บทที่ 2 Reaction of Aromatic

บทท่ี 2 ปฏิกิริยาของสารประกอบอะโรมาติก (Reaction of Aromatic) แผนการสอนประจำบท เนื้อหาประจำบท 2.1 ปฏิกิรยิ าของอะโรมาติก 2.2 ผลของหมแ7ู ทนที่ตอ7 การเกิดปฏกิ ิรยิ าของเบนซนี 2.3 ปฏกิ ิรยิ าการแทนทด่ี วB ยนวิ คลโี อไฟลG 2.4 ปฏิกิรยิ าการเพมิ่ ของเบนซนี และอนุพันธG 2.5 ปฏกิ ิรยิ าอื่นๆ ของเบนซนี และฟนP อล 2.6 แบบฝSกหัดเสรมิ ความเขาB ใจ วตั ถปุ ระสงค8การเรียนร=ปู ระจำบท เพ่ือใหBเขBาใจปฏกิ ริ ยิ าของอะโรมาตกิ เพอ่ื ใหBบอกผลของหมแ7ู ทนทตี่ อ7 การเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าของเบนซีน เพอ่ื ใหเB ขBาใจปฏกิ ริ ิยาการแทนทด่ี Bวยนวิ คลีโอไฟลG เพื่อใหBเขBาใจปฏกิ ิรยิ าการเพ่ิมของเบนซีนและอนพุ นั ธG และปฏิกิรยิ าอนื่ ๆ ของอะโรมาตกิ วธิ ีการสอนและกจิ กรรมการเรียนการสอนประจำบท บรรยายผา7 นระบบออนไลนG google meet, google classroom, Microsoft team และ BUU LMS ตอบขอB ซกั ถามของผูBเรยี น การถาม-ตอบระหวา7 งผูBสอนและผBเู รยี น ใหBผBเู รียนทำแบบฝกS หัด ส่ือการเรียนการสอน เอกสารประกอบคำสอนรายวชิ า 30322463 เคมีอนิ ทรียG 2 (สำหรบั นิสิตเภสชั ศาสตรG) คอมพวิ เตอรG ไอแพด และ Power Point การวดั ผลและประเมนิ ผล แบบฝSกหัด และขอB สอบ สังเกตความสนใจของผเูB รยี น และการแสดงความคดิ เห็นของผเBู รยี น

บทท่ี 2 ปฏิกิรยิ าของสารประกอบอะโรมาตกิ 2.1 ปฏกิ ิรยิ าของอะโรมาติก (Reaction of Aromatic Compound) ปฏกิ ริ ิยาของสารประกอบอะโรมาตกิ เปนw ปฏกิ ิรยิ าการแทนทดี่ Bวยอเิ ล็กโทรไฟลG (electrophilic aromatic substitution, EAS) โดยไฮโดรเจนอะตอมบนวงอะโรมาติกจะถกู แทนทด่ี Bวยอเิ ล็กโทรไฟลG ดังรูปท่ี 2-1 H E EAS E + +H benzene electrophile EAS product รปู ท่ี 2-1 ปฏกิ ิริยา electrophilic aromatic substitution (EAS) กลไการเกดิ ปฏกิ ิรยิ าของอะโรมาตกิ ประกอบดวB ย 2 ขน้ั ตอน ดงั นี้ ขน้ั แรก อิเล็กโทรไฟลGเขBาทำปฏกิ ริ ิยาตรงตำแหนง7 พันธะคข7ู องวงเบนซีน ซึ่งคลาB ยกบั การเกิดปฏกิ ิรยิ าของ แอลคีน ไดสB ารตัวกลางเปwนชนดิ คารโG บแคตไอออน (carbocation) เรียกว7า arenium ion หรือ sigma complex ซ่งึ มีความเสถยี รมากกว7าคารโG บแคตไอออนปกติ ถึงแมBวา7 จะเปwนการสูญเสียความเปนw อะโรมาติก แต7 arenium ion สามารถเกดิ โครงสราB งเรโซแนนซGทีช่ ว7 ยทำใหโB ครงสรBางเสถียรมากขึ้น (resonance stabilized carbocation) โดยขั้นน้ีเปนw ข้ันกำหนดอตั รา (rate determinating step, RDS) ขน้ั ที่สอง ขน้ั นี้แตกตา7 งจากปฏกิ ริ ิยาของแอลคนี โดยคารGโบแคตไอออนที่เกิดจากแอลคีนจะเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า การเตมิ (addition) ไดผB ลติ ภณั ฑGเปwน addition product ส7วน arenium ion สูญเสียโปรตอน (H ) ในตำแหนง7 ทอ่ี ิเลก็ โทรไฟลเG ขาB ทำปฏกิ ริ ยิ า (tetrahedron carbon atom) ไดBผลิตภณั ฑทG ม่ี ีความเปนw อะโรมาตกิ กลบั คืนมา (aromatization) เรยี กวา7 substitution product แสดงดังรูปท่ี 2-2 alkene δ+ δ- benzene δ+ δ- CC EY H EY step 1 RDS step 1 resonance-stabilized carbocation E Y E EE CC H HH carbocation sigma complex (arenium ion) step 2 step 2 EY Y X E CC E E addition product Y HY addition product product of EAS (not aromatic) (aromatic) รูปที่ 2-2 กลไกการเกดิ ปฏกิ ิริยา electrophilic aromatic substitution (EAS) ผศ.ดร. อุทัยวรรณ ศิรอิ /อน ภาควชิ าเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บูรพา 28

บทท่ี 2 ปฏกิ ริ ยิ าของสารประกอบอะโรมาตกิ โดยแสดงการเกิดเปwน sigma complex ดังรูปที่ 2-3 H E H H step-2 H H H H H E B H E H step-1 H H H H H H H substrate sigma complex product รูปท่ี 2-3 การเกิด sigma complex ของวงเบนซีน ปฏิกริ ยิ าของสารประกอบอะโรมามาตกิ ที่สำคญั มี 5 ปฏิกิริยา ไดแB ก7 1. ปฏิกิรยิ าฮาโลจเี นชนั (halogenation) 2. ปฏกิ ิริยาไนเตรชนั (nitration) 3. ปฏิกิริยาซลั โฟเนชนั (sulfonation) 4. ปฏิกิรยิ าฟรีเดล-คราฟทG แอลคิลเลชัน (Friedel-Crafts alkylation) 5. ปฏิกริ ยิ าฟรเี ดล-คราฟทG อะซเิ ลชัน (Friedel-Crafts acylation) 2.1.1 ปฏกิ ริ ยิ าฮาโลจีเนชัน (halogenation) ปฏิกริ ยิ าโบรมิเนชนั (bromination) เปนw ปฏิกริ ิยาการแทนที่โปรตอนบนวงเบนซีนดBวยอะตอมโบรมีน ซ่ึงโดยปกติโบรมีนมีความเปwนอิเล็กโทรไฟลไG มแ7 รงพอทจี่ ะเขาB ทำปฏกิ ิรยิ ากับวงเบนซนี ไดB จึงตอB งใชBตัวเร7งปฏกิ ิรยิ า เปนw กรดลิวอสิ (Lewis acid) ไดBแก7 FeBr3 เพอ่ื เพมิ่ ความเปwนอเิ ล็กโทรไฟลใG หBกบั โบรมนี ดงั รปู ที่ 2-4 H FeBr3 Br + Br2 + HBr benzene bromobenzene รปู ที่ 2-4 ปฏิกิรยิ าฮาโลจีเนชัน (halogenation) กลไกการเกดิ ปฏกิ ิริยาโบรมเิ นชนั ประกอบดBวย 3 ข้นั ตอน แสดงดงั น้ี ขน้ั ที่ 1 ข้ันการกระตBนุ ใหBโบรมนี กลายเปwนอเิ ล็กโทรไฟลทG ี่แรง (activated electrophile) โดย โบรมนี เขBาทำปฏกิ ริ ยิ ากับ FeBr3 เกดิ เปwนสารตวั กลางท่ีมีความเปนw อิเลก็ โทรไฟลGที่แรงขึน้ โดยทพ่ี ันธะระหวา7 ง Br-Br ออ7 นลง และเกดิ partial positive charge ทโ่ี บรมนี อะตอม ขั้นที่ 2 อเิ ลก็ โทรไฟลเG ขBาทำปฏิกิรยิ ากบั วงเบนซนี เกิดเปนw sigma complex ข้นั ที่ 3 จากนั้น Br จาก FeBr4 ทำหนาB ทีเ่ ปนw เบส (เบสอ7อน) เขBาดึงโปรตอนจาก sigma complex ไดเB ปwนสารผลิตภณั ฑG ดังรูปที่ 2-5 ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศิรอิ /อน ภาควชิ าเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บูรพา 29

บทท่ี 2 ปฏกิ ริ ยิ าของสารประกอบอะโรมาติก step 1 δ+ δ- Br Br FeBr3 Br Br FeBr3 activated electrophile (a strong electrophile than Br2) H δ+ δ- step 2 HH H Br Br Br + FeBr4 Br Br FeX3 RDS sigma complex H FeBr4 step 3 Br Br + HBr + FeBr3 รปู ท่ี 2-5 กลไกการเกิดปฏิกริ ิยาฮาโลจีเนชนั (halogenation) แสดง energy diagram ของปฏกิ ริ ิยาโบรมเิ นชันดังรูปท่ี 2-6 RDS TS energy H Br FeBr4 intermediate + Br2 - 10.8 kcal/mol Br + FeBr3 + HBr + FeBr3 reaction coordinate รูปที่ 2-6 energy diagram ของปฏิกิรยิ าฮาโลจีเนชัน (halogenation) จาก energy diagram ข้นั แรกเปwนขนั้ กำหนดอัตรา (RDS) โดยเกิด transition state ท่ีมพี ลังงานสูงสดุ จากน้ันไดเB ปwน nonaromatic carbocation intermediate เปนw ข้นั ดูดพลงั งาน (endothermic) จากนน้ั มีการ คายพลงั งาน (exothermic) ไดเB ปนw ผลติ ภัณฑGท่ีมีความเปwนอะโรมาตกิ กลบั คนื มา ในกรณขี องคลอรเิ นชัน (chlorination) เหมอื นกบั โบรมเิ นชนั แตจ7 ะใชBตวั เร7งเปwน AlCl3 สว7 นไอโอดิเนชนั (iodination) ตBองทำภายใตBสภาวะทใ่ี ชBกรดเปนw ตวั ออกซไิ ดซG (acidic oxidizing agent) เชน7 กรดไนตรกิ (nitric acid, HNO3) โดยจะออกซไิ ดซGไอโอดีนใหBเปนw ไอโอโดเนียมไอออน (iodonium ion) ดงั รปู ที่ 2-7 H + HNO3 + 1/2 I2 I + NO2 + H2O iodonium ion รปู ที่ 2-7 การเกดิ ไอโอโดเนียมไอออน (iodonium ion) ผศ.ดร. อุทยั วรรณ ศริ อิ อ/ น ภาควชิ าเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บรู พา 30

