108 高普考高考三級 化學工程 有機化學 考古題詳解

核心觀念

本題考查依系統命名還原碳骨架、定位官能基與取代基，以及依 CIP 規則指定立體化學。指定 $R/S$ 時，先排出四個基團的優先序；最低優先序置於背向觀察者，再看 $1\to2\to3$ 的方向：順時針為 $R$，逆時針為 $S$。若最低優先序朝向觀察者，判定結果須反轉。

解題方法與結構

（一）$(3R,4R)$-3,4,5-trimethylhex-5-en-2-one

主鏈為六個碳，酮基在 C2，雙鍵在 C5；甲基在 C3、C4、C5。骨架如下：

C3 的優先序為 $\mathrm{C2羰基碳>C4>甲基>H}$；C4 的優先序為 $\mathrm{C5烯基碳>C3>甲基>H}$。畫出骨架後，將各中心的 H 置於背面，分別安排兩組優先序的 $1\to2\to3$ 為順時針，即得 $(3R,4R)$。

（二）$(1R,2R,4S)$-2-bromo-4-chloro-1-methylthiocyclohexane

畫環己烷，依順序標出 C1 至 C6；C1 接 $\mathrm{-SMe}$，C2 接 Br，C4 接 Cl。採用 C1 在上方、C2 在右上、C3 在右下、C4 在下、C5 在左下、C6 在左上的環形畫法，取代基面向如下：

依 CIP 排序指定立體化學，即為 $1R,2R,4S$。

（三）$(2Z)$-2-methylbicyclo[2.2.2]oct-2-ene

先畫 bicyclo[2.2.2]octane 骨架：兩個橋頭之間有三條各含兩個中間碳的橋。採一般編號，雙鍵為 C2=C3，C2 接甲基。

核心觀念

本題涵蓋芳香族取代與重氮鹽反應、烯胺水解、Diels–Alder 反應、光化學電環化、環氧化物開環、Sharpless 不對稱環氧化、炔烴反應，以及烯烴的氧汞化與去汞化。判斷產物時，先找出反應中心，再依試劑判斷區域選擇性與立體化學。

解題方法

（一）苯依序反應

硝化先生成硝基苯；鐵與酸將硝基還原為胺基。胺基在亞硝酸鈉與鹽酸下轉成芳香族重氮鹽，最後以 CuCN 進行 Sandmeyer 反應，將重氮基換成氰基。

（二）烯胺酸性水解

圖示為 $N$-環己基烯胺。烯胺在酸性水溶液中水解，還原成原本的羰基化合物，胺則離去。

（三）共軛三烯與過量順丁烯二酸酐

圖中的反應物是 $1,3,5$-己三烯。每個順丁烯二酸酐分子與一段共軛二烯發生 Diels–Alder 反應。過量順丁烯二酸酐使兩段二烯先後反應，得到分子式 $C_{14}H_{12}O_6$ 的雙加成物；產物保留一個碳碳雙鍵，兩個酸酐環各自保留。

畫法是：先將一個順丁烯二酸酐加到己三烯一端的二烯片段，再將第二個順丁烯二酸酐加到產物中剩下的共軛二烯片段；每次都依 Diels–Alder 規則形成六員環，並把順丁烯二酸酐原有的碳碳雙鍵轉為單鍵。

（四）光照下的環丁烯開環

圖中的四員環包含一個雙鍵，是環丁烯單元。光照使它進行電環化開環，斷開四員環中與雙鍵相對的單鍵，形成共軛二烯。光化學 $4\pi$ 電環化為對旋（disrotatory），兩個末端沿相反方向轉動；甲基的立體關係須依此轉動方式畫出。原有六員環部分保留。

（五）環氧化物以 $LiAlH_4$ 開環

鹼性條件下，氫化物從環氧化物較少取代的碳背面進攻，造成被攻擊碳的構型反轉；氧留在另一端，水處理後成為醇。依圖，氫化物攻擊帶有 $H$ 的環氧碳，產物為環己基取代的三級醇：$\mathrm{C_6H_{11}C(OH)(CH_3)CH_2CH_3}$。原本與氧相連、未受攻擊的碳保留構型。

（六）Sharpless 不對稱環氧化

過氧叔丁醇、$Ti(O^iPr)_4$ 與 $(+)$-DET 將烯丙醇的碳碳雙鍵環氧化。反應保留烯丙醇的定位效果，並由 $(+)$-DET 控制進攻面。依 Sharpless 慣例排列圖示烯丙醇，$(+)$-DET 由指定面送入氧；產物為相應的環氧醇，原有側鏈醇基保留。

