歡迎來到有機反應特性！
你好，未來的化學家！本章節是 A Level 有機化學的核心。我們不必死記硬背長串的分子列表，而是專注於官能基 (functional groups)——也就是分子中那些行為具有預測性的小部分。理解這些官能基及其特徵反應就像學習一門語言：一旦掌握了動詞（反應）和名詞（官能基），你就能預測任何新分子的性質！
如果反應數量看起來很多，不用擔心。我們會根據反應機制和官能基對它們進行分類，讓你更容易吸收。讓我們開始吧！
1. 有機反應的語言
1.1 理解鍵的裂解
當共價鍵斷裂時，電子有兩種分配方式：
- 均裂 (Homolytic Fission)：每個原子各分得共用電子對中的一個電子。
- 異裂 (Heterolytic Fission)：其中一個原子分得兩個電子。
\(A:B \rightarrow A\bullet + B\bullet\)
這會產生高活性的物種，稱為自由基 (Free Radicals)，它們帶有一個未成對電子。這些反應通常由紫外線（陽光）引發。
\(A:B \rightarrow A^+ + B:^-\)
這會產生帶電荷的離子：陽離子 (Cation, \(A^+\)) 和 陰離子 (Anion, \(B:^-\))。大多數離子反應或極性反應都遵循此路徑。
記憶小貼士： "Homo" 代表相同（各分一個）；"Hetero" 代表不同（一個分走兩個）。
1.2 識別反應物種
反應物種是指那些為了達到穩定，而尋求電子或提供電子給他人的分子或離子。
- 親核試劑 (Nucleophile, Nu)：電子密度高的物種，它們「喜愛」帶正電的原子核（nucleo = 原子核，phile = 喜愛）。它們帶有孤對電子或負電荷，會攻擊正電或部分正電中心。
例子： $OH^-$, $CN^-$, $NH_3$, $H_2O$。 - 親電試劑 (Electrophile, E)：缺電子的物種，它們「喜愛」電子。它們帶有正電荷或部分正電荷，會攻擊電子密度高的中心（如雙鍵）。
例子： $H^+$, $Br^+$, $NO_2^+$。
1.3 主要反應類型
理解反應類型有助於預測產物：
- 加成反應 (Addition)：兩個分子結合成一個產物。通常發生在雙鍵/三鍵處（例如烯類）。
- 取代反應 (Substitution)：一個原子或基團取代另一個原子或基團（例如鹵代烷與 $OH^-$ 反應）。
- 消除反應 (Elimination)：從一個較大的分子中移除一個小分子（如 $H_2O$ 或 $HX$），通常會形成雙鍵。
- 水解反應 (Hydrolysis)：利用水或稀酸/稀鹼斷裂化學鍵（例如酯類或醯胺類）。
- 縮合反應 (Condensation)：兩個分子連接在一起，同時脫去一個小分子（通常是 $H_2O$），例如酯化反應。
- 氧化與還原 (Oxidation and Reduction)：在有機化學中，氧化通常指增加氧或移除氫；還原指增加氫或移除氧。我們常在簡化方程式中使用 $[O]$ 或 $[H]$ 表示。
重點總結：有機反應根據鍵的斷裂方式（裂解）以及參與的反應物種類型（親核試劑/親電試劑）進行分類。
2. 烷類：自由基取代反應 (FRS)
烷類是飽和碳氫化合物（僅含單鍵 C-C）。它們通常不活潑，原因是：
1. $C-H$ 和 $C-C$ 鍵很強，斷裂需要大量能量。
2. $C-H$ 鍵的極性極低，因此不會吸引極性試劑（如親核試劑或親電試劑）。
2.1 鹵化反應：自由基取代反應機制
烷類只有在紫外線或高溫存在下，才會與鹵素（$Cl_2$ 或 $Br_2$）反應。這是一個取代反應，其中氫原子被鹵素原子取代。
試劑與條件： $Cl_2$ 或 $Br_2$ 以及 紫外線（或加熱）。
分步機制：FRS（例如甲烷與氯反應）
