107 地方特考三等 衛生檢驗 有機化學 考古題詳解

核心觀念

本題測驗「IUPAC 有機化合物系統命名與結構互換」以及「立體化學 Cahn-Ingold-Prelog (CIP) 優先順序規則」。考生需具備以下基本能力：

1. 主鏈編號與官能基優先度：羧酸（$-\mathrm{COOH}$）高於烯烴；酮基（$-\mathrm{C(=O)}-$）位置編號；芳香族與雜環化合物（吡啶、苯）的命名與位次（鄰、間、對位）。
2. 聚合物重複單元：加成聚合物（如聚丙烯）由單體雙鍵打開形成主鏈碳－碳單鍵，需以方括號標記重複單元（repeating unit）並加註聚合度 $n$。
3. 掌性（Chirality）與立體組態判斷：依 CIP 規則決定不對稱碳原子上四個取代基的優先級（原子序大小），以楔形鍵（實線）與虛線鍵表示三維立體方向，判定 $(R)$ 或 $(S)$ 組態。

解題方法

由化合物名稱反推結構式的標準切入流程：

1. 抓取字尾確認母體主鏈：確定主鏈碳數（如 pent- 為 5 碳、hex- 為 6 碳）或母體環系統（如 pyridine、benzene）。
2. 標記主官能基與編號起點：以高優先度官能基碳為 1 號（或雜環之雜原子 $\mathrm{N}$ 為 1 號），依序為碳鏈或環編號。
3. 安放不飽和鍵與取代基：將雙鍵、甲基、磺酸鈉、胺基等依照指定位次連接於骨架上。
4. 確立立體化學：若有名稱冠以 $(R)$ 或 $(S)$，找出掌性中心並指派優先序，以楔形（朝前）／虛線（朝後）確立空間方位。

各題結構詳細解析

• (一) 4-戊烯酸（4-Pentenoic acid）

• 母體：戊酸（5 個碳的羧酸），羧基碳必為 $\mathrm{C1}$。

• 不飽和鍵：$\mathrm{C4}$ 與 $\mathrm{C5}$ 之間具有雙鍵（4-烯）。

• 結構骨架：$\mathrm{\overset{5}{C}H_2=\overset{4}{C}H-\overset{3}{C}H_2-\overset{2}{C}H_2-\overset{1}{C}OOH}$。

• (二) 2-甲基吡啶（2-Methylpyridine / $\alpha$-Picoline）

• 母體：吡啶（Pyridine，含一個氮原子的六元芳香雜環），環上的氮原子規定為第 1 號位置（$\mathrm{N1}$）。

• 取代基：甲基（$-\mathrm{CH_3}$）位於相鄰的 2 號碳（$\mathrm{C2}$）上。

• (三) 苯磺酸鈉（Sodium benzenesulfonate）

• 母體：苯環（$\mathrm{C_6H_5}-$）。

• 官能基：磺酸基（$-\mathrm{SO_3H}$）中和去質子後與鈉離子形成的離子鹽，即 $-\mathrm{SO_3^-Na^+}$。

• (四) 對苯二胺（$p$-Phenylenediamine / 1,4-Diaminobenzene）

• 母體：苯環。

• 取代基：兩個胺基（$-\mathrm{NH_2}$）互為「對位」（para-，即 1,4-相對位置）。

• (五) 聚丙烯（Polypropylene, PP）

• 單體：丙烯（$\mathrm{CH_2=CH-CH_3}$）。

• 聚合方式：經自由基或齊格勒－納塔催化之加成聚合，$\pi$ 鍵打開形成飽和主鏈，側鏈為甲基。以橫越括號的單鍵表示重複單元，右下角標註 $n$。

• (六) 3-戊酮（3-Pentanone / Diethyl ketone）

• 母體：5 碳烷烴主鏈。

• 官能基：酮基（$-\mathrm{C(=O)}-$）位於中央的 $\mathrm{C3}$ 位置，左右兩側各連一個乙基（$-\mathrm{CH_2CH_3}$）。

• (七) $(R)$-2-己醇（$(R)$-Hexan-2-ol）

• 掌性碳判定：$\mathrm{C2}$ 連接四個不同基團，依 CIP 規則決定原子序優先順序：

1. 優先度 1：$-\mathrm{OH}$（直接相連原子為 $\mathrm{O}$，原子序 8）
2. 優先度 2：$-\mathrm{CH_2CH_2CH_2CH_3}$（正丁基，$\mathrm{C3}$ 連接 $\mathrm{C, H, H}$）
3. 優先度 3：$-\mathrm{CH_3}$（甲基，$\mathrm{C1}$ 連接 $\mathrm{H, H, H}$）
4. 優先度 4：$-\mathrm{H}$（直接相連原子為 $\mathrm{H}$，原子序 1，最低）

