เอกสารประกอบการสอนวิชา_บทที่ 2_fuctional and reaction (2016_08_20)

บทท่ี 2 หมฟู่ งั กช์ นั่ และปฏิกริ ยิ าเคมขี องสารอนิ ทรีย์ (Functional Groups and Organic Reactions) แผนการสอนประจาบท เนอื้ หาประจาบท การจาแนกชนดิ ของสารอนิ ทรีย์ตามหมู่ฟังกช์ ่ัน การเกิดปฏกิ ริ ิยาเคมีและประเภทของปฏกิ ิรยิ าเคมีของสารอินทรีย์ กลไกการเกิดปฏิกิรยิ าเคมขี องสารอนิ ทรีย์ วัตถุประสงค์การเรียนรปู้ ระจาบท เพอ่ื ให้สามารถจาแนกชนดิ ของสารอินทรีย์ตามหมู่ฟังก์ชั่นได้ เพื่อใหเ้ ข้าใจการเกดิ ปฏิกริ ยิ าเคมแี บบตา่ งๆ และกลไกการเกดิ ปฏิกริ ิยาเคมเี บือ้ งต้น วธิ สี อนและกิจกรรมการเรยี นการสอนประจาบท บรรยายในช้นั เรยี น ตอบข้อซักถามของผูเ้ รียน การถาม-ตอบระหวา่ งผ้สู อนและผูเ้ รียน ใหผ้ ู้เรียนทาแบบฝึกหัด สือ่ การเรยี นการสอน เอกสารประกอบคาสอนรายวชิ า 303220 เคมอี นิ ทรยี ์ Power Point เครื่องฉายภาพ LCD และเครื่องฉายแผ่นทึบ การวัดผลและประเมินผล สงั เกตุความสนใจของผเู้ รียน การแสดงความคิดเห็นของผูเ้ รียน

หมูฟ่ ังก์ชน่ั และปฏกิ ิรยิ าเคมีของสารอินทรีย์ | 17 เนื้อหาสาคัญ เนอ้ื หาของเอกสารประกอบการสอนในบทน้ีกล่าวถงึ ชนิดของสารอินทรยี ์ ปฏกิ ิรยิ าเคมีของสารอินทรยี ์ และกลไกการเกดิ ปฏกิ ริ ิยาของสารอนิ ทรีย์ ดงั น้ี 2.1 การจาแนกชนดิ ของสารอินทรยี ์ตามหมู่ฟงั ก์ช่ัน (Functional Groups) โดยทวั่ ไป โครงสรา้ งของสารอินทรีย์ประกอบด้วย 2 ส่วน คือ ส่วนของหมู่อัลคลิ (alkyl group, R) หรอื เอรลิ (aryl group, Ar) และสว่ นของหมู่ฟงั ก์ช่ัน (fuctional group) ดงั รูปที่ 2.1 โดยส่วนของหมู่อลั คิลหรอื เอริล เป็นสว่ นที่ไม่ว่องไวในการเกดิ ปฏกิ ิริยาเคมี สว่ นของหมู่ฟังกช์ ่ันมคี วามวอ่ งไวในการเกิดปฏิกิรยิ าเคมี และมีความ เฉพาะในการเกิดปฏิกริ ิยาเคมีตามชนิดของหมู่ฟังกช์ ่ันน้ันๆ รูปที่ 2.1 ส่วนประกอบในโครงสรา้ งของสารอินทรีย์ (ดดั แปลงจาก: Smith, J. G. Organic Chemistry. 3th ed., 2011) หมู่อลั คลิ (alkyl group) ใชส้ ญั ลกั ษณ์ R เป็นสารประกอบอลั เคน (alkane) ท่มี ีไฮโดรเจนอะตอมหายไป หนึ่งตวั เชน่ หมูเ่ มทลิ (methyl group, CH3-) หรอื เขยี นเป็น Me- เกิดจากมีเทน (methane, CH4) ส่วนหมเู่ อรลิ (aryl group) ใช้สญั ลกั ษณ์ Ar เป็นสารประกอบวงแหวนอะโรมาติก เชน่ หมู่ฟีนลิ (phenyl group, C6H5-) หรือ เขยี นเปน็ Ph- เกดิ จากวงแหวนเบนซนี (benzene, C6H6) เปน็ ตน้ ตารางที่ 2.1 แสดงหมู่อัลคลิ บางชนดิ ทใี่ ชเ้ ป็นหม่แู ทนที่ Alkane Alkyl / Aryl Group Abbreviation CH4 CH3- Me- Et- metane methyl group Pr- CH3CH3 CH3CH2- หรือ C2H5- i-Pr- ethane CH3CH2CH3 ethyl group Ph- propane CH3CH2CH2- Bn- CH3CH2CH3 propyl group propane CH3CHCH3 หรือ C6H6 benzene Isopropyl group C6H5- phenyl group CH3 CH2 หรอื C6H5CH3 หรือ C6H5CH2- methylbenzene หรือ toluene benzyl group

