Upload
vuongquynh
View
265
Download
8
Embed Size (px)
Citation preview
07/11/56
1
เคมอนทรย เคมอนทรย (Organic Chemistry)(Organic Chemistry)
โครงการจดต%งสายวชาเคมโครงการจดต%งสายวชาเคม
คณะศลปศาสตรและวทยาศาสตรคณะศลปศาสตรและวทยาศาสตร
มม. . เกษตรศาสตร กาแพงแสนเกษตรศาสตร กาแพงแสน
11
22
บทนาและประวตวชาเคมอนทรย
โครงสรางอเลกตรอนของคารบอน
ออรบทลเชงอะตอม
Hybridization of carbon orbital
การเกดและชนดของพนธะโควาเลนซ
อเลกตรอนคโดดเดAยว
ความสมพนธของสตรโครงสราง และสมบตทางกายภาพ และทางเคม
การเขยนสตรโครงสราง
แรงกระทาระหวางโมเลกล
สมบตทางกายภาพ
Substitutent effect
แรงกระทาภายในโมเลกล
การแบงประเภทสารอนทรย
ประเภทการแตกพนธะ
ปฏกรยาของสารอนทรย
ประเภทของปฏกรยาทAเกด ลกษณะของตวเขาทาปฏกรยา
07/11/56
2
33
•••• เคมอนทรย เปนวชาทAศกษาเกAยวกบสารประกอบของธาตคารบอน
ยกเวน เกลอคารบอเนต ไซยาไนด ออกไซด
♦♦♦♦ สารประกอบอนทรย เชน อาหาร เครAองนงหม ยา ชวโมเลกล สาร พนธกรรม น%ามนเช%อเพลง
บทนา (Introduction)
เคมอนทรยคออะไร ?
• ประวตวชาเคมอนทรย• ค.ศ. 1770 แบงวชาเคมเปน
– สารอนนทรย พวกแรธาตตางๆ
– สารอนทรย สAงมชวต พช สตว
• ค.ศ. 1828 Wohler สงเคราะห ยเรยไดจาก– Ammonium isocyanate urea
สารอนนทรย สารอนทรย
• ค.ศ. 1858 พบวา คารบอนสามารถเกดพนธะได 4 พนธะและจดตวแบบ ทรงสAหนา (tetrahedron)
44
เผา
07/11/56
3
• ทาไมสารอนทรยมจานวนมาก ?
• เพราะ คารบอน สามารถเกดพนธะโควาเลนต ระหวางคารบอนกนเองได– อาจเกดพนธะ เปนสายโซยาวหรอส%น เปนกAง หรอ เปนวง
C-C-C-C-C-C C-C-C-C-CC C
– คารบอนอาจตอกน ดวยพนธะเดAยว ดวยพนธะค หรอดวยพนธะสาม
-C-C- -C=C- -C ≡≡≡≡ C-– คารบอนเกดพนธะกบอะตอมอAนได
-C-F -C-Br -C=O
55
• ทาไมสารอนทรยมจานวนมาก ? (ตอ)
• เพราะ คารบอน สามารถเกดพนธะโควาเลนต ระหวางคารบอนกนเองได– สารอนทรยทAมคารบอน ≥≥≥≥ 4 อะตอม เกดไอโซเมอร (สารทAสตรโมเลกล
เหมอนกนแตสตรโครงสรางตางกน)
CH3CH2CH2CH3 CH3CHCH3
Butane CH3
66
07/11/56
4
โครงสรางอเลกตรอนของคารบอนโครงสรางอเลกตรอนของคารบอน
• คารบอนมเลขอะตอม = 6 เลขมวล = 12 หม IVA
• การจดเรยงอเลกตรอน 1s2 2s2 2p2
• เวเลนซอเลกตรอน = 4 คอ 2s2 2p2
• s-orbital มรปรางเปนทรงกลม
• p-orbital มรปรางเปนดมเบล 3 อนทAจดวางต%งฉากกนในแนวแกน x, y, และ z
77
Atomic orbitalAtomic orbital• Atomic orbital ม 4 แบบคอ
– s-orbital รปรางเปนทรงกลม
• 1s, 2s, 3s, 4s, …
– p-orbital รปรางเปนดมเบลม 3 orbitals ยอยทAต%งฉากกนในแนวแกน x, y, z
• 2p, 3p, 4p, …
