บทที่ 1-บทนำ

บทท่ี 1 บทนา (Introduction) แผนการสอนประจาบท เนื้อหาประจาบท ความหมายของเคมีอินทรยี ์ การเขียนสูตรโครงสร้างของสารอนิ ทรยี ์ การเกดิ ไฮบริไดเซชันของคาร์บอน ความมีข้วั และแรงระหว่างโมเลกลุ ของสารอินทรยี ์ ประจฟุ อร์มาล โครงสรา้ งเรโซแนนซ์ วตั ถปุ ระสงค์การเรียนร้ปู ระจาบท เพือ่ ใหเ้ ขา้ ใจความหมายของเคมอี นิ ทรยี ์ เพอ่ื ให้เขา้ ใจและสามารถเขยี นสูตรโครงสรา้ งแบบตา่ งๆ ของสารอนิ ทรีย์ได้ เพื่อใหเ้ ข้าใจการเกิดไฮบรไิ ดเซชันของคาร์บอนแบบตา่ งๆ เพอ่ื ใหเ้ ขา้ ใจความมีข้วั และแรงระหว่างโมเลกลุ ของสารอนิ ทรยี ์ เพอ่ื ใหเ้ ข้าใจประจรุ วมของสารและโครงสรา้ งเรโซแนนซ์ของสารอนิ ทรยี ์ วิธีสอนและกจิ กรรมการเรียนการสอนประจาบท บรรยายในชน้ั เรยี น ตอบข้อซกั ถามของผู้เรียน การถาม-ตอบระหวา่ งผ้สู อนและผเู้ รยี น ใหผ้ ูเ้ รียนทาแบบฝึกหดั ส่อื การเรยี นการสอน เอกสารประกอบคาสอนรายวชิ า 303220 เคมอี นิ ทรีย์ Power Point เครอ่ื งฉายภาพ LCD และเครอ่ื งฉายแผ่นทบึ การวดั ผลและประเมินผล สังเกตุความสนใจของผู้เรยี น การแสดงความคิดเหน็ ของผเู้ รียน

บทนา | 2 เน้ือหาสาคญั เคมีอินทรยี ์ (organic chemistry) เป็นสาขาวชิ าทางเคมี ทศี่ ึกษาเกยี่ วกับสมบัตทิ างกายภาพ (physical properties) และทางเคมี (chemical properties) ของสารอนิ ทรีย์ (organic compound) โดยนกั เคมีในสมัย โบราญเช่อื ว่า สารอนิ ทรยี เ์ กิดจากสง่ิ มชี ีวิตที่เปน็ พชื และสัตว์เท่าน้นั และสังเคราะห์ไมไ่ ด้ ตอ่ มาในปี ค.ศ. 1828 นักวทิ ยาศาสตร์ชอื่ Friedrick Wohler ได้ค้นพบว่าสารอนิ ทรยี ์สามารถสังเคราะห์ได้ จากการท่ี “ยูเรยี (urea)” ซงึ่ เปน็ สารอนิ ทรีย์ สงั เคราะห์ได้จากการเผาไหม้สารอนนิ ทรยี ์ (inorganic compound) ที่มีชอื่ ว่า “แอมโมเนยี ม ไซยาเนต (ammonium cyanate)” ดงั รปู ที่ 1.1 รูปท่ี 1.1 การเกิดยเู รีย (urea) ในปัจจุบัน สารอินทรยี ์หมายถงึ สารประกอบท่มี ีอยูใ่ นธรรมชาตแิ ละได้จากจากการสังเคราะห์ โดยเป็น สว่ นประกอบของทง้ั สง่ิ ท่ีมีชีวิตและไม่มีชวี ิต ซ่ึงอาจอยู่ในรปู ของอาหาร เคร่อื งนุ่งหม่ ยารกั ษาโรค ผลติ ภัณฑ์ทาง การเกษตร พลาสตกิ เชอ้ื เพลงิ รวมถึงสารชวี โมเลกุลทเ่ี ปน็ ส่วนประกอบของร่างกายมนุษยแ์ ละสัตว์ ไดแ้ ก่ ฮอร์โมน ดีเอน็ เอ เอนไซม์ ไขมนั คาร์โบไฮเดรต และโปรตนี เปน็ ตน้ สารอินทรยี เ์ ปน็ สารท่ีมธี าตุคารบ์ อน (carbon, C) และไฮโดรเจน (hydrogen, H) เป็นองคป์ ระกอบหลัก และอาจมีธาตอุ ื่นๆ เป็นองค์ประกอบร่วม ได้แก่ ออกซิเจน (oxygen, O), ไนโตรเจน (nitrogen, N), ฟอสฟอรัส (phosphorus, P), ซัลเฟอร์ (sulfur, S), ซลิ ิกอน (silicon, Si), ฟลอู อรีน (fluorine, F), คลอรนี (chlorine, Cl), โบรมีน (bromine, Br) และไอโอดนี (iodine, I) ตามตารางธาตุ (รปู ท่ี 1.2) คาร์บอนอะตอมเปน็ ธาตุหมู่ 4A มเี ลขอะตอม (atomic number) เทา่ กับ 6 เลขมวล (atomic weight) เทา่ กบั 12 มีการจัดเรียงอิเล็กตรอน (electronic configuration) เป็นแบบ 1s22s22p2 โดยมีวาเลนตอ์ ิเล็กตรอน (valence electron) เท่ากบั 4 อยใู่ น 2s และ 2p ออรบ์ ิทัล อยา่ งละ 2 อเิ ล็กตรอน สามารถเกดิ พันธะโควาเลนต์ (covalent bond) ได้ 4 พันธะ รปู ท่ี 1.2 ตารางธาตุ (ดัดแปลงจาก: McMurry, J. & Simanek, E. Fundamental of Organic Chemistry. 6th ed., 2007) ).