หมู่ฟงั กช์ ัน่ และปฏกิ ริ ิยาเคมขี องสารอนิ ทรยี ์ | 18 หมฟู่ ังกช์ ั่น (functional groups) คืออะตอมหรือกลุ่มของอะตอมอ่นื ๆ นอกจากคาร์บอนและไฮโดรเจน และตอ่ อย่กู ับคาร์บอนอะตอมของสารอนิ ทรยี ์ ดว้ ยพนั ธะเด่ียว พันธะคู่ หรือ พันธะสาม โดยเรยี กอะตอมเหล่านีว้ า่ “เฮทเทโรอะตอม (heteroatom)” เชน่ O, N, P, S และอะตอมฮาโลเจน (Cl, Br, I) เปน็ ตน้ โดยหมฟู่ งั กช์ ่ันมีบทบาทสาคัญต่อสมบตั ิทางกายภาพ (physical properties) และทางเคมี (chemical properties) ของสารอินทรยี ์ สารอินทรยี ท์ ีม่ หี มฟู่ ังก์ช่ันชนิดเดียวกนั มสี มบตั ิทางกายกาพและทางเคมีท่ีเหมือนกนั โดยปฏกิ ริ ิยาเคมีเกิดตรงตาแหน่งของหม่ฟู ังกช์ ่ัน ส่วนสารอนิ ทรยี ์ที่ไม่มหี มู่ฟังก์ชั่น ไม่แสดงความว่องไวในการ เกิดปฏกิ ริ ิยาเคมี ดังนน้ั ในการศึกษาเคมีอนิ ทรีย์ จึงแบง่ การศึกษาออกตามชนดิ ของหมู่ฟังก์ช่ัน ซง่ึ สามารถจาแนก ชนดิ ของสารอินทรยี อ์ อกตามหมฟู่ ังกช์ ่ันได้ดังนี้ 2.1.1 สารประกอบไฮโดรคารบ์ อน (hydrocarbons, HC) เป็นสารอินทรียท์ ่ีมีอะตอมของคาร์บอนและไฮโดรเจนเปน็ องค์ประกอบเท่านั้น แบ่งออกได้เเปน็ 2 กล่มุ ได้แก่ อะลิฟาตกิ ไฮโดรคาร์บอน และอะโรมาตกิ ไฮโดรคารบ์ อน อะลิฟาตกิ ไฮโดรคาร์บอน (aliphatic hydrocarbon) ได้แก่ อลั เคน อลั คนี และอลั ไคน์  อลั เคน (alkane) เป็นสารประกอบไฮโดรคารบ์ อนทโี่ ครงสร้างเป็นพันธะเด่ียว (single bond) ทง้ั หมด จับ กันดว้ ยพันธะซิกมา่ (sigma bond, bond) ซง่ึ ถอื วา่ เป็นสารอนิ ทรยี ์ท่ีไมม่ ีหมู่ฟังก์ชั่น จึงไมม่ คี วามวอ่ งไวต่อการ เกิดปฏกิ ริ ยิ าเคมี มีสูตรทั่วไป คอื R-H ยกตวั อย่างเชน่ อเี ทน (ethane, CH3CH3) เป็นต้น  อัลคนี (alkene) เป็นสารประกอบไฮโดรคารบ์ อนท่โี ครงสรา้ งประกอบดว้ ยพันธะคู่ (double bond) ของ C-C อยา่ งน้อย 1 พนั ธะ เกิดจาก 1 พันธะซิกมา่ และ 1 พันธะไพ โดยพันธะคเู่ ปน็ หม่ฟู ังก์ช่ัน มสี ตู รทว่ั ไปคือ RCH=CHR ยกตวั อย่างอัลคีนตวั เลก็ สุด ได้แก่ อที ีน (ethene, CH2CH2) หรือเรียกว่า เอทิลีน (ethylene) เปน็ ตน้  อัลไคน์ (alkyne) เป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนท่ีโครงสรา้ งประกอบดว้ ยพันธะสาม (triple bond) ของ C-C อย่างน้อย 1 พันธะ เกิดจาก 1 พันธะซิกม่า และ 2 พันธะไพ โดยมพี ันธะสามเป็นหมู่ฟงั ก์ช่ัน และมสี ูตรทว่ั ไป คอื RC CR ยกตัวอยา่ งอลั ไคน์ตวั เล็กสดุ ไดแ้ ก่ อีไทน์ (ethyne, CHCH) หรอื เรียกว่า อะเซทลิ นี (acetylene) เป็นต้น รปู ท่ี 2.2 อะลิฟาติกไฮโดรคารบ์ อน

หมู่ฟงั กช์ นั่ และปฏิกริ ิยาเคมีของสารอนิ ทรีย์ | 19 อะโรมาตกิ ไฮโดรคารบ์ อน (aromatic hydrocarbon) ไดแ้ ก่ สารประกอบทเ่ี ปน็ วงแหวนเบน ซนี (C6H6) ดงั รูปที่ 2.3 รปู ท่ี 2.3 อะโรมาติกไฮโดรคารบ์ อน (ดัดแปลงจาก: Brown, W. H., Foote, C. S. & Iverson, B. L. Organic Chemistry. 4th ed., 2005) นอกจากนี้ สามารถแบง่ สารประกอบไฮโดรคารบ์ อนออกเป็น สารประกอบไฮโดรคาร์บอนอิ่มตวั และ สารประกอบไฮโดรคารบ์ อนชนดิ ไม่อิม่ ตวั รายละเอยี ดดังน้ี 1) สารประกอบไฮโดรคารบ์ อนอิ่มตวั (saturated hydrocarbon) ประกอบด้วยพันธะด่ียวท้งั หมด ได้แก่ อัลเคน 2) สารประกอบไฮโดรคาร์บอนไม่อมิ่ ตวั (unsaturated hydrocarbon) ประกอบด้วยพนั ธะคู่ หรอื พนั ธะสาม อย่างน้อย 1 พนั ธะ ได้แก่ อลั คีน อัลไคน์ และอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน รูปที่ 2.4 สารประกอบไฮโดรคารบ์ อนอม่ิ ตวั และสารประกอบไฮโดรคาร์บอนไม่อม่ิ ตวั (ดัดแปลงจาก: Brown, W. H. Organic Chemistry. 6th ed., 2012) 2.1.2 อลั คลิ เฮไลด์ (alkyl halides) หรอื เรียกว่า “ฮาโลอัลเคน (haloalkanes)” เปน็ สารอินทรียท์ ่ีมฮี าโลเจนอะตอม (X = Cl, Br, I) อย่างน้อย 1 ตวั ตอ่ อยกู่ บั คารบ์ อนอะตอม ด้วยพนั ธะซิกมา่ โดยมีหมู่ “ฮาโลเจน (halogen, -X)” เปน็ หมู่ ฟงั ก์ช่ัน มสี ูตรท่ัวไปคือ R-X หรอื Ar-X เมือ่ R คอื หมู่อลั คิล และ Ar คือหมเู่ อริล ดงั รูปที่ 2.5 รูปท่ี 2.5 อลั คลิ เฮไลด์