• เชน 2px, 2py, 2pz
88
07/11/56
5
– d-orbital มรปรางเปน cloverleaf กลบใบไม ม 5 orbitals ยอย– คอ dxy, dyz, dxz, d x2-y2, dz2
• 3d, 4d, 5d, …
– f-orbital ม 7 orbitals ยอย
99
การเกดพนธะโควาเลนตการเกดพนธะโควาเลนต
• ทฤษฎพนธะเวเลนซ อธบายวา
• พนธะโควาเลนต เกดจาก อะตอมกออรทลทAมเวเลนซอเลก
ตรอนเดAยว เกดพนธะกบ อะตอมอAน
• รปรางโมเลกลของสารอนทรย ข%นกบชนดของไฮบรดออรบทลของคารบอนทAใชในการสรางพนธะ
• เปนออรบตอลทลลกผสม (hybrid orbital)
1010
07/11/56
6
Hybridization of carbon orbitalHybridization of carbon orbital• คารบอนม 4 เวเลนซอเลกตรอน จดเรยงเปน
2px1 2py
1 2pz0
2s2
• การเกดลกผสมออรบทล (hybridization) เปนการผสมออรบทลทAมระดบพลงงานใกลเคยงกน เกดเปนออรบทลลกผสมทAมระดบพลงงานเทากน มรปรางเหมอนกน
2s1 2px1 2py
1 2pz1
• จานวน hybrid orbitals = จานวน atomic orbitals เดมทAมาผสม• Hybrid orbital ของคารบอนม 3 แบบ คอ
– sp3 sp2 และ sp
1111
spsp33--hybridizationhybridization
• เกดจาก 2s จานวน 1 ออรบตอล และ 2p จานวน 3 ออรบตอล
• ได hybrid orbital sp3 4 ออรบตอล
• รปราง เปน ทรงสAหนา (สAออรบทลทAพยายามจดตวใหหางกนมากทAสด)
• มมกาง 109.5 องศา
• เชน CH4 CH3-CH3
1212
07/11/56
7
1313
sp3 ไฮบรไดเซชน รปรางเปนทรงสAหนา
CH4
ชนดของพนธะโควาเลนตชนดของพนธะโควาเลนต
• พนธะซกมา (σσσσ-bond)
เปนการซอนเหลAยมของ s อะตอมกออรบตอลหรอของ p-orbital แบบดานปลายออรบตอลซอนกน
• พนธะไพ (ππππ-bond)
เปนการซอนเหลAยมของ p-orbital แบบดานขางของออรบตอล ซอนกน
1414
07/11/56
8
• sp3-hybrid orbital ของคารบอนจะเกดเฉพาะพนธะซกมา 4 พนธะกบอะตอมตวอAน (อาจเปนคารบอนหรออะตอม
อAน)
โมเลกลของ methane CH4
1616
07/11/56
9
1717
sp3 ไฮบรไดเซชน รปรางเปนทรงสAหนา
CH3–CH3 → → → → ethane
spsp22--hybridizationhybridization
• เกดจาก 2s จานวน 1 ออรบตอล และ 2p จานวน 2 ออรบตอล
• ได hybrid orbital sp2 3 ออรบตอล
• รปราง เปนสามเหลAยมในระนาบ (สามออรบตอลทAพยายามจดตวใหหางกนมากทAสด)
• มมกาง 120 องศา
• เชน C2H4
1818
07/11/56
11
• เกดพนธะซกมา 3 พนธะจาก sp2 และม อเลกตรอนเดAยวใน p-orbital ซAงอาจจะเกดพนธะไพ เชน C2H4
2121
spsp--hybridizationhybridization
• เกดจาก 2s จานวน 1 ออรบตอล และ 2p จานวน 1 ออรบตอล
• ได hybrid orbital sp 2 ออรบตอล
• รปราง เปนเสนตรง และมอเลกตรอนเดAยวใน p-orbital 2 ออรบตอล (สองออรบตอลทAพยายามจดตวใหหางกนมากทAสด)
• มมกาง 180 องศา
• เชน C2H2 BeCl2
2222
07/11/56
12
sp hybridizationsp hybridization
