บทที่ 5 Carboxylic Acid

บทที่ 5 กรดคารบ& อกซิลิก (Carboxylic Acid) แผนการสอนประจำบท เน้ือหาประจำบท 5.1 โครงสรา* งของกรดคาร0บอกซิลิก 5.2 การอา6 นชอ่ื ของกรดคารบ0 อกซลิ กิ 5.3 สมบตั ิทางกายภาพของกรดคารบ0 อกซลิ ิก 5.4 ความเปGนกรดของกรดคาร0บอกซลิ กิ 5.5 เกลือของกรดคาร0บอกซลิ กิ 5.6 ประโยชน0ของกรดคารบ0 อกซลิ ิก 5.7 การสงั เคราะห0กรดคาร0บอกซิลิก 5.8 ปฏิกริ ยิ าของกรดคารบ0 อกซลิ กิ 5.9 แบบฝกQ หดั เสรมิ ความเข*าใจ วตั ถุประสงคก8 ารเรียนร=ปู ระจำบท เพ่อื ให*เขา* ใจลกั ษณะทวั่ ไป และคุณสมบตั ทิ างกายภาพของกรดคารบ0 อกซิลกิ เพ่ือให*สามารถอา6 นชือ่ ของกรดคารบ0 อกซลิ ิกจากสตู รโครงสร*าง และเขียนสูตรโครงสร*างจากช่อื ได* เพอ่ื ให*เขา* ใจปฏกิ ริ ิยาของกรดคาร0บอกซิลิก วิธีการสอนและกจิ กรรมการเรยี นการสอนประจำบท บรรยายผา6 นระบบออนไลน0 google meet, google classroom, Microsoft team และ BUU LMS ตอบขอ* ซกั ถามของผเู* รียน การถาม-ตอบระหว6างผสู* อนและผ*ูเรียน ให*ผ*เู รยี นทำแบบฝกQ หดั ส่อื การเรียนการสอน เอกสารประกอบคำสอนรายวิชา 30322463 เคมีอนิ ทรยี 0 2 (สำหรบั นิสติ เภสชั ศาสตร0) คอมพิวเตอร0 ไอแพด และ Power Point การวดั ผลและประเมินผล แบบฝQกหดั และขอ* สอบ สงั เกตความสนใจของผ*เู รียน และการแสดงความคิดเห็นของผู*เรียน

บทท่ี 5 กรดคารบ5 อกซิลกิ 5.1 โครงสรา* งของกรดคารบ0 อกซลิ กิ (Structure of Carboxylic Acid) กรดคารบ0 อกซลิ กิ (carboxylic acid) เปGนสารอินทรียท0 ีม่ ีหม6ฟู ง} กช0 ันคอื หม6ูคาร0บอกซลิ (carboxyl, -COOH หรอื -CO2H) ทป่ี ระกอบด*วยหมคู6 าร0บอนิล (carbonyl, -C=O) และหมูไ6 ฮดรอกซี (hydroxy, -OH) ดงั รูปท่ี 5-1 O COOH CO2H C OH (condensed structures) carboxyl group รูปท่ี 5-1 แสดงหมู6 carboxyl กรดคาร0บอกซิลิกมสี ูตรทัว่ ไปคอื RCOOH หรือ ArCOOH เมอ่ื R คือแอลคิล (alkyl group) และ Ar คอื หม6ู เอริล (aryl group) โดยกรดคาร0บอกซลิ ิกแบง6 ตามชนิดของหม6แู ทนทที่ ต่ี อ6 กบั -COOH โดยเมือ่ เปGนหมแ6ู อลคลิ (R) เรียกว6า “กรดอะลิฟาติก (aliphatic acid)” และเมอื่ เปนG หมเ6ู อริล (Ar) เรียกว6า “กรดอะโรมาติก (aromatic acid)” ส6วน aliphatic acid ท่ีมีคาร0บอนสายโซ6ยาวเรียกวา6 “กรดไขมนั (fatty acid)” โดยกรดคาร0บอกซิลิกท่ีตัวเล็กทสี่ ดุ จะมไี ฮโดรเจนอะตอมตอ6 กับหมูค6 าร0บอกซิลเรียกวา6 “กรดฟอร0มิก (formic acid, HCOOH)” แสดงตัวอยา6 งของกรด คาร0บอกซลิ ิกชนดิ ต6างๆ ดงั รปู ท่ี 5-2 O O O O H C OH CH3CH2 C OH C OH CH3(CH2)16 C OH formic acid propionic acid benzoic acid stearic acid (aliphatic acid) (aromatic acid) (fatty acid) รูปที่ 5-2 ตัวอยา6 งของ carboxylic acid เชน6 เดยี วกับแอลดีไฮด0และคโี ตน พันธะคข6ู องหมค6ู าร0บอนลิ (C=O) ประกอบดว* ย 1 พันธะซกิ มา6 (s-bond) และ 1 พันะไพ (p-bond) คารบ0 อนคาร0บอนลิ เปนG ชนดิ sp2 ไฮบริไดซ0คาร0บอน (sp2-hybridized carbon) รูปร6าง เปGนสามเหลยี่ มแบนราบ (trigonal planar) ทำมมุ 120o ส6วนออกซเิ จนอะตอมมอี ิเล็กตรอนค6ูโดดเดย่ี ว (lone-pair electrons) จำนวน 2 ค6ู แสดงโครงสรา* งดงั รปู ที่ 5-3 124o O 125o 1.23 Α O 1.32 Α H 106o 1.10 Α 0.97 Α CH C H 111o O HO sp2 bond angles bond lengths รปู ที่ 5-3 โครงสรา* งของ carboxylic acid นอกจากนี้ โครงสร*างของกรดคารบ0 อกซิลกิ มี -OH อยแ6ู บบอีคลิฟ (eclipse) กบั C=O เกดิ การ overlap ระหว6าง p-orbital ของคาร0บอนกับ orbital ของ lone-pair electron อิเลก็ ตรอนวิ่งระหว6างอะตอมทงั้ สองได* (delocalize electron) เรยี กวา6 การเกิดเรโซแนนซ0 ทำให*โครงสร*างของกรดคาร0บอกซิลกิ มีความเสถยี ร แสดงการ เกดิ เรโซแนนซด0 งั รปู ที่ 5-4 ผศ.ดร. อทุ ัยวรรณ ศิรอิ /อน ภาควชิ าเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บูรพา 126

บทท่ี 5 กรดคารบ5 อกซลิ กิ O O CH CH HO HO major minor รปู ท่ี 5-4 การเกดิ เรโซแนนซ0ในโครงสรา* งของกรดคารบ0 อกซลิ กิ 5.2 การอาI นช่ือของกรดคาร0บอกซลิ กิ (Nomenclature of Carboxylic Acid) 5.2.1 การอาJ นช่อื สามัญ (common name) 1) กรดคารบ0 อกซิลกิ บางชนิดมชี ือ่ เฉพาะ สำหรบั ใชใ* นการเรียกชือ่ กรดคาร0บอกซลิ กิ ทีม่ จี ำนวนคารบ0 อน นอ* ยๆ โครงสรา* งไมซ6 บั ซอ* น ดงั รูปที่ 5-5 O O O O OO H C OH CH3 C OH CH3CH2 C OH CH3CH2CH2 C OH HO C C OH formic acid acetic acid propionic acid butyric acid oxalic acid OO OO O O HO C CH2 C OH HO C CH2CH2 C OH CH2 CH C OH C OH malonic acid succinic acid acrylic acid benzoic acid รปู ท่ี 5-5 ชื่อสามัญของ carboxylic acid บางชนิด 2) ในกรณีท่ีโครงสรา* งของกรดคาร0บอกซิลกิ มขี นาดใหญ6และซบั ซอ* นข้นึ ให*กำหนดตำแหน6งเปนG ตัวอักษร กรีก (Greek letters) ลำดับดงั นี้ a, b, g, d, e…. โดยเรมิ่ จากคาร0บอนตำแหน6งท่ถี ัดจากคารบ0 อนคารบ0 อนลิ แสดง การใหต* ำแหน6งและตัวอยา6 งการอ6านชื่อแบบสามญั ดังรปู ที่ 5-6 O C C C C C C OH ε δ γ βα Cl O Ph H2N CH2 CH2 CH2 CO2H CH3 CH2 CH2 CH CH2 COOH γβα CH3 CH2 CH C OH ε δ γ βα γβα γ-aminobutyric acid β-phenylcaproic acid α-chlorobutyric acid รปู ที่ 5-6 การกำหนดตำแหน6งเปนG ตัวอักษรกรกี และการอ6านชื่อสามญั ของ carboxylic acid 5.2.2 การอาJ นช่ือตามระบบไอยูแพค (IUPAC name) 1) การอ6านชื่อกรดคาร0บอกซลิ กิ โซเ6 ป•ด มขี น้ั ตอนดังน้ี ขน้ั ท่ี 1 หาสายโซค6 าร0บอนทย่ี าวทส่ี ุด ทมี่ ีหมคู6 าร0บอกซิล (-COOH) ในสายโซ6 ขน้ั ที่ 2 อ6านชื่อสายโซห6 ลกั ตามแบบ alkane จากนั้นตัด -e ทา* ยชื่อออก แล*วแทนดว* ย “-oic acid” ข้ันที่ 3 กำหนดตำแหน6งของคาร0บอนเปนG ตวั เลข โดยใหค* าร0บอนของหมค6ู ารบ0 อกซลิ เปGนตำแหนง6 ที่ 1 เสมอ ดังนนั้ เมื่ออา6 นช่อื กรดคาร0บอกซิลกิ จงึ ไม6จำเปนG ต*องบอกตำแหนง6 ของหมูค6 ารบ0 อนิล ผศ.ดร. อุทัยวรรณ ศริ ิอ/อน ภาควชิ าเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บูรพา 127

