 的 $M+1$ 強度，因此估計碳數為：

含三個碳與一個氯的分子式先寫為 $\mathrm{C_3H_xCl}$。由分子離子名目質量 78 求氫數：

故分子式為 $\mathrm{C_3H_7Cl}$。其不飽和度為：

表示分子為飽和、無環的化合物。

（二）NMR：$\delta 3.74$（septet, 1H）、$1.44$（d, 6H）

$\delta 3.74$ 的 1H 訊號為 septet（七重峰），表示該氫旁邊有 6 個等價氫；

第三題

（一）核心觀念

本小題連續考查：

1. 還原胺化：酮在 $NH_3$、$NaBH_4$ 作用下轉變為伯胺。
2. Hofmann 消去反應：伯胺經過過量 $CH_3I$ 形成季銨鹽，再以 $Ag_2O、H_2O$ 加熱進行消去，主要生成較少取代的烯烴。
3. 過氧酸環氧化：$m$CPBA 將烯烴氧化為環氧化物。
4. 環氧化物開環：在鹼性、親核條件下，親核試劑攻擊取代程度較低的環氧碳。

原反應物為對甲基苯乙酮：

$p\text{-}CH_3C_6H_4COCH_3$

解題方法

1. 還原胺化

酮先與 $NH_3$ 形成亞胺，再由 $NaBH_4$ 還原，得到伯胺：

2. 過度甲基化與 Hofmann 消去

伯胺與過量 $CH_3I$ 反應，形成季銨鹽：

經 $Ag_2O、H_2O$ 加熱後發生 Hofmann 消去。可消去的 $\beta$-碳為末端甲基，因此生成較少取代的烯烴：

即對甲基苯乙烯（$p$-methylstyrene 或 4-vinyltoluene）。

3. $m$CPBA 環氧化

烯烴被 $m$CPBA$ 氧化為環氧化物：

其中苯環側的碳與末端碳共同形成環氧三員環。

4. 二甲胺開環

$(CH_3)_2NH$ 作為親核試劑，攻擊環氧化物中取代程度較低的末端 $CH_2$，並使氧留在苄位碳上，生成：

解題技巧與陷阱

• $NH_3/NaBH_4$ 對酮的典型結果是「羰基 $C=O$ 變成 $CHNH_2

核心觀念

本題整合下列有機反應：

• Grignard 試劑與酯的雙加成
• 羧酸醯胺脫水成腈
• 酸催化環氧化物開環
• $OsO_4$ 順式雙羥基化
• 臭氧分解
• 溶解金屬還原炔烴
• Hell–Volhard–Zelinsky（HVZ）反應
• Diels–Alder 反應
• 羧酸選擇性還原
• Dess–Martin 氧化

立體化學判斷重點為：$OsO_4$ 產生 syn-二醇；酸催化環氧開環為 anti；溶解金屬還原炔烴生成 trans-烯烴；Diels–Alder 反應以 endo 產物為主。