2323
2424
• เกดจากพนธะซกมา 2 พนธะ จาก sp และมอเลกตรอนเดAยว ใน p-orbital 2 orbital ซAงอาจจะเกดพนธะไพ 2 พนธะ
C2H2
พนธะสามของC2H2
พนธะสองของC2H4
07/11/56
13
• เปรยบเทยบมม ความยาวและพลงงานพนธะ
2525
Hybrid orbital พนธะ มมพนธะ (องศา) ความยาว
พนธะ (A°°°°)
พลงงานพนธะ(kJ/mol)
sp3 C-C 109.5 1.53 348
sp2 C=C 120 1.09 614
sp C≡≡≡≡C 180 1.06 839
อเลกตรอนคโดดเดAยวอเลกตรอนคโดดเดAยว
• อเลกตรอนคโดดเดAยว (unshared pair of electrons) เปนอเลกตรอนคทAบรรจเตมในออรบตอลแตไมไดเกดพนธะ เชน ในโมเลกลของน%า ทAมอเลกตรอนคสรางพนธะ 2 ค และคโดดเดAยว 2 ค
2626
O
H H
.. ..
H
HH
..N
07/11/56
14
การเขยนสตรโครงสรางการเขยนสตรโครงสราง
• แบบจด (electron dot structure)H H H H
H : C : H H : C : C : C : H
H H H H
• แบบ extended structureH H H H
H-C-Br H - C - C - C - H
H H H H
2727
..
.. ..
..
..
..
..
..
• Condensed structureCH
3Br CH
3CH
2CH
2CH
3CH
3COOH
• Skeletal structure
2828
07/11/56
15
ความสมพนธของสตรโครงสรางและความสมพนธของสตรโครงสรางและสมบตทางกายภาพและทางเคมสมบตทางกายภาพและทางเคม
• ความเปนข%วของพนธะโควาเลนต (polarity)– คาไดโพลโมเมนตทAแสดงความเปนข%วของโมเลกลข%นกบ
คาอเลกโตรเนกาตวต (EN) และการมอเลกตรอนคโดดเดAยว
ถาม EN เทากนจะไมมข%ว เชน Br - Br
ถาม EN ตางกน ความเปนข%วข%นกบผลตางของ EN เชน
C – Cl C – O C – N
H < I < C < Br < N , Cl < O < F
2929
δ−δ+δ−δ+ δ+ δ−
• ความเปนข%วของโมเลกล– ความเปนข%วของโมเลกลข%นกบ ผลรวมแบบเวกเตอรโดยคด
ทศทางของความเปนข%วของแตละพนธะในโมเลกล– โดยคดเปนไดโพลโมเมนต (µµµµ) มหนวยเปน Debye, D– การมข%วของโมเลกล มผลตอ
• การละลาย• จดเดอด จดหลอมเหลว• ปฏกรยาเคม
3030
07/11/56
16
• ตวอยางการมข%วของโมเลกล
3131
H C
H
H
H
H C
Br
H
H
H C
Cl
Cl
Cl
B
F
F F
CO O
µ = 0
µ = 0
µ = 0
µ = 1.8 D
µ = 1.0 D
3232
++- -
- +
- +
- +
- +
- +
- +
- +
- +
A nonpolar molecules B polar molecules
07/11/56
17
แรงกระทาระหวางโมเลกลแรงกระทาระหวางโมเลกล
• Non-bonded intermolecular force
• การมข%วของโมเลกลมผลตอท%งแรงกระทาภายในและแรงกระ
ทาภายนอกโมเลกล ข%นกบชนดของข%ว– Dipole-dipole interaction
– Van der Waal interaction
– Hydrogen bond
3333
DipoleDipole--dipole interactiondipole interaction
• เปนแรงระหวางโมเลกลทAมข%ว
• มไดโพลโมเมนตถาวร
• เชน Chloromethane
H
H C Cl หรอ
H
3434
δ+δ+δ+δ+ δδδδ−−−−
µ
07/11/56
18
Dipole-dipole interaction