（七）末端炔烴氫硼化氧化

核心觀念

本題考兩種消去／取代機構：

1. 芳香環上的氯被羥基取代，且氯的鄰位有強吸電子基硝基，走親核芳香取代（$S_\mathrm{N}Ar$）的加成—消去機構。
2. 溴代環己烷與 $KOH$ 反應，走​$E2$ 消去。環己烷要符合反應立體化學，離去基與被移除的 $\beta$-氫須呈反式共平面；在椅式構形中即為反式雙軸（trans-diaxial）​排列。

解題方法

（一）鄰硝基芳基氯的 $S_\mathrm{N}Ar$

氫氧根進攻連接氯的芳香環碳。這一步暫時破壞芳香性，形成帶負電的中間體；負電荷可經共振離域到鄰位硝基，並進一步分散至硝基氧原子，因此中間體受到穩定。接著氯離子離去，芳香性恢復，形成芳氧負離子；酸性處理後質子化成題示酚類產物。

機構可簡寫為：

其中 $[Ar(OH)(Cl)]^-$ 是受硝基共振穩定的加成中間體。箭推時依序表示：$OH^-$ 進攻帶氯的碳、芳環電子移動並使負電荷離域至硝基、氯離去恢復芳香性，最後酸化。

（二）溴代環己烷的 $E2$ 消去

核心觀念

本題考查用分子式、不飽和度、IR、$\ ^1$H NMR 與 $\ ^{13}$C NMR 判定結構，以及烯烴氫化與高錳酸鉀氧化裂解的產物推斷。

不飽和度公式為：

解題方法

（一）化合物 A、B

1. $A$ 的分子式為 $\mathrm{C_8H_{10}}$，不飽和度為

符合具有苯環的結構。IR 在 $3108$ 至 $3018\ \mathrm{cm^{-1}}$ 的吸收與 $1608\ \mathrm{cm^{-1}}$ 的吸收，支持芳香環存在。

2. $\delta 2.2\ \mathrm{ppm}$ 的 $6\mathrm{H}$ 單峰表示有兩個等效甲基；$\delta 7.1\ \mathrm{ppm}$ 的 $4\mathrm{H}$ 多重峰表示苯環上有四個氫，因此 A 是二甲基苯。$\ ^{13}$C NMR 共四種碳訊號：一種甲基碳與三種芳香環碳，符合鄰二甲苯的對稱性。對位二甲苯的芳香碳環境較少，與四種碳訊號不符。

3. 鉻酸會將苄位甲基氧化為羧基，因此鄰二甲苯的兩個甲基都轉為羧基，生成鄰苯二甲酸。

（二）化合物 C、D、E

1. $\mathrm{C_7H_{14}}$ 的不飽和度為 $1$；與一當量氫氣反應生成 $\mathrm{C_7H_{16}}$，表示 C 含一個碳碳雙鍵。
2. 高錳酸鉀氧化裂解後，其中一個產物是醋酸，代表雙鍵的一側可形成 $\mathrm{CH_3COOH}$。另一個產物 E 是具光學活性的五碳羧酸，符合 2-甲基丁酸；它的 $\alpha$-碳連接四種不同基團。

核心觀念

比較酸度時，判斷各化合物失去質子後形成的共軛鹼穩定性：共軛鹼越穩定，原化合物酸性越強，$pK_a$ 越小。本題的關鍵是共軛鹼能否獲得芳香性穩定。

解題方法

(a) 是茚（indene）。移除五員環中飽和碳上的氫後，形成茚基陰離子。負電荷可離域於稠合環系，使整個環系具有 $10$ 個 $\pi$ 電子，符合休克爾規則 $4n+2$（$n=2$），因此共軛鹼具有芳香性，特別穩定。