หมฟู่ ังก์ชั่นและปฏกิ ิริยาเคมีของสารอินทรีย์ | 20 ยกตัวอย่างเช่น คลอโรอีเทน (chloroethane) และ ไอโอโดเบนซนี (iodobenzene) แสดงโครงสร้างดังรปู ที่ 2.6 รปู ที่ 2.6 ตัวอย่างของอัลคลิ เฮไลด์ 2.1.3 อัลกอฮอล์ (alcohols) และฟนี อล (phenol) เป็นสารอนิ ทรีย์ท่ีคารบ์ อนอะตอมต่อกับออกซเิ จนอะตอม ดว้ ยพันธะซิกม่า มีหมู่ฟงั ก์ช่ันเรยี กว่า “หมไู่ ฮดรอกซิล (hydroxyl, -OH)” โดยสูตรทัว่ ไปของอัลกอฮอล์คือ R-OH เมอ่ื R เป็นหมู่อัลคลิ และสตู รทว่ั ไป ของฟีนอลคือ Ar-OH เม่อื Ar เป็นหมู่เอริล ดงั รปู ที่ 2.7 รูปท่ี 2.7 อลั กอฮอล์ ยกตัวอยา่ งเช่น เอทานอล (ethanol) ฟีนอล (phenol) และสารผลิตภัณฑธ์ รรมชาติบางชนดิ แสดงโครงสรา้ งดงั รูปที่ 2.8 รปู ท่ี 2.8 ตัวอยา่ งของอลั กอฮอล์ 2.1.4 อเี ทอร์ (ethers) เปน็ สารอนิ ทรีย์ที่ออกซิเจนอะตอมมีคาร์บอนอะตอมตอ่ อยู่ทั้งสองด้านดว้ ยพันธะซิกมา่ และมีหมู่ ฟังก์ชั่นเรียกว่า “หมู่ออกซี (oxy, -O-)” มีสตู รท่ัวไปคอื R-O-R, Ar-O-Ar หรือ R-O-Ar เมอื่ R เป็นหมู่อัลคิล และ Ar เป็นหมเู่ อรลิ ดงั รปู ที่ 2.9 รูปที่ 2.9 อีเทอร์

หมู่ฟังก์ชั่นและปฏิกิริยาเคมีของสารอินทรีย์ | 21 ยกตวั อย่างเช่น ไดเอทิลอีเทอร์ (diethyl ether) เตตระไฮโดรฟเู รน (tetrahydrofuran) และเมทลิ ฟีนลิ อีเทอร์ (ethyl phenyl ether) แสดงโครงสร้างดงั รปู ที่ 2.10 รูปที่ 2.10 ตัวอยา่ งของอีเทอร์ 2.1.5 อะมนี (amines) เป็นสารอนิ ทรยี ์ที่คารบ์ อนอะตอมต่อกับไนโตรเจนอะตอม ด้วยพันธะซกิ มา่ มีหมฟู่ ังก์ช่ันเรียกว่า “หมู่อะมโิ น (amino, -NH2)” มีสูตรทั่วไปคอื R-NH2 เมื่อ R เป็นหมู่อลั คลิ เรยี กวา่ “อะลิฟาติกอะมีน (aliphatic amine)” หรือมสี ตู รท่ัวไปคือ Ar-NH2 เมอ่ื Ar เปน็ หม่เู อริล เรยี กว่า “อะโรมาตกิ อะมีน (aromatic amine)” ดงั รูปที่ 2.11 รูปที่ 2.11 อะมนี ยกตัวอย่างเช่น เมทลิ อะมีน (methyl amine) ไดเมทลิ อะมีน (dimethyl amine) ไตรเมทลิ อะมนี (trimethyl amine) อะนิลนี (aniline) และ เอน็ -เมทลิ อะนิลนี (N-methylaniline) แสดงโครงสร้างดงั รปู ท่ี 2.12 รูปท่ี 2.12 ตวั อย่างของอะมีน 2.1.6 อลั ดีไฮด์ (aldehydes) เป็นสารอนิ ทรีย์ที่คารบ์ อนอะตอมต่อกบั ออกซิเจนอะตอมด้วยพันธะคู่ และมีหมฟู่ ังก์ชั่นเรียกว่า OO “หมคู่ าร์บอกซาลดีไฮด์ (carboxaldehyde, -CH=O หรอื -CHO)” มีสูตรทวั่ ไปคือ R C Hและ Ar C H หรอื สามารถเขียนย่อๆ ได้เป็น RCHO หรือ ArCHO เม่ือ R เป็นหมูอ่ ัลคลิ เรียกวา่ “อะลฟิ าตกิ อัลดีไฮด์ (aliphatic aldehyde)” และเมือ่ Ar เป็นหมเู่ อรลิ เรียกวา่ “อะโรมาติกอลั ดีไฮด์ (aromatic aldehyde)” ดงั รปู ที่ 2.13