บทท่ี 2 ปฏิกิรยิ าของสารประกอบอะโรมาตกิ 2.1.2 ปฏิกิรยิ าไนเตรชัน (nitration) ปฏกิ ิรยิ าไนเตรชันของเบนซนี (nitration of benzene) เปนw ปฏกิ ริ ยิ าการแทนทไ่ี ฮโดรเจนอะตอมบน วงเบนซีนดBวยหมไ7ู นโตร (-NO2) ไดBผลติ ภัณฑGเปwนไนโตรเบนซีน (nitrobenzene) โดยนำเบนซนี มาใหคB วามรอB น กับกรดไนตรกิ ทเ่ี ขBมขนB (concentrated nitric acid; conc. HNO3) ซึง่ วิธีการนีส้ ามารถทำใหเB กิดการระเบดิ ไดB ดงั น้นั จึงเปล่ียนมาเปนw การทำปฏิกิรยิ าของเบนซนี กบั กรดไนตริกผสมกบั กรดซลั ฟ”วริก (sulfuric acid, H2SO4) โดยกรดซัลฟ”วรกิ ทำหนาB ทีเ่ ปนw ตวั เรง7 ปฏิกริ ิยา ทำใหสB ามารถเกดิ ปฏิกิรยิ าไนเตรชนั ไดทB อ่ี ณุ หภูมหิ อB ง ดังรูปที่ 2-8 H H2SO4 NO2 + HNO3 + H2O benzene nitrobenzene รปู ที่ 2-8 ปฏิกิริยาไนเตรชันของเบนซีน (nitration of benzene) กลไกการเกิดปฏิกิรยิ าโบรมเิ นชนั ประกอบดวB ย 3 ขั้นตอน แสดงดงั น้ี ขัน้ ที่ 1 ขน้ั การเกิดไนโตรเนียมไอออน (nitronium ion, NO2 ) ซึง่ เปนw อเิ ล็กโทรไฟลGท่แี รง โดยการทำ ปฏิกริ ยิ าระหว7างกรดไนตริกกบั กรดซัลฟ”วริก ขน้ั ท่ี 2 อเิ ล็กโทรไฟลGเขาB ทำปฏกิ ิริยากับวงเบนซนี เกิดเปwน sigma complex ข้ันท่ี 3 จากนนั้ HSO4 เขBาดึงโปรตอนจาก sigma complex ไดเB ปwนสารผลิตภณั ฑG ดงั รปู ที่ 2-9 OO step 1 HO NO2 H O N O +H O S OH H O N O + HSO4 O N O + H2O O nitronium ion H O H H H step 2 NO2 NO2 NO2 N sigma complex RDS O H HSO4 step 3 NO2 NO2 + H2SO4 รูปที่ 2-9 กลไกการเกดิ ปฏกิ ิริยาไนเตรชันของเบนซนี (nitration of benzene) ผศ.ดร. อุทัยวรรณ ศิรอิ /อน ภาควชิ าเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บูรพา 31

บทท่ี 2 ปฏิกิริยาของสารประกอบอะโรมาตกิ 2.1.3 ปฏิกิรยิ าซลั โฟเนชนั (sulfonation) ปฏิกิรยิ าซัลโฟเนชนั ของเบนซนี (sulfonation of benzene) เปwนปฏกิ ิรยิ าการสังเคราะหสG ารประกอบ กรดเอริลซลั โฟนิก (arylsulfonic acid) เช7น กรดพารา-ทูโลอนี ซลั โฟนกิ (p-toluenesulfonic acid) โดยเปนw ปฏิกิรยิ าการแทนทไี่ ฮโดรเจนอะตอมบนวงเบนซีนดBวยหมูซ7 ลั โฟนิล (-SO3H) ไดผB ลติ ภัณฑGเปwนกรดเบนซนี ซัลโฟนิก (benzenesulfonic acid) เบนซนี ทำปฏิกริ ิยากับซลั เฟอรไG ตรออกไซดG (sulfur trioxid, SO3) ในตวั ทำละลายกรด ซลั ฟว” รกิ (H2SO4) ทเี่ รียกว7า “fuming sulfuric acid” (a solution of 7% SO3 in H2SO4) ดงั รปู ท่ี 2-10 H H2SO4 SO3H + SO3 benzenesulfonic acid benzene รูปท่ี 2-10 ปฏิกิริยาซลั โฟเนชนั ของเบนซีน (sulfonation of benzene) ซัลเฟอรไG ตรออกไซดเG ปนw อิเล็กโทรไฟลทG แ่ี รง เนอ่ื งจากประกอบดวB ยสามพันธะซลั โฟนลิ (S=O) ทช่ี 7วยดงึ อเิ ลก็ ตรอนจากซลั เฟอรอG ะตอม ดงั รปู ที่ 2-11 O O O O S S S S OO OO OO OO sulfur trioxide, a powerful electrophile รูปที่ 2-11 แสดงการเปwนอิเล็กโทรไฟลGทแ่ี รงของซัลเฟอรไG ตรออกไซดG กลไกการเกิดปฏิกริ ยิ าโบรมเิ นชันประกอบดวB ย 2 ขนั้ ตอน แสดงดงั น้ี ขั้นที่ 1 เบนซนี เขาB ทำปฏิกิรยิ ากบั ซัลเฟอรไG ตรออกไซดG (SO3) ซง่ึ ทำหนาB ทเี่ ปwนอเิ ลก็ โทรไฟลG เกดิ เปนw สารตัวกลาง sigma complex ขนั้ ที่ 2 จากน้นั HSO4 เขาB ดึงโปรตอนจาก sigma complex ไดBเปนw สารผลติ ภณั ฑG ดังรปู ที่ 2-12 HO step 1 H H H SO3 SO3 SO3 SO sigma complex O H HSO4 step 2 SO3H SO3 + H2SO4 รูปที่ 2-12 กลไกการเกิดปฏิกิรยิ าซัลโฟเนชนั ของเบนซนี (sulfonation of benzene) ผศ.ดร. อทุ ัยวรรณ ศิริออ/ น ภาควิชาเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บูรพา 32

บทท่ี 2 ปฏิกิริยาของสารประกอบอะโรมาตกิ ปฏกิ ิรยิ าซลั โฟเนชนั เปwนปฏกิ ริ ยิ าที่ผนั กลบั ไดB (reversible reaction) โดยหม7ูกรดซลั โฟนกิ สามารถหลุด ออกไดภB ายใตกB ารใหคB วามรBอนกบั กรดซลั ฟว” รกิ เจอื จาง (dilute H2SO4) ไดBเบนซีนกลับคนื มา เรยี กว7า ปฏกิ ิริยาการ เอาหมู7กรดซัลโฟนิกออก (desulfonation) ดงั รูปท่ี 2-13 SO3H H2SO4 H H2SO4 + H2O Δ + benzenesulfonic acid benzene รปู ท่ี 2-13 ปฏิกริ ยิ าดซี ัลโฟเนชัน (desulfonation) กลไกการการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า desulfonation จะเหมือนกับกลไกการเกดิ ปฏิกริ ิยาของ sulfonation แต7 เกดิ ในทิศทางตรงกนั ขBาม โดยโปรตอนจะเขBาทำปฏิกิริยากบั benzenesulfonic acid เกิดเปนw sigma complex จากน้ันจะสญู เสีย sulfur trioxide ไดผB ลติ ภณั ฑเG ปwนเบนซีน ดังรูปท่ี 14 SO3 HO H H2SO4) H SO + SO3 O benzenesulfonic acid (SO3 + H2O sigma complex benzene รูปที่ 2-14 กลไกการเกดิ ปฏกิ ิริยาดซี ัลโฟเนชนั (desulfonation) 2.1.4 ปฏกิ ริ ยิ าฟรเี ดล-คราฟทZ แอลคิลเลชัน (Friedel-Crafts alkylation) ปฏกิ ริ ยิ าฟรีเดล-คราฟทG แอลคิลเลชันของเบนซีน (Friedel-Crafts alkylation of benzene) เปนw ปฏิกริ ิยาการสังเคราะหGสารประกอบแอลคิลเบนซนี (alkyl benzene) จากเบนซนี ทำปฏกิ ิรยากับแอลคลิ เฮไลดG (alkyl halide) โดยมีตัวเร7งปฏกิ ิรยิ าเปนw กรดลิวอสิ (Lewis acid) ไดBแก7 aluminum chloride (AlCl3) หรอื ferric chloride (FeCl3) แสดงดงั รูปท่ี 2-15 H + RX Lewis acid R benzene + HX (X = Cl, Br, I) alkylbenzene รูปท่ี 2-15 ปฏิกริ ยิ า Friedel-Crafts alkylation กลไกการเกิดปฏกิ ริ ยิ า Friedel-Crafts alkylation ประกอบดวB ย 3 ข้ันตอน แสดงดงั น้ี ขน้ั ท่ี 1 ขน้ั การเกิดคารGโบแคตไอออน (carbocation,R ) เปwนอิเล็กโทรไฟลG โดยการทำปฏกิ ริ ิยาระหวา7 ง alkyl halide กับ Lewis acid โดยในกรณีทเ่ี ปนw 3o alkyl halide จะไดBเปนw 3o carbocation ทเ่ี สถียร ข้ันท่ี 2 อิเลก็ โทรไฟลเG ขBาทำปฏิกิริยากบั วงเบนซีนเกดิ เปwน sigma complex ผศ.ดร. อุทัยวรรณ ศิริอ/อน ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บูรพา 33

