เคมีอินทรีย์เบื้องต้น

Organic Chemistry เคมีอินทรีย์ อ. วราภรณ์ บญุ ยรตั น์

บทที่ 1 เนือหา บทนาํ บทนาํ • กาํ เนิดวิชาเคมีอินทรยี ์ • ชนิดของสารอินทรยี ์ การเขียนสตู รโครงสรา้ ง • จาํ แนกชนิดหมฟู่ ังกช์ นั และการเรยี กชือหมฟู่ ังกช์ นั

สารอินทรียใ์ นชีวิตประจาํ วนั

Organic Chemistry เคมี แบง่ เป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ ไดแ้ ก่เคมีอินทรยี ์ และเคมีอนินทรยี ์ ตอ่ มา ปี ค.ศ. 1770 Torbern Bergman นกั เคมีชาวสวิส บอกความแตกตา่ ง เคมีอินทรยี ์ หมายถงึ การศกึ ษาสารเคมีทีเกิดจากสงิ มีชีวิตเท่านนั พืช สตั ว์ เคมีอนินทรยี ์ ไดม้ าจากพวกแรธ่ าตุ ซงึ เป็นสงิ ไมม่ ีชีวิต

Organic Chemistry เพราะนกั เคมีในสมยั นนั เชือวา่ ภายในสงิ มีชีวติ มีสงิ ทีเรยี กวา่ “......organic...... .......“ ซงึ เป็นพลงั ชีวิตทีทาํ ใหส้ ามารถทาํ ใหเ้ กิดสารอนิ ทรยี ไ์ ด้ ตอ่ มาปี ค.ศ. 1828 ชาว เยอรมนั สามารถสงั เคราะหย์ เู รยี (Urea) ซงึ เป็นสารอินทรยี ต์ วั หนงึ ในปัสสาวะ โดยตรงจากการเผาสาร ............ แอมโมเนียมไซยาเนต........................ซงึ เป็นสา รอนนินทรยี ไ์ ดส้ าํ เรจ็ NH+4 O- CN heat O H2N C NH2 ammonium cyanate urea

Organic Chemistry • ในระหวา่ งปี ค.ศ. 1858 - 1861 ไดเ้ สนอวา่ คารบ์ อนเป็นเตตระวาเลนท์ • คือ เกิดพนั ธะโควาเลนทใ์ นสารประกอบได้ 4 พนั ธะ • คารบ์ อนอาจเกิดพนั ธะ โควาเลนทห์ นงึ พนั ธะ หรอื มากกวา่ หนงึ พนั ธะ กบั คารบ์ อนอะตอมอืนได้ • จดั อยใู่ นรูปของ สารประกอบทีประกอบดว้ ยธาตคุ ารบ์ อน • จงึ เป็นจดุ เรมิ ตน้ ของทฤษฎีของสตู รโครงสรา้ งซงึ เป็นของหวั ใจของ วิชา เคมีอินทรยี ์

Organic Chemistry ปัจจุบันเคมอี นิ ทรียแ์ ละเคมอี นินทรียต์ า่ งกันอย่างไร • เคมีอินทรยี ์ หมายถงึ การศกึ ษาสารทีมีคารบ์ อน (C) เป็น องคป์ ระกอบหลกั • ยกเวน้ ออกไซดข์ องคารบ์ อน เช่น CO CO2 และคารบ์ อเนต (HCO3- และ CO32-) • สารอินทรยี ส์ ว่ นใหญ่ มีไฮโดรเจน (H) เป็นองคป์ ระกอบดว้ ย นอกจากนียงั มีธาตอุ ืนรว่ มดว้ ย เช่น N, O, P, S, Cl • เคมีอนินทรยี ์ ศกึ ษาเกียวกบั สารทีไมม่ ีคารบ์ อนเป็นองคป์ ระกอบ

Organic Chemistry ทฤษฎโี ครงสร้างของเคมอี นิ ทรีย์ ทฤษฎีโครงสรา้ ง (the structure theory) มีใจความสาํ คญั 2 ขอ้ คือ 1. แตล่ ะอะตอมของสารเคมีจะมีจาํ นวนพนั ธะทีแนน่ อน เรยี กวา่ พนั ธะโควา เลนต์ และใหช้ ือตามจาํ นวนพนั ธะ ดงั นี  หนงึ พนั ธะ เรยี กวา่ โมโนวาเลนซ์ (monovalent) ไดแ้ ก่ –H, -X (X=F, Cl, Br, I)  สองพนั ธะ เรยี กวา่ ไดวาเลนซ์ (Divalent) ไดแ้ ก่ .. .. O.. S.. มีอิเลก็ ตรอนคโู่ ดดเดยี ว 2 คู่  สามพนั ธะ เรยี กวา่ ไตรเวเลนซ์ (trivalent) ไดแ้ ก่ .. N มีอเิ ลก็ ตรอนคโู่ ดดเดยี ว 1 คู่  สพี นั ธะ เรยี กวา่ เตตราเวเลนซ์ (tetravalent) ไดแ้ ก่ C

