12/11/2019

1

เคมอนทรย

(Organic Chemistry)

โครงการจดตงภาควชาเคม

คณะศลปศาสตรและวทยาศาสตร

มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตกาแพงแสน

1

01403221-59

2

บทนาและประวตวชาเคมอนทรย

โครงสรางอเลกตรอนของคารบอน

อะตอมมกออรบตอล

Hybridization of carbon orbital

การเกดและชนดของพนธะโควาเลนต

อเลกตรอนคโดดเดยว

ความสมพนธของสตรโครงสราง

และสมบตทางกายภาพ และทางเคม

การเขยนสตรโครงสราง

แรงกระทาระหวางโมเลกล

สมบตทางกายภาพ

Substituent effect

แรงกระทาภายในโมเลกล

การแบงประเภทสารอนทรย

ประเภทการแตกพนธะ

ปฏกรยาของสารอนทรย

ประเภทของปฏกรยาทเกด

ลกษณะของตวเขาทาปฏกรยา

12/11/2019

2

3

เคมอนทรย เปนวชาทศกษาเกยวกบสารประกอบของธาตคารบอน

ยกเวนเกลอคารบอเนต ไซยาไนด ออกไซด

สารประกอบอนทรย เชน อาหาร เครองนงหม ยา ชวโมเลกล สาร

พนธกรรม นามนเชอเพลง

บทนา (Introduction)

เคมอนทรยคออะไร ?

• ประวตวชาเคมอนทรย

• ค.ศ. 1770 แบงวชาเคมเปน

– สารอนนทรย พวกแรธาตตางๆ

– สารอนทรย สงมชวต พช สตว

• ค.ศ. 1828 Wohler สงเคราะหยเรย ไดจาก

Ammonium isocyanate urea

สารอนนทรย สารอนทรย

• ค.ศ. 1858 พบวา คารบอนสามารถเกดพนธะได 4 พนธะและ

จดตวแบบทรงสหนา (tetrahedron)

4

เผา

12/11/2019

3

• ทาไมสารอนทรยมจานวนมาก ?

• คารบอนสามารถเกดพนธะโควาเลนตระหวางคารบอนกนเองได ซงอาจเกดพนธะเปนสายโซยาวหรอสน กงกาน หรอ เปนวง

C-C-C-C-C-C C-C-C-C-C

C C

• คารบอนอาจตอกนดวยพนธะเดยว พนธะค หรอพนธะสามได

-C-C- -C=C- -C C-

• คารบอนเกดพนธะกบอะตอมอนได

-C-F -C-Br -C=O

5

• สารอนทรยทมคารบอน 4 อะตอม เกดไอโซเมอร (สารทสตร

โมเลกลเหมอนกนแตสตรโครงสรางตางกน)

CH3CH2CH2CH3 CH3CHCH3

Butane CH3

6

12/11/2019

4

โครงสรางอเลกตรอนของคารบอน

• คารบอน (หม IVA) มเลขอะตอมเทากบ 6 และเลขมวลเทากบ 12

• การจดเรยงอเลกตรอน 1s2 2s2 2p2

• เวเลนซอเลกตรอนเทากบ 4 คอ 2s2 2p2

• s-orbital มรปรางเปนทรงกลม

• p-orbital มรปรางเปนดมเบล 3 อนทจดวางตงฉากกนในแนวแกน

x y และ z

7

Atomic orbitals

• Atomic orbital ม 4 แบบ คอ

– s-orbital รปรางเปนทรงกลม

• 1s, 2s, 3s, 4s, …

– p-orbital รปรางเปนดมเบลม 3 orbitals ยอยทตงฉากกนใน

แนวแกน x y และ z

• 2p, 3p, 4p, …

• เชน 2px, 2py, 2pz

8

12/11/2019

5

– d-orbital มรปรางเปน clover leaf กลบใบไม ม 5 orbitals ยอย คอ dxy, dyz, dxz, d x2-y2, dz2

• 3d, 4d, 5d, …

f-orbital ม 7 orbitals ยอย

9

การเกดพนธะโควาเลนต

• ทฤษฎพนธะเวเลนซ อธบายวา

“พนธะโควาเลนตเกดจากอะตอมมกออรบตอลทมเวเลนซอเลกตรอน

เดยวเทานนทเกดพนธะกบอะตอมอน”

• รปรางโมเลกลโควาเลนตของสารอนทรยขนกบชนดของไฮบรด

ออรบทล (hybrid orbital) ของคารบอนทใชในการสรางพนธะ

10

12/11/2019

6

Hybridization of Carbon Orbital

• คารบอนม 4 เวเลนซอเลกตรอน จดเรยงเปน

2px1 2py

1 2pz0

2s2

• การเกดลกผสมออรบตอล (hybridization) เปนการผสมออรบตอลทมระดบพลงงานใกลเคยงกนเปนออรบตอลลกผสมทมระดบพลงงานเทากน มรปรางเหมอนกน