บทที่ 2 ปฏิกิริยาของสารประกอบอะโรมาติก ขัน้ ที่ 3 จากนัน้ Cl จาก AlCl4 ทำหนBาทเี่ ปนw เบส (เบสอ7อน) เขาB ดึงโปรตอนจาก sigma complex ไดเB ปนw สารผลิตภัณฑG ดังรูปที่ 2-16 R Cl step 1 R Cl R C Cl + Al Cl Cl R C + Cl Al Cl R 3o-alkyl chloride R Cl 3o-carbocation H R step 2 HR HR HR RC CR CR CR R R R R sigma complex H Cl AlCl3 step 3 RR CR C R + AlCl3 + HCl R R รูปที่ 2-16 กลไกการเกดิ ปฏกิ ริ ิยาฟรเี ดล-คราฟทG แอลคิลเลชนั ของ 3o-alkyl chloride ในกรณีของ 1o alkyl halide เกดิ เปwนคารโG บแคตไอออนท่ีไม7เสถยี ร ดงั น้นั อเิ ล็กโทรไฟลทG ่เี กดิ จากการทำ ปฏกิ ริ ิยาของ 1o alkyl halide กบั AlCl3 จะอยู7ในรูป complex ท่ีประจบุ วกอย7บู นอะตอมคารGบอน โดยแสดงกลไก ดงั รูปที่ 2-17 step 1 δ+ δ- R CH2 Cl AlCl3 R CH2 Cl + AlCl3 1o alkyl halide complex H R δ- step 2 H H H δ+CH2 AlCl3 CH2R CH2R CH2R Cl Cl AlCl3 sigma complex H Cl AlCl3 step 3 CH2R CH2R + AlCl3 + HCl รปู ท่ี 2-17 กลไกการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าฟรเี ดล-คราฟทG แอลคิลเลชัน ของ 1o-alkyl chloride นอกจาก alkyl halide ที่เปนw แหลง7 ของคารโG บแคตไอออน สำหรบั ปฏิกิรยิ า Friedel-Crafts alkylation พบว7าคารGโบแคตไอออนสามารถเกดิ ไดBจากแอลคีน (alkene) และแอลกอฮอลG (alcohol) โดยแอลคีนทำปฏกิ ิริยา กบั กรด H-F ผ7าน Markovnikov’s rule ไดเB ปwนคารโG บแคตไอออนทเี่ สถียร สว7 นแอลกอฮอลทG ำปฏิกริ ิยากบั Lewis acid เชน7 โบรอน ไตรฟลูออไรดG (boron trifluoride, BF3) ไดBเปwนคารGโบแคตไอออน แสดงดังรปู ที่ 2-18 ผศ.ดร. อทุ ัยวรรณ ศริ อิ อ/ น ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บูรพา 34

บทท่ี 2 ปฏกิ ริ ยิ าของสารประกอบอะโรมาตกิ CH3 + HF CH3 C CH3 +F H2C C H H alkene (weak nucleophile) BF4 OH BF3 O H CH3 CH CH3 + HOBF3 CH3 CH CH3 CH3 CH CH3 alcohol รูปท่ี 2-18 คารGโบแคตไอออนจากแอลคนี และแอลกอฮอลG อยา7 งไรกต็ าม ปฏิกริ ิยา Friedel-Crafts alkylation มีขBอจำกัด 3 ขBอ ดังน้ี 1. ปฏิกริ ยิ า Friedel-Crafts alkylation เกิดไดดB ีกบั เบนซีนหรอื เบนซีนทีม่ ีหมแู7 ทนท่ีเปwนหมู7ใหอB เิ ล็กตรอน (activating group) และ halobenzene แตจ7 ะไม7เกดิ กับเบนซีนทีม่ ีหมดู7 ึงอิเลก็ ตรอน (deactivating group) 2. เกิดการจัดตัวใหม7 (rearragement) ของคารGโบแคตไอออน ทำใหBไดเB ปwนคารGโบแคตไอออนท่เี สถยี ร เกิด ขBอจำกัดในการสงั เคราะหG alkylbenzene บางชนิด จากปฏิกริ ยิ า Friedel-Crafts alkylation ยกตัวอย7างเชน7 การ สงั เคราะหG n-propylbenzene จาก n-propyl chloride จะไมส7 ามารถทำไดB เนื่องจากคารโG บแคตไอออนทีเ่ กดิ ขึ้น มกี ารจัดตัวใหม7 ทำใหไB ดBผลติ ภณั ฑGเปนw isopropylbenzene ดงั รูปที่ 2-19 และแสดงกลไกดังรปู ที่ 2-20 CH2CH2CH3 H CH3 + CH3 CH2 CH2 Cl + AlCl3 CH CH3 X n-propylbenzene n-propyl chloride isopropylbenzene รปู ที่ 2-19 ปฏิกริ ิยาของเบนซีนกับ n-propyl chloride H δ+ δ- CH3 C CH3 + AlCl4 H CH3 CH2 CH2 Cl + AlCl3 CH3 C CH2 Cl AlCl3 n-propyl chloride H H CH3 C CH3 AlCl4 CH3 + AlCl3 + CH CH3 + HCl H isopropylbenzene รูปท่ี 2-20 กลไกการเกิดปฏกิ ริ ยิ าของเบนซีนกับ n-propyl chloride 3. ผลิตภณั ฑG alkylbenzene ทเ่ี กิดจากปฏกิ ริ ิยา Friedel-Crafts alkylation จะมีความว7องไวในการ เกิดปฏิกริ ยิ ามากกว7าเบนซนี เนือ่ งจากหมู7 alkyl เปwนหมใ7ู หอB เิ ล็กตรอน (activating group) ทำใหสB ามารถเกดิ ปฏิกิรยิ าตอ7 เน่ือง (polyalkylation) ไดผB ลิตภัณฑทG ม่ี ีหมู7 alkyl มากกวา7 1 ตำแหนง7 ดังรูปท่ี 2-21 AlCl3 CH2CH3 CH2CH3 CH2CH3 + + CH2CH3 + CH3CH2 Cl CH2CH3 รปู ท่ี 2-21 ปฏกิ ริ ิยา polyalkylation ผศ.ดร. อทุ ัยวรรณ ศิริอ/อน ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บรู พา 35

บทที่ 2 ปฏิกริ ิยาของสารประกอบอะโรมาตกิ 2.1.5 ปฏกิ ิรยิ าฟรเี ดล-คราฟทZ เอซิลเลชนั (Friedel-Crafts acylation) ปฏกิ ริ ยิ าฟรเี ดล-คราฟทG เอซิลเลชนั ของเบนซีน (Friedel-Crafts acylation of benzene) จะคลBายกบั ปฏกิ ริ ยิ า Friedel-Crafts alkylation แตจ7 ะเปwนปฏกิ ริ ยิ าการสังเคราะหเG อซลิ เบนซนี (acyl benzene) จากเบนซีน ทำปฏกิ ิรยิ ากับแอลคลิ เฮไลดG (acyl halide) โดยมตี วั เรง7 ปฏิกริ ิยาเปนw กรดลวิ อิส (Lewis acid) ไดแB ก7 aluminum chloride (AlCl3) แสดงดงั รูปท่ี 2-22 HO AlCl3 O + H Cl + R C Cl C R benzene acyl halide acylbenzene (phenyl ketone) รูปท่ี 2-22 ปฏกิ ิริยา Friedel-Crafts acylation กลไกการเกิดปฏกิ ริ ยิ า Friedel-Crafts acylation ประกอบดวB ย 3 ขนั้ ตอน แสดงดังนี้ ขั้นท่ี 1 ขนั้ การเกดิ เปwนไอออนเอซลิ เลยี ม (acylium ion) เปwนอิเล็กโทรไฟลG โดยการทำปฏกิ ริ ิยาระหวา7 ง acyl halide กับ AlCl3 ขน้ั ท่ี 2 อิเล็กโทรไฟลGเขBาทำปฏกิ ริ ิยากบั วงเบนซนี เกดิ เปนw sigma complex ขั้นท่ี 3 จากนั้น Cl จาก AlCl4 ทำหนBาท่เี ปwนเบส (เบสออ7 น) เขาB ดึงโปรตอนจาก sigma complex ไดBเปwนสารผลติ ภัณฑG ดังรปู ที่ 2-23 และแสดงตัวอยา7 งปฏิกิริยาดงั รูปท่ี 2-24 O step 1 O RCO RCO R C Cl + R C Cl AlCl3 AlCl3 acyl chloride acylium ion O H H H H C step 2 O CO O R R C C R sigma complex R Cl AlCl3 step 3 O AlCl3 O -HCl C H C H2O O R R C R acylbenzene รปู ท่ี 2-23 กลไกการเกดิ ปฏกิ ิริยา Friedel-Crafts acylation + O O CH3 CH3 C Cl CH2CH3 1) AlCl3 ethylbenzene acetyl chloride 2) H2O CH2CH3 p-ethylacetophenone รปู ที่ 2-24 ปฏิกิริยา Friedel-Crafts acylation ของ ethylbenzene กับ acetyl chloride ผศ.ดร. อทุ ัยวรรณ ศิรอิ /อน ภาควิชาเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บรู พา 36