Organic Chemistry ทฤษฎโี ครงสร้างของเคมอี นิ ทรีย์ ทฤษฎีโครงสรา้ ง (the structure theory) มีใจความสาํ คญั 2 ขอ้ คือ 2. คารบ์ อนเป็นเตตราเวเลนซ์ และสามารถใชใ้ นการเกิดพนั ธะได้ 3 แบบ  พนั ธะเดียว (single bond) ไดแ้ ก่ C C C C NH2 C C OH  พนั ธะคู่ (double bond) ไดแ้ ก่ C C C NH CO  พนั ธะสาม (double bond) ไดแ้ ก่ C C CN

Organic Chemistry การเขยี นสูตรโครงสร้างของเคมอี นิ ทรีย์ 1. Lewis (dot) structure เขียนสตู รโครงสรา้ งโดยแสดงอิเลก็ ตรอน ทงั หมดทีใชใ้ นการเกิดพนั ธะดว้ ยจดุ รอบอะตอม 2. Kekule’ (dash) structure เปลยี นจากจดุ เป็นเสน้ ขีดแสดงทกุ พนั ธะ 3. Bond-line structure ใชเ้ สน้ ขีดแสดงพนั ธะ C-C โดยเขียนพนั ธะ ระหวา่ ง C กบั H ทีอยตู่ ิดกนั เชน่ –CH3 และ –CH2- 4. Condensed formula ไมแ่ สดงพนั ธะ C และ H เขียนใหอ้ ยบู่ รรทดั เดียวกนั โดยใชว้ งเลบ็ ในการแยกหมวดหมขู่ องกลมุ่

Organic Chemistry การเขยี นสูตรโครงสร้างของเคมอี นิ ทรีย์ 5. Shorthand structure เป็นการเขียนโครงสรา้ งใหด้ งู า่ ยทีสดุ และสะดวกในการเขียนปฏิกิรยิ า โดยมีขอ้ ตกลงดงั นี 5.1 ไมเ่ ขียนคารบ์ อนและไฮโดรเจน (เฉพาะทีเกิดพนั ธะกบั คารบ์ อน) 5.2 ใชเ้ สน้ แสดงพนั ธะทีตอ่ กนั ดงั นนั ทกุ ปลายเสน้ ทกุ มมุ ทกุ จดุ ตดั จงึ หมายถงึ คารบ์ อน โดยตอ้ งระลกึ เสมอวา่ คารบ์ อนเป็น เตตราเวเลนซ์ หรอื มี 4 พนั ธะ รวมถงึ ตอ้ งรูเ้ วเลนซข์ องอะตอมอืน ดว้ ย

Organic Chemistry ตวั อย่างการเขยี นโครงสร้างแบบ Lewis และ Kekule’ structure สูตรโมเลกุล Lewis structure Kekule’ structure CH4 H H Methane .. HCH H :C.. : H C2H2 H H Ethane HH HH HC C H C2H6O .. .. HH Diethyl ether HH H :C.. : C: H H C O CH .. HH HH HH .. .. H :C.. : O: C: H H .. H

Organic Chemistry ตวั อย่างโครงสร้างแบบตา่ งๆ ของสารอนิ ทรยี ์ สูตรโมเลกุล Bond-line structure Condensed formula Shorthand structure C4H10 CH3CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH3 OH C5H12 CH3CH(CH3)CH2CH3 C4H10O CH3CHCH2CH3 CH3CH(OH)CH2CH3 C7H8 CH3 - CH3CHCH2CH3 OH H HC C C CH3 HC CH C H

Organic Chemistry จงเขยี นสูตรโครงสร้างแบบ Shorthand structure (C H 3C H 2)2C H C H 2C H 2C H 2C H 3 (C H 3)4C C l(C H 3)2C C H 2C H 2O H H HH C H CHH H H H H CC C C CH H CHH H H H H C HH