2s1 2px1 2py

1 2pz1

• จานวน hybrid orbitals = จานวน atomic orbitals เดมทมาผสม

• Hybrid orbital ของคารบอนม 3 แบบ คอ sp3 sp2 และ sp

11

sp3-hybridization

• เกดจาก 2s จานวน 1 ออรบตอล และ 2p จานวน 3 ออรบตอล

• ได hybrid orbital sp3 4 ออรบตอล

• รปรางเปน ทรงสหนา (สออรบตอลทพยายามจดตวใหหางกน

มากทสด)

• มมกาง 109.5 องศา

• เชน CH4 CH3- CH3

12

12/11/2019

7

13

sp3 hybridization

CH4

รปรางเปนทรงสหนา

ชนดของพนธะโควาเลนต

• พนธะซกมา (-bond)

เปนการซอนเหลอมของ s อะตอมกออรบตอล หรอ ของ

p-orbital แบบดานปลายออรบตอลซอนกน

• พนธะไพ (-bond)

เปนการซอนเหลยมของ p-orbital แบบดานขางของออรบตอล

ซอนกน

14

12/11/2019

8

• sp3-hybrid orbital ของคารบอน

จะเกดเฉพาะพนธะซกมา 4 พนธะ

กบอะตอมตวอน (อาจเปน

คารบอนหรออะตอมอน)

methane (CH4)

16

12/11/2019

9

17

CH3–CH3 (ethane)

sp3 hybridization

sp2-hybridization

• เกดจาก 2s จานวน 1 ออรบตอล และ 2p จานวน 2 ออรบตอล

• ได hybrid orbital sp2 3 ออรบตอล

• รปรางเปนสามเหลยมในระนาบ (สามออรบตอลทพยายามจด

ตวใหหางกนมากทสด)

• มมกาง 120 องศา

• เชน C2H4

18

12/11/2019

10

19

sp2-hybridization

20

sp2 hybridization

12/11/2019

11

• เกดพนธะซกมา 3 พนธะจาก sp2 และมอเลกตรอนเดยวใน p-orbital ซง

อาจจะเกดพนธะไพ เชน C2H4

21

sp-hybridization

• เกดจาก 2s จานวน 1 ออรบตอล และ 2p จานวน 1 ออรบตอล

• ได hybrid orbital sp 2 ออรบตอล

• รปรางเปนเสนตรง และมอเลกตรอนเดยวใน p-orbital 2 ออรบตอล

(สองออรบตอลทพยายามจดตวใหหางกนมากทสด)

• มมกาง 180 องศา

• เชน C2H2 BeCl2

22

12/11/2019

12

sp hybridization

23

24

เกดจากพนธะซกมา 2 พนธะ จาก sp และมอเลกตรอนเดยว

ใน p-orbital 2 orbital ซงอาจจะเกดพนธะไพ 2 พนธะ

พนธะสามของ

C2H2

พนธะสองของ

C2H4

12/11/2019

13

• เปรยบเทยบมม ความยาวและพลงงานพนธะ

25

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

อเลกตรอนคโดดเดยว

• อเลกตรอนคโดดเดยว (unshared pair of electrons) เปน

อเลกตรอนคทบรรจเตมในออรบตอลแตไมไดเกดพนธะ เชน ใน

โมเลกลของนา ทมอเลกตรอนคสรางพนธะ 2 ค และอเลกตรอน

คโดดเดยว 2 ค สวนโมเลกลของแอมโมเนยมอเลกตรอนคโดด

เดยว 1 ค

26

O

H H

.. ..

H

HH

..N

12/11/2019

14

การเขยนสตรโครงสราง

• แบบจด (electron dot structure)

H H H H

H : C : H H : C : C : C : H

H H H H

• แบบ extended structure

H H H H

H-C-Br H - C - C - C - H

H H H H

27

..

.. ..

..

..

..

..

..

• Condensed structure

CH3Br CH3CH2CH2CH3 CH3COOH

• Skeletal structure

28

12/11/2019

15

ความสมพนธของสตรโครงสรางและ

สมบตทางกายภาพและทางเคม• ความเปนขวของพนธะโควาเลนต (polarity)

คาไดโพลโมเมนตทแสดงความเปนขวของโมเลกลขนกบคาอเลกโตร

เนกาตวต (EN) และการมอเลกตรอนคโดดเดยว

ถาม EN เทากนจะไมมขว เชน Br - Br

ถาม EN ตางกน ความเปนขวขนกบผลตางของ EN เชน

C – Cl C – O C – N

H < I < C < Br < N , Cl < O < F

29

-- -

• ความเปนขวของโมเลกล

– ความเปนขวของโมเลกลขนกบ ผลรวมแบบเวกเตอรโดยคดทศทางของความเปนขวของแตละพนธะในโมเลกล