บทท่ี 2 ปฏิกริ ิยาของสารประกอบอะโรมาติก โดยการสงั เคราะหG alkylbenzene ไมส7 ามารถทำไดBดวB ยปฏกิ ิริยา Friedel-Crafts alkylation เนื่องจาก ขBอจำกัดทมี่ ีการจดั ตัวใหมข7 องสารตัวกลางชนิดคารGโบแคตไอออน ดงั นั้นการสงั เคราะหG alkylbenzene สามารถ สังเคราะหGไดBจากปฏกิ ิรยิ า Friedel-Crafts acylation ไดผB ลิตภัณฑเG ปwน acylbenzene จากนั้นทำการรีดวิ ซG acylbenzene ดBวย amalgamated zinc ในสารละลายกรด HCl จะไดBผลติ ภัณฑเG ปwน alkylbenzene เรยี ก ปฏิกริ ิยานวี้ 7า Clemmensen reduction ดงั รูปท่ี 2-25 The Clemmensen Reduction: Synthesis of Alkylbenzene HO 1) AlCl3 O Zn(Hg) HH + R C Cl 2) H2O C aq. HCl C R benzene acyl halide R alkylbenzene acylbenzene รปู ที่ 2-25 ปฏิกิริยา Clemmensen reduction ในการสังเคราะหG alkylbenzene โดยวธิ นี ้เี ราสามารถสงั เคราะหG n-propylbenzene จากเบนซีน ดงั รปู ที่ 2-26 (เปรียบเทยี บกับปฏกิ ิริยา Friedel-Crafts alkylation ในรูปท่ี 2-19) HO 1) AlCl3 O Zn(Hg) CH2CH2CH3 + CH3CH2 C Cl 2) H2O C aq. HCl n-propylbenzene benzene propanoyl chloride CH2CH3 propiophenone รูปท่ี 2-26 ปฏกิ ิรยิ าการสังเคราะหG n-propylbenzene จากปฏิกริ ยิ า clemmensen reduction อกี หนงึ่ ตวั อย7างการสังเคราะหG benzaldehyde ไม7สามารถทำไดBโดยตรงจากปฏิกิรยิ า Friedel-Crafts acylation ระหวา7 งเบนซนี กบั formyl chloride เน่อื งจาก formyl chloride ไม7เสถียร ดังนนั้ การสังเคราะหGจะทำ ผา7 นปฏกิ ริ ิยา Gatterman-Koch formylation โดยเปwนการทำปฏิกริ ิยาระหว7างเบนซนี กบั formyl cation ท่ี สังเคราะหจG าก carbon monoxide กับกรด HCl ใชBตวั เร7งผสมระหวา7 ง CuCl กับ AlCl3 ดงั รูปที่ 2-27 The Gatterman-Koch Formylation: Synthesis of Benzaldehydes CO + HCl O AlCl3/CuCl H C O AlCl4 H C Cl formyl chloride formyl cation (unstable) H O O + HCl + C C H benzene H benzaldehyde รูปท่ี 2-27 ปฏกิ ริ ิยา Gatterman-Koch formylation ในการสังเคราะหG benzaldehyde ผศ.ดร. อทุ ัยวรรณ ศิรอิ /อน ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บูรพา 37

บทที่ 2 ปฏกิ ริ ยิ าของสารประกอบอะโรมาติก 2.2 ผลของหม8แู ทนท่ตี อ8 การเกิดปฏกิ ิรยิ าของเบนซนี (effect of substitute on reactivity) อนพุ ันธขG องเบนซนี ท่มี ีหมแ7ู ทนแลวB หนง่ึ หม7ู สามารถเกิดปฏิกิรยิ าการแทนทไ่ี ฮโดรเจนอะตอมดBวยอเิ ลก็ โทร ไฟลGทต่ี ำแหนง7 ortho, meta หรอื para ไดB โดยขึ้นอยู7กับชนดิ ของหมแ7ู ทนทท่ี ม่ี อี ยแู7 ลBวของอนพุ นั ธเG บนซนี นัน้ ๆ โดยแบ7งหมแู7 ทนที่ท่มี ีอยแู7 ลวB ออกเปนw 3 ประเภท ไดแB ก7 1. หมู7ใหBอิเลก็ ตรอน (electron donating group, EDG) 2. หมูด7 งึ อเิ ล็กตรอน (electron withdrawing group, EWG) 3. หมูฮ7 าโลเจน (halogen group, X) 2.2.1 หมkูใหอ= เิ ล็กตรอน (electron donating group, EDG) หมูใ7 หอB เิ ล็กตรอนคอื กลุม7 อะตอมทมี่ คี วามหนาแนน7 ของอิเล็กตรอนสงู ไดแB ก7 หมแ7ู อลคลิ (-R) และกล7มุ อะตอมทม่ี ีอิเล็กตรอนคอู7 ิสระ ไดแB ก7 อะมโิ น (-NH2, NHCOR) หมแู7 อลกอฮอลแG ละอเี ทอรG (OH, OR) โดยเรียงลำดับ ความแรงของหมู7ใหBอิเล็กตรอนจากมากไปหานBอย ดังรปู ท่ี 2-28 RR OR HO R O N OH NCR >>> >> phenoxide anilines phenol phenyl ethers anilides alkylbenzene รปู ท่ี 2-28 หมใู7 หBอเิ ลก็ ตรอนบนวงเบนซนี หมูใ7 หBอิเล็กตรอนทำใหBความหนาแนน7 ของอเิ ล็กตรอนในวงเบนซนี สูงขนึ้ วงเบนซนี มีความเปนw นวิ คลโี อไฟลG มากข้นึ สามารถทำปฏกิ ริ ยิ ากบั อเิ ลก็ โทรไฟลGไดรB วดเรว็ โดยอิเลก็ ตรอนจะมคี วามหนาแน7นมากในตำแหน7ง ortho และ para ทำใหเB กดิ ปฏกิ ริ ิยาการแทนทีไ่ ฮโดรเจนอะตอมดวB ยอิเล็กโทรไฟลทG ี่ตำแหน7ง ortho และ para โดยเรยี ก หมใู7 หBอเิ ล็กตรอนบนวงเบนซีนท่ที ำใหเB กิดผลน้ีวา7 activating group, ortho-para director ดงั รปู ท่ี 2-29 EDG A δ- δ- δ- รปู ที่ 2-29 แสดงหมูใ7 หBอเิ ล็กตรอนทำใหBความหนาแน7นอเิ ลก็ ตรอนมากทตี่ ำแหนง7 ortho และ para โทลอู นี (toluene) มหี มแ7ู ทนที่เปนw หมเู7 มททลิ (-CH3) ซ่ึงเปwนหมใ7ู หBอเิ ล็กตรอน หรอื เรียกวา7 หม7ู activator เกดิ ปฏกิ ริ ิยาการแทนทไ่ี ฮโดรเจนอะตอมของโทลูอนี ดBวยอิเลก็ โทรไฟลGทีต่ ำแหน7ง ortho และ para ยกตวั อย7างเชน7 ปฏกิ ิริยาไนเตรชนั ของโทลูอีน ไดBผลติ ภณั ฑหG ลกั เปwน o-nitrotoluene (60%) และ p-nitrotoluene (36%) แสดง ดังรูปที่ 2-30 ผศ.ดร. อุทยั วรรณ ศริ ิอ/อน ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บรู พา 38

บทที่ 2 ปฏกิ ริ ิยาของสารประกอบอะโรมาตกิ CH3 HNO3 CH3 CH3 CH3 toluene H2SO4 NO2 NO2 + + NO2 o-nitrotoluene m-nitrotoluene p-nitrotoluene 60% 4% 36% รปู ท่ี 2-30 ปฏิกิริยาไนเตรชนั ของโทลูอีน กลไกการเกดิ ปฏิกิรยิ าการแทนทไี่ ฮโดรเจนอะตอมดBวยอเิ ล็กโทรไฟลGของโทลอู ีนท่ตี ำแหนง7 ortho และ para เกิดผ7านสารตัวกลางชนดิ 3o carbocation ทเี่ สถียรกว7าการเกดิ ปฏิกริ ยิ าทต่ี ำแหนง7 meta โดยมหี มู7เมทลิ ช7วยทำใหBสารตวั กลางมีความเสถียร โดยการใหอB เิ ลก็ ตรอนผ7านพันธะซิกมา (inductive effect) ดังรูปที่ 2-31 CH3 NO2 CH2 CH3 CH3 NO2 NO2 NO2 ortho H H H H attack CH3 3o 2o 2o (more stable) CH2 CH3 CH3 para NO2 H NO2 H NO2 H NO2 attack H 2o 3o 2o meta CH3 CH3 (more stable) CH3 attack CH3 H NO2 NO2 NO2 NO2 H H H 2o 2o 2o รูปที่ 2-31 กลไกการเกดิ ปฏิกิริยาไนเตรชนั ของโทลอู นี โทลอู นี เกดิ ปฏิกริ ยิ าไดไB วกว7าเบนซนี ถงึ 25 เทา7 เนอ่ื งจากหม7ูเมทลิ (-CH3, หมู7ใหอB เิ ลก็ ตรอน) เพ่ิมความ เปwนนิวคลโี อไฟลขG องวงเบนซีน เกิดปฏิกริ ยิ ากับอิเล็กโทรไฟลไG ดBดขี นึ้ โดยแสดง energy diagram ดังรูปที่ 2-32 H benzene NO2 CH3 H toluene, meta- energy NO2 CH3 CH3 H NO2 CH3 H NO2 toluene, ortho- or + NO2 toluene, para- benzene toluene reaction coordinate 39 รปู ที่ 2-32 แสดง energy diagram ปฏกิ ิรยิ าไนเตรชันของโทลอู ีน ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศิริอ/อน ภาควชิ าเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บรู พา

บทที่ 2 ปฏิกริ ยิ าของสารประกอบอะโรมาติก อะนีซอล (anisole) มีหม7ูเมทอ็ กซี (methoxy; -OCH3) เปนw หมูใ7 หอB เิ ล็กตรอน และเปwนหม7ู activator ทำ ใหBเกิดปฏิกริ ยิ าการแทนท่ไี ฮโดรเจนอะตอมดวB ยอเิ ลก็ โทรไฟลทG ่ีตำแหน7ง ortho และ para แสดงดงั รปู ที่ 2-33 OCH3 HNO3 OCH3 OCH3 OCH3 anisole H2SO4 NO2 NO2 + + NO2 o-nitroanisole m-nitroanisole p-nitroanisole 31% 2% 67% รปู ที่ 2-33 ปฏิกิรยิ าไนเตรชันของอะนซี อล เช7นเดยี วกบั โทลูอีน กลไกการเกดิ ปฏิกริ ยิ าการแทนท่ีไฮโดรเจนอะตอมดBวยอเิ ลก็ โทรไฟลทG ี่ตำแหนง7 ortho และ para เกิดผ7านสารตวั กลางชนดิ 3o carbocation ที่เสถยี รกว7าการเกดิ ปฏกิ ิรยิ าทีต่ ำแหน7ง meta ซ่งึ มีหมู7 เมทอ็ กซชี 7วยทำใหBสารตวั กลางเสถยี รโดยการใหBอเิ ล็กตรอนค7ูอสิ ระจากออกซิเจนอะตอม (delocalized electron) ผ7านการเกดิ เรโซแนนซG (resonance effect) ดงั รปู ท่ี 2-34 ortho OCH3 OCH2 OCH3 OCH3 OCH3 attack H NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 H H H H (especially stable) OCH3 OCH3 OHCH3 OCH3 OCH3 H NO2 para NO2 attack H H NO2 H NO2 H NO2 (especially stable) meta OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 attack H NO2 NO2 NO2 NO2 H H H รปู ที่ 2-34 กลไกการเกดิ ปฏิกริ ิยาไนเตรชนั ของอะนีซอล นอกจากน้ี หม7เู มท็อกซยี ังเปwนหมู7 activator ที่แรง ทำใหอB ะนีซอลเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าโบรมเิ นชันกบั สารละลาย โบรมีนในน้ำ โดยไม7มีตวั เร7งปฏกิ ิรยิ า ไดBผลติ ภณั ฑG tribromoanisole ทตี่ ำแหน7ง ortho และ para ดงั รปู ท่ี 2-35 OCH3 3 Br2 OCH3 anisole H2O Br Br Br 2,4,6-tribromoanisole รูปท่ี 2-35 ปฏกิ ิรยิ าโบรมเิ นชนั ของอะนซี อลที่ปราศจากตวั เรง7 ปฏกิ ริ ิยา ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศริ ิอ/อน ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บูรพา 40