- 起始階段 (Initiation)：紫外線提供能量使弱鹵素鍵發生均裂，產生兩個自由基。
\(Cl-Cl \xrightarrow{UV\ light} 2Cl\bullet\)
- 傳遞階段 (Propagation)：這是鏈式反應階段，自由基反應生成新的自由基。
步驟 1： $Cl\bullet$ 攻擊烷類，產生烷基自由基和 $HCl$。
\(CH_4 + Cl\bullet \rightarrow \bullet CH_3 + HCl\)
步驟 2： 烷基自由基攻擊 $Cl_2$ 分子，生成產物並再生原始類型的自由基 ($Cl\bullet$)。
\(\bullet CH_3 + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + Cl\bullet\) - 終止階段 (Termination)：任何兩個自由基結合，結束鏈式反應並產生穩定分子。這常導致產物混合。
\(Cl\bullet + Cl\bullet \rightarrow Cl_2\)
\(\bullet CH_3 + Cl\bullet \rightarrow CH_3Cl\)
\(\bullet CH_3 + \bullet CH_3 \rightarrow CH_3CH_3\)
常見錯誤：忘記 FRS 通常會產生混合產物（例如單取代、二取代、三取代產物，以及終止階段產生的長鏈烷類）。
重點總結：由於強且無極性的鍵，烷類僅透過自由基取代反應進行，並需由紫外線引發。
3. 烯類：親電加成反應
烯類是含有 $C=C$ 雙鍵的不飽和碳氫化合物。雙鍵由一個強的 $\sigma$ 鍵和一個弱的 $\pi$ 鍵組成。 $\pi$ 鍵電子密度高且容易斷裂，使烯類具有高活性，特別是對親電試劑。
3.1 親電加成反應機制 (EAS)
機制涉及親電試劑攻擊電子密度高的雙鍵，導致形成單一產物。
一般步驟：
- 來自 $C=C$ $\pi$ 鍵的電子對攻擊親電試劑 ($E^+$)，形成碳陽離子（碳原子僅有 3 個鍵且帶正電荷的物種）。
- 帶負電荷的物種（親核試劑，$Nu^-$）迅速攻擊帶正電的碳陽離子。
3.2 主要加成反應與試劑
- 氫化反應 (Addition of Hydrogen)：形成烷類。
試劑/條件： $H_2(g)$ 和 鉑/鎳催化劑，加熱。 - 鹵化反應 (Addition of Halogens)：形成鹵代烷（例如 $Br_2$ 使棕色溶液褪色）。用作檢驗不飽和度的實驗。
試劑/條件： $X_2$（例如 $Br_2$），溶於惰性溶劑如 $CCl_4$ 或溴水，室溫。 - 氫鹵化反應 (Addition of Hydrogen Halides)：形成鹵代烷。
試劑/條件： $HX(g)$，室溫。 - 水合反應 (Addition of Steam)：形成醇類。
試劑/條件： $H_2O(g)$（蒸氣）和 $H_3PO_4$ 催化劑，加熱/高壓。 - 輕微氧化：形成二元醇 (diol)。
試劑/條件： 冷、稀、酸化 $KMnO_4$。（顏色變化：紫色變無色/棕色沉澱）。 - 強力氧化：導致 $C=C$ 雙鍵斷裂，生成酮、羧酸或 $CO_2$。這用於確定原始雙鍵的位置。
試劑/條件： 熱、濃、酸化 $KMnO_4$。
3.3 馬可尼可夫規則 (Markovnikov's Rule) 與碳陽離子穩定性
當不對稱試劑（如 $HX$ 或 $H_2O$）加成到不對稱烯類（如丙烯）時，可能產生兩種產物。馬可尼可夫規則有助於預測主要產物。
規則（簡化版）：試劑的氫原子會加成到雙鍵中氫原子較多的那個碳原子上。
化學解釋：這是因為反應透過最穩定的中間體碳陽離子進行。烷基 ($R$) 具有誘導效應，提供電子密度，有助於穩定碳陽離子上的正電荷。
