11/28/2022 01403221-65 เคมีอินทรียค ์ ืออะไร ? • คือวิชาทีศึกษาเกียวกับสารประกอบของธาตุ C ยกเว้น เคมีอินทรีย:์ บทนํา – – – – – – (Organic Chemistry: Introduction) โครงการจัดตังภาควิชาเคมี คณะศิลปศาสตร์และวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตกําแพงแสน เกลือคาร์บอเนต เช่น Na2CO3, CaCO3 เกลือไฮโดรเจนคาร์บอเนต เช่น NaHCO3 เกลือไซยาไนด์ เช่น NaCN เกลือไซยาเนต เช่น NH4NCO สารประกอบออกไซด์ เช่น CO, CO2 สารประกอบทีมี C เปนองค์ประกอบธาตุเดียว เช่น เพชร แกรไฟต์ • ตัวอย่างสารประกอบอินทรีย์ เช่น ชีวโมเลกุล (ลิปด โปรตีน คาร์โบไฮเดรต ดีเอ็นเอ อาร์เอ็นเอ) อาหาร ผ้า ยาง พลาสติก ยา รักษาโรค ยาฆ่าแมลง ยาปราบศัตรูพืช นํามันเชือเพลิง ผลึกเหลว ในหน้าจอมือถือและคอมพิ วเตอร์ 1 1 2 2 ประวัติวิชาเคมีอินทรีย์ ทําไมสารอินทรีย์มีจํานวนมาก? • ค.ศ. 1770 แบ่งวิชาเคมีเปน – สารอนินทรีย์ ได้จากสิงไม่มีชีวิต เช่น แร่ธาตุต่างๆ – สารอินทรีย์ ได้จากสิงมีชีวิตทังพื ชและสัตว์ • คาร์บอนเกิดพั นธะโควาเลนต์ระหว่างคาร์บอน ซึงอาจเกิดพั นธะเปน สายโซ่ยาวหรือสัน กิงก้าน หรือ เปนวง • ค.ศ. 1828 สังเคราะห์สารอินทรีย์ได้จากสารอนินทรีย์ เกิดไอไซเมอร์เมือ คาร์บอน 4 อะตอม • ค.ศ. 1858 พบว่า คาร์บอนเกิดพั นธะได้ 4 พั นธะและ จัดตัวแบบ ทรงสีหน้า (tetrahedron) 3 3 4 4 11/28/2022 โครงแบบอิเล็กตรอนของธาตุคาร์บอน ทําไมสารอินทรีย์มีจํานวนมาก? • คาร์บอนอาจต่อกันด้วยพั นธะเดียว พั นธะคู่ หรือพั นธะสามได้ • การจัดเรียงอิเล็กตรอน 1s2 2s2 2p2 • เวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 4 คือ 2s2 2p2 • s-orbital มีรูปร่างเปนทรงกลม • p-orbital มีรูปร่างเปนดัมเบล จํานวน 3 ออร์บิทัล วางตังฉากกัน ในแนวแกน x, y และ z • คาร์บอนเกิดพั นธะกับอะตอมอืนได้ 5 5 6 6 ทฤษฏีพันธะเวเลนซ์ ทฤษฏีพันธะเวเลนซ์ • พั นธะโควาเลนต์เกิดจากซ้อนเหลือมของ atomic orbital ทีมี อิเล็กตรอนเดียว • เวเลนซ์ออร์บิทัลของคาร์บอนต้องเกิดการผสม (hybridization) ให้ได้ออร์บท ิ ัลลูกผสม (hybrid orbital) ก่อนสร้างพั นธะ ั ทีผสมกัน • จํานวนออร์บิทัลลูกผสมจะเท่ากับจํานวนเวเลนซ์ออร์บิทล เช่น ผสม s + p ให้ sp + sp ์ ี 2 ประเภท • พั นธะโควาเลนต์ของคาร์บอนในสารอินทรียม ผสม s + p + p ให้ sp2 + sp2 + sp2 ตามลักษณะการซ้อนเหลือมของ ออร์บิทัล • พั นธะซิกมา () • พั นธะไพ () ั ลูกผสม • รูปทรงโมเลกุลของสารอินทรีย์ขนกั ึ บชนิดของออร์บิทล 8 7 7 8 