บทที่ 2 ปฏิกริ ิยาของสารประกอบอะโรมาตกิ ในทำนองเดียวกนั อะนลี ีน (aniline) ซ่งึ เปนw หม7ู activator ทีแ่ รงเชน7 กนั เกิดปฏกิ ริ ิยาโบรมิเนชนั โดย ปราศจากตัวเร7งปฏิกริ ิยา ไดBผลติ ภณั ฑGเปwน tribromoaniline ทต่ี ำแหน7ง ortho และ para ดังรปู ท่ี 2-36 โดยแสดง กลไกการเกิดปฏิกิรยิ า ดังรูปที่ 2-37 NH2 3 Br2 NH2 aniline Br Br H2O, NaHCO3 Br 2,4,6-tribromoaniline รปู ท่ี 2-36 ปฏิกริ ยิ าโบรมเิ นชันของอะนลี ีนทป่ี ราศจากตัวเร7งปฏิกริ ยิ า NH2 HH Br HNH HH NH2 Br Br ortho attack N H N Br Br H NH2 H Br -HBr NH2 para attack NaHCO3 Br Br Br Br resonance stabilization HH Br HNH HH N N -HBr NaHCO3 H Br H Br H Br resonance stabilization รปู ที่ 2-37 กลไกการเกิดปฏกิ ริ ิยาโบรมเิ นชนั ของอะนีลีน 2.2.2 หมูดk ึงอิเลก็ ตรอน (electron withdrawing group, EWG) หมู7ดึงอลิ ็กตรอนคอื กลุ7มอะตอมท่ขี าดอเิ ลก็ ตรอน ดังรูปท่ี 2-38 OO NO2 SO3H CN C CH3 C OCH3 NR3 nitrobenzene benzenesulfonic acid benzonitrile acetophenone methyl benzoate trialkylanilinium salt รูปท่ี 2-38 หมดู7 งึ อเิ ลก็ ตรอนบนวงเบนซนี หม7ดู งึ อเิ ล็กตรอนทำใหคB วามหนาแน7นของอิเล็กตรอนในวงเบนซีนต่ำลง ลดความเปwนนิวคลโี อไฟลขG องวง เบนซนี จงึ ทำปฏิกิรยิ ากับอิเล็กโทรไฟลไG ดชB าB กวา7 เบนซีนท่ีไม7มหี มู7แทนท่ี โดยเฉพาะความหนาแนน7 อเิ ล็กตรอนใน ตำแหนง7 ortho และ para (deactivated) จะตำ่ กวา7 ตำแหนง7 meta (less deactivated) ทำใหเB กิดปฏกิ ริ ิยาการ แทนทีไ่ ฮโดรเจนอะตอมดBวยอิเล็กโทรไฟลGท่ีตำแหนง7 meta ไดBดีกว7า และเรยี กหมดู7 ึงอิเลก็ ตรอนบนวงเบนซนี ที่ทำ ใหBเกิดผลน้ีว7า deactivating group, meta director ดังรปู ที่ 2-39 ผศ.ดร. อทุ ัยวรรณ ศิรอิ /อน ภาควิชาเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บรู พา 41

บทที่ 2 ปฏิกิรยิ าของสารประกอบอะโรมาตกิ EWG A δ+ δ+ δ+ รปู ที่ 2-39 แสดงหมูด7 งึ อเิ ลก็ ตรอนทำใหคB วามหนาแนน7 อเิ ลก็ ตรอนตำ่ ทต่ี ำแหนง7 ortho และ para ไนโตรเบนซีน (nitrobenzene) มหี ม7ูแทนทเ่ี ปwนหมไู7 นโตร (-NO2) เปwนหมด7ู ึงอิเล็กตรอน หรือเรียกว7าหม7ู deactivator เกดิ ปฏิกิริยาการแทนท่ีไฮโดรเจนอะตอมของไนโตรเบนซนี ดวB ยอเิ ลก็ โทรไฟลทG ีต่ ำแหนง7 meta เช7น ปฏิกริ ิยาไนเตรชันของไนโตรเบนซีน ไดผB ลติ ภณั ฑGหลกั เปwน m-dinitrobenzene (93%) แสดงดังรูปท่ี 2-40 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 HNO3 + + H2SO4 NO2 NO2 nitrobenzene o-dinitrobenzene m-dinitrobenzene p-dinitrobenzene 6% 93% <1% รปู ท่ี 2-40 ปฏกิ ริ ิยาไนเตรชันของไนโตรเบนซีน กลไกการเกิดปฏกิ ิรยิ า nitration ของไนโตรเบนซีนดวB ยอเิ ล็กโทรไฟลไG นโตรเนยี มไอออน (nitronium ion, NO2 ) ท่ตี ำแหน7ง ortho และ para จะเกิดผา7 นสารตวั กลางท่ีไม7เสถยี ร โดยท่ีประจบุ วกอยู7บนคารบG อนท่ีติดกับหม7ู ดงึ อิเลก็ ตรอน ซ่ึงกรณีที่หม7ูดึงอเิ ลก็ ตรอนเปนw หมูไ7 นโตร จะทำใหBเกดิ การผลักกนั ระหวา7 งประจุบวกของคารGบอน อะตอมกบั ประจุบวกของไนโตรเจนอะตอม ทำใหBตำแหนง7 meta มโี อกาศเกดิ ปฏกิ ริ ิยาไดBดที ี่สดุ ดังรปู ที่ 2-41 ortho OO NO2 OO OO OO attack N N N N H NO2 NO2 NO2 H H H unstable OO OO OO OO N N N N para attack H NO2 H NO2 H NO2 H NO2 unstable OO OO OO OO N N N N meta NO2 NO2 attack H NO2 H H H NO2 รปู ที่ 2-41 กลไกการเกิดปฏิกริ ยิ าไนเตรชนั ของไนโตรเบนซนี ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศริ ิอ/อน ภาควชิ าเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บูรพา 42

บทท่ี 2 ปฏิกิริยาของสารประกอบอะโรมาติก ไนโตรเบนซีนเกดิ ปฏกิ ิรยิ าไดชB Bากวา7 เบนซีน เนอ่ื งจากหมไ7ู นโตร (-NO2, หมด7ู งึ อเิ ล็กตรอน) ลดความเปนw นิวคลีโอไฟลขG องวงเบนซนี ทำใหเB กดิ ปฏกิ ริ ยิ ากับอิเล็กโทรไฟลGไดBชาB โดยแสดง energy diagram ดงั รปู ที่ 2-42 NO2 NO2 H E ortho- HE NO2 para- energy H meta- E H benzene E NO2 or + E benzene nitrobenzene reaction coordinate รูปท่ี 2-42 แสดง energy diagram ปฏิกริ ิยาไนเตรชนั ของไนโตรเบนซีน 2.2.3 หมฮkู าโลเจน (halogen group, X) หม7ูฮาโลเจน (VIIA: F, Cl, Br, I) เปwนหม7ดู งึ อเิ ล็กตรอน โดยดงึ อิเลก็ ตรอนผ7านพันธะซกิ มา (electron withdrawing inductive effect) เนอ่ื งจากมคี 7า EN สงู ทำใหคB วามหนาแน7นอเิ ล็กตรอนในวงเบนซีนลดลง ดงั นน้ั หม7ฮู าโลเจนจึงจัดเปนw หมู7 deactivator อย7างไรกต็ ามหม7ฮู าโลเจนมอี เิ ล็กตรอนค7อู สิ ระ (lone-pair electron) ท่ี สามารถใหอB ิเลก็ ตรอนกับวงเบนซีนผ7านการเกิดพนั ธะไพ (resonance donating) ทำใหอB นุพนั ธขG องเบนซีนท่ีมหี ม7ู แทนท่ีเปนw หม7ฮู าโลเจนเกิดปฏิกริ ยิ าการแทนทีไ่ ฮโดรเจนอะตอมดวB ยอิเล็กโทรไฟลทG ี่ตำแหนง7 ortho และ para โดย เรยี กหมฮู7 าโลเจนที่ทำใหBเกิดผลน้วี า7 deactivating group, ortho-para director ยกตวั อยา7 งปฏกิ ริ ิยาไนเตรชนั ของโบรโมเบนซนี ไดBผลิตภณั ฑGหลกั เปนw o-bromonitrobenzene (35%) และ p- bromonitrobenzene (64%) แสดงดงั รปู ท่ี 2-43 Br Br Br Br HNO3 NO2 + NO2 H2SO4 + NO2 para 64% bromobenzene ortho meta 35% <1% รูปที่ 2-43 ปฏิกิรยิ าไนเตรชันของโบรโมเบนซนี กลไกการเกดิ ปฏิกริ ิยา nitration ของโบรโมเบนซีนดBวยไนโตรเนียมไอออน ( NO2 ) เกิดไดBดที ี่ตำแหนง7 ortho และ para เนือ่ งจากทตี่ ำแหน7ง ortho และ para จะเกิดเปนw สารตวั กลางทเี่ สถยี ร คือ โบรโมเนียมไอออน (bromonium ion) โดยประจบุ วกอย7ูบนคารบG อนทต่ี ิดกับโบรมีนอะตอมท่สี ามารถใหอB เิ ลก็ ตรอนคูอ7 สิ ระกับประจุ ผศ.ดร. อุทัยวรรณ ศริ อิ /อน ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บูรพา 43