บทนา | 3 อยา่ งไรก็ตาม สารประกอบของธาตุคารบ์ อนบางชนดิ ไมจ่ ดั เป็นสารอนิ ทรยี ์ แต่จัดอยู่ในกลุม่ สารอนินทรีย์ เช่น ออกไซด์ของคารบ์ อน (CO, CO2) เกลอื คาร์บอเนต (Na2CO3, NaHCO3) และเกลอื ไซยาไนต์ (NaCN, KCN) เป็นต้น พนั ธะโควาเลนต์ (covalent bond) เป็นพนั ธะทม่ี ีการใช้อิเลก็ ตรอนรว่ มกันระหวา่ งอะตอมของธาตุท่ีมี คา่ อิเล็กโทรเนกาติวิตี (electronegativity, EN) เทา่ กนั หรือใกล้เคียงกนั โดยการเกิดพันธะโควาเลนต์ของอะตอม คารบ์ อน ทาใหเ้ กิดเป็นสารอินทรีย์ชนิดต่างๆ เปน็ จานวนมาก ทง้ั ที่เป็นสายโซ่สั้น สายโซ่ยาว มีกง่ิ กา้ น เปน็ วง เป็น พันธะเด่ยี ว พันธะคู่ หรอื พันธะสาม เชน่ สารอินทรียป์ ระเภทสารประกอบไฮโดรคาร์บอน (hydrocarbon) ท่ี ประกอบด้วยพนั ธะระหวา่ งคาร์บอนกบั คารบ์ อน และคาร์บอนกับไฮโดรเจนเท่าน้ัน ได้แก่ อัลเคน (alkane) อัลคีน (alkene) อลั ไคน์ (alkyne) และสารประกอบอะโรมาติก (aromatic compound) สว่ นสารอินทรียท์ ี่เกดิ จาก พนั ธะโควาเลนตข์ องคาร์บอนกบั อะตอมของธาตุอืน่ ๆ เช่น O, N, P, S, Si, F, Cl, Br หรอื I ไดแ้ ก่ อลั กอฮอล์ (alcohol) อัลดไี ฮล์ (aldehyde) คีโตน (ketone) กรดคารบ์ อกซลิ ิก (carboxylic acid) เอสเทอร์ (ester) อะมนี (amine) เอไมด์ (amide) และอลั คลิ เฮไลด์ (alkyl halide) เปน็ ตน้ สารอินทรยี ์ตา่ งชนดิ กนั สามารถมสี ตู รโมเลกุลเหมือนกนั ได้ เรียกวา่ เป็น “ไอโซเมอร์ (isomer)” กนั โดย สารอนิ ทรีย์ท่มี ีสูตรโมเลกลุ เหมอื นกนั สูตรโครงสรา้ งตา่ งกัน เรยี กว่า “ไอโซเมอรโ์ ครงสร้าง (constitutional isomer)” ยกตวั อย่างเช่น บิวเทน (butane) กบั 2-เมทลิ โพรเพน (2-methylpropane) เป็นไอโซเมอร์โครงสรา้ ง กนั ทีม่ ีสูตรโมเลกุลเหมือนกันคือ C4H10 และเอทานอล (ethanol) กบั ไดเมทิลอเี ทอร์ (dimethyl ether) เป็นไอโซ เมอร์โครงสร้างกัน ทม่ี สี ตู รโมเลกลุ เหมือนกนั คือ C2H6O ดงั รปู ที่ 1.3 รูปที่ 1.3 ตวั อย่างไอโซเมอร์โครงสรา้ ง (ดดั แปลงจาก: Solomons, T. W. G. & Fryhle, C. B. Organic Chemistry. 9th ed., 2008) 1.1 การเขยี นสตู รโครงสร้างของสารอนิ ทรยี ์ (Representations of Structural Formula) การเขยี นโครงสรา้ งของสารอินทรีย์ทาไดห้ ลายรปู แบบ ได้แก่ โครงสรา้ งแบบจุดหรอื แบบลวิ อสิ โครงสร้าง แบบเส้น โครงสร้างแบบย่อส่วน โครงสร้างแบบผสม โครงสร้างแบบโครง และโครงสรา้ งแบบสามมติ ิ ซง่ึ แตล่ ะแบบ มีลกั ษณะการเขยี นท่ีแตกต่างกัน โดยวธิ กี ารเขียนแบบท่กี ระชับและเข้าใจง่าย เปน็ ท่นี ิยมนามาใชเ้ ขียนโครงสร้าง