穩定性順序： 三級 ($3^\circ$) > 二級 ($2^\circ$) > 一級 ($1^\circ$)
比喻： 想像碳陽離子是「生病」了。圍繞它的烷基越多（三級），它就有越多「朋友」分擔正電荷的負擔，使其更加穩定。
重點總結：由於 $\pi$ 鍵較弱，烯類進行親電加成反應。馬可尼可夫規則是由碳陽離子中間體的穩定性順序 ($3^\circ > 2^\circ > 1^\circ$) 所決定的。
4. 鹵代烷：親核取代 ($S_N$) 與消除反應
鹵代烷含有 $C-X$ 鍵 ($X = Cl, Br, I$)。由於鹵素的電負性遠大於碳，化學鍵呈現極性（$\delta^+C-X\delta^-$）。這使得碳原子易受親核試劑的攻擊。
4.1 親核取代反應
鹵素 ($X$) 被親核試劑 ($Nu^-$) 取代。$C-X$ 鍵斷裂，形成新的 $C-Nu$ 鍵。
| 試劑/條件 | 親核試劑 | 產物 |
|---|---|---|
| $NaOH(aq)$，加熱 | $OH^-$ | 醇（水解） |
| 乙醇中的 $KCN$，加熱 | $CN^-$ | 腈（碳鏈增加一個碳原子） |
| 乙醇中的 $NH_3$，密封管/加壓 | $NH_3$ | 胺（一級） |
4.2 消除反應（形成烯類）
鹵代烷也可以進行消除反應生成烯類。
試劑與條件： 乙醇中的 $NaOH$，加熱。（注意：使用水溶液 $NaOH$ 會導致取代反應；使用乙醇溶液 $NaOH$ 則導致消除反應。）
4.3 機制：$S_N1$ 與 $S_N2$
機制取決於鹵代烷的結構（$1^\circ$, $2^\circ$, 或 $3^\circ$）。
- $S_N2$ (雙分子親核取代)：
這是一個單步機制。親核試劑在 $C-X$ 鍵斷裂的同時攻擊碳原子。
傾向： 一級 ($1^\circ$) 鹵代烷（位阻最小）。 - $S_N1$ (單分子親核取代)：
這是一個兩步機制。- 慢步驟（速率決定步驟）：$C-X$ 鍵斷裂，形成平面型碳陽離子（三級碳陽離子因誘導效應而高度穩定）。
- 快步驟：親核試劑攻擊碳陽離子。
4.4 相對反應性
鹵代烷在取代反應中的活性主要取決於 $C-X$ 鍵的強度。鍵越弱越容易斷裂。
- 鍵強度順序： $C-Cl > C-Br > C-I$
- 反應性順序： 碘代烷 > 溴代烷 > 氯代烷
這種差異可透過與乙醇中硝酸銀溶液的反應來證實：
形成沉澱的速率反映了鍵強度（$C-I$ 最快形成黃色 $AgI$；$C-Cl$ 最慢形成白色 $AgCl$）。
快速複習：鹵代烷
$1^\circ$：主要是 $S_N2$，僅在乙醇鹼液下發生消除反應。
$3^\circ$：主要是 $S_N1$，因穩定的碳陽離子中間體而反應更快。
5. 醇類與酚類：氧化與酸性
5.1 醇類 (R-OH)
醇類根據連接在帶 -OH 基團碳上的碳原子數量進行分類（$1^\circ, 2^\circ, 3^\circ$）。
A. 合成醇類的反應
- 來自烯類：水蒸汽的親電加成 ($H_2O(g)$ 和 $H_3PO_4$ 催化劑)。
- 來自鹵代烷：使用 $NaOH(aq)$ 和加熱進行親核取代。
- 羰基化合物/羧酸還原：使用強還原劑如 $LiAlH_4$ (或僅對羰基用 $NaBH_4$)。
- 酯類水解：使用稀酸或稀鹼並加熱。
B. 醇類的特性反應
- 與金屬鈉反應：形成氫氣和烷氧化物鹽。
\(2ROH + 2Na \rightarrow 2RO^-Na^+ + H_2(g)\) - 取代反應（鹵化）：形成鹵代烷。
試劑： $HX(g)$（例如 $HBr$），或 $PCl_3/$加熱、$PCl_5$ 或 $SOCl_2$。 - 脫水反應（消除）：形成烯類（水合反應的逆過程）。