บทที่ 2 ปฏกิ ริ ิยาของสารประกอบอะโรมาตกิ บวกของคารGบอนไดเB ปนw โบรโมเนยี มไอออน ซ่งึ ความเสถียรทเี่ กดิ จากการรบั อเิ ล็กตรอนคอ7ู สิ ระน้ีเรยี กวา7 ผลของการ เกดิ เรโซแนนซG (resonance stabilization) แสดงดังรปู ที่ 2-44 ortho Br NO2 Br Br Br Br attack H NO2 NO2 NO2 NO2 H H H H (bromonium ion) Br Br Br Br Br H NO2 para H NO2 H NO2 H NO2 attack (bromonium ion) H NO2 Br Br Br Br meta NO2 NO2 NO2 attack H H H H NO2 รูปที่ 2-44 กลไกการเกิดปฏิกริ ิยาไนเตรชนั ของโบรโมเบนซีน ฮาโลเบนซนี เกิดปฏกิ ริ ิยาไดชB Bากวา7 เบนซีน เนื่องจากหมฮ7ู าโลเจน (-X, หมดู7 งึ อิเล็กตรอน) ลดความเปwน นิวคลีโอไฟลขG องวงเบนซนี ทำใหเB กิดปฏกิ ิรยิ ากบั อิเล็กโทรไฟลGไดชB Bา โดยแสดง energy diagram ดงั รูปท่ี 2-45 Cl H meta- E Cl Cl H E energy ortho- HE para- H Cl E or + E benzene benzene nitrobenzene reaction coordinate รปู ท่ี 2-45 แสดง energy diagram ปฏกิ ิริยาไนเตรชนั ของโบรโมเบนซีน โดยสรปุ ผลของหมแ7ู ทนที่บนวงเบนซนี ชนิด activating group และ deactivating group ที่เม่อื เกิดปฏิกิริยา electrophilic aromatic substitution (EAS) ไดBผลติ ภณั ฑGหลักทอี่ เิ ล็กโทรไฟลGเขาB แทนท่ไี ฮโดรเจน อะตอมที่ตำแหน7ง ortho, para และ meta ดังรูปที่ 2-46 ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศริ อิ อ/ น ภาควิชาเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บูรพา 44

บทท่ี 2 ปฏิกริ ิยาของสารประกอบอะโรมาตกิ Activating Group Deactivating Group (EDG) (EWG) π Donors σ Donors Halogens Carbonyls Other NH2 R FO SO3H OH Ar CR CN OR NO2 NHCOCH3 Cl O NR3 C OH Br O I C OR ortho, para direting meta direacting รปู ที่ 2-46 สรปุ หมู7แทนที่บนวงเบนซนี ทเี่ ปwน activating group และ deactivating group 2.2.4 ผลของหมแูk ทนท่ีบนวงอะโรมาติกท่มี ากกวkา 1 หมูk ในกรณีที่เบนซนี มีหมแู7 ทนทมี่ ากกวา7 1 หมู7 หมูแ7 ทนทชี่ นดิ activator จะเปwนตัวกำหนดผลติ ภณั ฑGท่จี ะไดB เช7น ปฏิกิรยิ าไนเตรชนั ของ m-xylene ทม่ี ีหมู7 activator (-CH3) ทัง้ 2 หมู7 ไดผB ลิตภัณฑทG ่ีอเิ ลก็ โทรไฟลเG ขาB ที่ ตำแหน7ง o- และ p- โดยตำแหนง7 ortho ของท้งั สองหมจู7 ะเกดิ ยากเนือ่ งจากผลของความเกะกะ ดงั รูปที่ 2-47 CH3 CH3 CH3 CH3 p- o- o- (both) HNO3 O2N H2SO4 same p- o- CH3 CH3 NO2 m-xylene รปู ที่ 2-47 ปฏกิ ิรยิ าไนเตรชันของ m-xylene ส7วนในกรณีทหี่ มแู7 ทนท่ีท้ังสองหมเู7 ปนw หม7ู activator ท้งั คู7 และสามารถทำใหBเกดิ ปฏกิ ิริยาไดBทุกตำแหน7ง เช7น ปฏิกิริยาไนเตรชนั ของ o-xylene จะไดผB ลิตภณั ฑผG สม ดงั รปู ที่ 2-48 CH3 HNO3 CH3 CH3 o- CH3 H2SO4 CH3 CH3 p- o- + NO2 p- NO2 58% 42% o-xylene รปู ท่ี 2-48 ปฏกิ ิริยาไนเตรชันของ o-xylene ในกรณีของ m-nitroanisole จะไดBผลิตภัณฑGท่ีอิเลก็ โทรไฟลเG ขาB แทนทีไ่ ฮโดรเจนอะตอมที่ตำแหนง7 o- และ p- ของหมู7 activator (-OCH3) ในตำแหน7งท่ีมคี วามเกะกะนBอย ดังรปู ท่ี 2-49 OCH3 OCH3 OCH3 SO3H o- (steric) o- SO3 + H2SO4 O2N O2N p- O2N m-nitroanisole SO3H รูปที่ 2-49 ปฏิกริ ยิ าไนเตรชันของ m-nitroanisole ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศริ อิ /อน ภาควิชาเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บรู พา 45

บทที่ 2 ปฏิกริ ิยาของสารประกอบอะโรมาติก 2.3 ปฏกิ ริ ิยาการแทนท่ดี วa ยนิวคลีโอไฟลZ (nucleophilic aromatic substitution) เบนซีนสามารถเกิดปฏิกริ ยิ าการแทนทีด่ วB ยนิวคลีโอไฟลG (nucleophile) โดยนวิ คลีโอไฟลจG ะเขBาแทนที่หมู7 ฮาโลเจนอะตอมบนวงเบนซนี ซ่งึ เบนซีนทเ่ี กิดปฏิกริ ิยากับนวิ คลีโอไฟลไG ดBตBองมหี มูด7 ึงอเิ ลก็ ตรอนทแ่ี รงในตำแหน7ง o- และ p- เช7น 2,4-ไดไนโตรคลอโรเบนซีน (2,4-dinitrochlorobenzene) และนิวคลีโอไฟลGทเี่ ขBาทำปฏิกริ ิยาตBอง แรงเช7นกนั ดงั รูปท่ี 2-50 Cl 2 NaOH O Na H+ OH NO2 100oC NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 2,4-dinitrophenoxide 2,4-dinitrophenol 2,4-dinitrochlorobenzene + NaCl + H2O รปู ที่ 2-50 ปฏกิ ิริยาการแทนทีด่ วB ยนวิ คลโี อไฟลขG อง 2,4-dinitrochlorobenzene โดยกลไกการเกดิ ปฏกิ ิริยาการแทนทด่ี BวยนิวคลีโอไฟลขG องเบนซีน ประกอบดBวย 2 แบบ ดงั น้ี 2.3.1 The Addition-Elimination Mechanism กลไกการเกดิ ปฏกิ ิริยาประกอบดวB ย 2 ขั้นตอน โดยขัน้ แรก นวิ คลีโอไฟลG (OH anion) เขาB ทค่ี ารGบอนท่ตี ิด กบั หมฮ7ู าโลเจน เกิดเปwน sigma complex จากน้ันเกิดการสญู เสยี หมูฮ7 าโลเจน ซ่ึงทำหนBาท่เี ปนw หมห7ู ลดุ (leaving group) แสดงดงั รูปที่ 2-51 Cl OH Cl OH O Cl OH O Cl OH O Cl OH O Cl OH O NO N NO2 RDS NO O NH N O O NO2 NO2 NO2 N N N OO OO OO resonance-stabilized sigma complex Cl OH O -Cl OH O Na NO NO2 NaOH NO2 -H2O NO2 NO2 NO2 รปู ที่ 2-51 กลไกการเกดิ ปฏกิ ิรยิ าการแทนท่ีดBวยนวิ คลโี อไฟลGของ 2,4-dinitrochlorobenzene ผศ.ดร. อุทัยวรรณ ศริ ิอ/อน ภาควชิ าเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บูรพา 46

บทท่ี 2 ปฏิกิรยิ าของสารประกอบอะโรมาติก 2.3.2 The Benzyne Mechanism: Elimination-Addition กรณีของฮาโลเบนซนี ท่ีไมม7 หี มู7ดึงอเิ ล็กตรอนชว7 ยทำใหBว7องไวในการเกดิ ปฏกิ ริ ิยากับนวิ คลีโอไฟลG กลไกการ เกดิ ปฏิกริ ิยาจะเกดิ ผ7านสารตวั กลางเบนไซนG (benzyne) ในสภาวะท่ใี ชBเบสแรง เช7น โซเดยี มเอไมดG (sodium amide) ไดผB ลิตภัณฑผG สม 2 ชนิด ท่นี วิ คลโี อไฟลเG ขาB คนละตำแหน7ง ดงั รปู ที่ 2-52 Br NH2 NH2 + NaNH2 NH3, -33oC R RR R = not strong EWG para- meta- รปู ท่ี 2-52 ปฏิกิรยิ าการแทนท่ดี Bวยนิวคลโี อไฟลขG องฮาโลเบนซีนทีไ่ ม7มหี มด7ู งึ อเิ ล็กตรอน กลไกการเกดิ ปฏกิ ิรยิ าประกอบดวB ย 2 ขน้ั ตอน ในขัน้ แรกเบสแรงจะเขBาจบั โปรตอนบนคารGบอนท่ถี ดั จาก คารบG อนที่ตดิ กับฮาโลเจนอะตอม ไดBเปwนคารGแบนไอออน (carbanion) จากน้ัน carbanion ผลกั หม7ฮู าโลเจนออก ไดBเปนw benzyne ในขัน้ ที่สอง นิวคลโี อไฟลGจะเขBาทำปฏิกิริยาทคี่ ารGบอนพันธะสามของ benzyne ไดทB ั้งสอง ตำแหน7ง ไดBผลิตภัณฑG 2 ชนดิ ดงั รปู ที่ 2-53 Br NH2 Br H -Br NH3 R R RR carbanion benzyne NH2 NH2 H NH2 H NH2 R para- NH2 R R NH2 H NH2 H NH2 meta- R RR รูปที่ 2-53 กลไกการเกิดปฏิกิริยาการแทนที่ดBวยนิวคลีโอไฟลผG า7 นการเกิด benzyne 2.4 ปฏกิ ริ ิยาการเพมิ่ ของเบนซีนและอนุพนั ธ= (addition reaction of benzene and derivative) อยา7 งไรกต็ าม ถึงแมBวา7 ปฏกิ ิริยาของเบนซนี จะเปนw ปฏกิ ิริยาการแทนที่ (substitution) ปฏกิ ริ ิยาการเพิม่ (addition) ของเบนซีนสามารถเกิดขึ้นไดB ในสภาวะทเ่ี ฉพาะ โดยมี 3 ปฏกิ ริ ยิ าการเพ่ิมของเบนซนี ทน่ี า7 สนใจ ดงั น้ี ผศ.ดร. อุทยั วรรณ ศิริออ/ น ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บูรพา 47