บทท่ี 5 กรดคารบ5 อกซิลิก ขนั้ ท่ี 4 การอ6านช่ือของหมู6แทนท่ี พจิ ารณาเชน6 เดียวกับการอ6านชอื่ หม6แู ทนท่ีของ alkane ดังน้ี § อา6 นชอ่ื หมแ6ู ทนท่ีพรอ* มระบุตำแหนง6 ว6างไว*หน*าชอ่ื หลัก โดยใสเ6 ครอื่ งหมายขีด (-) คน่ั ระหว6าง ตวั เลขกบั ตวั อักษร § ในกรณีที่มหี มแู6 ทนท่ีซำ้ มากกว6า 1 หม6ู ให*ใชค* ำว6า di, tri, tetra นำหน*าชือ่ หมแู6 ทนท่ี เพ่ือบอก จำนวนหมแ6ู ทนที่ สำหรบั 2, 3, 4 ตามลำดบั พรอ* มท้ังระบุตำแหนง6 ของหมแ6ู ทนที่ทุกตวั โดยใช* เครอื่ งหมายคอมมา6 (,) ค่ันระหว6างตัวเลข § ในกรณที ่หี มูแ6 ทนทีต่ 6างกนั ใหอ* า6 นช่ือตามลำดบั ตัวอกั ษรภาษาอังกฤษ แสดงตัวอยา6 งการอ6านชอ่ื carboxylic acid บางชนดิ ตามระบบ IUPAC ดังรูปท่ี 5-7 O C C C C C C OH 654321 Cl O CH3 O O CH3 CH2 CH C OH H2N CH2 CH2 CH2 C OH CH3 CH2 CH2 CH CH2 C OH 4 3 21 4321 6 5 4 32 1 butane 4-aminobutanoic acid 3-methylhexanoic acid butanoic acid Br O CH3CH2 CH2 COOH 2-chlorobutanoic acid CH2 CH C OH CC 3 21 H CH3 2-bromo-3-cyclohexylpropanoic acid (Z)-3-methylhex-3-enoic acid รปู ท่ี 5-7 แสดงตวั อย6างการอ6านช่อื carboxylic acid ตามระบบ IUPAC บางชนดิ 2) การอา6 นชื่อกรดคาร0บอกซลิ ิกที่มีหม6ูคาร0บอกซิลบนโครงสรา* งวงแหวน การอา6 นช่อื carboxylic acid ที่มีหมค6ู าร0บอกซิล (-COOH) อยบ6ู นโครงสร*างของ cycloalkane ให*อ6านชอ่ื ของ cycloalkane นัน้ แล*วตามดว* ยคำว6า “carboxylic acid” โดยกำหนดใหค* าร0บอนบน cycloalkane ทีต่ ิดกบั หม6ูคารบ0 อกซลิ เปGนตำแหนง6 ท่ี 1 เสมอ แสดงตวั อยา6 งดังรูปที่ 5-8 สว6 นกรณีท่เี ปนG วงแหวนเบนซีน ให*อ6านช่ือเปนG “benzoic acid” แสดงตวั อย6างดังรูปที่ 5-9 COOH COOH cyclopent-1-enecarboxylic acid 12 3 CH3 CH3 3,3-dimethylcyclohexanecarboxylic acid รปู ท่ี 5-8 แสดงตัวอย6างชอื่ กรดคารบ0 อกซลิ ิกทมี่ หี มู6คารบ0 อกซลิ บนวงแหวน cycloalkane COOH COOH COOH OH NH2 benzoic acid o-hydroxybenzoic acid m-aminobenzoic acid (salicylic acid) รปู ที่ 5-9 แสดงตัวอย6างช่ือกรดคารบ0 อกซิลิกท่มี ีหมค6ู าร0บอกซิลบนวงแหวน benzene ผศ.ดร. อุทยั วรรณ ศริ ิอ/อน ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บูรพา 128

บทที่ 5 กรดคารบ5 อกซลิ กิ แสดงตวั อย6างและเปรียบเทียบชื่อของ carboxylic acid ตามการอา6 นชอื่ แบบสามัญ (common name) และตามการอ6านชื่อตามระบบ IUPAC (IUPAC name) พรอ* มแสดงคณุ สมบัตทิ างกายภาพ (จุดเดือดและจุด หลอมเหลว) ดงั ตารางท่ี 5.1 ตารางที่ 5.1 ชอื่ และคณุ สมบตั ิทางกายภาพของ carboxylic acid IUPAC Name Common Name Formula mp (oC) bp (oC) 8 101 methanoic formic HCOOH 17 118 -21 141 ethanoic acetic CH3COOH 14 141 -6 163 propanoic propionic CH3CH2COOH -46 155 71 185 prop-2-enoic acrylic H2C CH COOH -34 186 35 164 butanoic butyric CH3(CH2)2COOH -4 206 16 241 2-methylpropanoic isobutyric (CH3)2CHCOOH 31 269 44 trans-but-2-enoic crotonic CH3 CH CH COOH 54 249 63 pentanoic valeric CH3(CH2)3COOH 72 122 2,2-dimethylpropanoic pivalic (CH3)3C COOH haxanoic caproic CH3(CH2)4COOH octanoic caprylic CH3(CH2)6COOH decanoic capric CH3(CH2)8COOH dodecanoic lauric CH3(CH2)10COOH tetradecanoic myristic CH3(CH2)12COOH hexadecanoic palmitic CH3(CH2)14COOH octadecanoic stearic CH3(CH2)16COOH benzoic benzoic C6H5COOH 3) การอา6 นช่อื กรดคาร0บอกซลิ ิกที่มีหมค6ู าร0บอกซลิ 2 หม6ู 3.1) ชื่อสามญั (common name) ช่ือสามญั ของสารประกอบ diacid นยิ มใช*เรยี กชื่อ diacids ทเ่ี ปนG aliphatic acid โดยเรียกชอ่ื หลกั เปGนช่ือ แบบสามัญ ได*แก6 oxalic, malonic, succinic, glutaric, adipic และ pimetic acid เปGนต*น สว6 นตำแหนง6 หม6ู แทนทใ่ี หก* ำหนดตามการอา6 นช่อื แบบสามัญ แสดงตัวอยา6 งดงั รูปที่ 5-10 และในกรณที เี่ ปGน diacids ทม่ี หี ม6ู -COOH บนวง benzene มชี ื่อสามญั วา6 phthalic acid แสดงตวั อย6างดงั รปู ท่ี 5-11 ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศริ อิ อ/ น ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บรู พา 129

บทที่ 5 กรดคารบ5 อกซลิ ิก O Br O O OH CH3 O HO C CH2 CH CH2 CH2 C OH HO C CH CH CH2 C OH αβ αβ β-bromoadipic acid α−hydroxy-β-methylglutaric acid รปู ท่ี 5-10 แสดงตวั อย6างช่ือแบบสามัญของ diacids COOH COOH COOH COOH phthalic acid COOH COOH (o-phthalic acid) isophthalic acid terephthalic acid (m-phthalic acid) (p-phthalic acid) รูปที่ 5-11 แสดงตัวอย6างช่ือแบบสามัญของ phthalic acid 3.2) ชือ่ ตามระบบ IUPAC (IUPAC name) ชอ่ื ตามระบบ IUPAC ของสารประกอบ diacid ให*อา6 นชอ่ื เหมอื นการอา6 นช่อื ตามระบบ IUPAC แตใ6 ห*ใส6คำ ลงท*ายว6า “dioic acid” โดยไมต6 อ* งตดั -e ทา* ยช่อื ออก แสดงตวั อย6างดงั รูปที่ 5-12 O Br O O CH3 CH2CH3 O COOH COOH HO C CH2 CH CH2 CH2 C OH HO C CH CH CH2 C OH benzene-1,2-dicarboxylic acid 12 34 5 6 12 3 4 5 3-bromohexanedioic acid 3-ethyl-2-methylpentanedioic acid รูปท่ี 5-12 แสดงตัวอย6างชื่อตามระบบ IUPAC ของ diacids ตารางท่ี 5.2 ชื่อและคุณสมบัติทางกายภาพของ dicarboxylic acids IUPAC Name Common Name Formula mp (oC) 189 ethanedioic oxaic HOOC COOH 136 propanedioic malonic HOOC CH2 COOH 185 butanedioic succinic HOOC (CH2)2 COOH 98 pentanedioic glutaric HOOC (CH2)3 COOH 151 hexanedioic adipic HOOC (CH2)4 COOH 106 heptanedioic pimelic HOOC (CH2)5 COOH 130.5 cis-but-2-enedioic maleic cis- HOOCCH CHCOOH 302 231 trans-but-2-enedioic fumaric trans- HOOCCH CHCOOH 348 300 benzene-1,2-dicarboxylic phthalic 1,2-C6H4 (COOH)2 benzene-1,3-dicarboxylic isophthalic 1,3-C6H4 (COOH)2 benzene-1,4-dicarboxylic teraphthalic 1,4-C6H4 (COOH)2 ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศริ ิอ/อน ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บูรพา 130

บทที่ 5 กรดคารบ5 อกซิลกิ 5.3 สมบตั ิทางกายภาพของกรดคารบ0 อกซิลิก (Physical Properies) 5.3.1 จดุ เดอื ด (boiling point, bp.) กรดคาร0บอกซิลิกเปนG สารอนิ ทรียท0 ่ีมขี ้ัวสงู (high polarity) และมจี ดุ เดือดสงู (boiling point, bp.) เน่อื งจากโครงสรา* งประกอบด*วยหมู6 -OH และ -C=O ทำใหเ* กดิ แรงยดึ เหยย่ี วระหวา6 งโมเลกลุ เปGนพนั ธะไฮโดรเจน (hydrogen bonding) ถึง 2 พันธะ เปนG แบบไดเมอร0 (dimer) ดงั รูปที่ 5-13 O HO RC CR OH O hydrogen-bonded acid dimer รปู ที่ 5-13 พนั ธะไฮโดรเจนแบบไดเมอรข0 องกรดคาร0บอกซิลกิ แรงยึดเหนย่ี วระหว6างโมเลกลุ แบบไดเมอร0 ทำใหจ* ดุ เดือดของกรดคาร0บอกซลิ ิกสูงกว6าสารไฮโดรคาร0บอน แอลคลิ เฮไลด0 แอลดีไฮด0 คีโตน และแอลกอฮอล0 ทม่ี จี ำนวนคาร0บอนใกล*เคียงกนั โดยจุดเดอื ดเพิ่มขน้ึ ตามจำนวน คารบ0 อนหรอื น้ำหนักโมเลกุลทเ่ี พิม่ ข้ึน แสดงตัวอย6างดงั รูปท่ี 5-14 O O CH3CH2CH2 OH O CH3CH2CH2 C OH CH3 C OH CH3CH2 C H propan-1-ol butanoic acid acetic acid Mw = 60.1 propionaldehyde Mw = 88.1 Mw = 60.1 bp = 97 oC Mw = 58.1 bp = 163 oC bp = 118 oC bp = 49 oC รูปท่ี 5-14 เปรยี บเทยี บจดุ เดอื ดของกรดคารบ0 อกซิลกิ กบั สารอน่ื ๆ 5.3.2 จดุ หลอมเหลว (melting point, mp.) กรดคาร0บอกซิลิกทีม่ จี ำนวนคาร0บอนมากกว6า 8 คาร0บอน จะมสี ถานะเปGนของแขง็ ที่อณุ หภูมหิ อ* ง โดยแรง ยดึ เหน่ยี วระหวา6 งโมเลกลุ ท่ีเกดิ จากพันธะไฮโดรเจนแบบไดเมอร0ของกรดคารบ0 อกซลิ ิกจะทำใหม* จี ดุ หลอมเหลวสูง เชน6 stearic acid มีจำนวนคารบ0 อน 18 คาร0บอน มีจุดหลอมเหลวสงู ถงึ 70 oC แตจ6 ุดหลอมเหลวจะลดลงเม่อื สาย โซไ6 ฮโดรคาร0บอนมีพนั ธะค6ู เชน6 linoleic acid ท่ีมีจำนวนคาร0บอนเท6ากับ 18 เหมอื นกับ stearic acid แตจ6 ุด หลอมเหลวลดลงเหลือ -5 oC ดังรปู ที่ 5-15 O H HH H O CH3 (CH2)16 C OH CC CC stearic acid mp = 70 oC CH3(CH2)4 CH2 (CH2)7 C OH linoleic acid mp = -5 oC รูปที่ 5-15 จุดหลอมเหลวของกรดคารบ0 อกซลิ กิ ผศ.ดร. อทุ ัยวรรณ ศริ ิออ/ น ภาควชิ าเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บรู พา 131