核心觀念

本題考查保護基、格氏試劑對酯的加成、芳香族親電取代、重氮化與偶合，以及雙環化合物的臭氧分解。作答時要先看清楚取代位置與碳骨架，再選擇能導向目標物的反應順序。

解題方法

（一）醛酯轉為醛與三級醇

起始物是同時含有醛基與甲酯的化合物；目標物保留醛基，並將甲酯端轉為帶有兩個甲基的三級醇。格氏試劑會與醛反應，因此先保護醛基，再讓甲酯與甲基格氏試劑反應。

酯需接受兩當量格氏試劑，才會由酯轉成三級醇。最後酸性處理一方面將烷氧基質子化，另一方面水解縮醛，恢復醛基。

（二）苯合成偶氮化合物

目標物的偶氮鍵連在一個 間位丙基取代的苯環與一個 對位胺基取代的苯環之間。先製備間丙基苯胺，再將其重氮化；以苯胺作偶合成分，主要在對位偶合。

先製備間丙基苯胺：

丙醯基是間位定位基，因此硝化在間位引入硝基。再以 Wolff–Kishner 還原將芳香酮的羰基碳還原成亞甲基，保留硝基，最後將硝基還原成胺基。

接著重氮化並偶合：

苯胺環活化，偶合主要發生在胺基的對位，形成題示的對胺基偶氮產物。

（三）苯合成間胺基苯甲酸

題示胺基與羧基位於間位。先以甲基作為可氧化成羧基的定位基：甲基硝化後轉為羧基，並利用羧基的間位定位效果引入硝基，最後還原硝基。

核心觀念

1. 胜肽的方向性與命名慣例： 胜肽鏈之書寫慣例為由 N 端（N-terminus，游離氨基） 指向 C 端（C-terminus，游離羧基）。因此二胜肽 Phe-Val 代表 Phe 提供 N 端，Val 提供 C 端，結構為： $\text{H}_2\text{N-Phe-CONH-Val-COOH}$
2. 化學選擇性與保護基策略（Protecting Groups）： 氨基酸分子同時含有親核性的氨基（$-\text{NH}_2$）與親電性的羧基（$-\text{COOH}$）。若直接將 Phe 與 Val 混合並加入縮合劑，會同時發生四種二胜肽（Phe-Phe、Val-Val、Phe-Val、Val-Phe）的交叉偶聯副反應及高階多聚反應。因此必須進行正交保護：

• Phe（N 端）：保護氨基（$-\text{NH}_2$），保留游離羧基以供活化。
• Val（C 端）：保護羧基（$-\text{COOH}$），保留游離氨基以進行親核攻擊。

3. 醯胺鍵形成（胜肽偶聯，Peptide Coupling）： 羧基本身在常溫下親電性不足，直接與胺反應僅生成羧酸銨鹽，需使用偶聯試劑（如 DCC、EDC 等）將羧基活化為高活性的親電中間體（$O$-acylisourea），促使胺基順利進攻生成醯胺鍵。
4. 選擇性脫保護（Deprotection）： 偶聯完成後，在不破壞新生醯胺鍵（胜肽鍵）的溫和條件下，依次或同時移除兩端的保護基，還原出目標二胜肽。

解題方法

合成步驟共分為四步：N 端保護、C 端保護、胜肽偶聯、選擇性脫保護。

第一步：Phe 的 N 端保護（製備 Boc-Phe）

• 試劑：二碳酸二第三丁酯（$\text{Boc}_2\text{O}$，$\text{Di-}tert\text{-butyl dicarbonate}$），弱鹼（如 $\text{Et}_3\text{N}$ 或 $\text{NaHCO}_3$ / 溶劑：$\text{H}_2\text{O-THF}$）。
• 反應： $\text{Phe} + \text{Boc}_2\text{O} \xrightarrow{\text{Et}_3\text{N}} \text{Boc-Phe} + \text{CO}_2 \uparrow + t\text{-BuOH}$ 此步將 Phe 的氨基轉化為第三丁氧羰基（Boc）保護的氨基甲酸酯，使 N 端失去親核性，保留 $-\text{COOH}$ 供後續偶聯。

第二步：Val 的 C 端保護（製備 Val-OMe）

• 試劑：甲醇（$\text{CH}_3\text{OH}$）搭配亞硫醯氯（$\text{SOCl}_2$）或乾燥催化量酸（$\text{HCl}_{(g)}$）。
• 反應： $\text{Val} + \text{CH}_3\text{OH} \xrightarrow{\text{SOCl}_2 \text{ 或 } \text{HCl}} \text{H-Val-OMe}\cdot\text{HCl}$ 以鹼中和鹽酸鹽即得游離胺基的甲酯化合物 $\text{H-Val-OMe}$，其羧基已轉化為甲酯，失去親電性，保留 $-\text{NH}_2$ 作為親核試劑。

第三步：胜肽鍵偶聯形成（Coupling）

• 試劑：二環己基碳二亞胺（$\text{DCC}$，$\text{Dicyclohexylcarbodiimide}$），溶劑使用二氯甲烷（$\text{CH}_2\text{Cl}_2$）。
• 反應： $\text{Boc-Phe} + \text{H-Val-OMe} \xrightarrow{\text{DCC, CH}_2\text{Cl}_2} \text{Boc-Phe-Val-OMe} + \text{DCU} \downarrow$ *DCC 活化 Boc-Phe 的羧基生成活化酯中間體，隨後受 Val-OMe 之游離胺基進攻形成醯胺鍵；