บทนา | 4 ของสารอินทรยี ์ โดยเฉพาะสารอนิ ทรยี ์ท่ีมีโครงสรา้ งซับซ้อน เช่น การเขียนแบบย่อส่วน แบบผสม และแบบโครง เปน็ ตน้ อยา่ งไรก็ตาม เราควรทาความเข้าใจลกั ษณะการเขยี นโครงสร้างของสารอนิ ทรียท์ ุกแบบ โดยแตล่ ะแบบมี รายละเอยี ดดังต่อไปนี้ 1.1.1 โครงสร้างแบบจดุ (electron-dot structure) หรือแบบลิวอิส (Lewis structure) เป็นวธิ ีการเขียนโครงสร้างโดยใชจ้ ดุ ( ) แทนอเิ ล็กตรอน โดย 1 จุดแทนด้วย 1 อิเลก็ ตรอน ดงั นนั้ 1 พันธะโควาเลนต์ท่ปี ระกอบด้วย 2 อิเลก็ ตรอน แทนด้วยจดุ 2 จดุ และแสดงเฉพาะวาเลนตอ์ ิเล็กตรอนทล่ี ้อมรอบ อะตอมน้ันๆ เช่น คาร์บอนมี 4 วาเลนตอ์ เิ ลก็ ตรอน ออกซเิ จนมี 6 วาเลนต์อเิ ล็กตรอน โดยให้ทกุ อะตอมมี อเิ ล็กตรอนลอ้ มรอบครบ 8 อเิ ลก็ ตรอน (octet) เปน็ ไปตามกฏออกเตด (octet rule) ยกเวน้ อะตอมไฮโดรเจนมี เพยี ง 2 อิเล็กตรอน (duet) ดงั รปู ที่ 1.4 รปู ท่ี 1.4 ตัวอย่างโครงสรา้ งแบบจดุ หรอื แบบลวิ อิส (ดดั แปลงจาก: Wade, L. G. Organic Chemistry. 8th ed., 2014) 1.1.2 โครงสรา้ งแบบเสน้ (dash formula) หรอื แบบ Kekule structure เป็นวิธีการเขียนโครงสรา้ งโดยใชเ้ สน้ หรอื ขดี ( ) แทนพันธะ โดยหนงึ่ ขดี แทนด้วยหนึง่ พันธะ ซงึ่ ประกอบดว้ ย 2 อิเล็กตรอน และในกรณีทโี่ ครงสร้างประกอบด้วยอะตอมท่ีมีอเิ ล็กตรอนคู่อิสระ (lone-pair electrons) จะใชจ้ ุดแทนอเิ ล็กตรอนคอู่ สิ ระนั้น ดงั รูปท่ี 1.5 รปู ที่ 1.5 ตัวอย่างโครงสรา้ งแบบเส้น (ดัดแปลงจาก: Wade, L. G. Organic Chemistry. 8th ed., 2014)

บทนา | 5 1.1.3 โครงสร้างแบบยอ่ ส่วน (condensed structural formula) เป็นวธิ ีการเขียนโครงสรา้ งท่ีนิยมใช้ พัฒนามาจากโครงสรา้ งแบบเสน้ เพอื่ ให้งา่ ยต่อการเขียน โครงสร้าง จึงเขียนโครงสร้างโดยไมแ่ สดงเสน้ พันธะ หรือแสดงเฉพาะส่วนทเ่ี ป็นหมู่ฟังก์ชัน่ การเขียนโครงสร้างทา โดยเขียนให้คาร์บอนและอะตอมที่ต่อกับคารบ์ อนอยูต่ ิดกัน ภายในบรรทดั เดยี วกนั โดยเขียนให้หมู่ฟงั ก์ช่ันหรือหมู่ แทนทวี่ างไว้ในวงเล็บ เม่ือเขียนไว้บรรทดั เดียวกบั สายโซ่คาร์บอน หรือแสดงด้วยเสน้ พันธะเฉพาะตาแหน่งทีต่ ่อกับ หมู่ฟงั ก์ชัน่ และในกรณที มี่ สี ว่ นซ้ากนั ใหเ้ ขยี นรวมกนั ได้ เชน่ -CH2CH2- เขยี นเปน็ -(CH2)2- ดงั รูปท่ี 1.6 รปู ท่ี 1.6 ตวั อย่างโครงสร้างแบบย่อสว่ น (ดดั แปลงจาก: Smith, J. G. Organic Chemistry. 3rd ed., 2011) 1.1.4 โครงสรา้ งแบบผสม (partially condensed structural formula) เป็นวิธีการเขียนโครงสรา้ งโดยผสมระหว่างแบบเสน้ กบั แบบยอ่ สว่ น ใช้ขดี ( ) แสดงพันธะ ระหวา่ งคารบ์ อนกบั คารบ์ อน หรือระหวา่ งคารบ์ อนกบั อะตอมอ่นื (หมู่ฟังก์ช่นั ) สว่ นไฮโดรเจนให้เขยี นรวมไว้กับ คาร์บอนทางดา้ นขวา ดงั รูปท่ี 1.7 รูปที่ 1.7 ตวั อย่างโครงสร้างแบบผสม (ดดั แปลงจาก: Solomons, T. W. G. & Fryhle, C. B. Organic Chemistry. 9thed., 2008) 1.1.5 โครงสรา้ งแบบโครง (bond-line structural formula) เป็นวิธีการเขยี นโครงสร้างโดยไมแ่ สดงอะตอมของคารบ์ อนและไฮโดรเจน จะแสดงเฉพาะพนั ธะ โดยเขยี นแทนด้วยเสน้ ( ) มมุ พันธะแทนตาแหน่งของคาร์บอน สว่ นอะตอมอ่ืนทีไ่ มใ่ ช่อะตอมของคาร์บอนและ ไฮโดรเจน จะแสดงตามปกติ ดงั รปู ท่ี 1.8

