108 調查局特考三等 醫學鑑識組 有機化學 考古題詳解

**核心觀念：**環己烷進行 $E2$ 消去時，離去基與鄰位氫必須呈反式共平面；在椅式構形中，這通常要求離去基與 $\beta$-氫都處於軸向。三級丁基體積大，會強烈偏好赤道向，並鎖定椅式構形。

**解題方法：**先讓三級丁基位於赤道向，再判斷溴的位置。對 $1,4$-二取代環己烷而言，順式異構物此時溴在軸向；反式異構物的溴則在赤道向。反式異構物翻椅後雖能讓溴轉為軸向，三級丁基卻也會變成不利的軸向，因此該構形比例很低。

**解題技巧：**判斷環己烷 $E2$ 消去時，先找能讓三級丁基赤道向的主要構形，再檢查溴是否軸向；不要只憑取代基是順式或反式直接下結論。

**答案：**順式異構物消去較快。其主要椅式構形中溴為軸向，可與鄰位軸向氫形成反式共平面排列；反式異構物的主要構形中溴為赤道向，不利於消去。

（二）A～E 的鹼性排序

**核心觀念：**鹼性取決於胺的孤電子對接受質子的能力。脂肪胺的孤電子對集中在氮上；苯胺的孤電子對會與芳香環共振而較不易接受質子。硝基是強吸電子基，會進一步降低胺的鹼性，其位置會影響作用方式。

各化合物分析：

• **A：**哌啶，屬脂肪族仲胺。氮的孤電子對不與芳香環共振，鹼性最強。
• **B：**苯胺。氮的孤電子對可與苯環共振，鹼性低於 A。
• **C：**鄰硝基苯胺。硝基吸電子會降低鹼性；鄰位另受鄰位效應影響，鹼性最低。
• **D：**間硝基苯胺。間位硝基主要以誘導效應吸電子，降低鹼性，但不會像對位那樣透過共振直接牽引胺基孤電子對。
• **E：**對硝基苯胺。對位硝基可透過芳香環共振吸電子，使胺基孤電子對更不易接受質子；鹼性低於 D。

**解題技巧：**先區分脂肪胺與芳香胺，再比較硝基的位置效應：間位主要看誘導效應；對位可兼具共振吸電子；鄰位還有額外的鄰位效應。

**答案：**由強鹼至弱鹼依序為

（三）格任亞反應的主要產物

**核心觀念：**不具可螯合雜原子的 $\alpha$-手性醛與格任亞試劑反應，可用 Felkin–Anh 模型預測非對映選擇性。親核試劑由較少受阻的一面進攻羰基，產生較有利的非對映異構物。

**解題方法：**起始物的 $\alpha$-碳連有苯基、甲基與氫；依 Felkin–Anh 模型，將苯基視為較大的取代基，甲基為中等取代基、氫為較小取代基。

核心觀念

本題考查常見有機反應的產物判讀與試劑選擇：酰氯還原、Baeyer–Villiger 氧化、Friedel–Crafts 烷基化、Beckmann 重排、腈水解、醛選擇性氧化、烯烴臭氧分解、酰氯醇解、酯與 Grignard 試劑反應，以及鄰二醇氧化斷裂。

解題方法與各小題

（一）酰氯還原

$LiAlH_4$ 將酰氯 $\ce{RCOCl}$ 還原成一級醇 $\ce{RCH2OH}$；酸性處理用來完成水解與質子化。圖中酰基直接連在環戊烷環上，因此產物是環戊基甲醇（$\ce{cyclopentyl-CH2OH}$）。

（二）Baeyer–Villiger 氧化

過酸 $\ce{CF3CO3H}$ 將酮的羰基氧旁插入一個氧原子，形成內酯。此反應優先遷移取代程度較高的基團；圖中羰基旁的稠合橋頭碳比另一側的亞甲基遷移能力強，因此氧插入羰基碳與橋頭碳之間，生成相應的擴環稠合內酯。

（三）Friedel–Crafts 烷基化

$\ce{BF3}$ 作為 Lewis 酸，促使環戊醇形成可供芳香環進攻的烷基化物種。苯環取代一個氫後，產物為環戊基苯（$\ce{C6H5-C5H9}$）。

（四）Beckmann 重排

酮肟在 $\ce{SOCl2}$ 作用下發生 Beckmann 重排，肟上的羥基活化後離去；與離去基團呈反式（anti）的環上基團遷移至氮原子，氮插入原本的環內 $\ce{C-C}$ 鍵，形成擴環內醯胺（lactam）。作答時依圖示肟的立體方向，將 N 插入羰基碳與 anti 一側環碳之間。

（五）腈水解

酸性水解將 $\ce{-C#N}$ 的腈碳轉成 $\ce{-CO2H}$，原來連在腈基旁的胺基與甲基保留，產物為丙胺酸（$\ce{CH3CH(NH2)CO2H}$）。依圖示立體化學，產物為 (S)-丙胺酸。

（六）醛選擇性氧化

反應只把 Fischer 投影式頂端的 $\ce{CHO}$ 氧化成 $\ce{CO2H}$，各手性中心與末端 $\ce{CH2OH}$ 保持不變。試劑 F 為溴水 $\ce{Br2/H2O}$，產物是相應的醛糖酸。