試劑： 加熱催化劑（如 $Al_2O_3$）或 濃 $H_2SO_4$。 - 酯化反應：與羧酸反應生成酯（縮合反應）。
試劑： 羧酸，濃 $H_2SO_4$ 催化劑。你知道嗎？ 該反應緩慢且可逆，因此需要強酸催化劑。
C. 氧化反應（關鍵區分點）
氧化是區分醇類級別最重要的反應。 試劑： 酸化重鉻酸鉀(VI) ($K_2Cr_2O_7$)（橙變綠）或酸化高錳酸鉀(VII) ($KMnO_4$)（紫變無色）。
- 一級 ($1^\circ$) 醇：
- 至醛：使用蒸餾法立即移走醛產物（防止進一步氧化）。
- 至羧酸：使用回流法（持續加熱）以確保完全氧化。
- 二級 ($2^\circ$) 醇：氧化至酮（酮不易再被溫和氧化）。
- 三級 ($3^\circ$) 醇：在這些溫和條件下無法被氧化。
D. 碘仿測試 (Iodoform Test)
此測試檢測 $CH_3CH(OH)-$ 基團（或羰基化合物中的 $CH_3CO-$ 基團）的存在。
試劑： 鹼性 $I_2(aq)$（或 $I_2$ 與 $NaOH(aq)$）。
陽性結果： 形成三碘甲烷 ($CHI_3$) 的黃色沉澱。
5.2 酚 (苯接 -OH)
酸性比較
酚的酸性遠高於乙醇，但低於羧酸。
酸性順序： 羧酸 > 酚 > 水 > 乙醇
解釋： 酚的酸性源於負電荷透過離域作用進入苯環，從而穩定苯氧根離子 ($C_6H_5O^-$)。乙醇缺乏這種穩定機制。
酚的反應
-OH 基團是強給電子基團，使苯環對親電取代反應高度活潑，特別是在 2-, 4-, 和 6- 位。
- 與鹼反應：與 $NaOH(aq)$ 反應生成苯氧鈉（與羧酸不同，酚不與碳酸鹽反應）。
- 硝化反應：僅需室溫下的稀 $HNO_3(aq)$（相比苯需要濃酸與加熱），即可形成 2- 和 4- 硝基酚。
- 溴化反應：與溴水 ($Br_2(aq)$) 瞬間反應，使溴水褪色並形成 2,4,6-三溴酚的白色沉澱。
重點總結：氧化對於區分醇類至關重要。酚因電荷離域穩定而比水和乙醇更具酸性，使其苯環易受親電攻擊。
6. 羰基化合物：醛與酮
羰基化合物含有 $C=O$ 官能基。氧原子電負性很高，產生強偶極（$\delta^+C=O\delta^-$）。這意味著碳原子缺電子，易受親核試劑攻擊。
6.1 親核加成反應機制
主要反應類型為親核加成。親核試劑攻擊 $\delta^+$ 碳，打開 $\pi$ 鍵。
A. 還原為醇
醛和酮可被還原回醇類。
- 醛還原為一級 ($1^\circ$) 醇。
- 酮還原為二級 ($2^\circ$) 醇。
試劑： $NaBH_4$（硼氫化鈉）或 $LiAlH_4$（氫化鋁鋰）。注意：$NaBH_4$ 較安全且僅還原羰基；$LiAlH_4$ 強得多，也能還原羧酸。
B. 羥基腈的形成
與氰化氫反應生成羥基腈，使碳鏈長度增加一個碳。
試劑/條件： $HCN$（氰化氫），以 $KCN$ 為催化劑，加熱。
機制： 反應由 $CN^-$ 離子催化。親核性的 $CN^-$ 攻擊羰基碳，隨後由 $HCN$ 或水進行質子化。
6.2 化學檢測（檢測與區分）
- 2,4-DNPH 測試：(檢測)
此測試檢測任何羰基（醛或酮）的存在。
結果： 形成黃色、橙色或紅色沉澱（腙衍生物）。 - Fehling 試劑/Tollens 試劑：(區分：醛與酮)
醛在溫和條件下容易被氧化成羧酸，而酮不能。- Tollens 試劑（氨銀溶液）：
醛： 在試管壁形成銀鏡。
酮： 無反應。 - Fehling 溶液（鹼性銅(II)離子）：
醛： 藍色溶液變為紅色/棕色沉澱（氧化亞銅）。
酮： 無反應。
- Tollens 試劑（氨銀溶液）：
- 碘仿測試：(檢測 $CH_3CO-$ 基團)
此測試檢測甲基羰基（$CH_3CO-R$，其中 $R$ 可為 $H$ 或烷基）的存在。