หม่ฟู ังกช์ นั่ และปฏิกิรยิ าเคมีของสารอนิ ทรยี ์ | 22 รปู ที่ 2.13 อลั ดไี ฮด์ ยกตวั อย่างเชน่ ฟอรม์ านดไี ฮด์ (formaldehyde) อะซิทาดไี ฮด์ (acetadehyde) เบนซาดีไฮด์ (benzadehyde) และซนิ นามอล (cinnamon, trans-cinnamadehyde) แสดงโครงสรา้ งดงั รูปท่ี 2.14 รูปที่ 2.14 ตวั อยา่ งของอลั ดไี ฮด์ 2.1.7 คโี ตน (ketones) เป็นสารอนิ ทรยี ท์ ี่คารบ์ อนอะตอมต่อกับออกซเิ จนอะตอมด้วยพนั ธะคู่ และมีหมู่ฟงั ก์ชั่นรียกว่า OO O “หมู่คาร์บอนิล (carbonyl, -C=O)” มีสตู รท่วั ไป R C R R C Arหรือ Ar C Ar หรือสามารถเขยี นยอ่ ๆ ได้เป็น RCOR, RCOAr หรือ ArCOAr เม่อื R เป็นหมอู่ ัลคิล เรียกวา่ “อะลฟิ าติกคโี ตน (aliphatic ketone)” และ เม่อื Ar เป็นหมเู่ อริล เรียกว่า “อะโรมาติกคโี ตน (aromatic ketone)” ดงั รปู ท่ี 2.15 รปู ท่ี 2.15 คีโตน ยกตวั อย่างเชน่ อะซีโตน (acetone) เอทลิ เมทลิ คีโตน (ethyl methyl ketone) อะซโี ตฟีโนน (acetophenone) และ คาร์โวน (carvone) แสดงโครงสรา้ งดงั รูปที่ 2.16 รปู ท่ี 2.16 ตวั อย่างของคโี ตน

หม่ฟู งั ก์ชน่ั และปฏกิ ริ ิยาเคมขี องสารอนิ ทรีย์ | 23 2.1.8 กรดคารบ์ อกซิลิก (carboxylic acid) กรดคาร์บอกซลิ ิกมีหมู่ฟังก์ช่ันเรยี กวา่ “หมู่คารบ์ อกซิล (carboxyl, -COOH)” ประกอบดว้ ย OO หมูค่ าร์บอนิล (-C=O) กบั หมู่ไฮดรอกซิล (-OH) มีสตู รท่ัวไปคือ R C OH หรอื Ar C OH โดยสามารถเขียน ย่อๆ ไดเ้ ป็น RCOOH, RCO2H, ArCOOH หรอื ArCO2H เม่ือ R เป็นหม่อู ัลคิล และ Ar เปน็ หมู่เอริล ดงั รูปท่ี 2.17 รปู ท่ี 2.17 กรดคาร์บอกซลิ ิก ยกตัวอย่างเช่น กรดฟอร์มกิ (formic acid) กรดอะซตี กิ (acetic acid) และกรดเบนโซอิก (benzoic acid) แสดง โครงสรา้ งดังรูปท่ี 2.18 รูปท่ี 2.18 ตัวอย่างของกรดคารบ์ อกซิลิก 2.1.9 แอซิดเฮไลด์ (acid halide) แอซดิ เฮไลด์มีหมู่ฟังก์ชั่นเปน็ หมู่ –COX ประกอบดว้ ยหมคู่ ารบ์ อนิล (-C=O) กับหมู่ฮาโลเจน (-X) OO มสี ูตรท่วั ไปคือ R C X หรอื Ar C X สามารถเขยี นย่อๆ ได้เป็น RCOX หรอื ArCOX เมอื่ R เป็นหมอู่ ัลคลิ และ Ar เป็นหม่เู อรลิ และ X คอื หมู่ฮาโลเจน (Cl หรือ Br) ดงั รูปที่ 2.19 รูปท่ี 2.19 แอซิดเฮไลด์ ยกตัวอย่างเชน่ อะซที ลิ คลอไรด์ (acetyl chloride) และเบนโซอลิ โบรไมด์ (benzoyl bromide) แสดงโครงสร้าง ดงั รปู ท่ี 2.20

หมูฟ่ งั ก์ช่นั และปฏกิ ิรยิ าเคมขี องสารอนิ ทรยี ์ | 24 รปู ท่ี 2.20 ตวั อย่างของแอซดิ เฮไลด์ 2.1.10 แอซิดแอนไฮไดรด์ (acid anhydride) แอซดิ แอนไฮไดรด์มหี มฟู่ ังกช์ ่ันเป็นหมู่ –CO-O-CO- ซง่ึ ประกอบดว้ ยหมคู่ ารบ์ อนลิ 2 หมู่ ต่อกัน OO OO OO ด้วยออกซเิ จนอะตอม มสี ตู รทั่วไปคือ R C O C R Ar C O C Ar หรือ R C O C Ar เม่ือ R คือ หมูอ่ ลั คลิ และ Ar คือหมู่เอรลิ ดงั รปู ท่ี 2.21 รูปที่ 2.21 แอซดิ แอนไฮไดรด์ ยกตัวอยา่ งเชน่ อะซีติกแอนไฮไดรด์ (acetic anhydride) เบนโซอกิ แอนไฮไดรด์ (benzoic anhydride) แสดง โครงสรา้ งดงั รปู ที่ 2.22 รูปท่ี 2.22 ตัวอย่างของแอซดิ แอนไฮไดรด์ 2.1.11 เอสเทอร์ (ester) เอสเทอร์มหี มู่ฟังก์ชั่นที่เรียกวา่ “หมอู่ ลั คอกซีคาร์บอนลิ (alkoxy carbonyl, -COO-)” OO ประกอบด้วยหม่คู ารบ์ อนิล (-C=O) กับหม่อู ัลคอกซี (-OR) มสี ูตรทว่ั ไปคอื R C OR หรอื Ar C OR สามารถ เขียนยอ่ ๆ ได้เป็น RCOOR, RCO2R, ArCOOR หรือ ArCO2R เมื่อ R คือหมูอ่ ลั คิล และ Ar คอื หมู่เอรลิ ดงั รปู ที่ 2.23