Organic Chemistry Carbon Atom มีสมบตั พิ ิเศษทีเรยี กวา่ Cartenation (สามารถตอ่ กนั ไดอ้ ยา่ งไมจ่ าํ กดั ) ทงั นีเพราะ carbon มีปรากฏการณท์ ี เรยี กวา่ “hybridization”

Organic Chemistry Hybridization หลกั การซอ้ นทบั กนั ของ orbital ทีมีอิเลก็ ตรอนเดียวอยู่ ไมส่ ามารถ ใชไ้ ดก้ บั โมเลกลุ ทีซบั ซอ้ นขนึ เชน่ 2p C6 2s 1s คารบ์ อนสามารถเกดิ ได้ 4 พนั ธะ

Organic Chemistry • คารบ์ อนมี e- เดยี วใน 2p orbital 2 ตวั • ควรเกดิ พนั ธะโควาเลนซไ์ ด้ 2 พนั ธะ • แตพ่ บว่าคารบ์ อนสามารถเกดิ ได้ 4 พนั ธะ • พจิ ารณาการผสมกันของออรบ์ ทิ ลั หรือ hybridization (ไฮบริ ไดเซชัน) • เกดิ เป็ น hybrid orbitals (ไฮบริดออรบ์ ทิ ลั ) • Hybrid orbitals มลี ักษณะ สมบตั ิ และระดบั พลังงานเทา่ กัน ทกุ ประการ

Organic Chemistry Orbital Hybridization ของคารบ์ อน เกิดจากการรวมตวั ของ 2s และ 2p orbital สามารถแบง่ ไดเ้ ป็น 3 ชนิด sp3-hybridization sp2-hybridization sp-hybridization

Organic Chemistry รูปร่างของ orbital s-orbital รูปร่างทรงกลม p-orbital รูปร่าง เป็ นดมั เบล (dumbbe ll) ตงั อยู่ทงั 3 แกน

sp3-hybridization • เกดิ จากการรวมกันเอง 2s orbital จาํ นวน 1 orbital และ 2p orbital จาํ นวน 3 orbital • เกดิ เป็ น hybrid orbital (sp3 orbital) จาํ นวน 4 orbital

sp3-hybridization 1(2s) + 3(2p) = 4sp3

Sigma bond (σ-bond) เกดิ การซอ้ นทบั กับของ orbital ตามแนวแกน (แนวนอน) ของอะตอม

Sigma bond (σ-bond) • มุมระหว่าง sp3 orbital ทงั 4 orbital คอื 109° • โครงสร้างแบบ tetrahedral

Sigma bond (σ-bond)

sp2-hybridization • เกดิ จากการรวมกันเอง 2s orbital จาํ นวน 1 orbital และ 2p orbital จาํ นวน 2 orbital • เกดิ เป็ น hybrid orbital (sp2 orbital) จาํ นวน 3 orbital

sp2-hybridization 1(2s) + 2(2p) = 3sp3

sp2-hybridization C มี sp2 orbital 3 orbital และ p orbital 1 orbital

ตวั อย่าง sp2-hybridization Ethene

sp-hybridization • เกดิ จากการรวมกนั เอง 2s orbital จาํ นวน 1 orbital และ 2p orbital จาํ นวน 1 orbital • เกดิ เป็ น hybrid orbital (sp orbital) จาํ นวน 2 orbital

sp-hybridization 1(2s) + 1(2p) = 2sp3

sp-hybridization C มี sp orbital 2 orbital และ p orbital 2 orbital

ตวั อย่าง sp-hybridization Ethyne Triple bond ประกอบดว้ ย 1 σ-bond และ 2 π-bond

ตวั อย่าง sp-hybridization มุมระหว่าง sp orbital ท้งั 2 orbital คือ 180° ดงั น้ัน sp-hybridized carbon จึงทาํ ให้เกดิ โครงสร้างแบบ เส้นตรง เช่น Ethyne

พนั ธะพาย (pi bond, π bond) ต้องเป็ น C-sp2 และ sp เท่าน้ัน จงึ ต้องมี p-orbital เหล่ือมซ้อนกนั ได้ C-sp2 เกดิ เป็ นพนั ธะคู่ (double bond) 1 พนั ธะ : 1 σ bond, 1 π bond C-sp เกดิ เป็ นพนั ธะสาม (triple bond) 1 พนั ธะ : 1 σ bond, 2 π bond Sigma (bond Pi (bond Triple bonds Pi (bond Double bonds 1 Sigma () and 2 Pi () 1 Sigma () and 1 Pi ()