試劑： 鹼性 $I_2(aq)$。
結果： 形成黃色沉澱 ($CHI_3$)。（乙醛和丙酮呈陽性）。
重點總結：因極性 $C=O$ 鍵，羰基化合物進行親核加成。醛類因易被氧化而與酮類區分開來。
7. 羧酸、酯類與醯氯
7.1 羧酸 (RCOOH)
羧酸是弱酸，在水中微弱解離。它們比醇和酚強得多，因為羧酸根離子 ($RCOO^-$) 透過共振（電荷在兩個氧原子間離域）高度穩定。
A. 羧酸的合成
- 氧化：將一級醇或醛與酸化 $K_2Cr_2O_7$ 或 $KMnO_4$ 回流。
- 腈類水解：將腈與稀酸或稀鹼加熱，隨後酸化。
- 酯類水解：將酯與稀酸或稀鹼加熱，隨後酸化。
B. 羧酸的反應（酸性行為）
- 與活潑金屬反應：形成鹽和 $H_2(g)$。
例子： \(2RCOOH + 2Na \rightarrow 2RCOO^-Na^+ + H_2\) - 與鹼反應（中和）：形成鹽和 $H_2O$。
例子： \(RCOOH + NaOH \rightarrow RCOO^-Na^+ + H_2O\) - 與碳酸鹽/碳酸氫鹽反應：形成鹽、$H_2O$ 和 $CO_2(g)$。這是區分羧酸與酚的常用測試。
C. 其他反應
- 還原：使用強還原劑 $LiAlH_4$ 還原為一級醇。
- 酯化：與醇反應形成酯，由濃 $H_2SO_4$ 催化。
- 醯氯的形成：使用 $PCl_3, PCl_5$ 或 $SOCl_2$ (氯化亞碸) 將 -OH 基團置換為 -Cl。這是製備高活性衍生物的方法。
進一步氧化：甲酸 ($HCOOH$) 和乙二酸 ($HOOCCOOH$) 是獨特的，因為它們在羧基旁含有 $C-H$ 鍵，使其能進一步氧化（例如 $HCOOH$ $\rightarrow$ $CO_2$ 和 $H_2O$，可用 Tollens 或 Fehling 測試）。
7.2 酯類 (RCOOR')
酯類源自羧酸和醇。它們有香味！
- 製備：羧酸與醇的縮合反應（酸催化，使用 $H_2SO_4$）或醇/酚與醯氯反應。
- 水解：斷裂酯鍵。
- 酸性水解（稀酸回流）：形成原始羧酸和醇（可逆）。
- 鹼性水解（皂化，稀鹼回流）：形成羧酸鹽和醇（不可逆，用於製皂）。
7.3 醯氯 (RCOCl)
醯氯是最活潑的羧酸衍生物，因為氯原子的強誘導效應和 $C=O$ 基團使得羰基碳具高度 $\delta^+$。
它們透過加成-消除機制（有時稱為親核醯基取代）輕易反應，甚至在室溫下也是如此。
| 試劑 | 產物 | 副產物 |
|---|---|---|
| $H_2O$ (水解) | 羧酸 | $HCl$ |
| 醇 ($R'OH$) | 酯 | $HCl$ |
| 氨 ($NH_3$) | 醯胺 (一級) | $HCl$ |
| 一級胺 ($R'NH_2$) | 醯胺 (二級) | $HCl$ |
反應性提醒：醯氯水解比烷基氯（鹵代烷）快得多，而烷基氯比芳基氯（鹵代芳烴）快得多。
重點總結：羧酸為弱酸，因共振穩定。醯氯活性極高，透過加成-消除機制輕鬆形成酯和醯胺。
8. 含氮化合物：胺、腈、醯胺與氨基酸
8.1 一級胺 ($RNH_2$ 或 $ArNH_2$)
A. 胺的鹼性
胺是 Brønsted-Lowry 鹼，因為氮原子有一對孤對電子可接受質子 ($H^+$)。
鹼性順序（水溶液中）： 乙胺 > 氨 > 苯胺
- 烷基胺（乙胺）：烷基 ($CH_3CH_2-$) 有誘導效應，將電子密度推向氮原子，使孤對電子更易接受 $H^+$。（鹼性較強）。
- 氨 ($NH_3$)：基礎鹼。
- 苯胺 ($C_6H_5NH_2$)：氮上的孤對電子離域進入苯環，降低了接受質子的能力。（鹼性較弱）。
B. 胺的合成
合成通常涉及還原：
- 來自鹵代烷：在加壓加熱下與乙醇中的 $NH_3$ 反應。（注意：難以控制，常同時生成二級和三級胺）。