บทนา | 6 รูปที่ 1.8 ตัวอย่างโครงสรา้ งแบบโครง (ดดั แปลงจาก: Solomons, T. W. G. & Fryhle, C. B. Organic Chemistry. 9thed., 2008) 1.1.6 โครงสรา้ งแบบสามมติ ิ (three-dimensional formula) เป็นวิธีการเขียนโครงสรา้ งเพ่ือแสดงการจดั วางตัวของอะตอมแบบ 3 มติ ิ โดยใช้เส้นทึบ ( ) แทนพันธะท่ีชี้ออกนอกระนาบมาข้างหนา้ (ใกลต้ า) เสน้ ปะ ( ) แทนพนั ธะท่ีช้ีออกนอกระนาบไปขา้ งหลัง (ไกล ตา) ส่วนพนั ธะที่ระนาบแทนด้วยเสน้ ตรง ( ) ซึง่ การเขียนโครงสรา้ งลักษณะนี้สามารถแสดงสเตอรโิ อเคมีของ สารอนิ ทรยี ์ได้ ดงั รปู ที่ 1.9 รูปท่ี 1.9 ตัวอยา่ งโครงสร้างแบบสามมติ ิ (ดดั แปลงจาก: Solomons, T. W. G. & Fryhle, C. B. Organic Chemistry. 9thed., 2008) 1.2 การเกดิ ไฮบริไดเซชนั ของคารบ์ อน (Hybridization of Carbon) ไฮบริไดเซชนั (hybridization) คือการที่ออร์บทิ ัล (orbital) ต่างชนิดกันจานวนมากกวา่ หนง่ึ ออรบ์ ิทัลขนึ้ ไปมาผสมรวมกัน แล้วเกดิ เป็นออร์บิทลั ชนดิ ใหม่ ทรี่ ูปร่างเหมือนกนั และพลังงานเท่ากนั เรยี กออรบ์ ทิ ัลทีเ่ กดิ ขึ้น ใหมน่ ว้ี ่า “ไฮบรดิ ออร์บิทลั (hybrid orbital)” ในกรณีของคารบ์ อนที่มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเปน็ แบบ 1s22s22p2 สามารถเกดิ การไฮบริไดเซชันโดยการ รวมตัวของ 2s ออร์บิทัล และ 2p ออร์บิทลั โดยที่ s ออร์บิทลั มีรปู รา่ งเป็นทรงกลม และ p ออร์บทิ ัลมรี ปู ร่าง เป็นดัมเบล จดั วางตัง้ ฉากกนั ในแนวแกน x, y 1และ z เปน็ 2px, 2py และ 2pz ตามลาดบั ดงั รปู ที่ 1.10

บทนา | 7 รูปท่ี 1.10 แสดงรูปร่างของ s และ p ออร์บิทลั (ดดั แปลงจาก: Brown, W. H. Organic Chemistry. 6th ed., 2012) โดยคารบ์ อนเกิดการไฮบริไดเซชนั ได้ 3 แบบ เกดิ ไฮบริดออร์บิทัลได้ 3 ชนดิ ได้แก่ sp3 sp2 และ sp ไฮบรดิ ออรบ์ ิทลั แสดงรายละเอียดดงั นี้ 1.2.1 sp3 ไฮบริไดเซชัน (sp3-hybridization) เปน็ การเกิดไฮบรไิ ดเซชันระหว่าง 1 ออร์บิทัลของ 2s และ 3 ออรบ์ ิทลั ของ 2p กลายเปน็ sp3 ไฮบริดออรบ์ ิทัล 4 ออร์บิทลั ท่หี มือนกนั และมพี ลงั งานเท่ากนั โดยทง้ั 4 ไฮบริดออร์บิทลั ของคารบ์ อนวางตวั เป็นทรงสห่ี นา้ (tetrahedron) ทามุม 109.5o ซง่ึ กนั และกนั ดงั รูปที่ 1.11 รปู ที่ 1.11 แสดงการเกิด sp3 ไฮบริไดเซซนั (ดัดแปลงจาก: Solomons, T. W. G. & Fryhle, C. B. Organic Chemistry. 9thed., 2008)