3535
+ +
+
+
+ +
+
+
-
-
-
-
-
-
--
Dipole-dipole attractionDipole-dipole repulsion
Van der Waals interactionVan der Waals interaction
• เปนแรงระหวางโมเลกลทAไมมข%ว
• เกดจากการชกนาไดโพลโมเมนต (induce dipole moment)
• เปนแรงออนๆทAผวโมเลกล เกดชAวคราว
• จานวน C และH มาก มพ%นทAผวมาก
แรงดงดดมาก
โมเลกลโซตรงมพ%นทAผวมากกวาโซกAงแรงดงดดมากกวา
3636
07/11/56
19
Hydrogen bondHydrogen bond
• พนธะไฮโดรเจนเปนแรงดงดดระหวางข%วทAเกดจากอะตอมไฮโดรเจนกบ อะตอมทAม EN สงมาก ไดแก F, O, N
• พนธะแขงแรงมาก แขงแรงกวาแรง dipole-dipole ทาใหตองการพลงงานมากในการทาใหโมเลกลกระจายตว
• Energy: Van der Waals < dipole-dipole < hydrogen bond
3737
O
H HH
H
H
H
O
O
สมบตทางกายภาพสมบตทางกายภาพ• สมบตทางกายภาพของสารอนทรย มความสมพนธกบแรงระหวาง
โมเลกล – จดเดอด (bp.) จดหลอมเหลว (mp.)
พลงงานทAใชในการทาใหสารเปลAยนสถานะ ข%นกบแรงระหวางโมเลกล
โมเลกลไมมข%ว Van der Waals, แรงยดตAา, bp., mp. ตAาโมเลกลมข%ว dipole-dipole, แรงยดสง, bp., mp. สงโมเลกลมข%วและมพนธะไฮโดรเจน แรงยดสงมากข%น, bp., mp.
สงมากข%น
3838
07/11/56
20
– การละลาย “like dissolve like”
– สารมข%วละลายไดดในตวทาละลายมข%ว
– สารไมมข%วละลายไดดในตวทาละลายไมมข%ว
– เชน CH4 ละลายใน CCl4
CH4 และ CCl4 ไมละลายใน น%า (H2O)
CH3OH ละลายในน%า
3939
แรงกระทาภายในโมเลกลแรงกระทาภายในโมเลกล(non(non--bonded intramolecular interaction)bonded intramolecular interaction)
• สตรโครงสรางบอกคณสมบตเคมของสาร ม 2 สวน– Reaction center เปน functional group (ประเภทของสาร)
– Substituent site เปน สวนทAจบกบ reaction center และทานายปฏกรยาวา เกดชาหรอเรว ไดมากหรอนอย
O O
CH3
- C- O-H Cl – CH2
- C- O-H
4040
Reaction center Reaction centerSubstituent
07/11/56
21
Substituent effectsSubstituent effects
• Electronic effect– เกAยวของกบความหนาแนนของอเลกตรอนทA reaction center
H – C ~ G – C ~
G ดง ē เขาหาตวเองมากกวา H = G เปน electron withdrawing group
G ให ē แก reaction center มากกวา H = G เปน electron releasing group
G มแรงกระทา 2 แบบคอ inductive และ resonance effects
4141
• Inductive effect ข%นกบคา electronegativity โดยอานาจการดง ē ผานพนธะซกมาน%น เชน
O O
CH3-C-O-H Cl-CH
2-C-O-H
acetic acid มความเปนกรดสงกวา acetic acid
• Resonance effect เกAยวกบการเคลAอนทAของ ē บนพนธะ ππππ