บทที่ 2 ปฏิกิรยิ าของสารประกอบอะโรมาตกิ 2.4.1 Chlorination เบนซีนทำปฏกิ ิรยิ ากับคลอรนี ทีม่ ากเกินพอ (excess Cl2) ภายใตBสภาะความรอB นและความดัน หรือภายใตB สภาวะท่ใี ชBแสง (hv) จะทำใหBคลอรนี อะตอมเขBาทำปฏิกิรยิ า โดยจะเกดิ ยากสำหรับคลอรีนโมเลกลุ แรก เนื่องจาก เปนw การทำลายความเปนw อะโรมาติกของวงเบนซนี ไดBผลติ ภณั ฑเG ปwน 1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane ทมี่ ี คลอรีนทง้ั หมด 6 อะตอม หรือเรียกว7า benzene hexachloride (BHC) ซึง่ มไี ดBท้งั หมด 8 ไอโซเมอรG โดย lindane เปwนไอโซเมอรทG ่ีสำคัญ ใชทB ำแชมพสู ำหรับกำจดั เหา แสดงดงั รปู ที่ 2-54 Cl H Cl H Cl H Cl Cl heat, presure H Cl H + 3 Cl2 or hv H Cl Cl benzene Cl H H H H Cl Cl H H Cl benzenehexachloride (BHC) lindane (eight isomers) รูปท่ี 2-54 ปฏกิ ริ ิยา chlorination ของเบนซนี 2.4.2 Catalytic Hydrogenation of Aromatic Ring เบนซีนทำปฏิกิริยา hydrogenation กบั แกส¢ ไฮโดรเจน (H2) ภายใตคB วามดนั และมตี วั เร7งปฏกิ ิริยาเปนw โลหะ (Pt, Pd, Ni, Ru หรือ Rh) ไดผB ลติ ภัณฑGเปนw cyclohexane แสดงดังรปู ท่ี 2-55 benzene 3 H2, 1000 psi Pt, Pd, Ni, Ru or Rh cyclohexane รูปที่ 2-55 ปฏกิ ิรยิ า hydrogenation ของเบนซีน โดยกรณีท่สี ารตง้ั ตBนเปwนเบนซีนท่ีมีหม7ูแทนที่ 2 หมู7 (disubstituted benzene) เชน7 m-xylene จะไดB ผลิตภณั ฑGเปนw 1,3-dimethylcyclohexane ที่ผสมระหว7าง cis และ trans ไอโซเมอรG ดังรูปที่ 2-56 CH3 CH3 CH3 3 H2, 1000 psi m-xylene Ru or Rh catalyst CH3 100oC 1,3-dimethylcyclohexane (mixture of cis and trans) รูปท่ี 2-56 ปฏิกริ ยิ า hydrogenation ของ m-xylene 2.4.3 Birch Reduction เบนซีนสามารถเกดิ ปฏิกริ ยิ ารีดักชนั (reduction) ไดBผลิตภัณฑเG ปนw cyclic diene โดยการทำปฏกิ ริ ยิ ากบั โลหะ sodium (Na) หรอื โลหะ lithium (Li) ในตวั ทำละลาย ammonia และ alcohol เรยี กปฏิกริ ิยาน้วี 7า Birch reduction ดงั รปู ที่ 2-57 และแสดงกลไกการเกดิ ปฏิกิรยิ า Birch reduction ดงั รูปท่ี 2-58 ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศริ ิอ/อน ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บรู พา 48

บทท่ี 2 ปฏิกริ ิยาของสารประกอบอะโรมาติก benzene Na or Li NH3, ROH 1,4-cyclohexadiene รูปท่ี 2-57 ปฏกิ ิรยิ า Birch reduction ของเบนซีน NH3 + Na NH3 e (deep blue solution) + Na solvated electron e + RO H OR benzene radical anion HH radical HH e + RO H OR HH HH HH radical carbanion 1,4-cyclohexadiene รปู ท่ี 2-58 กลไกการเกิดปฏกิ ริ ยิ า Birch reduction ของเบนซนี โดยในกรณเี บนซีนที่มีหมู7ดึงอเิ ลก็ ตรอน เชน7 benzoic acid ชว7 ยทำใหB carbanion มคี วามเสถียร ทำใหไB ดB ผลติ ภัณฑGทเ่ี กดิ จากปฏกิ ริ ิยารีดกั ชันบนคารบG อนท่ตี ิดกับหมดู7 ึงอิเล็กรอน แสดงดงั รูปท่ี 2-59 O Na HO C NH3, CH3CH2OH H HC OH OH H benzoic acid HH H รปู ที่ 2-59 ปฏกิ ิรยิ า Birch reduction ของกรดเบนโซอิก ส7วนเบนซนี ทมี่ หี มูใ7 หอB เิ ล็กตรอน เช7น anisole จะลดความว7องไวในการเกิดปฏกิ ริ ยิ าของวงเบนซนี ซึง่ ตBอง ใชBโลหะ Li และใชBแอลกอฮอลเG ปนw t-BuOH (weak proton source) ร7วมกับตวั ทำละลาย THF ไดผB ลิตภัณฑGท่เี กิด จากปฏิกริ ิยารีดกั ชนั บนคารบG อนทถ่ี ัดจากหม7ูใหBอเิ ลก็ รอน แสดงดงั รูปที่ 2-60 OCH3 Li, NH3 HH anisole t-BuOH, THF H OCH3 HH HH รปู ที่ 2-60 ปฏิกริ ิยา Birch reduction ของอะนีซอล ผศ.ดร. อุทยั วรรณ ศิริอ/อน ภาควชิ าเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บรู พา 49

บทที่ 2 ปฏกิ ริ ิยาของสารประกอบอะโรมาติก 2.5 ปฏิกริ ยิ าอืน่ ๆ ของเบนซนี และฟนg อล นอกจากนี้เบนซีนสามารถเกิดปฏกิ ิริยานอกเหนอื จากที่กล7าวมา ดังน้ี 2.5.1 Permanganate Oxidation ปฏกิ ิรยิ าออกซิเดชนั หมแู7 อลคลิ (R) บนเบนซนี ดวB ยสารละละลายโพแทสเซียมเปอรGแมงกาเนส (KMnO4) ในสภาวะเบส เปลีย่ นหมแ7ู อลคิลเปwนหมู7คารGบอกซลิ (COOH) ดังรปู ที่ 2-61 O2N CH(CH3)2 KMnO4, HO O H O CH CH2 H2O, heat O2N CO K O2N C OH CO K C OH O O รปู ท่ี 2-61 ปฏิกิริยาออกซิเดชันของเบนซีน 2.5.2 Side-Chain Halogenation แอลคิลเบนซนี (alkylbenzene) สามารถเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า halogenation ทต่ี ำแหนง7 benzylic carbon (a- position) ภายใตแB สง ยกตวั อยา7 งเชน7 ปฏกิ ิรยิ า bromination ของ ethylbenzene ไดผB ลิตภณั ฑเG ปนw a- bromoethylbenzene และ dibromoethylbenzene อย7างไรก็ตาม chlorination ของ ethylbenzene สามารถเกิดไดBทั้งตำแหนง7 a และ b ดังรูปที่ 2-62 CH2CH3 Br Br CHCH3 Br CCH3 Br2 or NBS + hv ethylbenzene α-bromoethylbenzene α,α-dibromoethylbenzene CH2CH3 (trace) Cl β α CHCH3 CH2CH2Cl Cl2 + hv ethylbenzene α-chloroethylbenzene β-chloroethylbenzene รูปท่ี 2-62 ปฏิกิริยา halogenation ของเบนซีน โดยกลไกการเกิดปฏกิ ริ ิยา halogenation ของเบนซีน จะเกิดผา7 น radical แสดงดังรูปท่ี 2-63 ผศ.ดร. อทุ ยั วรรณ ศิรอิ อ/ น ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บรู พา 50

บทที่ 2 ปฏกิ ริ ยิ าของสารประกอบอะโรมาติก CH3 H C CH3 H C CH3 H C CH3 H C CH3 HC H Br resonance-stabilized benzylic radical H C CH3 CH3 H C Br + Br Br รปู ที่ 2-63 กลไกการเกดิ ปฏกิ ริ ิยา halogenation ของเบนซีน 2.5.3 Nucleophilic Substitution at the Benzylic Position ปฏิกิรยิ า SN1 และ SN2 ในกลุ7มสารประกอบ allylic halide จะเกดิ ไดBไวกว7า alkyl halide โดยเฉพาะ benzylic halide จะเกิดปฏิกิริยาแทนทผี่ 7านกลไกการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าแบบ SN1 และ SN2 ไดBดที สี่ ดุ แสดงรายละเอยี ด ของแต7ละกลไก ดงั น้ี - SN1 Reaction ปฏกิ ริ ิยาแบบ SN1 ของ benzylic halide จะเกิดการหลดุ ออกของฮาโลเจนอะตอม ซง่ึ เปwน leaving group ไดBเปนw สารตวั กลาง carbocation ท่เี สถยี ร เนอื่ งจากผลของเรโซแนนซG (resonance stabilization) ตวั อยา7 งเชน7 1-phenyl cation เกดิ เปนw 2o carbocation ซ่งึ มีความเสถียรเทา7 กบั 3o alkyl cation จากนั้น nucleophile จะเขBาทำปฏกิ ริ ิยากับ carbocation ไดเB ปwนผลติ ภณั ฑG ดังรปู ที่ 2-64 และแสดงกลไกดงั รูปที่ 2-65 CH3 heat CH3 CH Br + CH3CH2OH SN1 CH OCH2CH3 รูปที่ 2-64 ปฏกิ ริ ิยาการแทนทดี่ วB ยนวิ คลโี อไฟลขG อง benzylic halide ผ7านกลไกแบบ SN1 CH3 H C CH3 H C CH3 H C CH3 H C CH3 H C Br 1-phenyl cation (2o carbocation) รูปที่ 2-65 กลไกปฏิกิรยิ าการแทนทด่ี Bวยนวิ คลีโอไฟลขG อง benzylic halide ผ7านกลไกแบบ SN1 - SN2 Reaction ปฏิกิรยิ าแบบ SN2 ของ benzylic halide จะเกดิ ไดBเรว็ กวา7 1o alkyl halide ถึง 100 เท7า ดงั รปู ท่ี 2-66 เกิดผา7 น transition state ท่ีเสถียร ซึ่ง transition state ถูกทำใหเB สถียรโดยระบบ p-system จากวงแหวน เบน ซนี เกิดข้ึนขณะที่ leaving group กำลังจะหลุดออก และ nucleophile กำลังจะเขBาทำปฏกิ ริ ิยา แสดงกลไกดงั รูป ท่ี 2-67 ผศ.ดร. อทุ ัยวรรณ ศริ อิ /อน ภาควิชาเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บูรพา 51

