材料化學　申論題歷屆試題與參考架構

115 年（考試時間 120 分鐘）　原卷 PDF

1. 1

   某未知有機化合物之光譜資料如下：紅外線（IR）光譜顯示：約 1720 cm-1 有強吸收峰，約 2850 – 2960 cm-1 有 C – H 伸縮吸收，約1050 – 1250 cm-1 有強吸收峰，且未見明顯寬廣 O – H 吸收峰。核磁共振氫譜（1H NMR）顯示：約（ 1.2）ppm 有 triplet，積分為 3H；約（ 2.0）ppm 有 singlet，積分為 3H；約（ 4.1）ppm 有 quartet，積分為 2H。質譜（MS）顯示：分子離子峰可觀察到，並有明顯碎片峰出現在與酯類裂解相關之區域。請根據上述 IR、1H NMR 及 MS 資料，判斷此未知物可能具有何種官能基團，並建立其合理有機結構。請說明判斷依據及可能之碎裂特徵，並回答下列問題：

   （一） IR 官能基判斷。（6 分）

   （二） 1H NMR 化學位移、積分與裂分解析。（8 分）

   （三） MS 資料與碎片判斷。（4 分）

   （四）合理結構建立與整合說明。（7 分）

   （25 分）

2. 2

   請回答下列有關有機分子合成設計之問題：

   （一）以 benzene 為起始物，設計合成 p-bromoacetanilide 之完整合成路徑，並寫出各步驟所需試劑及主要中間產物。（15 分）

   （二）請說明上述合成路徑中，為何需先將 aniline 轉化為 acetanilide 後再進行溴化反應？並說明此步驟對反應選擇性及避免副產物生成之影響。（10 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   本題考芳香族親電取代的合成設計與取代基效應：苯不能直接得到對溴乙醯苯胺，必須先建立含氮取代基，再以醯胺化「調降」胺基活性，才能控制單溴化的位置與程度。

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3. 3

   下列兩八面體錯離子：(a) [CoF6]3− (b) [Co(CN)6]3−請以配位化合物場理論與分子軌域理論，回答下列問題：

   （一）分別判斷兩錯離子中 Co 的氧化態與 d 電子數。（4 分）

   （二）依據配位化合物場理論，以八面體場中 t2g 與 eg 軌域之能階分裂，說明兩錯離子之 d 電子排列。（8 分）

   （三）說明兩錯離子，何者為高自旋錯合物？何者為低自旋錯合物？並比較其 Δo 大小。（6 分）

   （四）判斷兩錯離子之未成對電子數，並說明其磁性差異。（7 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   本題以 [CoF6]3− 與 [Co(CN)6]3− 對比弱場與強場配位基的效應，核心為晶體（配位）場分裂大小決定高自旋或低自旋，並影響磁性；再以分子軌域觀點補充配位基的σ、π作用。

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4. 4

   以分子軌域理論說明硼分子（B2）之電子填入方式，並寫出其分子軌域電子組態。作答時須說明 B2 分子中價電子數目、適用於 B2 之分子軌域能階順序、電子如何依 Aufbau principle、Hund’s rule 及 Pauli exclusion principle 填入分子軌域，並據此計算其鍵級（bond order）與判斷磁性。（25 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   本題要求以分子軌域理論處理第二週期同核雙原子分子B2，重點是B2的軌域順序與s-p混成的影響：因2s與2p能差較小，π2p軌域低於σ2p，導致最後兩個電子分占兩個簡併的π軌域，分子呈順磁性。

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114 年（考試時間 120 分鐘）　原卷 PDF

1. 1

   畫出下列化合物的光學異構物化學結構，並標定為 R 或 S 型態光學異構物（enantiomers）：(a) 3-bromohexane; (b) 3-chloro-3-methylpentane.（10 分）