หมู่ฟงั กช์ ั่นและปฏิกริ ยิ าเคมีของสารอนิ ทรยี ์ | 25 รปู ที่ 2.23 เอสเทอร์ ยกตวั อยา่ งเชน่ เอทลิ อะซเี ตต (ethyl acetate) เพนทลิ บวิ ทาโนเอต (pentyl butanoate) และเมทิลเบนโซเอต (methyl benzoate) แสดงโครงสรา้ งดงั รปู ท่ี 2.24 รูปท่ี 2.24 ตวั อยา่ งของเอสเทอร์ 2.1.12 เอไมด์ (amide) เอไมด์มหี มู่ฟงั กช์ ั่นที่เรียกว่า “หมู่เอไมด์ (amide, -CONH2 -CONHR หรือ -CONR2)” OO ประกอบด้วยหมู่คาร์บอนิล (-C=O) กับหม่อู ะมโิ น (-NH2) มสี ตู รทว่ั ไปคือ (Ar) R C NH2 (Ar) R C NHRหรือ O (Ar) R C NR2 เมื่อ R คือหมู่อัลคิล และ Ar คอื หมเู่ อรลิ ดงั รปู ท่ี 2.25 รปู ที่ 2.25 เอไมด์ ยกตัวอยา่ งเชน่ อะซิทาไมด์ (acetamide) เอน็ -เมทลิ อะซิทาไมด์ (N-methylacetamide) เอน็ ,เอ็น-ไดเมทลิ อะซิ- ทาไมด์ (N,N-dimethylacetamide) และเบนซาไมด์ (benzamide) แสดงโครงสร้างดังรูปที่ 2.26 รปู ที่ 2.26 ตัวอยา่ งของเอไมด์

หมฟู่ งั ก์ช่นั และปฏกิ ริ ิยาเคมีของสารอินทรีย์ | 26 2.1.13 ไซยาไนด์ (cyanide) หรือไนไตรล์ (nitrile) ไซยาไนด์หรือไนไตรล์ มหี มู่ฟังก์ชั่นเปน็ หมไู่ ซยาโน (cyano,-C N) มสี ตู รท่วั ไปคือ (Ar)R-C N หรอื (Ar) R-CN เม่อื R คอื หมู่อัลคลิ และ Ar คอื หมู่เอรลิ ดังรปู ท่ี 2.27 รูปที่ 2.27 ไซยาไนด์ ยกตัวอยา่ งเชน่ อะซิโทไนไตรล์ (acetonitrile) ไซโคลเฮกเซนคารโ์ บไนไตรล์ (cyclohexanecarbonitrile) และ เบนโซไนไตรล์ (benzonitrile) แสดงโครงสรา้ งดังรปู ท่ี 2.28 รูปที่ 2.28 ตัวอยา่ งของไซยาไนด์ อยา่ งไรก็ตาม สารอนิ ทรยี ์ทไ่ี ด้จากธรรมชาติ หรอื ได้จากการสงั เคราะห์ สามารถมีหม่ฟู ังกช์ ่ันได้ มากกว่า 1 ชนดิ ยกตัวอย่างเชน่ atenolol และ donepezil ซงึ่ เปน็ สารทมี่ คี วามสาคญั ทางยา โดย atenolol ประกอบด้วยหมู่ฟังก์ชั่น alcohol ether amine amide และ aromatic ring ส่วน donepezil ประกอบดว้ ยหมู่ ฟังก์ชั่น ether amine ketone และ aromatic ring ดงั รูปที่ 2.29 รปู ที่ 2.29 ตัวอย่างสารอินทรีย์ท่มี หี มู่ฟงั กช์ ่ันมากกว่าหนง่ึ หมู่ (ดัดแปลงจาก: Smith, J. G. Organic Chemistry. 3th ed., 2011)

หมฟู่ งั กช์ ่ันและปฏิกริ ิยาเคมีของสารอินทรีย์ | 27 ตารางที่ 2.2 สรปุ หมู่ฟังก์ช่ันชนดิ ต่างๆ ชนดิ ของสารอนิ ทรีย์ หมู่ฟังกช์ นั ชือ่ หมู่ฟังกช์ นั สตู รท่ัวไป - R-H Alkane - RCH=CHR RC CR Alkene -CH=CH- double bond Ar-H R-X หรอื Ar-X Alkyne -C C- triple bond R-OH หรอื Ar-OH R-O-R หรอื R-O-Ar Aromatic compound Ar- phenyl group R-NH2 R-CHO Alkyl halide -X halo group R-CO-R R-COOH หรือ R-CO2H Alcohol และ Phenol -OH hydroxyl group R-CO-X R-CO-O-CO-R Ether -O- oxy group R-COOR R-CO-NH2 Amine -NH2 amino group RCONHR หรอื RCONR2 R-CN หรือ Ar-CN Aldehyde -CH=O carboxaldehyde Ketone -C=O carbonyl group Carboxylic acid -COOH carboxyl group Acid halide -COX - Acid anhydride -CO-O-CO- - Ester -COOR alkoxy carbonyl Amide -CONH2 –CONHR หรอื amide –CONR2 Cyanide -C N cyano group