核心觀念

本題為國家考試公職三等衛生檢驗類科《有機化學》典型之「有機合成與官能基轉換」綜合題，主要涵蓋以下八大核心反應觀念：

1. 烯烴的臭氧分解反應（Ozonolysis）：環烯烴經臭氧與還原劑（$\ce{Zn/H+}$）反應，雙鍵發生氧化斷鍵生成開鏈二醛化合物。
2. 親電芳香族取代反應（Electrophilic Aromatic Substitution, EAS）之定位效應：強吸電子鈍化基（$-\ce{NO2}$）對苯環進行間位導向（meta-directing）的溴化反應。
3. 醯胺（Amide）的氫化鋁鋰還原反應：第三級醯胺經強還原劑 $\ce{LiAlH4}$ 還原，羰基（$\ce{C=O}$）轉化為亞甲基（$-\ce{CH2}-$），生成第三級胺（$3^\circ$ amine）。
4. 疊氮化物途徑合成第一級胺（Gabriel-type replacement via Azide）：一級鹵烷經疊氮化鈉（$\ce{NaN3}$）進行 $\mathrm{S_N2}$ 親核取代，再經 $\ce{LiAlH4}$ 還原生成第一級胺。
5. 羰基與氮親核試劑的縮合反應（肟化反應，Oximation）：鄰二酮（$\alpha$-diketone）與兩當量羥胺（$\ce{NH2OH}$）反應，脫水縮合生成鄰二肟（dioxime），此即衛生檢驗分析常考之丁二酮肟（Dimethylglyoxime, DMG）。
6. 烯烴與鹵化氫的親電加成反應（Markovnikov's Addition）：環外烯烴與 $\ce{HBr}$ 反應，質子加成至含氫較多之碳原子，形成較穩定的三級碳陽離子，再由溴離子結合，生成三級溴烷。
7. 醛基的選擇性還原反應：硼氫化鈉（$\ce{NaBH4}$）選擇性將醛基還原為第一級醇，分子內之醚鍵（ether）保持穩定不反應。
8. 芳香重氮鹽反應（Sandmeyer-type Reaction）：一級芳香胺在低溫酸性條件下進行重氮化反應生成芳香重氮鹽，隨後與碘化鉀（$\ce{KI}$）反應置換為芳基碘化物。

解題方法

(一) 環戊烯的臭氧分解反應

• 反應物結構：環戊烯（Cyclopentene，五元環內雙鍵）。
• 反應過程：

1. 臭氧（$\ce{O3}$）與環戊烯之碳-碳雙鍵進行 1,3-偶極環加成，形成初級臭氧化物（molozonide），經骨架重排為臭氧化物（ozonide）。
2. 加入還原劑鋅粉與酸（$\ce{Zn/H+}$），將臭氧化物還原水解，雙鍵兩端帶有氫原子的碳原子均氧化至醛基（$-\ce{CHO}$），環狀骨架開裂。

• 主要產物：五碳鏈狀二醛，即戊二醛（Pentanedial，又稱 1,5-戊二醛 / Glutaraldehyde），分子結構式為 $\ce{OHC-CH2-CH2-CH2-CHO}$（簡記為 $\ce{OHC(CH2)3CHO}$）。

(二) 硝基苯的芳香族親電溴化反應

• 反應物結構：硝基苯（Nitrobenzene）。
• 反應過程：

1. 溴分子受路易斯酸催化劑溴化鋁（$\ce{AlBr3}$）極化，生成具強親電性的活性中間物 $\ce{Br+-AlBr4-}$。
2. 苯環上的硝基（$-\ce{NO2}$）具強誘導吸電子（$-I$）與共振吸電子（$-M$）效應，為強鈍化基，使鄰位與對位的碳陽離子中間態能量顯著偏高，因此親電進攻專一性發生在間位（meta-position）。
3. 親電試劑進攻間位形成芳香碳陽離子過渡態（Arenium ion / $\sigma$-complex），隨後脫去質子恢復芳香性。

• 主要產物：間溴硝基苯（m-Bromonitrobenzene，IUPAC 名稱：1-Bromo-3-nitrobenzene），化學式為 $m\text{-}\ce{Br-C6H4-NO2}$。

(三) 第三級醯胺的氫化鋁鋰還原反應

• 反應物結構：1-異丁醯基哌啶（$N$-異丁醯基哌啶 / 1-Isobutyrylpiperidine），即六元哌啶環之氮原子鍵結異丁醯基（$-\ce{C(=O)CH(CH3)2}$）。
• 反應過程：

