111 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

本題評量有機化學中「重要化合物之英文學名、俗名與化學結構對應」，為公職化學鑑識組試題之基本題型。考查的核心知識點包括：

1. 有機矽化合物與光譜內標物：四烷基矽烷的對稱四面體結構。
2. 芳香族雜環化合物：苯稠合五圓含氮雜環之骨架與芳香性。
3. 多元羧酸之系統與俗名辨析：二元羧酸同系物命名（特別是英文學名與中文譯名的對照）。
4. 單醣之立體化學表示法：醛己醣（Aldohexose）之費雪投影式（Fischer projection）與手性中心構型。
5. $\alpha,\beta$-不飽和羰基化合物：烯基與烷基取代酮之官能基組合與 IUPAC 命名。

解題方法

結構繪製應自化合物之主鏈、官能基、取代基及立體化學特性切入：

1. (一) Tetramethylsilane (TMS)

• 切入點：字首「Tetra-」為四個，「methyl」為甲基（$\mathrm{-CH_3}$），中心原子為矽（$\mathrm{Si}$）。
• 幾何構型：四面體幾何對稱結構，無極性，常作為 ${}^1\mathrm{H}\text{-NMR}$ 與 ${}^{13}\mathrm{C}\text{-NMR}$ 的化學位移（$\delta = 0\text{ ppm}$）標準參考品。
• 分子式／結構：$\mathrm{Si(CH_3)_4}$。

2. (二) Indole（吲哚）

• 切入點：為雙環芳香族雜環化合物（系統名為 1H-benzo[b]pyrrole）。
• 結構組成：由一個苯環（Benzene ring）與一個吡咯環（Pyrrole ring）於相鄰碳原子共用稠合而成，氮原子帶有一個氫原子（$\mathrm{-NH-}$），全分子具 $10\pi$ 電子符合 Hückel 芳香性規則（$4n+2$，其中 $n=2$）。

3. (三) Malonic acid（馬來酸／丙二酸）

• 切入點（重要名詞辨析）：
• 英文學名 Malonic acid 的正確標準結構為「丙二酸」（Propanedioic acid），為三碳二元羧酸，結構為 $\mathrm{HOOC-CH_2-COOH}$。
• 題目中文括號附註之「馬來酸」，在化學中文譯名中通常指 Maleic acid（順丁烯二酸，$(Z)\text{-}\mathrm{HOOC-CH=CH-COOH}$）。
• 國家考試依循「英文名稱為準」之命題原則，本題以英文 Malonic acid（丙二酸）為主要解答；同時並列說明若題目中文原意為 Maleic acid（順丁烯二酸）之結構，以求作答周全不失分。

4. (四) Glucose（葡萄糖）

• 切入點：天然葡萄糖為 D-葡萄糖（D-(+)-Glucose），分子式為 $\mathrm{C_6H_12O_6}$。
• 立體構型：以開鏈之費雪投影式（Fischer projection）表示時，C1 為醛基（$\mathrm{-CHO}$），C6 為一級醇（$\mathrm{-CH_2OH}$）。C2、C3、C4、C5 為手性中心，其羥基（$\mathrm{-OH}$）由上至下之空間朝向為「右、左、右、右」，對應之絕對構型為 $(2R, 3S, 4R, 5R)$。

5. (五) Ethyl vinyl ketone

• 切入點：以羰基（$\mathrm{-C(=O)-}$）為核心，左右兩側分別接乙基（Ethyl group, $\mathrm{-CH_2CH_3}$）與乙烯基（Vinyl group, $\mathrm{-CH=CH_2}$）。
• IUPAC 命名：1-戊烯-3-酮（Pent-1-en-3-one），屬於典型具有共軛雙鍵的 $\alpha,\beta$-不飽和酮。

子題結構逐一剖析

(一) Tetramethylsilane

• 示性式：$\mathrm{Si(CH_3)_4}$
• 骨架結構：

(二) Indole（吲哚）

• 分子式：$\mathrm{C_8H_7N}$
• 骨架結構特徵：由六圓苯環稠合五圓吡咯環組成。
• 結構式：

CH
// \
C CH
/ \ / \
HC C - NH
| || |
HC C - CH
\ / \ /
C CH
\\ /
CH

(簡化環狀表示：含一個稠合苯環與一個含 $\mathrm{-NH-}$ 的五圓芳香不飽和環)

核心觀念

本題考查同分異構物的共振結構、芳香性與電子躍遷如何影響分子的顏色。薁（Azulene）與萘（Naphthalene）分子式同為 $\mathrm{C_{10}H_8}$，且都有 $10$ 個 $\pi$ 電子；兩者的差異在於電子分布與能階間距不同。

解題方法

萘的兩個稠合六元環形成離域的 $\pi$ 電子系統，整體符合 $4n+2$ 規則（$n=2$），具有芳香穩定性。其主要電子吸收落在紫外光區，對可見光吸收很少，因此晶體呈無色。

核心觀念

本題考查以氫核磁共振光譜（$^1\mathrm{H}$-NMR）判斷取代基數目與分子對稱性，並說明酸催化烯烴烷基化的親電芳香取代機構。

反應物是對甲酚（$p$-cresol）與異丁烯（2-methylpropene），反應條件為硫酸。硫酸使異丁烯形成三級碳正離子，接著對甲酚的芳香環進行親電芳香取代。產物分子式為 $C_{15}H_{24}O$，與含有兩個三級丁基的對甲酚衍生物相符。