หม่ฟู งั กช์ ั่นและปฏกิ ิริยาเคมขี องสารอินทรีย์ | 28 2.2 การเกดิ ปฏกิ ริ ิยาเคมีและประเภทของปฏิกริ ยิ าเคมีของสารอนิ ทรีย์ (Reactions) 2.2.1 การเกิดปฏกิ ิริยาเคมีของสารอินทรีย์ (organic reactions) เปน็ การเปลี่ยนจากสารอนิ ทรีย์ชนิดหน่ึง ท่เี รียกวา่ “สารตั้งต้น (starting material)” ไปเป็น สารอนิ ทรยี ์อีกชนดิ หนง่ึ ท่ีเรียกวา่ “สารผลติ ภัณฑ์ (product)” โดยมีตัวเข้าทาปฏกิ ิรยิ ากบั สารตัง้ ตน้ ทเ่ี รยี กว่า “รีเอเจนต์ (reagent)” สามารถเขียนสมการท่ัวไปของการเกิดปฏิกิรยิ าเคมไี ด้ดังน้ี ทศิ ทางการดาเนินไปของปฏกิ ิรยิ า เรียกว่า “กลไกการเกิดปฏกิ ริ ยิ า (mechanism)” ซง่ึ บาง ปฏกิ ิรยิ าเกดิ ผา่ นกลไกเพยี งข้ันตอนเดียว และบางปฏกิ ิริยาเกิดผ่านกลไกหลายขน้ั ตอน โดยปฏกิ ริ ิยาที่เกิดผา่ น กลไกแบบ 2 ขัน้ ตอนขึน้ ไปจะมี “สารตวั กลาง (intermediate)” เกิดขนึ้ เชน่ ปฏิกิรยิ าแบบ 2 ขนั้ ตอน เกดิ ผา่ น สารตัวกลาง 1 สารตวั กลาง (I) สว่ นปฏิกริ ิยาแบบ 3 ข้ันตอนเกิดผา่ น 2 สารตวั กลาง (I และ M) ดังน้ี ชนดิ ของสารตัวกลางมคี วามแตกต่างกันตามชนิดของปฏกิ ิริยาท่ีเกดิ ขึน้ ซง่ึ สามารถแบง่ ชนิดของ สารตวั กลางได้เป็น 4 ชนดิ คอื คาร์โบแคทไอออน (carbocation) คารแ์ บนไอออน (carbanion) คารบ์ อนแรดคิ ลั (carbon radical) และคารบ์ ีน (carbene) ดงั รปู ที่ 2.30 รูปที่ 2.30 ชนิดของตวั กลาง (ดัดแปลงจาก: Wade, L. G. Jr. Organic Chemistry. 8th ed., 2014) หมู่ฟังก์ช่ันทเี่ ป็นเฮทเทอโรอะตอม (N, O, P, S, I, Br, Cl) พนั ธะคู่ หรือพนั ธะสาม อาจเปน็ ส่วนที่ มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนต่า (electron-deficient) หรือมีความหนาแนน่ ของอิเล็กตรอนสูง (electron- rich) ขน้ึ อยู่กับชนดิ ของหมู่ฟังก์ชั่น และทาให้ปฏกิ ิรยิ าเคมีของสารอนิ ทรยี ์เกดิ ตรงตาแหนง่ ของหมูฟ่ ังก์ชั่นน้นั ๆ

หม่ฟู ังกช์ ัน่ และปฏกิ ริ ยิ าเคมขี องสารอนิ ทรยี ์ | 29 ตาแหนง่ ทม่ี ีความหนาแนน่ ของอิเล็กตรอนตา่ เรียกว่า “ตาแหนง่ อิเลก็ โทรฟิลกิ (electrophilic site)” มคี วามเป็น “อิเลก็ โทรไฟล์ (electrophile)” และตาแหน่งทมี่ ีอิเล็กตรอนสูงเรียกวา่ “ตาแหนง่ นิวคลี โอฟิลิก (nucleophilic site)” มีความเปน็ “นิวคลีโอไฟล์ (nucleophile)” ดงั รูปท่ี 2.31 รปู ท่ี 2.31 อิเล็กโทรไฟล์ และนิวคลีโอไฟล์ (ดดั แปลงจาก: Smith, J. G. Organic Chemistry. 3th ed., 2011) อิเล็กโทรไฟล์ คือ สารทท่ี าหน้าทีร่ ับอเิ ล็กตรอนคจู่ ากนิวคลโี อไฟล์ และเกดิ การสรา้ งพันธะใหม่ ขน้ึ เป็นได้ทง้ั โมเลกลุ ทเ่ี ปน็ กลาง หรอื มปี ระจเุ ป็นบวก ได้แก่ H+, Br+, NO2+ สารประเภทกรดลวิ อิส เชน่ บอรอน ไตร-ฟลูออไรด์ (BF3) และ อะลมู เิ นยี มไตรคลอไรด์ (AlCl3) และที่สาคัญคือ คารโ์ บแคตไอออน (R+) นิวคลีโอไฟล์ คือ สารท่ที าหน้าทใ่ี หค้ ู่อเิ ล็กตรอนกบั อเิ ลก็ โทรไฟล์ เพ่ือสรา้ งพันธะใหม่ เป็นไดท้ งั้ โมเลกุลท่เี ป็นกลางหรือมปี ระจเุ ป็นลบ สาหรับนิวคลโี อไฟล์ทเ่ี ป็นกลาง เช่น H2O, ROH, NH3 และ H2O เป็นต้น สว่ นนิวคลีโอไฟล์ทมี่ ปี ระจเุ ป็นลบ หรือสารประเภทแอนไอออน (anion) เชน่ OH-, RO-, I-, Br-, Cl-, CN- และ คารแ์ บนไอออน (R-) เปน็ ตน้ โดยนวิ คลีโอไฟล์ที่เปน็ ลบจะมีความวอ่ งไวตอ่ การเกิดปฏิกิรยิ ามากกวา่ นวิ คลีโอไฟล์ท่ี เปน็ กลาง อิเลก็ โทรไฟลจ์ ะเข้าทาปฏิกริ ยิ ากับนวิ คลโี อไฟล์ ดงั รปู ที่ 2.32 รูปที่ 2.32 การเขา้ ทาปฏิกริ ิยาระหวา่ งอิเล็กโทรไฟลแ์ ละนิวคลีโอไฟล์ (ดัดแปลงจาก: Smith, J. G. Organic Chemistry. 3th ed., 2011) 2.2.2 ประเภทของปฏิกริ ิยาเคมีของสารอินทรยี ์ สามารถแบ่งประเภทปฏกิ ิรยิ าเคมีของสารอินทรยี ์ออกเป็น 5 ประเภท ได้แก่ ปฏิกริ ยิ าการแทนที่ (substitution reaction) ปฏกิ ิริยาการเติม (addition reaction) ปฏิกริ ยิ าการกาจัด (elimination reaction) ปฏกิ ริ ิยาการจัดตัวใหม่ (rearrangement reaction) และปฏิกิรยิ าออกซเิ ดชัน-รดี ักชนั (oxidation-reduction) ดงั รายละเอยี ดต่อไปนี้