1. 氫化鋁鋰（$\ce{LiAlH4}$）提供氫負離子（$\ce{H-}$）親核進攻醯胺羰基碳，形成四面體鋁氧加合物。
2. 氮原子的未鍵結電子對推回形成亞胺鹽中間體（iminium ion），促使鋁氧基團脫離；接著第二個氫負離子進攻亞胺碳，將羰基碳（$\ce{C=O}$）徹底還原為亞甲基（$-\ce{CH2}-$）。
3. 酸性水溶液後處理淬滅無機鋁鹽，醯胺鍵中之碳-氮鍵未斷裂，轉化為第三級胺。

• 主要產物：1-異丁基哌啶（$N$-Isobutylpiperidine，IUPAC 名稱：1-(2-methylpropyl)piperidine），結構式為哌啶環之氮原子接上異丁基（$-\ce{CH2CH(CH3)2}$）。

(四) 鹵代烷轉化為第一級胺（疊氮化-還原法）

• 反應物結構：1-溴-3-乙氧基丙烷（1-Bromo-3-ethoxypropane，$\ce{CH3CH2-O-CH2CH2CH2-Br}$）。
• 反應過程：

1. 第一步：疊氮化鈉（$\ce{NaN3}$）之疊氮根（$\ce{N3-}$）為強親核試劑，對一級鹵烷進行雙分子親核取代（$\mathrm{S_N2}$），溴離子離去，生成 1-疊氮基-3-乙氧基丙烷（$\ce{CH3CH2OCH2CH2CH2N3}$）。
2. 第二步與第三步：強還原劑 $\ce{LiAlH4}$ 將疊氮基（$-\ce{N3}$）還原，釋出氮氣（$\ce{N2}$），水解後形成第一級胺（$-\ce{NH2}$）；分子內之脂肪醚鍵在此還原條件下高度穩定不分解。

• 主要產物：3-乙氧基-1-丙胺（3-Ethoxypropan-1-amine / 3-Ethoxypropylamine），分子結構式為 $\ce{CH3CH2-O-CH2CH2CH2-NH2}$。

(五) 鄰二酮的肟化反應

• 反應物結構：2,3-丁二酮（2,3-Butanedione，又名雙乙醯 / Diacetyl，$\ce{CH3-C(=O)-C(=O)-CH3}$）。
• 反應過程：

1. 羥胺（$\ce{NH2OH}$）之氨基具有良好親核性，親核進攻羰基碳生成四面體半縮醛胺中間體（carbinolamine）。
2. 在微酸性催化條件下脫水縮合，羰基（$\ce{C=O}$）轉換為肟基（$\ce{C=N-OH}$）。
3. 題目提供 2 當量（$2\ \mathrm{eq.}$）之羥胺鹽酸鹽（$\ce{NH2OH.HCl}$），分子中兩個相鄰之酮羰基皆完全轉化為肟基。

核心觀念

本題旨在評量利用核磁共振光譜（NMR）鑑定與解析有機分子結構之能力，主要涵蓋以下核心原理：

1. 氫核磁共振光譜（$^1\mathrm{H}$-NMR）解析要素：

• 訊號組數（Number of Signals）：對應分子中化學非等價質子（chemically non-equivalent protons）的種類數。
• 化學位移（Chemical Shift, $\delta$）：由質子周圍的電子密度與遮蔽／去遮蔽效應決定。電負度大的原子（如氧）及具非等向性效應（anisotropic effect）的官能基（如羰基 $\mathrm{C=O}$、甲醯基 $\mathrm{-CHO}$）會使質子去遮蔽，訊號向低磁場（高 $\delta$ 值）位移。
• 峰分裂型態（Multiplicity）：在無二級偶合的一級光譜中遵循 $n+1$ 規則（$n$ 為相鄰碳上的等價質子數），反映相鄰質子間的自旋-自旋偶合（spin-spin coupling）。
• 峰面積積分（Integration）：吸收峰面積與對應化學環境的質子數成正比。

2. 碳十三核磁共振光譜（$^{13}\mathrm{C}$-NMR）解析要素：

• 分子對稱性與化學等價碳：在質子寬頻去偶合（broadband proton-decoupled）$^{13}\mathrm{C}$-NMR 中，每個化學非等價碳原子呈現一個單峰（singlet）。若分子具有對稱元素（如對稱面），對稱位置上的碳原子化學等價，訊號產生簡併，使吸收峰總數少於分子總碳數。
• DEPT 光譜技術（DEPT-45, DEPT-90, DEPT-135）：利用極化轉移技術區分四級碳（$\mathrm{C}$）、次甲基碳（$\mathrm{CH}$）、亞甲基碳（$\mathrm{CH_2}$）與甲基碳（$\mathrm{CH_3}$）。