บทท่ี 5 กรดคาร5บอกซลิ กิ 5.3.3 การละลาย (solubility) กรดคาร0บอกซิลกิ โมเลกลุ เล็กๆ ละลายน้ำได*ดี โดยการเกิดพันธะไฮโดรเจนกบั น้ำ ใช*ออกซเิ จนอะตอมของ หมค6ู ารบ0 อนิล (C=O) และหม6ไู ฮดรอกซิล (OH) และการละลายนำ้ ของกรดคารบ0 อกซิลิกจะดกี ว6าสารแอลกอฮอล0 แอลดีไฮดแ0 ละคโี ตน ทม่ี ีนำ้ หนักโมเลกุลใกล*เคยี งกัน แตก6 ารละลายน้ำจะลดลงเมอ่ื น้ำหนกั โมเลกลุ เพิ่มขนึ้ เนือ่ งจาก โครงสรา* งของกรดคาร0บอกซลิ กิ ประกอบดว* ย 2 สว6 น คือ 1) สว6 นท่ีละลายนำ้ โดยการเกิดพนั ธะไฮโดรเจนกับน้ำ เปนG ส6วนทมี่ ขี ้ัวของกรดคาร0บอกซลิ ิก เรียกว6า “สว6 นไฮโดรฟ•ลิก (hydrophilic head)” และ 2) ส6วนที่ไม6ละลายนำ้ เปGน สว6 นของสายโซไฮโดรคารบ0 อนและไม6มขี ั้ว เรียกวา6 “ส6วนไฮโดรโฟบกิ (hydrophobic tail)” ซงึ่ การเพมิ่ ขนาดของ โมเลกุลจะเปGนการเพมิ่ ในส6วนของ hydrophobic tail ทำใหก* ารละลายน้ำลดลง ดงั รูปที่ 5-16 hydrogen bonding hydrophobic (nonpolar) hydrophilic (polar) H O O HO RC H OH OH O H decanoic acid hydrogen bonding รปู ที่ 5-16 การละลายนำ้ ของกรดคาร0บอกซลิ กิ 5.4 ความเป^นกรดของกรดคาร0บอกซิลิก (Acidity of Carboxylic Acid) สารอินทรยี 0บางชนิดแสดงความเปนG กรด (acidity) ไดแ* ก6 แอลกอฮอล0 ฟน˜ อล และกรดคารบ0 อกซิลกิ เมื่อ ละลายน้ำจะแตกตวั ให*โปรตอน (H ) (อยู6ในรปู โปรโตเนยี มไอออน (H3O ) เมอื่ อยู6ในนำ้ ) และ anion โดยในกรณี ของ alcohol ไดเ* ปGน alkoxide ion กรณขี อง phenol ไดเ* ปนG phenolate ion และกรณขี อง carboxylic acid ได*เปGน carboxylate ion แสดงสมการและ energy diagram การแตกตวั ดังรูปท่ี 5-17 ROH H2O RO H3O pKa = 16 alcohol alkoxide O H2O O O H3O pKa = 5 RCOH RCO RCO carboxylic acid carboxylate RO H3O ROH H2O R COOH H2O energy stabilization of carboxylate O RC O H3O reaction coordination รปู ท่ี 5-17 เปรียบเทยี บสมการและ energy diagram การแตกตวั ของแอลกอฮอล0และกรดคารบ0 อกซลิ กิ ผศ.ดร. อุทัยวรรณ ศริ ิออ/ น ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บูรพา 132

บทท่ี 5 กรดคาร5บอกซลิ กิ กรดคาร0บอกซิลกิ มคี วามเปGนกรดมากกวา6 แอลกอฮอลแ0 ละฟ˜นอล (RCOOH > PhOH > ROH) จึงสามารถ ทำปฏิกิริยาไดท* งั้ เบสทีร่ ุนแรง เชน6 โลหะโซเดยี ม (Na) เบสแก6 เชน6 โซเดยี มไฮดรอกไซด0 (NaOH) และเบสอ6อน เช6น โซเดียมไฮโดรเจนคารบ0 อเนต (NaHCO3) ดงั รปู ท่ี 5-18 O Na O R C OH + R C O Na + 1/2H2 (g) O O R C OH + NaOH R C O Na + H2O O O R C OH + NaHCO3 R C O Na + CO2 (g) + H2O รูปท่ี 5-18 ปฏกิ ิริยาของ carboxylic acid กบั เบสชนดิ ต6างๆ ความเปนG กรดสามารถแสดงได*จากคา6 คงท่สี มดุล (equilibrium constant) จากสมการการแตกตวั ของกรด เรยี กวา6 acid-dissociation constant (Ka) ซึง่ แสดงในรปู ของค6า pKa ดังรูปที่ 5-19 โดยสารอนิ ทรีย0ที่เปนG กรดสูง จะมีค6า pKa ต่ำ แตกตัวใหโ* ปรตอนไดด* ที ่ีสดุ และ carboxylic acid มีค6า pKa ประมาณ 5 สว6 น alcohol มีค6า pKa ประมาณ 16 O O + H3O R C OH + H2O R CO Ka = [R-CO2 ][H3O ] [R-COOH] pKa = -log Ka รปู ที่ 5-19 แสดงคา6 pKa จากสมการการแตกตัวของ carboxylic acid นอกจากน้ี เมอื่ carboxylic acid แตกตัว จะเกิดเปนG carboxylate ion ท่มี ีความเสถียร โดยการท่ปี ระจุ ลบบนออกซิเจนอะตอมเคลื่อนท่ไี ดท* ง้ั สองออกซิเจนอะตอม เรยี กว6า resonance stabilization ดงั รูปที่ 5-20 O RC O รปู ท่ี 5-20 แสดงการเกดิ resonance stabilization ของ carboxylate ion ความเปนG กรดของ carboxylic acid เพมิ่ ขนึ้ เมื่อมหี ม6ดู งึ อเิ ล็กตรอน (electron withdrawing group, EWG) เปGนหมู6แทนที่ เนอ่ื งจากหมด6ู ึงอิเลก็ ตรอนมคี า6 EN สูง ช6วยดงึ อเิ ลก็ ตรอน (inductive effect) เกดิ การแตกตวั ใหโ* ปรตอนไดด* ีขน้ึ และช6วยให* carboxylate ion มคี วามเสถยี รสงู ขนึ้ (stabilization) โดยหมู6 EWG อยูใ6 นตำแหนง6 a จะให* carboxylic acid มีความเปนG กรดสงู สุด และความเปGนกรดนอ* ยลงเมอื่ หมู6 EWG อยูใ6 นตำแหนง6 ท่ีห6าง ออกไป ดังรปู ท่ี 5-21 ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศริ ิออ/ น ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บูรพา 133

บทท่ี 5 กรดคาร5บอกซลิ ิก HO HO HO Cl O HCCOH Cl C C O H Cl C C O H Cl C C O H H H Cl Cl acetic acid chloroacetic acid dichloroacetic acid trichloroacetic acid pKa = 4.74 pKa = 2.86 pKa = 1.26 pKa = 0.64 O Cl O Cl O Cl CH2 CH2 CH2 C O H CH3 CH CH2 C O H CH3 CH2 CH C O H 4-chlorobutanoic acid 3-chlorobutanoic acid 2-chlorobutanoic acid pKa = 4.52 pKa = 4.05 pKa = 2.86 รูปที่ 5-21 ผลของหมู6 EWG ต6อความเปGนกรดของ carboxylic acid ในกรณขี อง benzoic acid ที่มหี ม6ูแทนท่ีเปGน EWG ทำใหค* วามเปนG กรดของ benzoic acid เพิม่ ข้ึน โดย หม6ดู งึ อเิ ล็กตรอนทอ่ี ยูใ6 นตำแหนง6 ortho และ para จะแสดงผลในการดึงอเิ ลต็ รอนไดส* ูงสุด ให* benzoic acid ท่ีมี ความเปGนกรดเพิ่มขน้ึ แตกตวั ใหโ* ปรตอนได*ดขี ้ึน แสดงคา6 pKa ต่ำ ดังรปู ที่ 5-22 COOH COOH COOH COOH NO2 NO2 OCH3 NO2 4-methoxybenzoic acid 3-nitrobenzoic acid 4-nitrobenzoic acid 2-nitrobenzoic acid pKa = 4.52 pKa = 2.16 pKa = 4.19 pKa = 3.47 stronger acids รปู ที่ 5-22 ผลของหม6ู EWG ตอ6 ความเปGนกรดของ benzoic acid 5.5 เกลอื ของกรดคาร0บอกซิลกิ (Salt of Carboxylic Acid) Carboxylic acid มคี วามเปGนกรด เมื่อทำปฏกิ ริ ิยากับเบสแก6 (strong base) จะเกดิ เปนG carboxylate ion ทอ่ี ยู6ในรูปของเกลือ เรยี กว6า “เกลอื ของกรดคาร0บอกซิเลต (carboxylate salt)” ยกตวั อยา6 งเช6น acetic acid ทำ ปฏิกิริยากบั sodium hydroxide (NaOH) จะไดเ* ปGน acid salt เรียกวา6 sodium acetate แสดงดังรปู ที่ 5-23 O + M OH O + H2O RC OH strong base RCO M water carboxylic acid acid salt O + Na OH O + H2O CH3 C O H sodium hydroxide CH3 C O Na water sodium acetate acetic acid รูปที่ 5-23 ปฏิกริ ยิ าการเปลี่ยน carboxylic acid ไปเปนG carboxylate salt ผศ.ดร. อุทยั วรรณ ศิรอิ /อน ภาควิชาเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บรู พา 134