11/28/2022 Hybridization sp3-hybridization ประกอบด้วย 2 ขัน คือ • กระตุ้นให้ออร์บิทัลมีพลังงานเท่ากัน เกิดการจัดเรียงอิเล็กตรอน ใหม่ เหลือเพี ยงออร์บท ิ ัลละ1 อิเล็กตรอน • ผสม 2s กับ 2p จํานวน 3 ออร์บิทัล • เกิดออร์บิทัลลูกผสม ซึงมีทังหมด 3 แบบ คือ sp3, sp2 และ sp (แต่ละแบบต่างกันทีจํานวนของออร์บิทล ั ทีผสมกัน) ข้อสังเกต ออร์บิทัลลูกผสมเกิดพั นธะโควาเลนต์แบบ sigma เท่านัน 9 9 10 10 sp3-hybridization sp2-hybridization • ผสม 2s และ 2p จํานวน 2 ออร์บิทัล • เพิ มเติม: การเกิดพั นธะของออร์บิทล ั sp3 ของ C ในโมเลกุล ethane (C2H6) 11 11 12 12 11/28/2022 sp2-hybridization sp-hybridization • เพิ มเติม: ภาพออร์บิทล ั sp2 และการสร้างพั นธะ และ ของ C ในโมเลกุล ethene • ผสม 2s และ 2p จํานวน 1 ออร์บิทัล 13 13 14 14 sp-hybridization Hybridization • เพิ มเติม: ภาพออร์บิทล ั sp2 และการสร้างพั นธะ และ ของ C ในโมเลกุล ethyne • เปรียบเทียบมุม ความยาวและพลังงานพั นธะ พั นธะ มุมพั นธะ (องศา) ความยาว พั นธะ (A) พลังงาน พั นธะ (kJ/mol) sp3 C-C 109.5 1.53 348 sp2 C=C 120 1.09 614 sp CC 180 1.06 839 16 15 15 Hybrid orbital 16 11/28/2022 อิเล็กตรอนคู่โดดเดียว การเขียนสูตรโครงสร้าง • อิเล็กตรอนคู่โดดเดียว (lone pair of electrons) เปนคู่ Expanded formula อิเล็กตรอนบรรจุเต็มในออร์บิทล ั แต่ไม่ได้เกิดพั นธะ เช่น Condensed formula Skeletal structure – โมเลกุลของแอมโมเนีย มีอิเล็กตรอนคู่สร้างพั นธะ 3 คู่ และมี อิเล็กตรอนคู่โดดเดียว 1 คู่ – โมเลกุลของนํา มีอิเล็กตรอนคู่สร้างพั นธะ 2 คู่ และอิเล็กตรอนคู่ โดดเดียว 2 คู่ 17 17 18 18 สภาพขัวของโมเลกุล สภาพขัวของโมเลกุล • สภาพขัวไฟฟาของพั นธะโควาเลนต์ (dipole) เกิดจากค่า EN ของ คู่อะตอมทีสร้างพั นธะกัน – ถ้าพั นธะเกิดจากคู่อะตอมทีมี EN เท่ากันจะไม่มข ี ว ั – ถ้าพั นธะเกิดจากอะตอมทีมี EN ต่างกัน จะมีขัว โดยอะตอมทีมี EN ตํา มีขวไฟฟาบวก อะตอมทีมี EN สูง มีขัวไฟฟาลบ ั • สภาพขัวของโมเลกุลหาได้จากผลรวมแบบเวคเตอร์ของสภาพขัว • ของทุกพั นธะในโมเลกุล สภาพขัวของโมเลกุล มีผลต่อ แรงระหว่างโมเลกุล และแรงภายใน โมเลกุล • • 19 19 แรงระหว่างโมเลกุล มีผลต่อสมบัติทางกายภาพ เช่น จุดเดือด จุด หลอมเหลว และการละลาย แรงภายในโมเลกุล มีผลต่อสมบัติทางเคมี เช่น อัตราการเกิดปฏิกิริยา 20 20 11/28/2022 แรงกระทําระหว่างโมเลกุล แรงกระทําระหว่างโมเลกุล • • สภาพขัวของโมเลกุลมีผลต่อแรงกระทําระหว่างโมเลกุล • จําแนกประเภทแรงกระทําระหว่างโมเลกุล ตามสภาพขัวของโมเลกุล Dipole-dipole interaction เปน แรงระหว่างโมเลกุลทีมีขว ั (dipole) แบบถาวร – Dipole-dipole interaction – Van der Waals interaction – Hydrogen bond • ความแข็งแรงของแรงกระทําหว่างโมเลกุล: – Hydrogen bond > Dipole-Dipole > Van der Waals 21 21 22 22 แรงกระทําระหว่างโมเลกุล แรงกระทําระหว่างโมเลกุล • Van der Waals interaction เปนแรงระหว่างโมเลกุลทีไม่มีขว ั เมือโมเลกุลเกิดสภาพขัวชัวขณะ จะชักนําสภาพขัว (induce dipole) และเกิดแรงยึดเหนียวระหว่างโมเลกุล • Hydrogen bond เปนแรงระหว่างโมเลกุลทีมีขวที ั เกิดจากอะตอม F, O หรือ N ต่อกับ H • มีความแข็งแรงกว่าแรง dipole-dipole มาก • โมเลกุลทีมีพืนทีผิวมาก จะเกิดการชักนําได้มาก เกิดแรงยึดเหนียว ระหว่างโมเลกุลทีแข็งแรงกว่า 23 23 24 24 11/28/2022 สมบัติทางกายภาพ สมบัติทางกายภาพ จุดเดือด (bp.) และจุดหลอมเหลว (mp.) • บอกถึง พลังงานทีใช้ในการทําลายแรงยึดเหนียวระหว่างโมเลกุล การละลาย • “like dissolves like” สารและตัวทําละลายทีมีสภาพขัวใกล้เคียง กัน จะละลายกันได้ดี ทําให้สารเปลียนสถานะ เช่น CH4 ละลายใน CCl4 CH4 และ CCl4 ไม่ละลายใน นํา (H2O) CH3OH ละลายในนํา ี ว: ั แรงยึดเหนียวตํา (Van der Waals) ทําให้ – โมเลกุลไม่มข bp., mp. ตํา – โมเลกุลมีขัว: แรงยึดเหนียวสูง (dipole-dipole, H-bond) แรงยึดสูง ทําให้ bp., mp. สูง 25 25 26 26 Substituent effects โครงสร้างสารอินทรีย์ • แบ่งโครงสร้างสารอินทรีย์ออกเปน 2 ส่วน ตามคุณสมบัติเคมี – Reaction center (หรือ functional group) เปนส่วนใช้ จําแนกประเภทสารอินทรีย์ และเปนส่วนทีการเกิดปฏิกิรย ิ า – Substituent site คือโครงสร้างส่วนทีเหลือมีผลให้ reaction center เกิดปฏิกิริยาได้ชา้ หรือเร็ว • หมู่แทนที (substituent) ไม่เพี ยงแต่มีผลต่อ reaction center ผ่านแรงกระทําภายในโมเลกุล ยังมีผลผ่านรูปร่างของหมู่แทนทีด้วย • สามารถจําแนกผลของหมู่แทนที (substituent effects) ได้ดังนี – Electronic effect • Inductive effect • Resonance effect – Steric effect Reaction center Substituent 28 27 27 28 11/28/2022 Substituent effects Substituent effects 1. Electronic effect 1. Electronic effect มีผลต่อความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที reaction center H-CH2-RxnCenter • G มีกระทําต่อ reaction center 