（一）Grignard 試劑與酯的反應

反應物為乙基鎂溴化物 $CH_3CH_2MgBr$ 與甲基丁酸酯：

酯先接受一次 Grignard 加成形成酮，酮再接受第二次加成。酸化後得到三級醇：

即：

此碳原子連接兩個相同的乙基，因此不形成手性中心。

（二）醯胺脫水形成腈

環戊烷甲醯胺在 $SOCl_2$、加熱條件下脫水：

因此：

反應本質為：

（三）酸催化環氧化物開環

原料為 $\alpha,\beta$-環氧酮。$CH_3CO_2H$ 提供酸性環境，使環氧氧先被質子化；醋酸根再從較取代的碳進行背面進攻。

因此：

• 醋酸根接到鄰近羰基的 $\alpha$-碳
• 原環氧氧留在 $\beta$-碳，形成羥基
• 開環為 anti 關係

所以產物為：

可表示為：

其中 $\ce{-OCOCH3}$ 與 $\ce{-OH}$ 為反式（anti）配置。

（四）$OsO_4$ 順式雙羥基化

$OsO_4$ 會與碳碳雙鍵形成環狀鋨酸酯，經 $NaHSO_3$ 還原水解後得到鄰二醇。

原雙鍵兩個碳上各加一個 $\ce{OH}$，且兩個羥基為同面加入：

也就是：

兩個 $\ce{OH}$ 必須畫在同一面，為 syn 加成。原分子左側既有的 $\ce{OH}$ 不被氧化。

（五）臭氧分解

臭氧分解會切斷碳碳雙鍵，還原性處理 $\ce{Zn,H3O+}$ 使雙鍵兩端形成醛或酮。

圖中雙鍵兩端：

• 上方碳連接乙基與環碳，沒有氫，形成酮
• 下方碳連接甲基與環碳，沒有氫，形成酮

切開環後得到：

即乙基端形成 $\ce{CH3CH2CO-}$，甲基端形成 $\ce{-COCH3}$。

（六）溶解金屬還原炔烴

底物為內炔：

$Li/NH_3$ 透過電子轉移與質子化，將炔烴還原為反式烯烴：

因此：

溶解金屬還原的立體化學為 anti，主要產物是 $E$-烯烴。

（七）Hell–Volhard–Zelinsky 反應

原料為丁酸：

第五題　反應機構

（一）DCC 促進羧酸與甲胺形成醯胺

核心觀念

本題考的是羧酸與胺的縮合反應，以及二環己基碳二亞胺（DCC）的脫水偶聯作用。

羧酸中的 $\ce{-OH}$ 是不良離去基，不能直接被甲胺有效取代；DCC 先將羧酸活化為較容易進行親核醯基取代的 O-acylisourea 中間體。反應最後生成醯胺與二環己基尿素（DCU）。

令圖中羧酸為：

反應機構

第一步：羧酸與 DCC 反應，形成 O-acylisourea

羧酸羰基氧或羧酸氧先進攻 DCC 的中央碳，接著發生質子轉移，形成活化中間體：

其中 $\ce{Cy}$ 代表環己基，所得物為 O-acylisourea。

此步驟的作用是將原本不易離去的 $\ce{-OH}$，轉化為可被胺取代的離去基團。

第二步：甲胺進行親核攻擊

甲胺的氮原子具有孤電子對，進攻 O-acylisourea 的羰基碳，形成四面體中間體：

第三步：四面體中間體崩解

四面體中間體重新形成羰基，並排出二環己基異尿素陰離子；經過質子轉移後生成穩定的二環己基尿素：

同時形成醯胺：

解題技巧

• DCC 的中央 $\ce{C=N=C}$ 碳是親電子中心。
• DCC 的主要功能是「活化羧酸、促進脫水」，不會成為醯胺產物的一部分。
• 最終產物的醯胺氮上具有 $\ce{CH3}$ 與 $\ce{H}$，因此是 N-甲基醯胺。
• 副產物為二環己基尿素（DCU），這是判斷 DCC 反應機構的關鍵。

（二）鹼性條件下的 Favorskii 重排

核心觀念

本題考的是 $\alpha$-鹵代環酮在鹼性水溶液中的 Favorskii 重排。

反應特徵為：

• $\ce{OH^-}$ 先形成酮的烯醇負離子。
• 發生分子內 $\mathrm{S_N2}$ 反應，脫去 $\ce{Br^-}$。
• 形成環丙酮中間體。
• $\ce{OH^-}$ 攻擊羰基並造成環丙酮開環。
• 六員環收縮為五員環，生成羧酸鹽。
• 酸化後得到圖示的取代環戊烷羧酸。

反應機構

以下以羰基碳記為 $\ce{C1}$、帶溴的 $\alpha$-碳記為 $\ce{C2}$，另一側可被去質子化的 $\alpha$-碳記為 $\ce{C6}$。