- 來自醯胺：使用 $LiAlH_4$ 還原羰基 ($C=O$)。
- 來自腈：使用 $LiAlH_4$ 或 $H_2/Ni$ 還原腈基 ($-C\equiv N$)。
- 苯胺（芳香胺）：由硝基苯製備（苯硝化後），接著用熱 $Sn$/濃 $HCl$ 還原，然後用 $NaOH(aq)$ 處理。
8.2 醯胺 (RCONH$R'$)
醯胺由醯氯與氨或一級/二級胺反應形成。
- 水解：像酯類一樣，醯胺可透過與稀酸或稀鹼加熱水解，產生羧酸（或羧酸鹽）和胺（或銨鹽）。
- 還原：由 $LiAlH_4$ 還原形成胺。
醯胺的鹼性遠弱於胺，因為氮的孤對電子部分向鄰近的羰基氧離域。
8.3 氨基酸
這些分子同時含有酸性的 羧基 (-COOH) 和鹼性的 胺基 ($-\text{NH}_2$)。
- 兩性離子 (Zwitterions)：在溶液中，酸會質子化胺基，形成稱為兩性離子的偶極離子 ($H_3N^+CHRCOO^-$)。分子主要以兩性離子存在的 $pH$ 值稱為等電點。
- 肽鍵：氨基酸透過羧基與另一個氨基酸的胺基縮合，形成醯胺鍵，在生物學背景下稱為肽鍵。
8.4 偶氮化合物 (僅限 A Level)
偶氮化合物 ($R-N=N-R'$) 常作為染料，因其能強烈吸收光。
關鍵反應（重氮化與偶合）：
- 苯胺與亞硝酸 ($HNO_2$，由 $NaNO_2$ 和稀酸在反應中原位生成) 在 $10^\circ C$ 以下反應形成重氮鹽** ($ArN_2^+$)。
- 此重氮鹽接著與活化的芳香分子（如 $NaOH(aq)$ 中的酚）偶合，形成帶有 $-N=N-$ 偶氮基團的偶氮化合物**。
重點總結：因有孤對電子，胺具鹼性，但受電子供給烷基影響（增強）或環離域（減弱）而改變。氨基酸形成兩性離子並透過肽鍵連接。
9. 芳烴（芳香族化合物）：親電取代反應 (EAS)
像苯這樣的芳烴，因離域 $\pi$ 電子系統**而非常穩定。與烯類不同，它們不進行加成反應，因為那會破壞芳香環的穩定性。相反，它們透過親電芳香取代 (EAS)** 反應。
9.1 一般機制：親電芳香取代
需要強親電試劑 ($E^+$)，通常由路易斯酸催化劑**（如 $AlCl_3$）生成。
- 親電試劑攻擊離域 $\pi$ 系統，形成高度不穩定的正電荷中間體（環己二烯陽離子）。此步驟破壞了芳香性，反應緩慢。
- 鹼從中間體移除質子 ($H^+$)，再生離域環結構，從而恢復芳香穩定性**。此步驟很快。
9.2 苯的主要反應
所有這些反應都需要加熱和強催化劑來生成強親電試劑。
| 反應 | 試劑/條件 | 親電試劑 | 產物 |
|---|---|---|---|
| 硝化 | 濃 $HNO_3$ 和 濃 $H_2SO_4$, $25-60^\circ C$ | $NO_2^+$ (硝基正離子) | 硝基苯 |
| 鹵化 | $Cl_2$ 或 $Br_2$ 和催化劑 ($AlCl_3$ 或 $AlBr_3$) | $X^+$ (極化鹵素) | 鹵代芳烴 |
| 傅-克烷基化 | $CH_3Cl$ 和 $AlCl_3$ (催化劑), 加熱 | $CH_3^+$ | 甲基苯 (甲苯) |
| 傅-克醯基化 | $CH_3COCl$ (醯氯) 和 $AlCl_3$, 加熱 | $CH_3CO^+$ | 苯乙酮 |
| 氫化（加成） | $H_2$, 鉑/鎳催化劑, 加熱, 高壓 | N/A (特殊情況) | 環己烷 (破壞芳香性) |
9.3 烷基苯的反應（側鏈）
如果芳烴有烷基側鏈（如甲基苯），環保持穩定，但側鏈在不同條件下可反應：
- 側鏈鹵化：在紫外線**存在下與 $Cl_2$ 或 $Br_2$ 反應（自由基取代）。與烷類反應相同。