หมฟู่ งั กช์ ่นั และปฏกิ ริ ิยาเคมีของสารอินทรีย์ | 30 ปฏิกิรยิ าการแทนที่ (addition reaction) เปน็ ปฏกิ ิริยาทอี่ ะตอมหรือกลุ่มอะตอม (เฮทเทอโรอะตอม) ของสารต้งั ต้นถูกแทนท่ีด้วยอะตอม หรือกลมุ่ อะตอมอ่ืน (นวิ คลีโอไฟล์) โดยเกิดการแตกพันธะของคารบ์ อนอเิ ล็กโทรไฟล์ที่เกาะกับอะตอมหรือกลุ่ม อะตอมน้นั ๆ ไดผ้ ลิตภัณฑ์ทคี่ ารบ์ อนมีไฮบริดออรบ์ ิทลั แบบเดมิ ดังรูปท่ี 2.33 รปู ที่ 2.33 ปฏิกิริยาการแทนที่ ปฏกิ ริ ยิ าการแทนท่ีเกิดกับสารที่มอี ะตอมหรือกลมุ่ อะตอมทหี่ ลุดออกได้งา่ ย ไดแ้ ก่ อัลคิลเฮไลด์ (alkyl halides) อลั กอฮอล์ (alcohols) กรดคารบ์ อกซลิ กิ (carboxylic acids) แอซิดเฮไลด์ (acid halides) และ แอซดิ แอนไฮไดรด์ (acid anhydrides) โดยอะตอมหรือกลุม่ อะตอมทีเ่ ข้าแทนท่ีเป็นนิวคลีโอไฟล์ (nucleophile) และเรยี กอะตอมหรือกลุ่มอะตอมที่หลดุ ออกวา่ “หมหู่ ลุด (leaving group)” ยกตวั อยา่ งปฏิกริ ยิ าการแทนที่ของเอทิลโบร์ไมด์ (ethyl bromide) ด้วยนา้ (water) จะได้ ผลติ ภัณฑ์เป็นเอทานอล (ethanol) และปฏกิ ริ ิยาการแทนทข่ี องอะซีทิลคลอไรด์ (acetyl chloride) ด้วย เมทานอล (methanol) จะได้ผลติ ภณั ฑเ์ ป็นเมทลิ อะซเี ตต (methyl acetate) ดงั รูปที่ 2.34 รปู ที่ 2.34 ตวั อย่างปฏกิ ริ ิยาการแทนที่ ปฏกิ ริ ิยาการเตมิ (addition reaction) เป็นปฏกิ ิรยิ าทีม่ ีการเตมิ อะตอมหรอื กลมุ่ อะตอมอ่นื เขา้ ไปท่ีคาร์บอนอิเล็กโทรไฟล์ของสารตั้งต้น เกิดกบั สารประเภทไมอ่ ่ิมตวั หรือโมเลกุลทมี่ ีพันธะไพ ได้แก่ อัลคนี (alkenes) อัลไคน์ (alkynes) อลั ดไี ฮด์ (aldehydes) และคีโตน (ketones) ไดผ้ ลิตภณั ฑ์เป็นสารอิ่มตัว ที่คารบ์ อนอิเลก็ โทรไฟล์มีการเปลี่ยนแปลงไฮบริด ออรบ์ ิทลั จากเดิม ดงั รูปที่ 2.35

หมฟู่ ังก์ชัน่ และปฏกิ ิรยิ าเคมขี องสารอนิ ทรยี ์ | 31 รูปท่ี 2.35 ปฏกิ ริ ิยาการเตมิ ยกตวั อย่างปฏิกริ ยิ าการเติมของเอทลิ ีน (ethylene) ดว้ ยกรดไฮโดรโบรมกิ (hydrobromic acid, HBr) ไดผ้ ลิตภัณฑเ์ ปน็ โบรโมอเี ทน (bromoethane) และปฏกิ ริ ยิ าการเตมิ ของโพรพานาล (propanal) ดว้ ยน้า (H2O) ได้ผลิตภณั ฑเ์ ปน็ 1,1-โพรเพนไดออล (1,1-propanediol) ดงั รูปท่ี 2.36 รูปท่ี 2.36 ตัวอยา่ งปฏกิ ิรยิ าการเตมิ ปฏิกริ ิยาการขจัด (elimination reaction) เป็นปฏกิ ิริยาที่มีการหลุดออกของอะตอมหรือกลุ่มอะตอมจากโมเลกลุ ของสารต้งั ตน้ เกิดกบั สาร ประเภทอลั คลิ เฮไลด์ (alkyl halides) และ อลั กอฮอล์ (alcohols) ไดผ้ ลติ ภณั ฑ์เปน็ สารประกอบไม่อ่ิมตวั ท่ี คาร์บอนมีการเปล่ียนแปลงไฮบรดิ ออร์บิทัลจากเดิม และเป็นปฏิกริ ยิ าตรงข้ามกับปฏิกริ ิยาการเติม ดงั รูปท่ี 2.37 รปู ท่ี 2.37 ปฏิกริ ยิ าการขจดั

หมูฟ่ งั ก์ช่ันและปฏิกริ ิยาเคมขี องสารอินทรยี ์ | 32 ยกตัวอย่างปฏกิ ริ ยิ าการจดั โมเลกลุ ของนา้ (H2O) ออกจากเอทานอล (ethanol) และได้ ผลิตภณั ฑ์เป็นอที ีน (ethene) ดงั รูปที่ 2.38 รูปที่ 2.38 ตวั อย่างปฏกิ ิริยาการขจัด ปฏกิ ิรยิ าการจัดตวั ใหม่ (rearrangement reaction) เปน็ ปฏิกิริยาท่ีมีการจดั ตัวใหม่ในระหวา่ งการเกดิ ปฏิกริ ยิ า โดยการย้ายกล่มุ อะตอมจากคารบ์ อน หนึง่ ไปยังคาร์บอนข้างเคียง เพ่ือทาให้ไดส้ ารตวั กลางท่ีมคี วามเสถียรมากข้นึ เช่น เปลีย่ นจากสารตวั กลางชนิด 1o-คาร์โบแคตไออน ไปเป็น 2o-คาร์โบแคตไอออน ซ่ึงมีความเสถยี รมากกวา่ โดยปฏกิ ริ ยิ าการจัดตัวใหม่อาจเกดิ กับ ปฏกิ ิริยาใดปฏิกริ ิยาหน่งึ ใน 3 ปฏกิ ริ ิยา ดงั ท่ีกลา่ วมา ได้แก่ ปฏิกิริยาการแทนท่ี ปฏิกิริยาการเตมิ หรือปฏิกิรยิ าการ ขจัด ดงั รปู ท่ี 2.39 รูปที่ 2.39 ปฏกิ ริ ิยาการจัดตัวใหม่