จาํ แนกชนิดของหม่ฟู ังกช์ นั และการเรียกช่ือหม่ฟู ังกช์ นั การจดั ประเภทสารอนิ ทรีย์ มกี ารจดั หมวดหมู่สารอนิ ทรีย์ เป็ นประเภทต่างๆ – ตามหมู่ฟังกช์ ัน – ตามองคป์ ระกอบพนื ฐานของโมเลกุล – ตามลักษณะโครงสร้าง – ตามความอมิ ตัวของพนั ธะ – ตามสมบตั ขิ องทเี ป็ นแอโรมาตกิ – ตามสมบตั ทิ างเคมี

การแบง่ ตามหม่ฟู ังกช์ นั โดยแบง่ หมวดหมู่ของสารทมี หี น่วยย่อยใน โมเลกุล หรือเรียกว่า หมู่ฟังกช์ ัน ทเี หมอื นกันไว้ ดว้ ยกัน จงึ ทาํ ใหโ้ มเลกุลมสี มบตั ทิ างกายภาพ และมี สมบตั ทิ างเคมเี หมอื นกัน

การแบง่ ตามหมฟู่ ังกช์ นั 1. แอลเคน (alkane) เป็ นสารประกอบไฮโดรคารบ์ อนโดย C จะ ใช้ sp3 ไฮบริดออรบ์ ริทลั ในการสร้างพนั ธะ ดงั นันโมเลกุลของแอ ลเคนจงึ จบั กันดว้ ย พนั ธะเดยี วทงั หมด แอลเคนจงึ ไม่มหี มู่ฟังกช์ ัน ใดๆ • ในโครงสร้างเป็ นได้ทงั โซ่ตรง โซก่ งิ และวงแหวน n-Hexane 2,3-Dimethylbutane Cyclohexane

จาํ แนกชนิดของหม่ฟู ังกช์ นั และการเรียกช่ือหม่ฟู ังกช์ นั 2. แอลคนี (alkenes) เป็ นสารประกอบไฮโดรคาร์บอน ซึ่งมหี มู่ -C=C- อย่างน้อย 1 หมู่ในโมเลกลุ C จะใช้ sp2 ไฮบริดออร์บริทลั ในการสร้างพนั ธะคู่ โครงสร้างเป็ นได้ท้งั โซ่เปิ ด และวงแหวน 1-Hexene Cyclohexene

จาํ แนกชนิดของหม่ฟู ังกช์ นั และการเรียกชื่อหม่ฟู ังกช์ นั 3. แอลไคน์ (alkynes) เป็ นสารประกอบไฮโดรคาร์บอน ซ่ึงมหี มู่ C C อย่างน้อย 1 หมู่ในโมเลกลุ C จะใช้ sp ไฮบริดออร์บริทลั ในการสร้างพนั ธะสาม โครงสร้างเป็ นได้ท้งั โซ่เปิ ด และวงแหวน 1-Hexyne Cyclohexyne

จาํ แนกชนิดของหม่ฟู ังกช์ นั และการเรียกช่ือหม่ฟู ังกช์ นั 4. แฮไลน์ หรือ แฮโลแอลเคน (halides or haloalkan e) เป็ นสารประกอบทมี ธี าตุหมู่ 7 หรือ แฮโลเจน -x (x= F, Cl, Br, I) เป็ นองคป์ ระกอบในโมเลกุล โครงสร้างเป็ นได้ ทงั โซ่เปิ ด และวงแหวน Cl Br 2-Chlorohexane Bromobenzene

จาํ แนกชนิดของหม่ฟู ังกช์ นั และการเรียกชื่อหม่ฟู ังกช์ นั 5. แอลกอฮอล์ และฟี นอล (alcohols and phenols) เป็ นสารประกอบทมี ีหมู่ไฮดรอกซลิ (-OH) เป็ นองคป์ ระกอบ ในโมเลกุล เมอื หมู่ –OH ตดิ อยกู่ ับหมู่แอลคลิ เป็ น ROH จะเรียกว่า แอลกอฮอล์ เมอื มหี มู่ –OH ตดิ กับเบนซนี เป็ นแอ โรมาตกิ แอลกอฮอล์ ArOH เรียกว่า ฟี นอล OH CH3CH2OH Phenol Ethanol