บทที่ 5 กรดคาร5บอกซิลิก จากนน้ั เม่ือนำ carboxylate salt มาทำปฏิกริ ิยากบั กรดแก6 (strong acid) เช6น กรดไฮโดรคลอลิก (HCl) จะได*ผลติ ภณั ฑเ0 ปนG carboxylic acid กลบั คืนมา ยกตัวอย6างเชน6 sodium acetate เปลย่ี นกลับไปเปนG acetic acid โดยทำปฏิกิริยากบั HCl ดงั รปู ที่ 5-24 O +H O M RCO M RC OH + acid salt carboxylic acid O + H Cl O CH3 C O Na CH3 C O H + Na Cl sodium acetate acetic acid รปู ที่ 5-24 ปฏกิ ิริยาการเปลยี่ น carboxylate salt ไปเปGน carboxylic acid การอ6านชื่อของ carboxylate salt ให*อา6 นชื่อชนิดของแคตไอออน (cation) กอ6 น จากนัน้ อา6 นช่อื ของ carboxylate anion และลงทา* ยโดยตัดคำวา6 “ic acid” แทนดว* ยคำว6า “ate” ตวั อย6างดงั รูปท่ี 5-25 Cl O O O CH3CH2CHCH2 C O K CH3CH2CH2CH2 C O Li CH3CH2CH2 C O NH4 potassium 3-chloropentanoate lithium penanoate ammonium butanoate (potassium β-chlorovalerate) (lithium valerate) (ammonium butyrate) รูปท่ี 5-25 การอา6 นช่ือของ acid salt สาร carboxylate salt มสี ถานะเปGนของแข็งทอ่ี ณุ หภมู ิห*อง มีจดุ หลอมเหลวสูง โดย carboxylate salt ที่ มแี คตไอออนเปนG Li , Na , K และ NH4 ซ่งึ ละลายน้ำได* แตไ6 ม6ละลายในตวั ทำละลายอินทรยี 0 ยกตวั อยา6 ง carboxylate salt ทีร่ ู*จกั คือสบ6ู (soap) มีไฮโดรคาร0บอนสายยาว เปGนเกลือโซเดยี มของกรดไขมัน เมื่อ soap เจอ น้ำกระด*าง (hard water) ซึ่งมีไอออน Ca2+, Mg2+ และ Fe3+ อย6ูมาก จะเกดิ การแลกเปลย่ี นไอออน กลายเปGนเกลอื ท่ไี มล6 ะลายนำ้ หรือเรียกวา6 ไขสบู6 (hard-water scum) ดงั รปู ที่ 5-26 O Na + Ca2+ O + 2 Na 2 CH3(CH2)16 C O [CH3(CH2)16 C O]2Ca a soap hard-water scum รูปที่ 5-26 ปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยนไอออนของสบู6กับไอออน Ca2+ ในนำ้ กระดา* ง ปฏกิ ริ ยิ าการเกิดเปนG carboxylate salt นำไปใช*ประโยชนไ0 ด*กว*างขวาง ยกตัวอย6างเชน6 นำไปตรวจสอบ ความเปGน carboxylic acid ของสารตัวอยา6 ง (ไมล6 ะลายน้ำ) โดยทำปฏกิ ิรยิ ากบั NaHCO3 จะได*เปนG carboxylate salt ที่ละลายน้ำ และได*แกส CO2 ที่เปนG ตัวบ6งช้วี า6 ปฏิกริ ยิ าได*เกิดขึ้น ดังรปู ที่ 5-27 O NaHCO3 O RC OH + R C O Na + H2O + CO2 water soluble insoluble in water รปู ที่ 5-27 ปฏกิ ริ ยิ าของ carboxylic acid กบั NaHCO3 ผศ.ดร. อุทยั วรรณ ศิรอิ /อน ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บูรพา 135

บทท่ี 5 กรดคารบ5 อกซลิ กิ นอกจากน้ี ยังใชใ* นการแยกสารอินทรยี ท0 ี่เปGน carboxylic acid ใหบ* ริสทุ ธิ์ โดยอาศัยการเกดิ ปฏกิ ิริยาของ carboxylic acid กับเบส ไดเ* ปGนเกลอื ทีล่ ะลายน้ำ (อย6ูในชั้นนำ้ ) จงึ สามารถแยกจากสารอนิ ทรยี ท0 ่ีไม6ทำปฏิกริ ยิ ากบั เบสได* (อยใู6 นช้ันสารอนิ ทรีย)0 จากนั้นนำช้ันนำ้ ท่ีมี carboxylate salt ไปทำปฏกิ ิรยิ ากบั กรด เพื่อใหไ* ด* carboxylic acid ที่ไม6ละลายนำ้ กลบั มา ซึ่งจะตกตะกอนในช้นั น้ำ ดงั รปู ท่ี 5-28 และแสดงเปGนแผนภาพดังรูปท่ี 5-29 ether RCOOH other organics 1. remove ether phase RCOOH phase + RCOO-Na+ 2. acidify with aq. HCl (pure) Na+-OH orther 1. remove H2O phase 3. add fresh ether H+Cl- organics 2. add aq. NaOH H2O salts, phase etc. O aq. NaOH O aq. HCl O R C OH R C O Na R C OH (impure) insoluble in water water soluble (pure) insoluble in water รปู ท่ี 5-28 แสดงกระบวนการทำ carboxylic acid ใหบ* รสิ ุทธ์ิโดยอาศัยการทำปฏกิ ริ ิยากับเบส Mixture (carboxylic acid + impurities) water shake wth ether / water ether inorganic impurities carboxylic acid + organic impurities water shake with HO and H2O ether carboxylic salt organic impurities ether H3O / ether water impurities pure carboxylic acid รปู ที่ 5-29 แผนภาพแสดงกระบวนการทำ carboxylic acid ใหบ* ริสุทธ์ิ ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศิรอิ อ/ น ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บูรพา 136

บทท่ี 5 กรดคาร5บอกซลิ ิก 5.6 ประโยชนแ0 ละแหลงI ทีม่ าของกรดคาร0บอกซิลิก กรดคาร0บอกซลิ ิกเปGนองค0ประกอบท่สี ำคญั ของสารอนิ ทรีย0ท่พี บในธรรมชาติ ยกตวั อยา6 งเชน6 กรดฟอรม0 กิ (formic acid) หรือกรดเมทาโนอกิ (methanoic acid, HCOOH) เปนG กรดที่มีจำนวนคาร0บอนน*อยที่สุด พบในผง้ึ และมด จึงเรียกว6า “กรดมด” แตส6 6วนใหญไ6 ดจ* ากการสังเคราะห0 นำไปใช*ประโยชนเ0 พอ่ื ชว6 ยให*เน้อื ยางดบิ รวมตวั กนั เปGนกอ* น ใช*ในอตุ สาหกรรมฟอกหนงั และยอ* มผา* กรดแอซีตกิ (acetic acid) หรือเอทาโนอิก (ethanoic acid, CH3COOH) เปนG กรดท่ีใชป* ระโยชน0ในการ ผลิตอาหาร ช6วยปรบั รสชาติอาหาร และชว6 ยถนอมอาหาร ได*แก6 น้ำส*มสายชู (vinegar) ทีใ่ ชใ* นการปรุงอาหารมีกรด แอซีติกประมาณ 5% นำ้ สม* สายชูเกดิ จากการหมกั น้ำตาลและแปง£ ได*เปนG เอทานอล (ethanol) จากน้ันถกู ออกซไิ ดซ0 ในอากาศกลายเปGนนำ้ สม* สายชู ดงั รูปที่ 5-30 sugar and starches fermentation CH3CH2 OH fermentation O ethanol O2 CH3 C OH vinegar รปู ที่ 5-30 ปฏกิ ริ ิยาการหมัก vinegar จากแปง£ และนำ้ ตาล กรดแอซีตกิ (acetic acid) สามารถผลติ ได*จากอุตสาหกรรม และใชเ* ปนG ตวั ทำละลายในอุตสาหกรรมผลิต พลาสติกและเสน* ใยสังเคราะห0 กรดแอซีตกิ ผลิตไดจ* ากเอทลิ นี (ethylene) ผา6 นปฏิกริ ยิ า oxidation ภายใต*ตวั เร6ง ปฏิกิริยา (PdCl2/CuCl2) ไดเ* ปนG อะซตี าดไี ฮด0 (acetaldehyde) และเปลี่ยนเปGน acetic acid ด*วยตวั เรง6 ปฏกิ ริ ยิ า cobalt acetate ผ6านปฏิกริ ยิ า oxidation หรอื กรดแอซตี ิกผลิตได*จาก methanol ทำปฏกิ ริ ยิ ากบั คาร0บอนมอนอกไซด0 (CO) ภายใตต* ัวเร6งปฏกิ ริ ิยาโรเดยี ม (rhodium, Rh) ดังรปู ที่ 5-31 HH O2 O O2 O CO CH3OH CC PdCl2/CuCl2 CH3 C H cobalt acetate CH3 C OH methanol Rh catalyst HH acetaldehyde acetic acid heat, pressure ethylene รูปที่ 5-31 ปฏกิ ิรยิ าการผลิต acetic acid ในอุตสาหกรรม กรดเบนโซอกิ (benzoic acid) ใชป* ระโยชน0เปGนส6วนผสมในยา เปนG สารกันบูดในอาหาร และใช*เปนG สารตงั้ ตน* ในการสังเคราะห0สารอืน่ ๆ กรดเบนโซอกิ สามารถสังเคราะห0ไดจ* ากโทลูอนี (toluene) ผา6 นปฏิกริ ยิ า oxidation ด*วยตวั ออกซิไดซท0 แี่ รง ไดแ* ก6 KMnO4 (potassium permanganate), HNO3 (nitric acid) เปนG ตน* ดังรูปที่ 5-32 CH3 COOH HNO3 toluene benzoic acid รูปท่ี 5-32 ปฏกิ ิริยาการสังเคราะห0 benzoic acid จาก toluene ผศ.ดร. อทุ ัยวรรณ ศริ ิอ/อน ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บูรพา 137