（七）烯烴氧化斷裂

核心觀念： 氫核磁共振的化學位移 $\delta$ 取決於氫原子周圍的電子屏蔽程度。氫附近的電子密度越低，越去屏蔽，化學位移越大。常見範圍由高至低為：醛氫、芳香氫、烯烴氫、連接含氧碳上的氫、一般飽和烷基氫。

解題方法： 依圖中底線標示的氫判斷其所處化學環境：

• C：醛基氫，約在 $\delta 9\sim10$。
• A：芳香環氫，約在 $\delta 7$。
• B：烯烴氫，約在 $\delta 5\sim6$。
• E：連接羥基碳上的氫，約在 $\delta 3\sim4$。
• D：環己烷上的飽和碳氫，約在 $\delta 1\sim2$。

解題技巧： 先依官能基及碳原子雜化狀態排列：醛基氫最去屏蔽，其次為芳香氫、烯烴氫；飽和碳上的氫較受屏蔽。含氧碳上的氫因氧原子吸電子，化學位移高於一般飽和碳氫。

（二）化合物 A 的結構

核心觀念： 以分子式計算不飽和度，再綜合 IR、$^1$H-NMR 與 $^{13}$C-NMR 判定官能基及取代型態。

解題方法：

分子式為 $C_8H_9NO_2$，不飽和度為

其中一個不飽和度來自羰基，剩餘四個符合苯環。光譜特徵如下：

• IR 的 $3326$、$3164\ \mathrm{cm^{-1}}$ 顯示有 O–H、N–H；$1652\ \mathrm{cm^{-1}}$ 符合醯胺羰基。
• $^1$H-NMR 的 $\delta 1.97$（s，3H）為醯胺上的甲基；$\delta 6.66$、$7.32$ 各為 2H 的雙重峰，且偶合常數相同，表示苯環為對位二取代。
• $\delta 9.11$ 與 $9.63$ 的各 1H 單峰，對應可交換的 N–H 與酚羥基氫。
• $^{13}$C-NMR 的 $\delta 167.7$ 為醯胺羰基，$\delta 153.3$ 為連接氧的芳香環碳，$\delta 23.75$ 為醯胺甲基碳；其餘訊號符合對位二取代苯環。

因此結構為 對羥基乙醯苯胺，又稱 乙醯胺酚（acetaminophen／paracetamol），結構可寫作：

核心觀念

本題考查三種不同的反應機構：

1. 過氧化物引發的硫自由基加成：自由基加成至烯烴，再從硫醇取得氫原子。
2. Wolff–Kishner 還原：腙在強鹼、高溫下脫去氮氣，將羰基碳還原成亞甲基。
3. 羰基光化學反應：激發態羰基發生鄰位碳碳鍵均裂，經脫羰及自由基重組，形成圖示的開鏈不飽和產物。

彎雙箭頭 $↷$ 表示一對電子移動；魚鉤箭頭 $↶$ 表示單一電子移動。自由基生成、鍵均裂及自由基重組均用魚鉤箭頭表示。

解題方法

（一）乙硫醇對烯烴的自由基加成

設圖中的烯鍵兩端為 $C_a=C_b$：$C_a$ 是帶甲基、較取代的一端，$C_b$ 是較少取代的一端。反應分成引發與鏈傳播。

引發：

過氧化物加熱均裂，形成兩個三級丁氧自由基：

三級丁氧自由基從乙硫醇取走氫原子，產生乙硫自由基：

鏈傳播第一步：

乙硫自由基加到較少取代的烯碳 $C_b$；烯鍵的另一個 $\pi$ 電子移至 $C_a$，形成較穩定、位於較取代碳上的碳自由基：

鏈傳播第二步：

$C_a$ 上的碳自由基從另一分子乙硫醇取得氫原子，形成圖示硫醚產物，並再生乙硫自由基：

因此產物的乙硫基接在原烯鍵較少取代的一端，氫則接到較多取代的一端。

（二）Wolff–Kishner 還原

以 $R_2C=NNH_2$ 表示環己酮腙部分，$R_2C$ 代表環己烷環上原本的羰基碳。

1. 鹼先移除末端氮上的氫：

2. 電子重新分布，並由水將質子加到碳上：

末端氮的孤電子對形成 $N=N$ 鍵，同時 $C=N$ 的 $\pi$ 電子移到羰基碳，得到碳負離子共振式；碳負離子接受水的質子：

核心觀念

本題考查酮與羧酸的官能基轉換，以及碳鏈增減：

• 還原胺化：酮的羰基碳轉為帶有 $NH_2$ 的碳。
• 鹵仿反應：甲基酮轉為少一個碳的羧酸。
• Arndt–Eistert 增碳反應：羧酸碳鏈增加一個碳。
• 羧酸衍生物轉換：羧酸可轉為腈，亦可透過酸氯化物製成甲基酮。

解題方法

先對照每一步反應物與產物，追蹤羰基碳和碳鏈長度，再選擇相應反應。

A：起始酮轉為伯胺

起始物是甲基酮，將羰基與氨縮合，再還原亞胺，即為還原胺化：

可用 $NH_3、H_2/Ni$；也可用 $NH_3、NaBH_3CN$ 等還原條件。

B：甲基酮轉為羧酸

這是鹵仿反應。甲基酮在鹼性碘液中反應，甲基端轉為碘仿，另一側形成羧酸鹽；酸化後得到羧酸：

C：羧酸增碳一個

使用 Arndt–Eistert 反應。先將羧酸轉成酸氯化物，再以重氮甲烷形成重氮酮，最後經 Wolff 重排生成增碳一個的羧酸：