解題方法

(一) 分辨甲酸乙酯與乙酸甲酯的 $^1\mathrm{H}$-NMR 光譜差異

甲酸乙酯與乙酸甲酯互為同分異構物，分子式皆為 $\mathrm{C_3H_6O_2}$，其光譜特徵推導如下：

1. 甲酸乙酯（Ethyl formate, $\mathrm{HCOOCH_2CH_3}$）：

• 分子中具有 3 種化學非等價質子，光譜呈現 3 組吸收訊號，積分比為 $1 : 2 : 3$：
• 甲醯基質子（$\mathrm{H-C(=O)-}$）：直接與羰基相連，受到羰基極強的去遮蔽效應，化學位移出現在極低磁場區 $\delta \approx 8.0 - 8.1\text{ ppm}$；相鄰碳無質子，表現為單峰（singlet, $\mathrm{s}$），積分值 $1\mathrm{H}$。
• 乙氧基之亞甲基質子（$\mathrm{-O-CH_2-CH_3}$）：直接鍵結於電負度大的氧原子上，強烈去遮蔽使化學位移移至低磁場 $\delta \approx 4.1 - 4.3\text{ ppm}$；受相鄰甲基的 3 個質子偶合，裂分為四重峰（quartet, $\mathrm{q}$, $J \approx 7\text{ Hz}$），積分值 $2\mathrm{H}$。
• 乙氧基之甲基質子（$\mathrm{-O-CH_2-CH_3}$）：位於烷基鏈末端，化學位移在較高磁場 $\delta \approx 1.2 - 1.3\text{ ppm}$；受相鄰亞甲基的 2 個質子偶合，裂分為三重峰（triplet, $\mathrm{t}$, $J \approx 7\text{ Hz}$），積分值 $3\mathrm{H}$。

2. 乙酸甲酯（Methyl acetate, $\mathrm{CH_3COOCH_3}$）：

• 分子中具有 2 種化學非等價質子，光譜呈現 2 組吸收訊號，積分比為 $3 : 3$（即 $1 : 1$）：
• 甲氧基之甲基質子（$\mathrm{-O-CH_3}$）：鍵結於氧原子上，受電負度去遮蔽影響，化學位移出現在中低磁場 $\delta \approx 3.6 - 3.7\text{ ppm}$；無相鄰質子偶合，表現為單峰（singlet, $\mathrm{s}$），積分值 $3\mathrm{H}$。
• 乙醯基之甲基質子（$\mathrm{CH_3-C(=O)-}$）：直接與羰基碳相連（$\alpha$-位），受羰基去遮蔽效應影響，化學位移出現在 $\delta \approx 2.0 - 2.1\text{ ppm}$；無相鄰質子偶合，表現為單峰（singlet, $\mathrm{s}$），積分值 $3\mathrm{H}$。

3. 鑑別指標：

• 吸收峰數目：甲酸乙酯有 3 組訊號；乙酸甲酯僅有 2 組訊號。
• 裂分型態：甲酸乙酯具有乙基特徵之四重峰與三重峰（$\mathrm{q + t}$）；乙酸甲酯的兩組峰均為單峰（$\mathrm{s + s}$）。
• 特徵化學位移：甲酸乙酯在 $\delta \approx 8.0\text{ ppm}$ 處有特徵甲醯基氫（$\mathrm{-CHO}$）單峰，乙酸甲酯在此區域完全無吸收。

(二) 利用 $^{13}\mathrm{C}$-NMR 光譜區分兩種化合物

題目文字缺少原卷所附之化合物結構圖，依國家考試命題常規，合理假設此二化合物為以分子對稱性區分的經典同分異構物：2-戊酮（2-pentanone）與 3-戊酮（3-pentanone）。

1. 2-戊酮（2-Pentanone, $\mathrm{CH_3COCH_2CH_2CH_3}$）之 $^{13}\mathrm{C}$-NMR 特徵：

• 分子無對稱元素，5 個碳原子的化學環境完全不同。
• 在質子去偶合 $^{13}\mathrm{C}$-NMR 中共出現 5 個吸收峰：
• $\mathrm{C_2}$（羰基碳 $\mathrm{C=O}$）：四級碳，位移在低磁場 $\delta \approx 208\text{ ppm}$。
• $\mathrm{C_3}$（$\alpha$-亞甲基碳）：位移在 $\delta \approx 45\text{ ppm}$。
• $\mathrm{C_1}$（甲基碳 $\mathrm{CH_3CO-}$）：位移在 $\delta \approx 30\text{ ppm}$。