บทนา | 8 ยกตัวอย่างสารอินทรียท์ ี่เกิดจาก sp3 ไฮบรดิ ออร์บทิ ัล ได้แก่ สารประกอบมีเทน (methane, CH4) เกดิ จากการสร้างพนั ธะซิกมา่ (-bonds) ระหว่าง C-H 4 พันธะ โดยใช้ sp3 ไฮบริดออร์บิทลั ของคาร์บอน กับ 1s ออรบ์ ิทลั ของไฮโดรเจน เกดิ เป็น CH4 ท่ีมโี ครงสร้างเป็น tetrahedron ดงั รูปท่ี 1.12 รูปท่ี 1.12 ตวั อย่างการเกดิ ไฮบรไิ ดเซซนั ของมีเทน (ดัดแปลงจาก: Solomons, T. W. G. & Fryhle, C. B. Organic Chemistry. 9thed., 2008) อเี ทน (ethane) เกดิ จากการสรา้ ง 1 พนั ธะซิกมา่ ระหว่าง C-C โดยใช้ sp3 ไฮบริดออร์บทิ ัลของ แตล่ ะคารบ์ อน (sp3-sp3  bond) และแตล่ ะคาร์บอนยังเหลอื อีก 3 ออรบ์ ทิ ลั ของ sp3 ไฮบรดิ ออรบ์ ิทลั ที่นาไป สร้างพันธะซิกมา่ กบั 1s ออร์บิทัลของไฮโดรเจน ไดเ้ ป็น C-H ทง้ั หมด 6 พันธะ เกิดเป็น CH3CH3 ดงั รูปที่ 1.13 รปู ท่ี 1.13 ตัวอยา่ งการเกิดไฮบริไดเซซันของอีเทน (ดัดแปลงจาก: Solomons, T. W. G. & Fryhle, C. B. Organic Chemistry. 9thed., 2008) 1.2.2 sp2 ไฮบริไดเซชัน (sp2-hybridization) เปน็ การเกิดไฮบรไิ ดเซชันระหวา่ ง 1 ออร์บิทัลของ 2s และ 2 ออร์บทิ ัลของ 2p กลายเปน็ sp2 ไฮบรดิ ออรบ์ ิทัลไหม่ 3 ออรบ์ ิทลั ท่หี มอื นกันและพลงั งานเทา่ กัน และเหลือ p ออร์บิทลั 1 ออร์บิทัลท่ีไมเ่ กิดการไฮบริไดเซชนั โดย sp2 ไฮบรดิ ออรบ์ ิทลั ไหม่ท้งั 3 ออร์บทิ ลั จะวางตัวเปน็ สามเหลีย่ มแบนราบ (trigonal planar) ทามมุ 120o ซึง่ กันและกัน ดงั รปู ที่ 1.14

บทนา | 9 รูปท่ี 1.14 แสดงการเกิด sp2 ไฮบริไดเซซนั (ดัดแปลงจาก: Solomons, T. W. G. & Fryhle, C. B. Organic Chemistry. 9thed., 2008) โดย sp2 ไฮบริดออรบ์ ิทัล เกี่ยวข้องกบั การเกดิ พนั ธะคู่ (double bond) เชน่ พันธะคู่ใน สารประกอบอลั คนี (alkene) ยกตัวอยา่ งอลั คนี ที่มโี มเลกุลเลก็ ทสี่ ดุ ได้แก่ เอทลิ นี (ethylene, CH2=CH2) หรือ อที นี (ethene) โดยพนั ธะคู่ (C=C) เกดิ จาก sp2 ไฮบริดออร์บิทัลของคารบ์ อน 2 คารบ์ อนจบั กันเองดว้ ยพันธะ ซกิ มา่ กอ่ น จากนน้ั p ออรบ์ ิทัลท่ไี ม่ไดเ้ กดิ การไฮบริไดเซชนั จะทาหน้าท่ีสร้างพันธะไพ ( bond) กลายเป็นพนั ธะคู่ ดังนน้ั พนั ธะคู่จงึ ประกอบดว้ ย 1 พันธะซิกม่ากับ 1 พนั ธะไพ และแตล่ ะคารบ์ อนยังเหลืออีก 2 ออรบ์ ิทัลของ sp2 ไฮบริดออร์บิทัล ทน่ี าไปสร้างพนั ธะซิกมา่ กับ 1s ออรบ์ ิทัลของไฮโดรเจน ไดเ้ ป็น C-H ทงั้ หมด 4 พันธะ เกิดเปน็ โครงสร้างของ CH2=CH2 ดงั รูปที่ 1.15 รูปท่ี 1.15 ตวั อย่างการเกิดไฮบริไดเซซันของอีทีน (ดัดแปลงจาก: Solomons, T. W. G. & Fryhle, C. B. Organic Chemistry. 9thed., 2008)