บทที่ 5 กรดคารบ5 อกซลิ กิ นอกจากน้ี กรดคาร0บอกซลิ ิกชนดิ diacids ยงั สามารถใชเ* ปนG monomer ในการผลติ polymer บางชนดิ ดงั นี้ adipic acid สังเคราะหไ0 ดจ* ากเบนซนี ใช*เปGน monomer ในการผลติ nylon 66 และ terephthalic acid สังเคราะหจ0 าก p-xylene และใช*เปGน monomer ในการผลิต polyester ดงั รูปท่ี 5-33 H2, Ni O2 COOH high pressure Co(OCOCH3)3, CH3COOH COOH benzene cyclohexane adipic acid CH3 Co/Mo catalyst COOH CH3COOH + 3 O2 + 2 H2O CH3 COOH p-xylene terephthalic acid รูปท่ี 5-33 ปฏิกริ ยิ าการสังเคราะห0 adipic acid และ terephthalic acid กรดคาร0บอกซิลกิ เปนG องคป0 ระกอบของน้ำมนั หรือไขมนั เรยี กวา6 “กรดไขมนั (fatty acid)” เกดิ จาก ปฏิกิริยา hydrolysis ของนำ้ มนั หรอื ไขมนั เช6น กรดไลโนเลอกิ (linoleic acid) และกรดปาลม0 ิตกิ (palmitic acid) เปนG ต*น ดังรูปที่ 5-34 O hydrolysis CH2 OH O CH2 O C R HO / H2O CH OH HO C R O CH2 OH O O CH O C R' glycerol + HO C R' C OH O O O CH2 O C R\" C HO C R\" fat or oil OH fatty acids linoleic acid palmitic acid รปู ท่ี 5-34 ปฏิกิริยาการเกิดเปนG fatty acid จาก hydrolysis ของน้ำมันหรอื ไขมนั กรดคาร0บอกซลิ กิ บางชนิดพบในผลไม* นม น้ำอ*อย และผลไม*ท่ีมีรสเปรย้ี ว เชน6 มะนาวมกี รดซิตริก (citric acid) ส6วนกรดคาร0บอกซลิ ิกชนดิ กรดแอลฟาไฮดรอกซี หรอื เอเอชเอ (alpha hydroxy acids, AHAs) เช6น กรดแลก ติก (lactic acid) พบในนมเปรี้ยว กรดไกลโคลิก (glycolic acid) พบในต*นอ*อย และกรดทาลิก (tatric acid) พบ ในแอปเปล•¦ และองนุ6 เปGนตน* โดยนยิ มนำสาร AHAs มาเปGนสว6 นผสมในผลติ ภัณฑบ0 ำรุงผวิ ดังรูปท่ี 5-35 CH2 COOH OH O O O OH OH O HO C COOH CH3 CH C OH HO CH2 C OH HO C CH CH C OH CH2 COOH lactic acid glycolic acid tartric acid citric acid รูปที่ 5-35 โครงสรา* งของกรดคาร0บอกซิลกิ ชนดิ AHAs ผศ.ดร. อุทัยวรรณ ศริ ิอ/อน ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บรู พา 138

บทที่ 5 กรดคารบ5 อกซิลกิ 5.7 การสงั เคราะห0กรดคารบ0 อกซลิ กิ (Synthesis of Carboxylic Acid) สารประกอบกรดคารบ0 อกซลิ ิกสามารถเตรยี มจากสารต้งั ต*นไดห* ลายชนิด ดงั รายละเอยี ดตอ6 ไปนี้ 5.7.1 การสงั เคราะหก8 รดคาร8บอกซิลกิ จากแอลกอฮอลห8 รอื แลดไี ฮด8 กรดคาร0บอกซลิ กิ สังเคราะห0ไดจ* าก 1o-alcohol และ aldehyde ผา6 นปฏกิ ริ ิยา oxidation โดยใชต* ัวออก ซไิ ดซิงค0 ไดแ* ก6 กรดโครมกิ (H2CrO4) หรือโซเดียมไฮโปคลอไรด0 (bleach, NaOCl) เปนG ตน* ดังรูปที่ 5-36 R CH2 OH H2CrO4 O H2CrO4 O primary alcohol RC H R C OH aldehyde carboxylic acid CH2CH2CH2 OH Na2Cr2O7, H2SO4 O CH2CH2C OH 3-phenylpropan-1-ol 3-phenylpropanoic acid รูปท่ี 5-36 การสงั เคราะห0 carboxylic acid จาก 1o-alcohol หรือ aldehyde 5.7.2 การสงั เคราะห8กรดคาร8บอกซลิ ิกจากแอลคีน กรดคารบ0 อกซิลกิ สงั เคราะหไ0 ดจ* าก alkene ผ6านปฏิกิริยา oxidation ภายใต*สภาวะ KMnO4 ท่เี ย็น ไดเ* ปGน glycol และเม่ือเพม่ิ อุณหภูมิ glycol จะถกู ออกซิไดซ0ต6อ เกิดการแตกพนั ธะระหวา6 งคารบ0 อน (C-C bond) ได*กรด คาร0บอกซลิ ิกและคโี ตน ข้นึ กับหม6แู ทนที่ของ alkene ดังรปู ที่ 5-37 R R\" concd. KMnO4 R R\" R + R\" COOH CC R' C C H CO carboxylic acid R' H OH OH R' glycol alkene ketone Ph H concd. KMnO4 Ph COOH + CH3 COOH CC H CH3 (E)-prop-1-en-1-ylbenzene benzoic acid acetic acid รปู ท่ี 5-37 การสังเคราะห0 carboxylic acid จาก alkene 5.7.3 การสังเคราะห8กรดคาร8บอกซิลิกจากแอลไคน8 กรดคาร0บอกซลิ กิ สังเคราะหไ0 ดจ* าก alkyne ผา6 นปฏกิ ริ ิยา oxidation ภายใตส* ภาวะ KMnO4 หรือผา6 น ปฏิกิริยา ozonolysis เกดิ การแตกพนั ธะสามของแอลไคน0 ได*เปGนกรดคารบ0 อกซลิ ิกและคีโตน ดงั รูปท่ี 5-38 ผศ.ดร. อทุ ัยวรรณ ศิรอิ อ/ น ภาควชิ าเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บูรพา 139

บทท่ี 5 กรดคารบ5 อกซิลกิ R C C R' concd. KMnO4 OO R COOH + R' COOH alkyne or i) O3 ii) H2O R C C R' carboxylic acids Ph C C CH2CH3 i) O3 Ph COOH + CH3CH2 COOH 4-phenyl-3-butyne ii) H2O benzoic acid propionic acid รูปท่ี 5-38 การสงั เคราะห0 carboxylic acid จาก alkyne 5.7.4 การสังเคราะห8กรดคาร8บอกซิลิกจากแอลคลิ เบนซนี กรดคารบ0 อกซิลิกสงั เคราะหไ0 ดจ* ากสารประกอบ alkylbenzene ผา6 นปฏกิ ิรยิ า oxidation ภายใตส* ภาวะ KMnO4 ทรี่ *อน หรอื กรดโครมิกท่รี อ* น โดยหมูแ6 อลคลิ (R) จะถูกออกซไิ ดซไ0 ปเปGน -COOH ดงั รูปท่ี 5-39 R Na2Cr2O7, H2SO4, heat COOH X or KMnO4, H2O, heat X benzoic acid alkylbenzene CH(CH3)2 COOH Na2Cr2O7, H2SO4, heat Cl Cl 1-chloro-3-isopropylbenzene 3-chlorobenzoic acid รปู ท่ี 5-39 การสังเคราะห0 carboxylic acid จาก alkylbenzene 5.7.5 การสงั เคราะหก8 รดคาร8บอกซลิ ิกจาก alkyl halide ทำปฏิกิริยากับ Grignard reagent กรดคาร0บอกซลิ กิ สงั เคราะห0ไดจ* าก Grignard reagent (RMgX) ผ6านปฏิกริ ยิ า carboxylation โดย RMgX เปGนนิวคลโี อไฟลเ0 ขา* ทำปฏกิ ริ ิยากบั คาร0บอนไดออกไซด0 (CO2) เกดิ magnesium salt ตามดว* ยทำปฏิกริ ยิ ากบั กรด ( H ) ได*ผลิ ตภณั ฑ0เปGน carboxylic acid โดย RMgX เตรยี มได*จาก alkyl halide (RX) ดังรปู ที่ 5-40 RX Mg R MgX OCO O MgX H O ether RCO R C OH alkyl or aryl halide carboxylic acid CH3 CH CH3 Mg CH3 CH CH3 i) CO2 CH3 CH CH3 CH2Br ether CH2MgBr ii) H CH2 COOH 1-bromo-2-methylpropane isobutylmagnesium bromide 3-methylbutanoic acid CH3 CO2 CH3 MgX H CH3 CH3 CH2 CH CH2 MgBr CH3 CH2 CH CH2 COO CH3 CH2 CH CH2 COOH (2-methylbutyl)magnesium bromide 3-methylpentanoic acid รปู ที่ 5-40 การสังเคราะห0 carboxylic acid จาก Grignard reagent (RMgX) ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศริ อิ อ/ น ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บูรพา 140