核心觀念

1. 共軛鹼穩定度決定酸性：羧酸（$\ce{RCOOH}$）的酸性強弱取決於其解離後生成的羧酸根共軛鹼（$\ce{RCOO-}$）之相對穩定度。共軛鹼上的負電荷愈分散、體系愈穩定，羧酸的酸性愈強。
2. 誘導效應（Inductive Effect, $-I$ 效應）：電負度極高的氟原子（$\ce{-F}$）具有強烈的拉電子誘導效應，能有效分散羧酸根氧原子上的負電荷，穩定共軛鹼。
3. 誘導效應之距離依賴性（Distance Dependence）：誘導效應是透過 $\sigma$ 鍵傳遞的靜電效應，其強度隨傳遞距離（$\sigma$ 鍵數目）的增加而急遽衰減，通常超過 3 個單鍵後影響力即大幅降低。

解題方法

1. 結構分析：

• 三氟醋酸（$\ce{CF3COOH}$）：3 個強拉電子性的氟原子位於 $\alpha$-碳（第 2 位碳）上，與羧基碳直接相連，距離羧基僅隔 1 個 $\ce{C-C}$ 單鍵。
• 4,4,4-三氟丁酸（$\ce{CF3CH2CH2COOH}$）：3 個氟原子位於 $\gamma$-碳（第 4 位碳）上，與羧基之間間隔了兩個亞甲基（$-\ce{CH2CH2}-$），距離羧基相隔 3 個 $\ce{C-C}$ 單鍵。

2. 原因剖析：

• 在三氟醋酸中，$-\ce{CF3}$ 基團與羧基距離極近，其強大的拉電子誘導效應（$-I$）能極為有效地將羧酸根（$\ce{CF3COO-}$）上的負電荷拉向氟原子，使負電荷高度分散，共軛鹼極為穩定（其 $\mathrm{p}K_\mathrm{a} \approx 0.23$）。
• 在 4,4,4-三氟丁酸中，$-\ce{CF3}$ 基團與羧酸根相距太遠，拉電子誘導效應經過 3 個 $\ce{C-C}$ 單鍵後已顯著衰減，對羧酸根負電荷的分散能力微弱（其 $\mathrm{p}K_\mathrm{a} \approx 4.16$）。

解題技巧

• 判斷通則：拉電子基（$-I$）增強酸性；其影響程度依序為「電負度大小 > 取代基數目 > 與酸性中心之距離」。
• 距離陷阱：同為三氟取代，取代位置愈靠近羧基（$\alpha > \beta > \gamma$），酸性愈強。

(二) 分子內狄爾士–阿德爾反應（IMDA）及其產物立體化學

核心觀念

1. 分子內狄爾士–阿德爾反應（Intramolecular Diels–Alder Reaction, IMDA）：由同一分子內的「共軛雙烯（diene）」與「親雙烯體（dienophile）」進行分子內 $[4+2]$ 環加成反應，經由協同、環狀六電子過渡態直接構築雙環骨架。
2. 反應物構型與立體專一性（Stereospecificity）：

• 二烯部分必須旋轉為順單鍵（$s\text{-}cis$）構形方能進行環化。
• 原親雙烯體上的幾何構型在產物中嚴格保留：若親雙烯體為 $(E)$-型烯烴，環化後兩側基團呈反式（trans）關係；若為 $(Z)$-型烯烴，則呈順式（cis）關係。

3. 內向加成規則（Endo Rule）與環稠合立體化學：若親雙烯體接有吸電子共軛基團（如羰基、酯基），二烯與親雙烯體之間的次級軌域交互作用（secondary orbital interaction）使反應優先採取內向（endo）過渡態，決定橋頭氫與取代基之順反立體化學。

解題方法

題幹說明：原卷本小題附有特定反應物之結構圖，因文字卷面未提供結構圖之碳鏈長度與雙鍵幾何構型，以下以歷屆國考最常測驗之經典分子內 Diels–Alder 受質——$(2E,8E)$-癸-2,8,10-三烯酸酯系統（具三碳鏈連接之 $(E,E)$-三烯化合物）作為合理代表性假設進行推導作答。

1. 反應系統設定（以典型 $(2E,8E)$-癸-2,8,10-三烯酸甲酯為例）： $\ce{CH2=CH-CH=CH-(CH2)3-CH=CH-COOCH3}$
2. 過渡態與環化歷程：

• 雙烯（C8～C11）轉為 $s\text{-}cis$ 構形，連接的三碳鏈（C5～C7）摺疊形成椅狀（chair-like）過渡態。
• 末端親雙烯體（C2=C3 雙鍵）與雙烯進行 $[4+2]$ 環加成，形成一個新的六員環，原三碳連接鏈則同時封閉形成一個五員環，整體生成「雙環[4.3.0]壬-3-烯」（hydrindane）骨架。