บทนา | 10 1.2.3 sp ไฮบริไดเซชนั (sp-hybridization) เป็นการเกิดไฮบริไดเซชนั ระหว่าง 1 ออร์บิทัลของ 2s และ 1 ออรบ์ ิทลั ของ 2p กลายเปน็ sp ไฮบริดออรบ์ ทิ ัลไหม่ 2 ออร์บิทัล ท่หี มอื นกนั และพลังงานเทา่ กนั และเหลือ p ออรบ์ ิทลั 2 ออรบ์ ทิ ลั ท่ีไม่เกดิ การไฮบริไดเซชนั โดย sp ไฮบริดออร์บิทลั ไหมท่ ั้ง 2 ออรบ์ ิทัลจะวางตัวเปน็ แนว แส้นตรง (linear) ทามุม 180o ซึง่ กันและกนั ดงั รปู ท่ี 1.16 รปู ที่ 1.16 แสดงการเกดิ sp ไฮบริไดเซซัน (ดดั แปลงจาก: Solomons, T. W. G. & Fryhle, C. B. Organic Chemistry. 9thed., 2008) โดย sp ไฮบริดออร์บทิ ลั เก่ยี วขอ้ งกบั การเกดิ พนั ธะสาม (triple bond) เช่น พนั ธะสามของอัลไคน์ (alkyne) ยกตวั อยา่ งเช่น อะเซทลิ นี (acetylene) ทม่ี สี ตู รโมเลกุลเป็น C2H2 มโี ครงสร้างเปน็ เสน้ ตรง (linear) โดย พันธะสาม ( C C) เกิดจาก sp ไฮบริดออรบ์ ิทลั ของคารบ์ อน 2 อะตอมจบั กันดว้ ยพันธะซกิ ม่า และ p ออรบ์ ทิ ลั 2 ออรบ์ ิทัลท่ีไมไ่ ดเ้ กดิ การไฮบริไดเซชันทาหนา้ ทส่ี รา้ งพันธะไพ ( bond) 2 พนั ธะ กลายเป็นพันธะสาม ดงั นน้ั พันธะ สามประกอบด้วย 1 พนั ธะซิกม่ากบั 2 พนั ธะไพ และแต่ละคาร์บอนยังเหลือออรบ์ ทิ ลั ของ sp ไฮบรดิ ออร์บทิ ลั ท่ีไป สร้างพนั ธะซิกมา่ กบั 1s ออร์บทิ ลั ของไฮโดรเจน ไดเ้ ป็น C-H 2 พนั ธะ เป็นโครงสร้างของอะเซทลิ ีน ดงั รูปท่ี 1.17 รปู ท่ี 1.17 แสดงการเกดิ sp ไฮบริไดเซซัน (ดัดแปลงจาก: Solomons, T. W. G. & Fryhle, C. B. Organic Chemistry. 9thed., 2008)

บทนา | 11 1.3 ความมีขั้ว (Polarity) “ความมีข้วั ของพันธะโควาเลนต์ (polarity of covalent bond)” เกิดจากการสร้างพันธะโควาเลนต์ ของสองอะตอมท่ีมีค่าอเิ ล็กโทรเนกาตวิ ติ ้ี (EN) ต่างกนั โดยอิเลก็ ตรอนจะถกู ดงึ ไปยังอะตอมที่มีคา่ EN สงู กว่า ทา ให้เกิดเป็นพนั ธะมีขั้ว การเขียนสญั ลักษณแ์ สดงความมขี ้ัวของพนั ธะโควาเลนตจ์ ะใชเ้ ครอื่ งหมายเดลต้า (delta, ) โดยเดลต้า บวก (+) แทนอะตอมทีม่ ีค่า EN ตา่ กวา่ และเดลตา้ ลบ (-) แทนอะตอมท่ีมคี ่า EN สงู กว่า ดงั รปู ท่ี 1.18 รปู ท่ี 1.18 แสดงการเขียนสัญลกั ษณ์แสดงความมขี ั้วของพันธะโควาเลนต์ ความแรงของข้วั ข้นึ กับผลต่างของค่า EN แสดงด้วยคา่ ไดโพลโมเมนต์ (dipole moment, ) โดยค่ามาก มีข้ัวมาก และคา่ น้อยมีขั้วน้อย ดงั ตัวอย่างคา่ ไดโพลโมเมนตข์ องพันธะโควาเลนต์บางชนิดในตารางที่ 1.1 ตารางที่ 1.1 ค่าไดโพลโมเมนต์ของพนั ธะโควาเลนตบ์ างชนิด พนั ธะ ไดโพลโมเมนต์ พนั ธะ ไดโพลโมเมนต์ พนั ธะ ไดโพลโมเมนต์ HC 0.4 CF 1.4 CO 0.7 HN 1.3 CCl 1.5 CO 2.3 HO 1.5 CBr 1.4 CN 0.2 HS 0.7 CI 1.2 C N 3.5 ในกรณขี องพันธะโควาเลนต์ท่ีไมม่ ีขวั้ จะเกดิ จากอะตอมชนิดเดียวกัน ซงึ่ มีคา่ EN เทา่ กนั เช่น H-H (H2) และ Br-Br (Br2) เป็นต้น ค่าไดโพลโมเมนต์ () เป็นผลคณู ของขนาดประจุของอะตอม (e) กบั ระยะทางระหวา่ งประจุ (d) เป็นคา่ ที่ ใชบ้ อกความมีข้วั ของพันธะและโมเลกลุ โดยโมเลกุลทม่ี ีคา่ ไดโพลโมเมนต์มากจะมขี ว้ั มาก Dipole moment (D) =  = e x d เม่ือ  คือ ไดโพลโมเมนตใ์ นหน่วยเดอบาย (D) e คือ ประจใุ นหนว่ ย esu d คือ ระยะทางระหวา่ งประจใุ นหนว่ ยแองสตรอม (Angstrom, Å)