บทที่ 5 กรดคาร5บอกซลิ กิ 5.7.6 การสังเคราะหก8 รดคารบ8 อกซิลกิ จากไนไตรล8 กรดคาร0บอกซลิ กิ สงั เคราะหไ0 ดจ* าก nitrile (R-CN) ผ6านปฏกิ ิริยา hydrolysis ในสภาวะกรดหรือเบส ได* ผลติ ภัณฑเ0 ปนG carboxylic acid โดย R-CN เตรียมไดจ* าก alkyl halide (RX) ดังรปู ที่ 5-41 R CH2 X NaCN R CH2 C N H , H2O O acetone nitrile or HO , H2O R CH2 C OH + NH4 alkyl or aryl halide carboxylic acid CH2 Br NaCN CH2 CN H , H2O CH2 COOH acetone 2-cyclohexylacetic acid (bromomethyl)cyclohexane 2-cyclohexylacetonitrile รูปที่ 5-41 การสงั เคราะห0 carboxylic acid จาก nitrile 5.8 ปฏกิ ริ ิยาของกรดคารบ0 อกซิลกิ (Reaction of Carboxylic Acid) กรดคารบ0 อกซิลกิ ประกอบด*วยหมู6คาร0บอนิล (C=O) เช6นเดยี วกบั แอลดีไฮด0และคโี ตน แตเ6 กดิ ปฏิกิริยา แตกต6างกัน โดยคารบ0 อนคาร0บอนลิ มคี วามเปนG อเิ ล็กโทรไฟล0 ในกรณขี องแอลดีไฮดแ0 ละคีโตนเกดิ ปฏิกริ ิยาการเพิม่ ด*วยนิวคลีโอไฟล0 (nucleophilic addition) ส6วนกรดคาร0บอกซิลิกและอนุพนั ธข0 องกรดคารบ0 อกซิลกิ เกิดปฏกิ ริ ิยา การแทนทดี่ ว* ยนิวคลโี อไฟล0 (nucleophilic substitution) โดยขั้นตอนการเกดิ ปฏกิ ริ ิยาประกอบ 2 ข้นั ตอน ได*แก6 ขั้นแรกเปGนปฏิกิริยาการเพิม่ นิวคลโี อไฟล0 (nucleophilic addition) ซึ่งเหมือนกบั ปฏกิ ริ ิยาของแอลดไี ฮด0และคีโตน จากน้นั ขน้ั ที่สองเปนG ปฏกิ ิรยิ าขจัด (elimination) ดงั น้ันปฏกิ ริ ยิ าการแทนทดี่ *วยนวิ คลไี ฟลข0 องกรดคาร0บอกซิลกิ (nucleophilic substitution) คือปฏกิ ริ ยิ า addition-elimination ดังรปู ท่ี 5-42 nucleophilic addition O Nu O Nu H3O HO Nu C “addition” C C R H (R’) R H (R’) R H (R’) aldehyde / ketone alkoxide addition product nucleophilic substitution O Nu O Nu O C “addition” C RX C + X RX R Nu “elimination” alkoxide carboxylic acids substitution product รูปที่ 5-42 ปฏิกริ ยิ าของกรดคารบ0 อกซิลกิ และแอลดีไฮด0หรอื คีโตนกบั นิวคลโี อไฟล0 การทกี่ รดคาร0บอกซลิ กิ และแอลดโี ฮด0คีโตนท่ีมหี มฟ6ู ง} ก0ชนั เปGนหมคู6 ารบ0 อนลิ (C=O) เหมือนกัน แต6มีทิศ ทางการเกดิ ปฏิกริ ยิ ากบั นวิ คลโี อไฟลแ0 ตกตา6 งกัน เน่อื งจากอะตอมหรอื หม6ูอะตอมทเี่ กาะกับ C=O แตกตา6 งกัน โดย ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศิริออ/ น ภาควชิ าเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บรู พา 141

บทท่ี 5 กรดคารบ5 อกซลิ กิ กรดคารบ0 อกซิลกิ และอนพุ ันธม0 ีอะตอมหรอื หมูอ6 ะตอมทมี่ คี วามเปนG หมู6หลุด (leaving group) ส6วนอะตอมที่เกาะ กบั คารบ0 อนของหม6ู C=O ของแอลดไี ฮดแ0 ละคีโตนเปGนหมห6ู ลดุ ไมไ6 ด* ดงั รูปที่ 5-43 O leaving group O NOT leaving group RCX R C H (R’) carboxylic acid aldehyde / ketone and derivatives รปู ท่ี 5-43 เปรยี บเทียบหมูท6 ี่ตอ6 กบั หมคู6 ารบ0 อนิลของกรดคาร0บอกซลิ ิกและแอลดไี ฮดห0 รือคโี ตน ยกตัวอย6างปฏกิ ิรยิ าของเอสเทอร0 (อนุพนั ธข0 องกรดคารบ0 อกซิลกิ ) ที่มหี ม6ู alkoxide (OR) เปนG leaving group เมือ่ เกดิ ปฏกิ ิริยา hydrolysis นิวคลีโอไฟล0 OH เขา* แทนท่ีหมู6 OR ดังรปู ที่ 5-44 O step 1 O step 2 O step 3 O R C OR OR RCO R C OR R C OH + + HO R OH ester OH carboxylic acid alkoxide carboxylate alcohol tetrahedral intermediate รูปที่ 5-44 ตวั อยา6 งปฏกิ ริ ิยา nucleophilic substitution ของ ester อนุพนั ธ0ของกรดคาร0บอกซิลกิ ไดแ* ก6 แอซดิ เฮไลด0 (acid halide) แอซิดแอนไฮไดรด0 (acid anhydride) เอสเทอร0 (ester) และเอไมด0 (amide) เม่ือ X คือหม6ูตา6 งๆ ทำหน*าทเ่ี ปนG leaving group ในปฏกิ ิริยา โดยความ วอ6 งไวในการเกดิ ปฏิกริ ิยาการแทนท่ดี *วยนวิ คลีโอไฟล0ของกรดคาร0บอกซลิ ิกและอนุพนั ธข0 ้ึนกับหม6ู X ถ*าเปGนหม6ูดงึ อิ เล็กตอน (คา6 EN สงู ) คาร0บอนคาร0บอนอลมีความเปGนเอิเลก็ โทรไฟลส0 ูง มคี วามวอ6 งไวในการเกดิ ปฏกิ ริ ิยาสงู โดย เรยี งลำดบั ความว6างในการเกิดปฏกิ ริ ยิ าดังรปู ที่ 5-45 O O R C X + Nu R C Nu + X O OO O OO R C X > R C O C R > R C O R' > R C OH > R C NH2 acid halide acid anhydride ester carboxylic acid amide รปู ท่ี 5-45 แสดงอนพุ นั ธข0 องกรดคารบ0 อกซิลิกและความวอ6 งไวในการเกิดปฏิกิรยิ า อนุพันธข0 องกรดคาร0บอกซลิ กิ สังเคราะห0ไดจ* ากกรดคาร0บอกซลิ กิ ผ6านปฏกิ ิริยาการแทนท่ีด*วยนวิ คลโี อไฟล0 โดยหมู6 -OH ของคาร0บอกซลิ ิกถูกแทนทดี่ *วยหมู6 halogen, RCOO, OR และ NR2 ดังรายละเอยี ดต6อไปนี้ 5.8.1 การสังเคราะหเ8 อสเทอร8จากกรดคาร8บอกซิลิกกับแอลกอฮอล8 เอสเทอร0 (ester) สงั เคราะห0จากกรดคารบ0 อกซิลกิ (carboxylic acid) โดยการทำปฏิกริ ิยากบั แอลกอฮอล0 (alcohol) ผา6 นปฏิกิรยิ า “ฟ•ชเชอร0 เอสเทอรฟิ •เคชัน (Fischer esterification)” เปGนปฏกิ ริ ยิ าแบบผันกลบั ได* (reversible) ใช*กรดเปนG ตัวเรง6 ปฏกิ ิริยา เช6น กรดซลั ฟ•วรกิ (sulfuric acid, H2SO4) หรอื กรดไฮโดรคลอรกิ (hydrochloric acid, HCl) จากปฏิกริ ยิ าหมู6 -OH ของ carboxylic acid ถกู แทนท่ดี *วยหม6ู -OR’ ของ alcohol แสดงปฏกิ ริ ยิ าและตัวอยา6 งปฏกิ ริ ิยาดังรปู ที่ 5-46 ผศ.ดร. อทุ ัยวรรณ ศริ อิ /อน ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บรู พา 142

บทท่ี 5 กรดคาร5บอกซิลกิ O HO R C O R' + H2O R C OH + R' OH carboxylic acid alcohol ester H O C OCH2CH3 COOH + CH3CH2OH + H2O cyclohexanecarboxylic acid ethanol ethyl cyclohexanecarboxylate รปู ที่ 5-46 ปฏิกริ ิยาการสังเคราะห0 ester จาก carboxylic acid และ alcohol กลไกการเกดิ ปฏิกิรยิ าในขนั้ แรกตวั เร6งกรดเข*าทำปฏกิ ิรยิ า (protonation) เพือ่ เพม่ิ ความเปนG อเิ ล็กโทรไฟล0 ใหก* บั หมคู6 ารบ0 อนลิ จากน้นั แอลกอฮอล0เปนG นวิ คลโี อไฟลเ0 ข*าทำปฏิกริ ิยา ได*เปนG สารตวั กลาง ester hydrate ตาม ดว* ยการสูญเสียโมเลกลุ ของนำ้ และโปรตอนตามลำดบั ไดผ* ลติ ภัณฑ0เปGน ester แสดงดงั รูปที่ 5-47 OH OH OH OH R'OH2 R C OH R C OH R C OH R C OH + H O R' carboxylic acid R' O H R' O H O R' ester hydrate OH OH H R' O H O R C OH O H H R C O R' R C O R' + R'OH2 OH R C O R' O R' protonated ester ester ester hydrate รูปที่ 5-47 กลไกการเกิดปฏิกิรยิ าการสังเคราะห0 ester จาก carboxylic acid และ alcohol 5.8.2 การสังเคราะหเ8 อสเทอร8จากกรดคารบ8 อกซลิ กิ กับไดอะโซมีเทน เอสเทอร0 (ester) สงั เคราะหจ0 ากกรดคาร0บอกซลิ กิ (carboxylic acid) ทำปฏกิ ิริยากับไดอะโซมีเทน (diazomethane, CH2N2) ไดผ* ลติ ภัณฑ0เปนG เมททลิ เอสเทอร0 (methyl ester) และแกสไนโตรเจน (N2) ปฏกิ ิรยิ า การเตรยี ม methyl ester วธิ นี ้ีมคี วามเปGนพษิ สูง (very toxic) แสดงปฏิกิรยิ าและตวั อยา6 งปฏกิ ริ ิยาดงั รูปที่ 5-48 O + CH2N2 O R C OH diazomethane R C O CH3 + N2 carboxylic acid methyl ester O + CH2N2 O N2 C OH C OCH3 + cyclopentanecarboxylic acid diazomethane methyl cyclopentanecarboxylate รปู ท่ี 5-48 ปฏิกริ ยิ าการสงั เคราะห0 ester จาก carboxylic acid และ diazomethane กลไกการเกิดปฏกิ ิริยาเกย่ี วข*องกบั การเคลือ่ นย*ายโปรตอนของ carboxylic acid ไปยัง diazomethane ได*เปนG เมททลิ ไดอะโซเนียมไอออน (methyldiazonium ion) ทีเ่ ปGนรีเอเจนตท0 ใี่ ห*หม6ูเมททลิ (methylating agent) จากน้ัน carboxylate ion เขา* รบั หมู6เมททลิ (methyl, CH3) จาก methyldiazonium ion และเกดิ การสูญเสยี โมเลกลุ แกสไนโตรเจน ไดผ* ลิตภณั ฑ0เปนG methyl ester ดังรปู ที่ 5-49 ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศิริอ/อน ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บรู พา 143