3. 立體化學標示：

• 環稠合處（Bridgehead Stereochemistry）：在三碳鏈受質的立體張力限制與椅狀過渡態下，兩個橋頭氫原子（C1 與 C6 位）彼此呈順式稠合（cis-ring fusion），即兩橋頭氫均朝向同側（通常表示為同為 $\beta$ 或同為 $\alpha$）。
• 吸電子基（$\ce{-COOCH3}$）之立體位向：依循次級軌域重疊的 endo 加成優勢，酯基在過渡態朝向雙烯後方，因此產物中酯基（$\ce{-COOCH3}$）相對於相鄰的橋頭氫呈現反式（trans）​立體位向。

解題技巧

• 碳數與環系速算：若連接鏈為 3 個碳原子，IMDA 產物必然為「雙環[4.3.0]」稠合系統（六員環併五員環）；若連接鏈為 4 個碳原子，則為「雙環[4.4.0]」稠合系統（十氫萘 decalin 骨架）。
• 立體記號檢查：繪製產物時，務必以楔形鍵（實心鍵，$\blacktriangle$）與虛線鍵（$\text{---}$）明確標出橋頭立體中心與取代基的相對立體位向。

(三) 親核性共軛加成反應（Nucleophilic Conjugate Addition Reaction）

核心觀念

1. $\alpha,\beta$-不飽和羰基化合物之親電中心： 在 $\alpha,\beta$-不飽和羰基化合物（$\ce{C=\overset{\alpha}{C}-\overset{\beta}{C}=O}$）中，由於羰基氧的強電負度與共振效應： $\ce{R2C=\overset{\alpha}{C}H-\overset{\beta}{C}(=O)R' \longleftrightarrow R2\overset{+}{C}-\overset{\alpha}{C}H=\overset{\beta}{C}(O^-)R'}$ 正電荷共振分散至 $\beta$-碳上，使體系中存在兩個親電性中心：羰基碳（1,2-加成位點）​與 $\beta$-碳（1,4-共軛加成位點）。
2. 親核性共軛加成之定義： 親核試劑（$\ce{Nu-}$）不攻擊羰基碳，而是選擇性攻擊與羰基共軛的雙鍵端（$\beta$-碳），生成烯醇負離子（enolate）中間體，隨後經由質子化生成 $\beta$-取代飽和羰基化合物之反應，亦稱為 1,4-加成（1,4-addition）。

解題方法與實例說明

1. 代表性實例：二烷基銅鋰（吉爾曼試劑，Gilman Reagent）之共軛加成

• 反應方程式： 環己-2-烯-1-酮（Cyclohex-2-en-1-one）與二甲基銅鋰（$\ce{(CH3)2CuLi}$）反應，經酸水溶液後處理，生成 3-甲基環己酮（3-Methylcyclohexanone）。

核心觀念

本題考查有機化學中共軛二烯（Conjugated Diene）的親電加成反應（Electrophilic Addition）​及其反應機制，核心概念包含：

1. 馬可尼可夫規則（Markovnikov's Rule）與位向選擇性：親電試劑之質子（$\text{H}^+$）優先加成至雙鍵末端碳原子，以生成最穩定的碳陽離子。
2. 烯丙基碳陽離子（Allylic Carbocation）的共振穩定性：形成的中間體具有共軛 $\text{p}$ 軌域重疊，正電荷藉由共振非定域化分佈於兩個不同碳位置。
3. 動力學控制（Kinetic Control）與熱力學控制（Thermodynamic Control）：親核試劑（$\text{Cl}^-$）進攻兩個不同帶正電位置，分別生成 1,2-加成產物（動力學產物）與 1,4-加成產物（熱力學產物）。

解題方法

本題題文未隨附圖形結構細節，依據國家考試命題慣例與考選部歷年試題庫，本題化合物 $\text{I}$ 為共軛二烯代表性結構 1,3-丁二烯（1,3-Butadiene, $\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}=\text{CH}_2$），在濃鹽酸處理下生成 1,2-加成產物 $\text{II}$（3-氯-1-丁烯）與 1,4-加成產物 $\text{III}$（1-氯-2-丁烯）。（若化合物 $\text{I}$ 為其醇類前驅物如 3-丁烯-2-醇，酸催化脫水後亦歷經相同之烯丙基碳陽離子中間體，反應機制實質相同）。

詳細反應機制步驟如下：

第一步：質子化反應生成共振穩定的烯丙基碳陽離子

濃鹽酸解離出的親電質子（$\text{H}^+$）受到 1,3-丁二烯末端 $\text{C1}=\text{C2}$ 雙鍵的 $\pi$ 電子進攻，質子選擇性加成在末端 $\text{C1}$ 上，於 $\text{C2}$ 形成兼具次級與烯丙基特性的碳陽離子中間體： $\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}=\text{CH}_2 + \text{H}^+ \longrightarrow \left[ \text{CH}_3-\overset{+}{\text{C}}\text{H}-\text{CH}=\text{CH}_2 \longleftrightarrow \text{CH}_3-\text{CH}=\text{CH}-\overset{+}{\text{C}}\text{H}_2 \right]$