หม่ฟู ังกช์ น่ั และปฏกิ ริ ิยาเคมขี องสารอนิ ทรยี ์ | 33 ปฏกิ ริ ิยาออกซเิ ดชนั -รีดักชนั (oxidation-reduction) เป็นปฏิกริ ิยาทีม่ ีการเปล่ียนแปลงสภาวะออกซิเดชนั ของคารบ์ อน หรอื เป็นปฏกิ ิรยิ าที่การเพิ่มขนึ้ หรอื ลดลงของออกซเิ จนหรอื ไฮโดรเจนอะตอม โดยในกรณีที่มีการเพ่ิมออกซิเจนหรือลดไฮโดรเจนในโมเลกุลของ สารต้งั ตน้ เรยี กวา่ “ปฏกิ ริ ิยาออกซิเดชัน (oxidation reaction)” สว่ นการลดลงของออกซเิ จนหรอื เพ่มิ ขึ้นของ ไฮโดรเจนในโมเลกุลของสารตั้งตน้ เรยี กวา่ “ปฏิกริ ยิ ารดี ักชนั (reduction reaction)” ดงั นี้ ยกตวั อย่างปฏิกริ ิยาออกซิเดชนั ของอลั คีน (alkenes) อัลกอฮอล์ (alcohols) และอัลดีไฮด์ (aldehydes) โดยการทาปฏิกิริยากบั ตวั ออกซิไดซิงคเ์ อเจนต์ (oxidizing agents) ได้แก่ โพแทสเซยี มเปอร์แมง กาแนส (potassium permanganese, KMnO4) ดงั รปู ที่ 2.40 รปู ที่ 2.40 ตวั อย่างปฏิกริ ยิ าออกซเิ ดชนั สว่ นตวั อยา่ งปฏกิ ิริยารีดักชัน เชน่ ปฏิกิริยาไฮโดรจีเนชัน (hydrogenation) ของสารประกอบ อัลคีน ไดผ้ ลติ ภัณฑเ์ ป็นสารประกอบอลั เคน ดงั รปู ที่ 2.41 รปู ที่ 2.41 ตวั อย่างปฏกิ ริ ยิ ารีดักชนั

หมู่ฟังก์ช่ันและปฏกิ ิริยาเคมีของสารอนิ ทรีย์ | 34 2.3 กลไกการเกิดปฏิกิรยิ าเคมีของสารอนิ ทรยี ์ (Mechanism) กลไกการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า (mechanism) คอื ทิศทางการดาเนนิ ไปของปฏิกริ ยิ า แบ่งออกไดเ้ ป็น 2 ประเภท ไดแ้ ก่ กลไกการเกิดปฏิกิรยิ าแบบขั้นตอน (stepwise mechanism) และกลไกการเกิดปฏกิ ิรยิ าแบบขั้นตอนเดยี ว (concerted mechanism) 2.3.1 กลไกการเกดิ ปฏิกริ ยิ าแบบขั้นตอน (stepwise mechanism) เป็นปฏิกิรยิ าแบบหลายขนั้ ตอน มกี ารแตกพันธะ และเกิดเปน็ สารตัวกลาง จากนั้นสาร ตวั กลางจะเกิดปฏกิ ริ ยิ าต่อ ได้ผลติ ภณั ฑ์ในข้ันสุดท้าย ดังรูปท่ี 2.42 รูปที่ 2.42 กลไกการเกิดปฏกิ ิรยิ าแบบข้ันตอน 2.3.2 กลไกการเกิดปฏิกิรยิ าแบบขั้นตอนเดยี ว (concerted mechanism) เปน็ ปฏกิ ริ ยิ าทีม่ ีการแตกพนั ธะและสรา้ งพนั ธะใหมพ่ ร้อมกันในขัน้ ตอนเดยี ว โดยไมผ่ า่ น สารตัวกลาง เรียกสภาวะท่ีมีการแตกพันธะและสรา้ งพนั ธะใหม่ท่ีเกดิ พร้อมกันวา่ “สภาวะทรานซชิ นั (transition state)” ดงั รูปท่ี 2.43 รปู ท่ี 2.43 กลไกการเกิดปฏิกิริยาแบบขน้ั ตอนเดยี ว ยกตวั อยา่ งปฏกิ ริ ยิ าการแทนที่ดว้ ยนิวคลโี อไฟล์ (nucleophilic substitution, SN) ของอัลคลิ เฮไลด์ โดยที่อัลคิลเฮไลดช์ นิด 3o-อัลคลิ เฮไลด์ เกดิ ปฏกิ ิริยาผา่ นกลไกแบบขั้นตอน แตใ่ นกรณขี องอัลคลิ เฮไลด์ชนดิ 1o-อัลคลิ เฮไลด์ เกดิ ปฏกิ ิรยิ าผ่านกลไกแบบแบบข้นั ตอนเดียว ดังรูปที่ 2.44

หมู่ฟังก์ชั่นและปฏกิ ริ ิยาเคมขี องสารอนิ ทรยี ์ | 35 รปู ที่ 2.44 ตัวอยา่ งกลไกปฏิกริ ิยาการแทนท่ีของอัลคลิ เฮไลดช์ นิด 3o-อัลคิลเฮไลด์ และ 1o-อลั คิลเฮไลด์