บทท่ี 5 กรดคาร5บอกซลิ กิ O CH2 N N O + CH3 N N R COH CH2 N N R CO carboxylic acid carboxylate ion methyldiazonium ion O + CH3 N N O NN R CO R C O CH3 + carboxylate ion methyldiazonium ion methyl ester รปู ท่ี 5-49 กลไกการเกิดปฏกิ ิรยิ าการสังเคราะห0 ester จาก carboxylic acid และ diazomethane 5.8.3 การสังเคราะหเ8 อไมดจ8 ากกรดคารบ8 อกซิลกิ กับเอมนี เอไมด0 (amide) สงั เคราะห0ได*จากกรดคาร0บอกซลิ ิก (carboxylic acid) โดยการทำปฏิกิริยากับแอมโมเนยี (ammonia, NH3) หรือ 1o-amine (RNH2) หรอื 2o-amine (R2NH) อย6างไรก็ตามเปนG ปฏิกิริยาทค่ี อ6 นข*างเกดิ ยาก เนือ่ งจากเอมนี มีความเปGนเบส เมื่อเกดิ ปฏกิ ริ ิยากบั กรดคาร0บอกซลิ กิ และไดเ* กลอื แอมโมเนียมของกรดคารบ0 อกซลิ ิก (ammonium salt, RCOO NH4 ) แต6จะเปล่ยี นไปเปนG เอไมด0เม่อื เพมิ่ อุณหภูมใิ หก* บั ปฏิกิริยา แสดงปฏิกิริยาและ ตัวอย6างปฏกิ ริ ิยาดังรูปที่ 5-50 ดังน้นั วิธีการเตรยี มเอไมด0จากกรดคารบ0 อกซิลิกจึงไมเ6 ปนG ทน่ี ิยม เนอ่ื งจากเกดิ ยาก ได* รอ* ยละของผลิตภณั ฑ0ตำ่ แตน6 ยิ มเตรยี มเอไมด0จากอนุพนั ธข0 องกรดคารบ0 อกซลิ ิกแทน ซง่ึ จะไดก* ล6าวในหวั ข*อต6อไป O O heat O + H2O R C OH + R' NH2 R C O H3N R' R C NH R' carboxylic acid amine ammonium carboxylate salt amide O + CH3CH2 NH2 O O C OH heat C NH CH2CH3 C O H3N CH2CH3 cyclopentanecarboxylic acid ethanamine N-ethylcyclopentanecarboxamide รปู ที่ 5-50 ปฏิกริ ิยาการสงั เคราะห0 amide จาก carboxylic acid และ amine 5.8.4 การสังเคราะหแ8 อซดิ แอนไฮไดรดจ8 ากกรดคารบ8 อกซลิ กิ แอซิดแอนไฮไดรด0 (acid anhydride) สังเคราะห0ได*จากกรดคารบ0 อกซลิ ิก (carboxylic acid) 2 โมเลกุล ดว* ยความรอ* น และเกิดการขจัดโมเลกุลของน้ำ (H2O) หรอื สังเคราะห0ได*จากกรดคารบ0 อกซลิ ิกทำปฏิกิรยิ ากับแอซิด เฮไลด0 ดว* ยความรอ* น เกดิ การขจดั โมเลกุลของกรด (HX) ดังรปู ท่ี 5-51 OO heat OO + H2O R C OH + R C OH R C OCR carboxylic acid carboxylic acid acid anhydride OO heat O O R C OH + R C Cl R C O C R + H-Cl carboxylic acid acid chloride acid anhydride รูปที่ 5-51 ปฏกิ ริ ยิ าการสงั เคราะห0 acid anhydride จาก carboxylic acid ผศ.ดร. อุทัยวรรณ ศริ อิ อ/ น ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บรู พา 144

บทที่ 5 กรดคาร5บอกซลิ กิ 5.8.5 การสงั เคราะหแ8 อซดิ คลอไรด8จากกรดคารบ8 อกซลิ กิ แอซิดคลอไรด0 (acid chloride) สงั เคราะห0ไดจ* าก carboxylic acid โดยการทำปฏิกิรยิ ากบั ไทโอนลิ คลอ ไรด0 (thionyl chloride, SOCl2) หรอื ออกซาลลิ คลอไรด0 (oxalyl chloride, (COCl)2) แสดงสมการดงั รูปที่ 5-52 O O O R C OH Cl S Cl R C Cl carboxylic acid or O O acid chloride Cl C C Cl รปู ท่ี 5-52 ปฏิกิริยาการสงั เคราะห0 acid chloride จาก carboxylic acid กลไกการเกิดปฏกิ ริ ิยาระหว6าง carboxylic acid กับ SOCl2 คล*ายกับกลไกการเกดิ ปฏิกริ ยิ าของ alcohol กับ SOCl2 ดงั รปู ท่ี 5-53 O Cl O Cl O Cl S Cl S S O Cl O Cl O R C OH R C OH R C OH Cl O O O S S O Cl O Cl S R C OH R C OH O Cl Cl R CO + HCl chlorosulfite anhydride OO OO O R C O S Cl R C O S Cl R C Cl + SO2 + Cl Cl Cl acid chloride chlorosulfite anhydride รปู ท่ี 5-53 กลไกการเกิดปฏกิ ิรยิ าการสงั เคราะห0 acid chloride จาก carboxylic acid กับ SOCl2 แอซิดคลอด0 (acid chloride) เปนG อนพุ นั ธ0ของ carboxylic acid ทม่ี คี วามวอ6 งไวในการเกิดปฏิกิรยิ าการ แทนทดี่ *วยนวิ คลโี อไฟล0สงู เน่อื งจากหมู6คลอโร (chloro, Cl) เปGนหมห6ู ลดุ (leaving group) ทดี่ ี ทำให* acid chloride ถกู ใชเ* ปนG สารตงั้ ต*นในการสังเคราะหอ0 นพุ ันธข0 อง carboxylic acid เช6น ester และ amide ท่เี กดิ ยาก เมอ่ื ใช* carboxylic acid เปนG สารตง้ั ต*น แสดงปฏิกิรยิ ากบั นิวคลีโอไฟลข0 อง acid chloride ดงั รูปที่ 5-54 O addition O elimination O R C Cl R C Cl R C Nu + Cl Nu Nu acid chloride tetrahedral intermediate acid derivative รปู ที่ 5-54 ปฏิกิริยาของ acid chloride กับนิวคลโี อไฟล0 1) ปฏกิ ริ ยิ าการสังเคราะห0 ester จาก acid chloride โดย acid chloride ถกู เตรยี มจาก carboxylic acid กอ6 นใช* เน่ืองจาก acid chloride มคี วามวอ6 งไวในการเกดิ ปฏกิ ิรยิ าสงู และไมเ6 สถยี รเม่ือเกบ็ ไว*นาน จากนั้นนำไปทำ ผศ.ดร. อุทัยวรรณ ศิรอิ /อน ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บูรพา 145

บทท่ี 5 กรดคารบ5 อกซิลกิ ปฏิกิรยิ ากับ alcohol ได*ผลิตภณั ฑเ0 ปนG ester โดยปฏกิ ริ ิยาการสงั เคราะห0 ester จาก acid chloride น้ีจะเกดิ งา6 ย ไม6ใช*ตวั เรง6 ปฏกิ ริ ยิ าและไมเ6 ปGนปฏกิ ิริยาผันกลับเหมือนกรณีที่ใชส* ารตงั ต*นเปGน carboxylic acid แสดงปฏกิ ริ ิยา และตวั อย6างปฏิกริ ยิ าดงั รปู ท่ี 5-55 และกลไกการเกิดปฏกิ ริ ยิ าดงั รูปท่ี 5-56 O SOCl2 or (COCl)2 O R' OH O R C OH R C Cl alcohol R C O R' + HCl carboxylic acid acid chloride ester O SOCl2 O CH3CH2OH O C OH C Cl pyridine C OCH2CH3 benzoic acid benzoyl chloride ethyl benzoate รปู ที่ 5-55 ปฏกิ ริ ยิ าการสังเคราะห0 ester จาก acid chloride O O O O R C Cl + R' OH R C Cl R C O R' R C O R' + HCl R' O H Cl H รปู ท่ี 5-56 กลไกการเกดิ ปฏกิ ิริยาการสังเคราะห0 ester จาก acid chloride 2) ปฏิกิริยาการสังเคราะห0 amide จาก acid chloride โดยการทำปฏกิ ริ ยิ าระหวา6 ง acid chloride (เตรยี มจาก carboxylic acid ก6อนใช)* กบั amine ไดผ* ลติ ภัณฑ0เปGน amide ปฏิกริ ยิ าการสงั เคราะห0 amide จาก acid chloride น้จี ะเกดิ ง6ายกว6าการใช* carboxylic acid เปGนสารตั้งตน* ท่ีเกิดยากเนือ่ งจากเปนG ปฏิกิรยิ ากรดเบส แสดงปฏิกิริยาและตัวอย6างปฏกิ ิรยิ าดงั รปู ท่ี 5-57 O O + HCl R C Cl + R' NH2 R C NH R' acid chloride amine amide CH3CHCH2 O + CH3 NH2 NaOH O CH3 C Cl CH3CHCH2 C NH CH3 + NaCl + H2O CH3 3-methylbutanoyl chloride methanamine N-methyl-3-methylbutanamide รูปท่ี 5-57 ปฏกิ ิริยาการสังเคราะห0 amide จาก acid chloride 5.8.6 ปฏิกริ ิยารดี กั ชันของกรดคารบ8 อกซิลิก (reduction of carboxylic acid) หมคู6 าร0บอนลิ (C=O) ของกรดคารบ0 อกซลิ ิก (carboxylic acid) ถูกรดี ิวซไ0 ด* แตเ6 กดิ ยากกวา6 หม6คู าร0บอนลิ ของแอลดีไฮด0และคโี ตน จึงต*องใช*ตวั รดี วิ ซ0ท่ีแรง ได*แก6 ลิเทียมอะลมู ิเนยี มไฮไดรด0 (lithium aluminum hydride, LiAlH4) ได*ผลติ ภัณฑ0เปGน 1o-alcohol ส6วนโซเดียมโบโรไฮไดรด0 (sodium borohydride, NaBH4) ไมส6 ามารถรีดิวซ0 carboxylic acid ได*เหมือนกับแอลดีไฮด0และคโี ตน แสดงปฏกิ ริ ิยาและตวั อยา6 งปฏิกริ ิยารีดักชนั (reduction) ของ carboxylic acid ดังรูปที่ 5-58 ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศิริออ/ น ภาควิชาเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บรู พา 146