• 位向選擇性理由：若質子加成在內部 $\text{C2}$，會形成無共振穩定效應的一級碳陽離子（$\text{CH}_2^+-\text{CH}_2-\text{CH}=\text{CH}_2$），活化能極高而不利進行；質子加成在末端 $\text{C1}$ 所得之烯丙基碳陽離子，正電荷能藉由共振在 $\text{C2}$ 與 $\text{C4}$ 之間高度非定域化，體系能量最低。

第二步：親核性氯離子的親核進攻

親核性氯離子（$\text{Cl}^-$）分別進攻帶有部分正電荷的 $\text{C2}$ 與 $\text{C4}$，得到兩種產物：

1. 進攻 $\text{C2}$ 生成化合物 $\text{II}$（1,2-加成產物）：

核心觀念

1. 二肽衍生物之化學組成： 阿斯巴甜（Aspartame）的學名為「L-天門冬醯-L-苯丙胺酸甲酯」（L-aspartyl-L-phenylalanine methyl ester）。其骨架由天門冬胺酸（$\text{Asp}$）的 $\alpha$-羧基與苯丙胺酸甲酯（$\text{Phe-OMe}$）的 $\alpha$-胺基縮合形成胜肽鍵（醯胺鍵），屬於一種具酯基修飾的二肽分子。
2. 多官能基之酸鹼平衡（Henderson-Hasselbalch 觀念）：

• 當環境 $\mathrm{pH} < \mathrm{p}K_{\mathrm{a}}$ 時，酸型（質子化狀態）佔優勢。
• 當環境 $\mathrm{pH} > \mathrm{p}K_{\mathrm{a}}$ 時，鹼型（去質子化狀態）佔優勢。

3. 官能基的解離常數（$\mathrm{p}K_{\mathrm{a}}$）基準值：

• $\text{Asp}$ 端的 $\alpha$-胺基（$\mathrm{-NH_3^+}$）：$\mathrm{p}K_{\mathrm{a}1} \approx 9.0 \sim 9.1$。
• $\text{Asp}$ 側鏈的 $\beta$-羧基（$\mathrm{-COOH}$）：$\mathrm{p}K_{\mathrm{a}2} \approx 3.8 \sim 3.9$。
• 胜肽鍵（$\mathrm{-CONH-}$）與甲酯基（$\mathrm{-COOCH_3}$）：在常溫 $\mathrm{pH} = 1.0 \sim 11.0$ 的水溶液中不解離、不帶電荷。

解題方法

1. 拆解並建立阿斯巴甜結構：

• N-端單元：L-天門冬胺酸殘基，具自由的 $\alpha$-胺基（$\mathrm{-NH_2}$）與側鏈 $\beta$-羧基（$\mathrm{-CH_2COOH}$），以其 $\alpha$-羧基形成醯胺碳。
• C-端單元：L-苯丙胺酸甲酯殘基，側鏈為苄基（$\mathrm{-CH_2C_6H_5}$），C-端為甲酯（$\mathrm{-COOCH_3}$）。
• 未解離形式化學式：$\mathrm{H_2N-CH(CH_2COOH)-CONH-CH(CH_2C_6H_5)-COOCH_3}$

2. 分析 $\mathrm{pH} = 1.0$ 下的質子化狀態：

• 側鏈 $\beta$-羧基：$\mathrm{pH} = 1.0 < \mathrm{p}K_{\mathrm{a}} (\approx 3.9)$，維持質子化中性型態 $\mathrm{-COOH}$。
• N-端 $\alpha$-胺基：$\mathrm{pH} = 1.0 < \mathrm{p}K_{\mathrm{a}} (\approx 9.0)$，完全質子化為帶正電陽離子型態 $\mathrm{-NH_3^+}$。
• 淨電荷為 $+1$。

3. 分析 $\mathrm{pH} = 11.0$ 下的質子化狀態：

• 側鏈 $\beta$-羧基：$\mathrm{pH} = 11.0 > \mathrm{p}K_{\mathrm{a}} (\approx 3.9)$，完全去質子化為帶負電陰離子型態 $\mathrm{-COO^-}$。
• N-端 $\alpha$-胺基：$\mathrm{pH} = 11.0 > \mathrm{p}K_{\mathrm{a}} (\approx 9.0)$，去質子化為電中性游離胺基 $\mathrm{-NH_2}$。
• 淨電荷為 $-1$。

選項分析

本題為非選擇題（繪圖與結構論述題），針對題目要求之「三個關鍵分子結構與官能基受酸鹼影響之行為」進行個別剖析：

核心觀念

本題的核心考點為多步驟有機合成設計（Multistep Organic Synthesis），主要涉及以下有機化學基本原理：

1. 親電芳香取代反應（Electrophilic Aromatic Substitution, EAS）：苯環受親電試劑進攻發生取代反應的機制與條件。
2. 取代基之定位效應（Directive Effects / Regioselectivity）：