โดยเฉพาะ ππππ ē ทAเกดจากการซอนกนของ p-orbitals ในแนวขนาน เชน phenol กบ nitrobenzene
4242
07/11/56
22
• Steric effect ข%นกบรปรางและความเกะกะภายในโมเลกล
CH3
CH3
H H
~C-CH3
> ~C-CH3
> ~C-CH3
> ~C-H
CH3
H H H
4343
อธบาย primary, secondary, tertiary, quaternary carbonsprimary, secondary, tertiary hydrogens
การแบงประเภทของสารอนทรยการแบงประเภทของสารอนทรย
• Hydrocarbon แบงกลมใหญเปน aliphatic และ aromatic hydrocarbons
– Alkane functional group คอ -C-C-
– Alkene -C=C-
– Alkyne -C≡≡≡≡C-
– Aromatic
• Halogen -C-X-• Alcohol -C-OH• Phenol
4444
OH
07/11/56
23
• Ether -C-O-C- Thioether -C-S-C-
• Aldehyde R-C-H
O O
• Ketone R-C-R O
• Carboxylic acid R-C-OH O O
• Acid anhydride R-C-O-C-R
• Ester R-C-O-R O
• Amide O R-C-NH2
• Amine R-CH2-NH
2
4545
ปฏกรยาของสารอนทรยปฏกรยาของสารอนทรย
• การเกดปฏกรยาเคมของสารตองคานงถง- ประเภทการแตกพนธะ
���� Homolytic cleavage���� Heterolytic cleavage
- ลกษณะของตวเขาทาปฏกรยา���� Nucleophile���� Electrophile���� Free radical
4646
07/11/56
24
- ปฏกรยาทAเกด
���� Substitution reaction���� Addition reaction
���� Elimination reaction
4747
ประเภทการแตกพนธะ• มการแตกพนธะ 2 แบบ
– Homolytic cleavage แตกแบบแยกเทากน ไดอนมลเสร (free radical)
A:B A + B
Cl:Cl Cl + Cl
– Heterolytic cleavage แยกไมเทากนไดประจบวก และลบ
A:B A+ + B-
A:B A- + B+
4848
. .
. .
07/11/56
25
ลกษณะของตวเขาทาปฏกรยาลกษณะของตวเขาทาปฏกรยา• สารต%งตน + ตวเขาทาปฏกรยา ผลผลต
• ตวเขาทาปฏกรยาม 3 ชนด– Nucleophile สารทAใหอเลกตรอน 1 คแกสารอAน หรอชอบทาปฏกรยา
กบสารทAเปน nucleus เปน Lewis base
เชน OH- , CN- , NH3, R-OH , RO-
– Electrophile สารทAตองการหรอขาดอเลกตรอน 1 ค เปน Lewis acid
เชน H3O+ , BF3 , AlCl3
4949
– Free radical อะตอมหรอหมอะตอมทAมอเลกตรอนเดAยว
วองไวในการทาปฏกรยา เชน
Cl:Cl 2 Cl⋅⋅⋅⋅
CH4 + Cl⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅CH3 + HCl
5050
.. hν
07/11/56
26
ประเภทของปฏกรยาทAเกด• Substitution reaction
อะตอมหรอหมอะตอมทAเกาะกบ C ถกแทนทA
CH3CH2Br + OH - CH3CH2OH + Br-
2 CH3OH + 2 Na+ 2 CH3ONa + H2
• Addition reactionการเพAมอะตอมหรอหมอะตอมในสารทAไมอAมตว
CH2=CH2 + Br2 Br-CH2-CH2-Br
CH3CH=CH2 + HBr CH3-CH-CH2
Br H
5151
• Elimination reaction
การกาจดอะตอมหรอหมอะตอมทAเกาะตดอยกบอะตอมทAตดกน
OH
CH3 – C – CH3 CH3 – C = CH2 + H2O
H H
5252