บทที่ 5 กรดคารบ5 อกซิลิก O i) LiAlH4 R CH2 OH R C OH ii) H3O+ primary alcohol carboxylic acid O i) LiAlH4 CH2 CH2 OH CH2 C OH ii) H3O+ 2-phenylethanol 2-phenylacetic acid รปู ท่ี 5-58 ปฏกิ ริ ิยา reduction ของ carboxylic acid ดว* ย LiAlH4 กลไกการเกิดปฏกิ ริ ิยาเปนG การแทนทีด่ *วยนิวคลโี อไฟล0 (nucleophilic substitution) โดยที่ LiAlH4 เปนG เบสแรง จะเข*าดึงโปรตอนของ carboxylic acid กอ6 น จากนั้นจึงทำหน*าทเี่ ปGนตัวรดี วิ ซท0 ี่ใหไ* ฮไดรด0 (hydride, H ) เปนG นวิ คลโี อไฟล0เข*าแทนท่หี มู6 -OH ซง่ึ เปนG หมูห6 ลดุ (leaving group) ไดเ* ปนG แอลดีไฮด0 (aldehyde) เปGนสาร ตวั กลาง จากนน้ั แอลดีไฮด0ถกู รีดิวซต0 6อไดผ* ลิตภัณฑ0สดุ ท*ายเปนG 1o-alcohol ดงั รูปที่ 5-59 OH O R C O Li R C O H + Li H Al H + AlH3 + H2 H carboxylic acid O HH O AlH2 LiO AlH2 H Li H + AlH3 R C O Li Al RC H H Al H RC H H RC H O Li O H O Li aldehyde R CH2 O Li + H2O R CH2 OH + LiOH primary alcohol รูปที่ 5-59 กลไกการเกดิ ปฏิกิรยิ า reduction ของ carboxylic acid ดว* ย LiAlH4 นอกจากนี้ ตัวรดี วิ ซท0 ใี่ ช*ในการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า oxidation ของ carboxylic acid ท่ีมีความเฉพาะเพยี งหม6ู carboxyl คอื โบเรน (borane) เช6น BH4-THF หรอื B2H6 เปนG ต*น โดยจะรดี วิ ซ0เฉพาะหมู6คาร0บอซลิ (carboxyl, -COOH) ไปเปนG 1o-alcohol (-CH2OH) แตจ6 ะไม6รีดิวซ0 ketone ซึ่งจะต6างจาก LiAlH4 ท่ีเกิดปฏิกิริยาได*ท้ัง carboxylic acid และ ketone แสดงตวั อยา6 งปฏกิ ริ ิยาดังรปู ที่ 5-60 O O i) BH4 . THF O CH2 OH CH3 C C OH or B2H6 CH3 C ii) H3O+ 4-acetylbenzoic acid 1-(4-(hydroxymethyl)phenyl)ethanone รปู ท่ี 5-60 ปฏกิ ริ ยิ า reduction ของ carboxylic acid ด*วย BH4-THF หรอื B2H6 ปฏกิ ิรยิ า oxidation ของ carboxylic acid ไปเปGน aldehyde เกิดได*ยาก เน่อื งจาก aldehyde มคี วาม วอ6 งไวในการเกิดปฏกิ ริ ิยา oxidation มากกว6า carboxylic acid ดังนั้นการสงั เคราะห0 aldehyde ดว* ยปฏกิ ริ ยิ า reduction จะใชส* ารต้งั ต*นเปGน acid chloride ซ่งึ มคี วามวอ6 งไวในการเกดิ ปฏิกริ ยิ า และใช*ตัวรดี วิ ซท0 ไ่ี มร6 นุ แรงมาก ผศ.ดร. อทุ ัยวรรณ ศริ ิออ/ น ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บรู พา 147

บทท่ี 5 กรดคาร5บอกซลิ ิก ไดแ* ก6 lithium tri-tert-butoxyaluminum hydride [LiAlH(O-t-Bu)3] แสดงปฏิกิริยาและตัวอยา6 งปฏกิ ริ ยิ า reduction ของ acid chloride เปGน aldehyde ดังรปู ที่ 5-61 O O Li + Al(O-t-Bu)3 O R C Cl + LiAlH(O-t-Bu)3 R C Cl R C H + LiCl acid chloride H aldehyde O O C Cl + LiAlH(O-t-Bu)3 CH benzoyl chloride benzaldehyde O SOCl2 O LiAlH(O-t-Bu)3 O CH3 CH2 C OH CH3 CH2 C Cl CH3 CH2 C H propionic acid propionyl chloride propionaldehyde รปู ที่ 5-61 ปฏกิ ิริยา reduction ของ acid chloride เปGน aldehyde ด*วย LiAlH(O-t-Bu)3 5.8.7 ปฏกิ ิรยิ าแอลคิลเลชันของคารบ8 อกซิลกิ (alkylation of carboxylic acid) กรดคาร0บอกซลิ ิก (carboxylic acid) สามารถทำปฏิกริ ิยากบั ออกาโนลเิ ทียม (organolithium, R’Li) จำนวน 2 โมเลกุล ให*ผลิตภัณฑ0เปGน ketone แสดงปฏกิ ริ ยิ าและตวั อย6างปฏิกริ ิยา 5-62 O i) 2 R'-Li O R C OH ii) H2O R C R' carboxylic acid ketone O i) 2 CH3CH2 Li O C OH ii) H2O C CH2CH3 benzoic acid propiophenone รปู ท่ี 5-62 ปฏกิ ิรยิ าของ carboxylic acid กับ R’Li โดยกลไกการเกดิ ปฏิกิรยิ าเร่มิ จาก R’Li เปGนเบสเข*าดงึ โปรตอนจาก carboxylic acid ไดเ* ปนG สารตัวกลาง dianion จากนนั้ เกิดการ hydrolysis ของ dianion รบั โปรตอนได*เปGน hydrate ของ ketone และเกดิ การสญู เสยี โมเลกุลของนำ้ ไดผ* ลติ ภณั ฑ0เปGน ketone ดังรปู ท่ี 5-63 O R' Li O OLi R COH R' H + R C OLi R C OLi carboxylic acid R' Li R' OLi dianion R C OLi H3O OH O R C OH R C R' + H2O R' dianion R' ketone hydrate of ketone รูปท่ี 5-63 กลไกการเกิดปฏกิ ิรยิ าของ carboxylic acid กับ R’Li ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศิรอิ /อน ภาควชิ าเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บูรพา 148

บทท่ี 5 กรดคาร5บอกซลิ ิก 5.9 แบบฝ<กหัดเสรมิ ความเขCาใจ 1. แสดงโครงสรา* งของสารประกอบกรดคารบ0 อกซลิ กิ ตอ6 ไปน้ี 1.1 a,b-dichloropropionic acid 1.2 3,3-dimethylpentanoic acid 1.3 hexanedioic acid 1.4 2-bromo-4-aminobutanoic acid 1.5 cyclopentanecarboxylic acid 1.6 3-bromocyclohexanecarboxylic acid 1.7 1,4-cyclohexanedicarboxylic acid 1.8 o-chlorobenzoic acid 1.9 propenoic acid 1.10 sodium a-bromobutyrate 1.11 4-formylbutanoic acid 1.12 6-oxooctanoic acid 2. อ6านชอ่ื ตามระบบ IUPAC ของกรดคาร0บอกซลิ ิกต6อไปน้ี 2.1 2.2COOH (CH3)2CHCH(CH3)CH2CHBrCH2COOH 2.3 COOH 2.4 CH3 COOH OH O Na 2.6 CH(CH3)COOH 2.5 O NH2 2.7 O COOH 2.8 C2H5 COOH 2.10 HOOC CH3 H3C COOH Br 2.9 COOH 3. เรียงลำดบั จุดเดอื ดของสารประกอบต6อไปน้ี พร*อมอธิบายเหตผุ ล 3.1 CH3CH2CH2CH2COOH, (CH3CH2CH2)2O, CH3(CH2)5OH 3.2 CH3COCH2CH(CH3)2, (CH3)2CHCH2COOH, (CH3)2CHCH2CH(OH)CH3 4. เรยี งลำดบั ความเปนG กรด (acidity) ของสารประกอบตอ6 ไปน้ี พร*อมอธิบายเหตุผล 4.1 a. O b. O c. O d. F OH F F OH F OH OH 4.2 a. CH3CH2COOH b. CH3CHCOOH c. CH3CHCOOH d. CH3CHCOOH NO2 Cl CH3 ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศริ ิอ/อน ภาควิชาเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บูรพา 149

บทที่ 5 กรดคารบ5 อกซลิ กิ 4.3 a. Br c. Br 4.4 b. COOH COOH a. COOH COOH COOH Br COOH COOH b. c. d. NO2 OCH3 NO2 5. แสดงวธิ ีการสังเคราะห0 butanoic acid จากสารตง้ั ต*นต6อไปน้ี 5.1 1-butanol 5.2 butanal 5.3 1-butene 5.4 1-propanol 5.5 1-bromopropane 5.6 1-pentene 6. แสดงโครงสร*างของผลติ ภัณฑ0ในปฏิกิริยาการสังเคราะหก0 รดคาร0บอกซลิ ิกตอ6 ไปน้ี 6.1 CH2OH K2Cr2O7, H2SO4 H2O, acetone 6.2 CH3 KMnO4 CH CH3 H2O, heat 6.3 CH3 concd. KMnO4 6.4 MgBr 1. CO2 2. H3O 6.5 1. O3 + CH3CH2CH2 C C Ph 2. H2O 6.6 Br 1. NaCN, acetone 2. H3O 6.7 O O 1. NaOEt 2. bromobutane EtO OEt 3. HO 4. H , heat 6.8 Br 1. Mg, ether OCH3 2. CO2 3. HCl, H2O ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศริ อิ /อน ภาควิชาเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บรู พา 150

บทที่ 5 กรดคารบ5 อกซลิ ิก 6.9 CN H2SO4 H2O 7. แสดงโครงสร*างผลติ ภณั ฑท0 ไ่ี ดจ* ากปฏกิ ิริยาของกรดคารบ0 อกซิลกิ ต6อไปนี้ พร*อมแสดงกลไกการเกิดปฏกิ ริ ยิ า 7.1 O + H2SO4 OH OH 7.2 O H2SO4 HO OH 7.3 O OO OH + C C Cl Cl oxalyl chloride 7.4 OH 1. SOCl2 O 2. CH3NH2 7.5 COOH 1. SOCl2 2. AlCl3 7.6 COOH 1. LiAlH4 2. H3O+ 7.7 COOH CH2N2 7.8 O O BH3 / THF 7.9 OH 7.10 O 1. SO2Cl C OH 2. LiAl[OC(CH3)3]3H O 1. 2 CH3CH2Li OH 2. H2O ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศิรอิ /อน ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บูรพา 151

บทท่ี 5 กรดคารบ5 อกซลิ กิ ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศิรอิ อ/ น ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บรู พา 152