• 鄰／對位定位基（ortho/para-directors）：供電子基或具有孤對電子之原子（如烷基 $-R$、鹵素 $-X$、羥基 $-OH$ 等），將後續親電試劑導向鄰位與對位。
• 間位定位基（meta-directors）：吸電子基（如羰基 $-COR$、羧基 $-COOH$、硝基 $-NO_2$ 等），使苯環鈍化並將後續親電試劑導向間位。

3. 合成步驟的順序效應（Order of Synthetic Steps）：決定取代基引入苯環的先後次序，以精準控制產物的立體位向（Regiochemical outcome）。
4. 側鏈官能基之修飾與氧化反應：利用烷基苯（Alkylbenzene）之側鏈苄基位（Benzylic position）氧化生成芳香羧酸。

解題方法

本題題文所附圖形未載明化合物 A 與 B 之化學結構式，依考選部公職考試衛生檢驗類科《有機化學》歷屆命題常規，多步驟合成題以芳香烴衍生物之定位控制為最具代表性之必考題型；本題合理假設起始物化合物 A 為苯（Benzene），目標產物化合物 B 為間溴苯甲酸（3-Bromobenzoic acid，亦稱 $m$-bromobenzoic acid）​進行標準解析。

一、逆合成分析（Retrosynthetic Analysis）

1. 目標產物 B（間溴苯甲酸）之苯環上帶有兩個取代基：羧基（$-COOH$）與溴基（$-Br$），兩者彼此處於「間位（1,3-位）」關係。
2. 位向導向分析：

• 溴基（$-Br$）為弱鈍化基，但屬於鄰／對位定位基；若苯環先引入溴原子，後續反應將使新基團進入鄰位或對位，無法獲得間位產物。
• 羧基（$-COOH$）為強吸電子鈍化基，屬於間位定位基；若苯環上先具備羧基（或其前驅基團如醯基、烷基經氧化後之羧基），即可專一性引導後續的溴化反應發生於間位。

3. 結論：合成策略必須先在苯環上引入碳側鏈並轉化為羧基（$-COOH$），最後一步再進行親電芳香取代溴化反應。

二、正向合成步驟（Forward Synthesis）

【第一步驟】引入甲基側鏈：傅-克烷基化反應（Friedel-Crafts Alkylation）

• 使用試劑與條件：氯甲烷（$CH_3Cl$）、無水三氯化鋁（$AlCl_3$，催化劑）。
• 反應說明：苯（A）與氯甲烷在路易斯酸 $AlCl_3$ 催化下進行親電芳香取代反應，生成甲苯。
• 產物：甲苯（Toluene, $\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3$）。
• 化學方程式： $\text{C}_6\text{H}_6 + \text{CH}_3\text{Cl} \xrightarrow{\text{AlCl}_3} \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 + \text{HCl}$

【第二步驟】側鏈苄基位氧化：芳香羧酸生成反應（Side-Chain Oxidation）

• 使用試劑與條件：過錳酸鉀（$KMnO_4$）、氫氧化鈉水溶液（$\text{NaOH}_{(aq)}$），加熱回流（$\Delta$）；反應完全後加入稀酸水溶液（$H_3O^+$ 或稀 $H_2SO_4$）酸化。
• 反應說明：甲苯的苄基位具有碳-氫鍵（$C-H$），可被強氧化劑 $KMnO_4$ 氧化分解，經酸水溶液中和酸化後生成苯甲酸。
• 產物：苯甲酸（Benzoic acid, $\text{C}_6\text{H}_5\text{COOH}$）。
• 化學方程式： $\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 \xrightarrow[2.\ \text{H}_3\text{O}^+]{1.\ \text{KMnO}_4,\ \text{OH}^-,\ \Delta} \text{C}_6\text{H}_5\text{COOH}$

【第三步驟】間位親電溴化反應（Electrophilic Aromatic Bromination）

• 使用試劑與條件：溴素（$Br_2$）、三溴化鐵（$FeBr_3$，亦可現場以 $\text{Fe} + Br_2$ 原位製備催化劑），適度加熱。
• 反應說明：苯甲酸上的羧基（$-COOH$）為強吸電基與間位定位基，使鄰位與對位電子密度極度匱乏，親電試劑溴陽離子活性物種（$\text{Br}^+$）專一性進攻間位，生成目標化合物 B。
• 產物：間溴苯甲酸（3-Bromobenzoic acid / $m$-Bromobenzoic acid, $\text{C}_7\text{H}_5\text{BrO}_2$）。