- 側鏈完全氧化：使用熱鹼性 $KMnO_4$**，隨後酸化，可將側鏈（無論長度）轉換為羧基，生成苯甲酸**。
9.4 取代基的定位效應
當單取代苯環進行第二次取代時，第二個取代基的位置取決於已有的基團。
- 2, 4, 6-定位基 (鄰/對位引導)：這些基團透過將電子推入環中來活化**環（使其更活潑）。
例子： $-NH_2, -OH, -R$ (烷基)。 - 3-定位基 (間位引導)：這些基團透過將電子從環中拉出而鈍化**環（使其活性降低）。
例子： $-NO_2, -COOH, -COR$。
9.5 鹵代芳烴與鹵代烷
鹵代芳烴（如氯苯）對親核取代的活性遠低於**鹵代烷（如氯乙烷）。
解釋： 在鹵代芳烴中，鹵素上的孤對電子部分離域進入苯環。這使得 $C-X$ 鍵更短且更強**，需要更多能量才能斷裂，因此取代困難。
重點總結：苯因其穩定性而透過催化劑生成的強親電試劑進行親電取代 (EAS)。取代基決定了下一個基團的攻擊位置。
10. 聚合反應：製造巨大分子
聚合是將許多小分子（單體**）連接在一起形成巨大鏈狀分子（聚合物**）的過程。
10.1 加成聚合
當單體含有 $C=C$ 雙鍵（通常為烯類）時發生。$\pi$ 鍵斷裂，單體間形成單鍵，產生單一聚合物產物。
- 單體： 乙烯 ($C_2H_4$) $\rightarrow$ 聚合物： 聚乙烯 (poly(ethene))
- 單體： 氯乙烯 $\rightarrow$ 聚合物： 聚氯乙烯 (PVC)
重複單元：透過打開單體的雙鍵來推導重複單元。
10.2 縮合聚合 (僅限 A Level)
縮合聚合物形成於兩種不同單體（或含有兩種不同官能基的單體）反應時，同時脫去小分子（通常是 $H_2O$ 或 $HCl$**）。單體必須是雙官能基**（如二元醇和二元羧酸）。
A. 聚酯 (酯鍵)
由以下反應形成：
1. 二元醇** (-OH) 和 二元羧酸** (-COOH)。
2. 二元醇** 和 二元醯氯**（較活潑）。
3. 單一 羥基羧酸**（同時含有 -OH 和 -COOH）。
B. 聚醯胺 (醯胺/肽鍵)
由以下反應形成：
1. 二元胺** ($-NH_2$) 和 二元羧酸**。
2. 二元胺** 和 二元醯氯**（較活潑）。
3. 單一 氨基羧酸**（同時含有 $-NH_2$ 和 -COOH，如氨基酸）。
10.3 可降解聚合物
聚合物處理是環保重點。
- 聚烯烴 (加成聚合物)：化學惰性（不活潑），因為僅含有強 $C-C$ 和 $C-H$ 鍵。這使它們不可生物降解**。焚燒時也會產生有害燃燒產物。
- 聚酯與聚醯胺 (縮合聚合物)：是可生物降解的**，因為它們含有易被酸性或鹼性水解**斷裂的官能基（酯/醯胺鍵）。
- 部分聚合物亦可透過光降解。
重點總結：加成聚合物（如聚乙烯）惰性且難以處理。縮合聚合物（聚酯/聚醯胺）含有可經水解生物降解的連結。
11. 有機合成：整合步驟
有機合成涉及規劃多步路線，從起始原料製備目標分子。這需要你向前或向後運用各章所學的反應類型。
策略建議：
- 識別變化：需要創建或轉換什麼官能基？碳鏈長度是否改變？
- 逆向工作 (逆合成)：觀察最終產物。直接前體是什麼？什麼反應生成了該基團？
- 填寫試劑與條件：確保為每個步驟**指定正確的試劑、溶劑（如水溶液與乙醇溶液）、溫度（如加熱與低溫）以及催化劑。
- 注意副產物：意識到可能的競爭反應或不需要的副產物（例如 FRS 總是產生多種取代產物）。
邏輯示例： 如果你需要製備一級胺**，你知道兩條主要路線：
A) 醯胺還原（醯胺 $\rightarrow$ 胺，經 $LiAlH_4$）。
B) 腈還原（腈 $\rightarrow$ 胺，經 $LiAlH_4$）。
現在，如何製備腈？從鹵代烷透過親核取代（乙醇中的 $KCN$）。這種邏輯鏈條有助於設計多步路線！