จาํ แนกชนิดของหม่ฟู ังกช์ นั และการเรียกชื่อหม่ฟู ังกช์ นั 6. อเี ทอร์ (Ethers) เป็ นสารประกอบทมี หี มู่ออกซี (-OR) ในโมเลกุล โดยหมู่ทเี กาะทงั สองข้างเป็ นคารบ์ อนทมี ีหมู่อัลคลิ ซงึ เหมอื นหรือไม่เหมอื นกันกไ็ ด้ OCH3 CH3CH2OCH2CH3 Methoxy bezene Diethyl ether

จาํ แนกชนิดของหม่ฟู ังกช์ นั และการเรียกชื่อหม่ฟู ังกช์ นั 7. แอลดไี ฮด์ (Aldehydes) เป็ นสารประกอบทมี หี มู่คารบ์ อกซาลดไี ฮด์ O ( C H ) ในโมเลกุล โดยพนั ธะหนึงจะจับกับไฮโดรเจนหรือ คารบ์ อนทเี ป็ นหมู่อัลคลิ กไ็ ด้ O O HCH H Methanal Butanal

จาํ แนกชนิดของหม่ฟู ังกช์ นั และการเรียกช่ือหม่ฟู ังกช์ นั O 8. คโี ตน (Ketones) เป็ นสารประกอบทมี หี มู่คารบ์ อนิล( C ) ในโมเลกุล โดยหมู่ทเี กาะทงั สองข้างเป็ นคารบ์ อนทมี หี มู่อัลคลิ ซงึ เหมอื น หรือไม่เหมอื นกันกไ็ ด้ O C O CH3 2-Pentanone Acetophenone

จาํ แนกชนิดของหม่ฟู ังกช์ นั และการเรียกช่ือหม่ฟู ังกช์ นั 9. กรดคารบ์ อกซลิ ิก (Carboxylic acids) เป็ น O สารประกอบทมี ีหมู่คารบ์ อกซลิ ( C OH ) ในโมเลกุล O C OH CH3COOH Benzoic acid Ethanoic acid

จาํ แนกชนิดของหม่ฟู ังกช์ นั และการเรียกช่ือหม่ฟู ังกช์ นั 10. เอสเทอร์ (Ester) เป็ นอนุพนั ธข์ องกรดคารบ์ อกซลิ กิ ที O มคี ารโ์ บแอลคอกซี ( C O R ) ในโมเลกุล โดย- R จะเป็ นแอลคลิ หรือ แอลริล (Aryl, -Ar) O O C CH3COC2H5 OCH3 Ethyl methanoate Methyl Bazanoate

จาํ แนกชนิดของหม่ฟู ังกช์ นั และการเรียกช่ือหม่ฟู ังกช์ นั 11. แอซดิ แฮไลน์ (acid halide) เป็ นอนุพนั ธข์ องกรดคารบ์ อกซลิ ิก O ทมี หี มู่แฮโลเจนคารบ์ อนิล ( C O R หรือ –COOX หรือ –CO2X ) ในโมเลกุล โดยหมู่ –X จะเป็ นธาตุแฮโลเจน ส่วนใหญ่ เป็ น Cl O O C CH3COCl OCl Ethanoyl chloride Bazoyl Chloride

จาํ แนกชนิดของหม่ฟู ังกช์ นั และการเรียกชื่อหม่ฟู ังกช์ นั 12.เอไมด์ (Amide) เป็ นอนุพนั ธข์ องกรดคารบ์ อกซลิ กิ ทมี หี มู่ เอไมด์ O OO C NH2 หรือ C NHR หรือ C NR2 โมเลกุล O O CH3CNH2 C Ethanamide NH2 Bazamide

จาํ แนกชนิดของหม่ฟู ังกช์ นั และการเรียกชื่อหม่ฟู ังกช์ นั 13.เอมนี (Amine) เป็ นอนุพนั ธข์ องแอมโมเนียม ( NH3) โดยมหี มู่ –R แทนที –H ดงั นัน เอมนี จงึ เป็ นสารทมี หี มู่อะมโิ น (amino, - NH3, NHR, NR2) เป็ นองคป์ ระกอบในโมเลกุล NH2 CH3CH2NH2 Aniline Ethanamine

จาํ แนกชนิดของหม่ฟู ังกช์ นั และการเรียกช่ือหม่ฟู ังกช์ นั 14.ไนไตร หรือ ไซยาไนด์ (Nitrile or Cyanides) เป็ น สารทมี หี มู่ไซยาโน (cyano, C N หรือ -C N ) ในโมเลกุล CN CH3CN Cyanobenzene Ethanenitrile