普考-化學工程有機化學概要104 年第 6 題單選題
下列何者結構最不穩定?
B正確答案
橋接雙環系統中,小環(如雙環[2.2.1])的橋頭碳不能有雙鍵,違反 Bredt 規則會產生極大環張力,故最不穩定。
為什麼答案是 B
此為雙環[2.2.1]庚烷骨架,雙鍵位於橋頭碳(bridgehead carbon)。嚴重違反 Bredt 規則,因為小環無法容納 sp2 碳所需的平面結構,會產生極大的角張力與扭轉張力,極度不穩定。
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完整詳解
Pro · 無限重點 橋接雙環系統中,小環(如雙環[2.2.1])的橋頭碳不能有雙鍵,違反 Bredt 規則會產生極大環張力,故最不穩定。
找「橋接雙環骨架」且「雙鍵在三叉路口的橋頭碳」的選項。環越小越不穩定,[2.2.1] 系統的橋頭雙鍵絕對不行。
逐選項分析
A✕
此為稠環系統(fused ring,如八氫萘衍生物),雙鍵位於兩個環的融合處。融合處的碳原子可以維持 sp2 的平面幾何結構,不違反 Bredt 規則,結構穩定。
B✓ 正確
此為雙環[2.2.1]庚烷骨架,雙鍵位於橋頭碳(bridgehead carbon)。嚴重違反 Bredt 規則,因為小環無法容納 sp2 碳所需的平面結構,會產生極大的角張力與扭轉張力,極度不穩定。
C✕
此為雙環[2.2.1]庚-2-烯(降冰片烯)。雖然也是小橋接環,但雙鍵位於側邊而非橋頭碳,sp2 碳能維持正常鍵角,是常見且穩定的有機化合物。
D✕
此為較大的橋接雙環系統(如雙環[3.3.1]壬烷衍生物)。當環足夠大時,骨架具有足夠的柔性來容納橋頭雙鍵的幾何結構,雖有張力但可存在,穩定性遠高於 [2.2.1] 系統。
Bredt 規則與雙環烯烴穩定性
| 骨架類型 | 雙鍵位置 | 穩定性 | 關鍵原因 |
|---|
| 稠環 (Fused) | 環融合處 | 穩定 | 可維持 sp2 平面結構 |
| 小橋接環 ([2.2.1]) | 橋頭碳 | 極不穩定 | 違反 Bredt 規則,張力極大 |
| 大橋接環 ([3.3.1]+) | 橋頭碳 | 可存在 | 環夠大,可容納幾何張力 |
考生容易混淆「稠環(fused)」與「橋接環(bridged)」。稠環的共用邊雙鍵是穩定的,但橋接環的橋頭雙鍵在小環中極不穩定。需精準辨識骨架是「兩個環共用一條邊」還是「兩個環被一個橋連接」。