บทนา | 12 “ความมีขว้ั ของโมเลกลุ (polarity of molecules)” นอกจากจะข้นึ กับคา่ EN แลว้ ยังข้ึนกับ อเิ ล็กตรอนคโู่ ดดเด่ยี ว (lone-pair electron) ท่อี ยู่ในโมเลกุลนน้ั ๆ ด้วย โดยความมีขัว้ ของโมเลกลุ จะแสดงด้วยค่า ไดโพลโมเมนต์เช่นเดยี วกนั ดังแสดงตวั อย่างคา่ ไดโพลโมเมนตข์ องโมเลกลุ บางชนดิ ในตารางที่ 1.2 ตารางที่ 1.2 คา่ ไดโพลโมเมนตข์ องโมเลกุลบางชนิด โมเลกุล ไดโพลโมเมนต์ โมเลกุล ไดโพลโมเมนต์ โมเลกลุ ไดโพลโมเมนต์ H2 0 H2O 1.85 CCl4 0 O2 0 NH3 1.47 CH3Cl 1.87 N2 0 BF3 0 HF 1.75 Br2 0 CO2 0 CH3OH 1.70 ความมขี ้วั ของโมเลกุลพจิ ารณาจากผลรวมเวกเตอร์ (vectors) ของพนั ธะมีขั้วในโมเลกุล ตามขนาดและ ทิศทางของแต่ละพนั ธะ โมเลกลุ ทีป่ ระกอบด้วยพนั ธะไมม่ ีข้ัวจะเกิดเปน็ โมเลกลุ ไม่มีขว้ั แต่โมเลกุลที่ประกอบด้วย พันธะมีขั้วอาจเป็นโมเลกลุ มีขั้วหรอื ไมม่ ีกไ็ ด้ เช่น โมเลกุล CO2 CH4 และ CCl4 ประกอบด้วยพันธะมขี ้ัว คือ C=O C-H และ C-Cl ตามลาดับ พันธะเหล่านี้มที ิศทางของเวกเตอร์ทหี่ กั ลา้ งกนั หมดพอดี ทาใหโ้ มเลกลุ เหล่านก้ี ลายเปน็ โมเลกุลท่ีไม่มีขั้ว ดงั รูปท่ี 1.19 รูปที่ 1.19 แสดงความมีขว้ั ของโมเลกุลจากผลรวมเวกเตอร์ (ดัดแปลงจาก: Bruice, P. Y. Organic Chemistry. 5th ed., 2007) การรถู้ งึ สภาพข้ัวของพันธะและของโมเลกุล ใชบ้ อกสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของสารอนิ ทรยี ไ์ ด้ โดย ความมขี ้ัวจะมีผลต่อจดุ เดือด จุดหลอมเหลว การละลาย และตาแหน่งของการเกิดปฏิกริ ิยาเคมี เปน็ ต้น

บทนา | 13 1.4 แรงยึดเหนีย่ วระหว่างโมเลกุล (Intermolecular Force) การมขี ้ัวของโมเลกลุ มีผลตอ่ แรงยดึ เหนี่ยวระหว่างโมเลกลุ (intermolecular force) และมผี ลตอ่ สมบตั ิ ทางกายภาพและทางเคมขี องสารอนิ ทรีย์ เชน่ สารอินทรีย์ท่ีมแี รงยดึ เหนย่ี วระหวา่ งโมเลกุลตา่ มจี ดุ เดือดและจุด หลอมเหลวต่า ส่วนสารอนิ ทรยี ์ท่ีมแี รงยดึ เหนี่ยวระหวา่ งโมเลกลุ สูง จะมจี ุดเดือดและจุดหลอมเหลวสงู โดยแรงยดึ เหนีย่ วระหว่างโมเลกุลทส่ี าคัญ ไดแ้ ก่ 1.4.1 แรงแวนเดอรว์ าลล์ (van der waal interaction) เปน็ แรงยดึ เหนยี่ วระหวา่ งโมเลกุลแบบอ่อน เกิดกบั โมเลกุลท่ีไม่มขี วั้ โดยการชกั นาไดโพลโมเมนต์ (induce dipole moment) ท่ีบริเวณพื้นผวิ ของโมเลกุลที่มาสัมผัสกนั ทาให้แรงยึดเหนี่ยวแบบแวนเดอร์วาลล์มาก ขึน้ ตามขนาดโมเลกลุ ที่เพิ่มขึ้น และโมเลกลุ โซ่ตรงจะมีแรงแวนเดอร์วาลล์มากกวา่ โมเลกุลโซก่ ง่ิ เนือ่ งจากโซ่ตรงมี พ้ืนท่ผี ิวมากกวา่ โซก่ ิ่ง อย่างไรก็ตาม โมเลกลุ ที่มีแรงยึดเหนี่ยวแบบแวนเดอรว์ าลล์ จะมีจดุ เดือดและจดุ หลอมเหลว ตา่ ดงั แสดงลกั ษณะการเกดิ แรงยึดเหนยี่ วแบบแวนเดอรว์ าลล์ ดงั รปู ท่ี 1.20 รูปท่ี 1.20 แรงแวนเดอรว์ าลล์ (ดัดแปลงจาก: Bruice, P. Y. Organic Chemistry. 5th ed., 2007) 1.4.2 แรงไดโพล-ไดโพล (dipole-dipole interaction) เปน็ แรงยดึ เหนย่ี วระหวา่ งโมเลกุลทมี่ ขี ั้ว โดยโมเลกลุ หันขั้วทต่ี า่ งกันเข้าหากัน โมเลกลุ ท่มี แี รงได โพล-ไดโพล มีจดุ เดือดและจุดหลอมเหลวสงู เช่น คลอโรมีเทน (chloromethane, CH3Cl) โมเลกุลหันด้านประจุ ลบ (-) เขา้ หาประจุบวก (+) ของอกี โมเลกลุ หนง่ึ ดงั รปู ที่ 1.21 รปู ที่ 1.21 แรงไดโพล-ไดโพล (ดดั แปลงจาก: สมพงศ์ จนั ทร์โพธ์ศิ รี. เคมีอนิ ทรยี ์ 1. พิมพ์ครงั้ ท่ี 2, 2554)