解題方法

先依 NMR 積分判斷各類氫的數目：

• $\delta 1.4$（s, 18H）：兩組等效三級丁基，每組有 9 個氫，共 18H。
• $\delta 2.27$（s, 3H）：芳香環上的甲基。
• $\delta 5.0$（s, 1H）：酚羥基上的氫。
• $\delta 7.0$（s, 2H）：芳香環上剩餘的兩個氫；兩個芳香氫受分子對稱性影響而等效。

對甲酚的羥基活化芳香環，且導向鄰位與對位。對位已被甲基占據，因此兩個鄰位（相對羥基的 2、6 位）各接受一個三級丁基。產物為 2,6-di-tert-butyl-4-methylphenol，亦稱 BHT。

分子式也可驗算：對甲酚為 $C_7H_8O$；每次以三級丁基取代環上的一個氫，淨增加 $C_4H_8$。兩次取代後：

反應機構

核心觀念

本題綜合考查有機反應的反應中心、區域選擇性與立體化學，包括 $S_\mathrm{N}2$ 取代、芳香族親電取代、臭氧分解、肟形成、共軛加成、Hell–Volhard–Zelinsky 反應、醯化、Dieckmann 縮合、醇轉換成氯化物，以及 Horner–Wadsworth–Emmons 烯化。

解題方法與各小題

（一）炔基取代與立體反轉

底物是帶有氘標記的手性二級氯化物。$\ce{HC#C^- Li^+}$ 提供炔負離子，從離去基團 $\ce{Cl}$ 的背面進攻，經 $S_\mathrm{N}2$ 取代形成新的碳—碳鍵，並造成構型反轉。

原底物的 CIP 優先序為 $\ce{Cl} > \ce{CH2CH3} > \ce{D} > \ce{H}$，原構型為 $R$。取代後炔基優先序最高，其他順位不變，因此產物為 $S$ 構型：

$\ce{CH3CH2-C(H)(D)-C#CH}\qquad (S)$

（二）芳香族溴化

$\ce{FeBr3}$ 活化 $\ce{Br2}$，進行芳香族親電取代。$\ce{-NHCOCH3}$ 是活化的鄰、對位定位基；對位已被溴占據，故在其鄰位引入第二個溴。兩個鄰位由分子對稱性等價。

產物為 2,4-二溴乙醯苯胺。

（三）還原性臭氧分解

臭氧分解切斷烯烴的 $\ce{C=C}$，雙鍵兩端各形成羰基。還原處理 $\ce{(CH3)2S}$ 使帶氫的烯碳成為醛，未帶氫的烯碳成為酮；環因此打開。

$\ce{OHC-(CH2)4-C(=O)-CH(CH3)2}$

（四）肟形成

羥胺在催化酸下與酮縮合，將羰基 $\ce{C=O}$ 轉成 $\ce{C=N-OH}$。底物的兩個羰基取代基不同，會有肟的幾何異構；主要產物取較少位阻的 $E$ 肟，亦即 $\ce{N-OH}$ 與對溴苯基位於 $\ce{C=N}$ 的兩側。

$\ce{p-BrC6H4-C(=N-OH)-CH2CH2C6H5}\qquad (E\text{ 為主})$

（五）有機銅試劑的共軛加成

$\ce{n-Bu2CuLi}$ 是有機銅試劑，對 $\alpha,\beta$-不飽和酮主要進行 $1,4$-共軛加成；正丁基接到烯酮的 $\beta$ 碳，水處理後得到飽和酮。

產物為 3-正丁基環己酮。新形成的手性中心沒有手性誘導，故產物為外消旋混合物。

（六）Hell–Volhard–Zelinsky 反應

少量磷與 $\ce{Br2}$ 使羧酸轉為可烯醇化的醯溴中間體，接著在羧基的 $\alpha$ 碳溴化；水解後回復羧酸。

產物為：

$\ce{C6H5-(CH2)3-CH(Br)-CO2H}$

新形成的 $\alpha$ 碳是手性中心，未使用手性試劑，故為外消旋混合物。

（七）胺基的優先醯化

核心觀念

（一）考分子內羥醛縮合：酮的 α-碳在鹼性條件下形成烯醇負離子，分子內進攻醛，先生成 β-羥基酮，再脫水形成共軛烯酮。

（二）考分子內傅-克醯化反應：醯氯在 $\ce{AlCl3}$ 作用下形成醯基正離子，芳香環分子內進攻，完成親電芳香取代並形成稠合環。

解題方法與反應機構

（一）$\ce{NaOH}$ 水溶液：分子內羥醛縮合

原料可表示為 $\ce{CH3CO(CH2)4CHO}$。依產物的五員環判斷，酮羰基旁、位於碳鏈一端的 α-碳進攻另一端的醛羰基，形成分子內閉環。

1. $\ce{OH^-}$ 移除酮羰基旁的 α-氫，形成烯醇負離子；其碳端作為親核中心。
2. 烯醇負離子的 α-碳分子內進攻醛羰基碳，形成新的碳—碳鍵及五員環，醛氧轉為烷氧負離子。
3. 烷氧負離子由水質子化，得到 β-羥基酮。
4. 在鹼性條件下，$\ce{OH^-}$ 再移除酮的 α-氫，形成烯醇負離子；接著以 E1cB 方式消除 β-位的 $\ce{OH^-}$，在環內形成碳碳雙鍵。所得烯鍵與酮羰基共軛，生成圖示的五員環烯酮。

**檢核重點：**成環後，酮羰基仍保留為環外的乙醯基；雙鍵形成於原酮 α-碳與原醛羰基碳之間。

（二）$\ce{AlCl3}$：分子內傅-克醯化