บทท่ี 2 ปฏิกริ ยิ าของสารประกอบอะโรมาติก CH2Br NaOCH3 CH2OCH3 CH3OH รปู ท่ี 2-66 ปฏกิ ิริยาการแทนทดี่ Bวยนวิ คลีโอไฟลGของ benzylic halide ผ7านกลไกแบบ SN2 stabilization Nu δ- nucleophile attack C H H LG δ- leaving group รปู ที่ 2-67 กลไกปฏกิ ริ ิยาการแทนที่ดวB ยนวิ คลีโอไฟลGของ benzylic halide ผา7 นกลไกแบบ SN2 2.5.4 Reaction of Phenol ปฏกิ ิริยาของฟนP อลจะคลาB ยกบั ปฏิกริ ยิ าของ aliphatic alcohol โดยสามารถทำปฏิกิริยากับ carboxylic acid ไดเB ปwน ester ดังรปู ท่ี 2-68 และสามารถทำหนาB ท่เี ปนw กรด ทำปฏิกริ ิยากับเบส เช7น NaOH ไดเB ปwนสารประกอบ phenoxide ซึ่งใชBเปwนสารต้งั ตนB ในการสังเคราะหG ether ในปฏิกริ ยิ า Williamson ether synthesis ดังรูปที่ 2-69 OH O H O + R C OH OCR phenol carboxylic acid ester รปู ท่ี 2-68 ปฏกิ ิรยิ าของ phenol กบั carboxylic acid ไดBเปนw ester OH O Na NaOH H2O phenol phenoxide ion รูปท่ี 2-69 ปฏิกิรยิ าของ phenol กบั NaOH ไดBเปนw phenoxide - Oxidation of Phenol to Quinone ปฏกิ ริ ยิ าออกซเิ ดชันของฟนP อล ไดผB ลิตภณั ฑเG ปwน 1,4-diketone หรือเรยี กว7า quinone ดังรปู ท่ี 2-70 OH O Na2Cr2O7 H2SO4 phenol O 1,4-diketones รูปที่ 2-70 ปฏกิ ิรยิ า oxidation ของ phenol ไดBเปนw quinone ผศ.ดร. อุทัยวรรณ ศิรอิ อ/ น ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บูรพา 52

บทที่ 2 ปฏิกิริยาของสารประกอบอะโรมาตกิ - Electrophilic Aromatic Substitution of Phenol phenol และ phenoxide มคี วามว7องไวในการเกดิ ปฏกิ ิรยิ า สามารถเกิดปฏกิ ิรยิ าการแทนท่ีดวB ยอิเล็กโทร ไฟลG (EAS) ดวB ยตัวเร7งปฏกิ ิริยาทไี่ มร7 ุนแรง (weak catalyst) ยกตวั อย7างเช7น ปฏิกิริยา Friedel-Crafts reaction โดยใชB HF เปนw ตวั เร7งปฏกิ ิรยิ า ดงั รูปท่ี 2-71 ปฏิกิริยา bromination ในสภาวะเบส หรือในสภาวะท่ีไมใ7 ชBตัวเรง7 ปฏกิ ิรยิ า ไดผB ลิตภัณฑGเปwน tribromophenol ดังรูปที่ 2-72 และการทำปฏิกิรยิ า carbon dioxide (CO2) ซง่ึ เปนw อิ เล็กโทรไฟลทG ีไ่ มแ7 รงไดB โดยใหBผลติ ภัณฑGเปนw salicylic acid ดังรปู ท่ี 2-73 OH OH OH CH3 + CH3 OH HF + H3C CH3 phenol H3C CH3 รปู ท่ี 2-71 ปฏิกริ ยิ า Friedel-Crafts ของ phenol OH OO O O phenol Br2 Br Br NaOH Br Br H2O Br Br OH Br H phenoxide ion sigma complex รูปท่ี 2-72 ปฏิกริ ิยา tribromination ของ phenol OH O OO OH O OH O phenol CO C OH NaOH OCO CO H H2O H OH phenoxide ion salicylic acid รปู ที่ 2-73 ปฏกิ ิริยา carbon dioxide ของ phenol ผศ.ดร. อุทัยวรรณ ศริ ิออ/ น ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บูรพา 53

บทท่ี 2 ปฏิกิรยิ าของสารประกอบอะโรมาติก 2.6 แบบฝTกหดั เสรมิ ความเขXาใจ 1. แสดงรเี อเจนตGและผลติ ภณั ฑจG ากปฏกิ ริ ิยาตอ7 ไปนี้ 1.1 nitration ของ para-chlorobenzoic acid 1.2 bromination ของ aniline 1.3 sulfonation ของ phenol 1.4 Friedel-Crafts alkylation ของ benzaldehyde กับ methylbromide 1.5 Friedel-Crafts acylation ของ anisole กบั acetyl chloride 1.6 chlorination ของ toluene 2. แสดงโครงสราB งผลิตภัณฑทG ่ไี ดBจากปฏิกิริยาระหวา7 งเบนซนี กับรีเอเจนตGตอ7 ไปน้ี 2.1 1-chlorobutane, AlCl3 2.2 fuming sulfuric acid 2.3 benzoyl chloride, AlCl3 2.4 nitric acid + sulfuric acid 2.5 isobutyl alcohol + BF3 2.6 CO, HCl, and AlCl3/CuCl 2.7 Br2, FeBr3 2.8 isobutene, HF 3. แสดงโครงสราB งของผลติ ภัณฑหG ลกั ทไ่ี ดจB ากปฏิกริ ิยาต7อไปนี้ 3.1 2,4-dinitrochlorobenzene + NaOMe 3.2 nitrobenzene + SO3 and H2SO4 3.3 p-methylanisole + acetyl chloride + AlCl3 3.4 isobutylbenzene + hot, conc. KMnO4 4. แสดงโครงสรBางของผลิตภณั ฑหG ลัก พรBอมทั้งแสดงกลไกปฏกิ ิริยาต7อไปนี้ 4.1 NH2 4.2 CN HNO3 H2SO4 Br2 FeBr3 4.3 4.4acetyl chloride Br AlCl3 CH3CH2CH2Cl 1-bromo-2-isopropylbenzene AlCl3 ผศ.ดร. อทุ ัยวรรณ ศริ อิ /อน ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บรู พา 54

บทท่ี 2 ปฏกิ ริ ยิ าของสารประกอบอะโรมาติก 5. แสดงวธิ ีการสงั เคราะหGสารตอ7 ไปนีจ้ ากสารตง้ั ตนB เบนซีน 5.1 1-phenyl-1-bromobutane 5.2 3,4-dibromobenzoic acid 5.3 m-chloroacetophenone 5.4 p-chloroacetophenone 5.5 1,2-dichloro-4-nitrobenzene 5.6 2-bromo-4-ethyltoluene 5.7 2-bromo-2-phenylpropane 5.8 p-isopropylbenzenesulfonic acid 5.9 p-nitrobenzoic acid 5.10 m-bromoaniline 5.11 NO2 5.12 CH2CH3 H3C H3C SO3H O O 6. เปรยี บเทียบอตั ราการเกดิ ปฏิกริ ิยา electrophilic aromatic substitution ของสารต7อไปน้ี พรBอมใหBเหตุผล Cl NO2 CH3 ab c d 7. สงั เคราะหGสารประกอบต7อไปนจี้ าก toluene พรอB มแสดงรเี อเจนตGท่ีใชB 7.1 COOH 7.2 H2N Cl 7.4 COOH NO2 7.3 OCH3 O2N Br O 8. แสดงโครงสราB งของผลติ ภณั ฑหG ลักทีไ่ ดBจากปฏกิ ิริยาตอ7 ไปน้ี 8.1 O O 8.2 Cl AlCl3 O CH3CH2 C Cl N H AlCl3 8.3 Cl 8.4 conc. KMnO4 NO2 NaOCH3 Δ NO2 8.6 1) HNO3 / H2SO4 8.5 Br 2) CH3CH2COCl / AlCl3 3) Zn(Hg) / HCl NaNH2 NH3 CH3 ผศ.ดร. อุทัยวรรณ ศริ อิ /อน ภาควชิ าเคมี คณะวทิ ยาศาสตร; ม. บูรพา 55

บทที่ 2 ปฏิกริ ยิ าของสารประกอบอะโรมาตกิ 8.7 8.8 CH3 1) KMnO4 CH3 2) HNO3 / H2SO4 Br2 3) Sn / HCl FeBr3 OH 8.10 1) Cl2/ FeCl3 2) HNO3 / H2SO4 8.9 OCH3 HNO3 / H2SO4 3) HNO3 / H2SO4 4) 2NaOH, 100oC NO2 9. แสดงโครงสรBางของผลติ ภัณฑG A-H ในกลอ7 งส่เี หลยี่ ม 4-nitrotoluene H methyl bromide G AlCl3 C (more than one step) O Cl AlCl3 BA HNO3 Br2 / FeBr3 H2SO4 Zn(Hg) HCl E Br2 / hv D KMnO4 F (hot, conc.) ผศ.ดร. อุทัยวรรณ ศริ ิอ/อน ภาควชิ าเคมี คณะวิทยาศาสตร; ม. บูรพา 56