2 แบบ คือ inductive effect และ resonance effect G-CH2-RxnCenter • เมือเทียบกับ H ถ้า G • มีผลให้ความหนาแน่น ē ที reaction center ตําลง เรียก G ว่า electron withdrawing group • มีผลให้ความหนาแน่น ē ที reaction center สูงขึน เรียก G ว่า electron releasing group • Inductive effect เปนการดึง ē ผ่านพั นธะซิกมาด้วย EN เช่น Cl-CH2COOH มีความเปนกรดสูงกว่า CH3COOH เพราะ Cl ดึง ē จาก COOH ยังผลให้ O-H แตกง่าย เกิด H+ มากขึน • Resonance effect เกียวกับการเคลือนทีของ ē ผ่านพั นธะ โดยเฉพาะ substituent ต่อกับ reaction center ด้วย พั นธะ (กล่าวโดยละเอียดในบทสารประกอบอะโรมาติก) 29 29 30 30 Substituent effects การแบ่งประเภทของสารอินทรีย์ 2. Steric effect ขึนกับรูปร่างและความเกะกะของ substituent 31 31 32 32 11/28/2022 การแบ่งประเภทของสารอินทรีย์ การแบ่งประเภทของสารอินทรีย์ 33 33 34 34 การแตกพั นธะ ปฏิกิริยาของสารอินทรีย์ • Homolytic cleavage เกียวข้องกับ • ลักษณะการแตกพั นธะของสารตังต้น – เมือแตกพั นธะ แต่ละชินส่วนได้รับ e- ทีเคยใช้ในการสร้างพั นธะไปเท่าๆ กัน – แต่ละชินส่วนมีประจุเปนกลาง และมีอิเล็กตรอนเดียว (เปนอนุมูลเสรี (free radical)) – Homolytic Cleavage – Heterolytic Cleavage ิ ากับสารตังต้น • ลักษณะของสารทีเข้าทําปฏิกิรย – Nucleophile – Electrophile – Free Radical • Heterolytic cleavage – เมือแตกพั นธะ ชินส่วนหนึงได้รับ e- ทีเคยใช้ในการสร้างพั นธะมากกว่าอีก ชินส่วนหนึง – มีชินส่วนทีเปนประจุบวก และประจุลบ • ประเภทของปฏิกิรย ิ า – Substitution Reaction – Addition Reaction – Elimination Reaction 35 35 36 36 11/28/2022 สารเข้าทําปฏิกิริยา ประเภทของปฏิกิริยา • Substitution reaction อะตอมหรือหมู่อะตอมทีเกาะกับ C ถูก แทนที สารเข้าทําปฏิกิรย ิ ากับสารตังต้น 3 ประเภท ตามโครงสร้างเคมี • Nucleophile หรือ Lewis base • สารทีให้คู่อิเล็กตรอนแก่สารอืนชอบทําปฏิกิริยากับตําแหน่งของสารตัง ต้นทีมีสภาพขัวไฟฟาบวก • ตัวอย่าง เช่น OH- , CN- , NH3, R-OH , RO- • Electrophile หรือ Lewis acid ิ ว • Addition reaction เพิ มอะตอมหรือหมู่อะตอมในสารทีไม่อมตั • สารทีขาดหรือสามารถรับคู่อิเล็กตรอน • ตัวอย่าง เช่น H3O+ , BF3 , AlCl3 • Free Radical • Elimination reaction กําจัดอะตอมหรือหมู่อะตอมออกจากสาร ตังต้น • สารทีทีมีอิเล็กตรอนเดียว ว่องไวในการทําปฏิกิริยา • ตัวอย่าง เช่น Cl, CH3 37 37 38 38