   （10 分）

   參考架構・破題

   本題考手性中心的判定、鏡像異構物繪製與CIP順序規則（R／S）。要先確認各分子是否真有手性中心，再作答。

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2. 2

   利用下列核磁共振光譜數據推導出一個合理吻合核磁共振光譜數據的化學結構，並說明推理過程或依據。 （20 分）(a) 化學簡式 C3H3Cl5：peak a, triplet, NMR 譜線位置  4.52 ppm, 1H; peak b, doublet, NMR 譜線位置  6.07 ppm, 2H. (b) 化學簡式 C3H5Cl3：peak a, singlet, NMR 譜線位置  2.20 ppm, 3H; peak b, singlet, NMR 譜線位置  4.02 ppm, 2H. (c) 化學簡式 C4H9Br：peak a, doublet, NMR 譜線位置  1.04 ppm, 6H; peak b, singlet, NMR 譜線位置  1.95 ppm, 1H; peak c, doublet, NMR 譜線位置  3.33 ppm, 2H. (d) 化學簡式 C10H14：peak a, singlet, NMR 譜線位置  1.30 ppm, 9H; peak b, singlet, NMR 譜線位置  7.28 ppm, 5H.

   （20 分）

3. 3

   寫出由丙醛（propionaldehyde）合成下列化合物的所有步驟的化學方程式及所需反應試劑。(a) n-propyl alcohol; (b) propionic acid; (c) methyl ethyl ketone; (d) n-propyl propionate.（20 分）

   （20 分）

   參考架構・破題

   本題考丙醛（CH3CH2CHO）的官能基轉換：還原、氧化、加成後氧化、酯化，關鍵在每一子題選對試劑並寫出平衡的方程式。

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4. 4

   請 畫 出 [Cr(en)(NH3)2BrCl]+ 錯 離 子 的 四 個 幾 何 異 構 物 （ geometric isomers）及兩個光學異構物（optical isomers）。（12 分）

   （12 分）

5. 5

   列出下列分子的對稱元素（symmetry elements）並命名它們所屬的點群（point group）：(a) H 2 ; (b ) H 2 O; (c) CO 2 ; (d ) BF 3 ; (e) NH 3 ; (f ) HCN.（18 分）

   （18 分）

   參考架構・破題

   本題考分子對稱性與點群判定：先找出對稱元素（E、Cn、σ、i、Sn），再依流程圖判定點群。

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6. 6

   請畫出針對下列條件下的五個 d 軌道的相對高低能階圖，並說明原因：(a)一個線性錯離子（complex ion）其配位基在 x 軸方向； (b)一個線性錯離子（complex ion）其配位基在 y 軸方向。（20 分）

   （20 分）

   參考架構・破題

   本題以晶體場的觀點，比較配位基沿不同座標軸接近金屬時，五個d軌域受到靜電排斥的大小；能量高低取決於各軌域電子雲朝向配位基的程度。

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113 年（考試時間 120 分鐘）　原卷 PDF

1. 1

   請寫出下列英文名稱的化學結構：（每小題 2 分，共 10 分）

   （一） 4-N, N-Diisopropyl pyridine

   （二） Sorbic acid((2E, 4E)-2,4-hexa-2,4-diene)

   （三） Methylene bromide

   （四） Phthalic acid（Benzene-1,2-dicarboxylic acid）

   （五） 2-Hydroxynaphthalene

   （10 分）

2. 2

   請寫出下列反應的主要產物：（請表示正確的立體化學，每小題 5 分，共50 分）O

   （一）NK

   1. O Br 2.H2N-NH2

   （二） H OH Et3N, SOCl2 CH3

   （三） Br2, CH3CN, H2O

   （四） CH3(H2C)7 (CH2)7CO2Me Zn / Cu, CH2I2

   （五）

   （六）MgCl

   （七） 1. CH2Br 2.

   （八）O N催化量H2SO4,

   （九） H

   （十）

   （50 分）

3. 3

   請寫出下列反應之反應機構：（每小題 10 分，共 40 分）Cl H2O, 加熱

   （一）

   （二）

   （三）

   （四）

   （40 分）

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