บทนา | 14 1.4.3 พนั ธะไฮโดรเจน (hydrogen bond) เปน็ แรงยดึ เหนี่ยวระหวา่ งอะตอมไฮโดรเจนกับอะตอมอน่ื ที่มคี า่ EN สูง ไดแ้ ก่ N, O และ F พนั ธะไฮโดรเจนเปน็ พนั ธะทม่ี ีความแขง็ แรงมาก สารอินทรียท์ ่ีมพี นั ธะไฮโดรเจนจะมีจุดเดอื ดและจุดหลอมเหลวสูง มาก เชน่ H2O, NH3 และสารประเภทอัลกอฮอล์ (ROH) เปน็ ต้น ดงั รูปที่ 1.22 รูปท่ี 1.22 พนั ธะไฮโดรเจน (ดดั แปลงจาก: สมพงศ์ จนั ทร์โพธ์ิศรี. เคมอี นิ ทรีย์ 1. พมิ พ์ครงั้ ที่ 2, 2554) 1.5 ประจุฟอรม์ าล (Formal Charge) ประจฟุ อรม์ าล (formal charge, F) หรือประจุตามสูตร คือประจรุ วมของโมเลกลุ โควาเลนต์ ซึ่งเป็น ผลรวมประจขุ องแต่ละอะตอมในโมเลกลุ นนั้ ๆ ในการพิจารณาประจขุ องแตล่ ะอะตอมจะพิจารณาจากโครงสร้าง แบบลวิ อิส ซึ่งโดยทัว่ ไปสารโคเวเลนต์จะมีประจรุ วมเป็นศูนย์ แตเ่ ม่ือพิจารณาแตล่ ะอะตอม อาจพบวา่ อะตอมแต่ ละตวั อาจมีประจเุ ป็นศูนย์ เป็นลบ หรอื เปน็ บวกก็ได้ การพิจารณาประจุฟอร์มาลของสารโควาเลนต์ ก็เพื่อใหเ้ ข้าใจจดุ ท่มี ีความว่องไวตอ่ การเกิดปฏิกิรยิ า และ การสรา้ งพนั ธะของสารโควาเลนต์ การหาประจุฟอร์มาลคานวณไดจ้ ากสมการต่อไปนี้ ตวั อย่างการหาประจุฟอร์มาลของคารบ์ อเนตไอออน (carbonate ion, CO32-) และแอมโมเนยี มไอออน (ammonium ion, NH4+) แสดงดงั นี้

บทนา | 15 1.6 โครงสรา้ งเรโซแนนซ์ (Resonance Structure) สารอินทรีย์บางชนิดไม่สามารถอธิบายโครงสรา้ งได้ถูกต้องโดยใชโ้ ครงสร้างแบบลวิ อสิ เพียงอย่างเดียว เช่น โครงสร้างของเอไมด์ (A) ทีป่ ระกอบด้วยไนโตรเจนอะตอม และพันธะคู่ของ C-O ดังแสดง โดยเอไมดโ์ ครงสร้าง A เปลย่ี นรปู ไปเปน็ เอไมด์โครงสร้าง B ไดโ้ ดยการเคลือ่ นย้ายคอู่ ิเล็กตรอนอิสระ (lone-pair electron) จากอะตอม ไนโตรเจนไปท่ีอะตอมออกซเิ จน เกดิ เปน็ พนั ธะคู่ระหว่าง C-N โดยการเปล่ยี นโครงสร้างจาก A ไป B จะใชล้ กู ศร สองหวั ( ) และเรียกโครงสรา้ ง A กับ B ว่า “โครงสรา้ งเรโซแนนซ์ (resonance structure)” หรอื อาจ เขยี นอยูใ่ นรปู ของ “เรโซแนนซ์ไฮบริด (resonance hybrid)” ดงั รูปที่ 1.23 รปู ท่ี 1.23 ตวั อยา่ งโครงสรา้ งเรโซแนนซ์ (ดดั แปลงจาก: Smith, J. G. Organic Chemistry. 3th ed., 2011) อเิ ล็กตอนที่ไมอ่ ยปู่ ระจาที่สามารถเคลื่อนยา้ ยได้ว่า เรียกว่า “delocalized electron” อเิ ลก็ ตรอนท่ีอยู่ ประจาที่ไมส่ ามารถเคลื่อนย้ายไดว้ า่ เรียกวา่ “localized electron” ดงั รปู ท่ี 1.24 รูปท่ี 1.24 delocalized electron (ดัดแปลงจาก: Bruice, P. Y. Organic Chemistry. 5th ed., 2007)