– โดยคดเปนไดโพลโมเมนต () มหนวยเปน Debye, D

– การมขวของโมเลกล มผลตอ

• การละลาย

• จดเดอด จดหลอมเหลว

• ปฏกรยาเคม

30

12/11/2019

16

• ตวอยางการมขวของโมเลกล

31

H C

H

H

H

H C

Br

H

H

H C

Cl

Cl

ClB

F

F F

CO O

= 0

= 0

= 0

= 1.8 D

= 1.0 D

32

+ +- -

- +

- +

- +

- +- +

- +

- +

- +

A nonpolar molecules B polar molecules

การจดเรยงตวของโมเลกลแบบมขวและไมมขว

12/11/2019

17

แรงกระทาระหวางโมเลกล

(Non-bonded intermolecular force)

• การมขวของโมเลกลมผลตอทงแรงกระทาภายในและแรงกระทา

ภายนอกโมเลกล ขนกบชนดของขว

– Dipole-dipole interaction

– Van der Waal interaction

– Hydrogen bond

33

Dipole-dipole interaction

• เปนแรงระหวางโมเลกลทมขว

• มไดโพลโมเมนตถาวร

• เชน Chloromethane

H

H C Cl หรอ

H

34

-

12/11/2019

18

Dipole-dipole interaction

35

+ +

+

+

+ +

+

+

-

-

-

-

-

-

--

Dipole-dipole attraction Dipole-dipole repulsion

Van der Waals interaction

• เปนแรงระหวางโมเลกลทไมมขว

• เกดจากการชกนาไดโพลโมเมนต (induce dipole moment)

• เปนแรงออนๆทผวโมเลกล เกดชวคราว

• จานวน C และ H มาก มพนทผวมาก

แรงดงดดมาก

โมเลกลโซตรงมพนทผวมากกวาโซกง แรงดงดดจงมากกวา

36

12/11/2019

19

Hydrogen bond

• พนธะไฮโดรเจนเปนแรงดงดดระหวางขวทเกดจากอะตอมไฮโดรเจนกบ

อะตอมทม EN สงมาก ไดแก F O และ N

• พนธะแขงแรงมาก แขงแรงกวาแรง dipole-dipole ทาใหตองการพลงงาน

มากในการทาใหโมเลกลกระจายตว

• Energy: Van der Waals < dipole-dipole < hydrogen bond

37

O

H HH

H

H

HO

O

สมบตทางกายภาพ

• สมบตทางกายภาพของสารอนทรย มความสมพนธกบแรงระหวางโมเลกล

– จดเดอด (bp.) จดหลอมเหลว (mp.)

พลงงานทใชในการทาใหสารเปลยนสถานะ ขนกบแรงระหวางโมเลกล

โมเลกลไมมขว Van der Waals, แรงยดตา ทาให bp., mp. ตา

โมเลกลมขว dipole-dipole, แรงยดสง ทาให bp., mp. สง

โมเลกลมขวและมพนธะไฮโดรเจน แรงยดสงมากขน สงผลให

bp., mp. สงมากขน

38

12/11/2019

20

– การละลาย “like dissolves like”

สารมขว ละลายไดดใน ตวทาละลายมขว

สารไมมขว ละลายไดดใน ตวทาละลายไมมขว

เชน CH4 ละลายใน CCl4

CH4 และ CCl4 ไมละลายใน นา (H2O)

CH3OH ละลายในนา

39

แรงกระทาภายในโมเลกล

(non-bonded intramolecular interaction)

• สตรโครงสรางบอกคณสมบตเคมของสาร ม 2 สวน

– Reaction center เปน functional group (ประเภทของสาร)

– Substituent site เปน สวนทจบกบ reaction center และทานาย

ปฏกรยาวา เกดชาหรอเรว ไดมากหรอนอย

O O

CH3 - C- O-H Cl – CH2 - C- O-H

40

Reaction center Reaction centerSubstituent

12/11/2019

21

Substituent effects1. Electronic effect

– เกยวของกบความหนาแนนของอเลกตรอนท 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

41

• Inductive effect ขนกบคา electronegativity โดยอานาจการดง

ē ผานพนธะซกมานน เชน

O O

CH3-C-O-H Cl-CH2-C-O-H

acetic acid มความเปนกรดสงกวา acetic acid

• Resonance effect เกยวกบการเคลอนทของ ē บนพนธะโดยเฉพาะ ē ทเกดจากการซอนกนของ p-orbitals ใน

แนวขนาน เชน phenol กบ nitrobenzene

42

G มแรงกระทา 2 แบบคอ inductive และ resonance effects

12/11/2019

22

2. Steric effect ขนกบรปรางและความเกะกะภายในโมเลกล

CH3 CH3 H H

~C-CH3 > ~C-CH3 > ~C-CH3 > ~C-H

CH3 H H H

43

อธบาย primary, secondary, tertiary, quaternary carbons

primary, secondary, tertiary hydrogens

การแบงประเภทของสารอนทรย

• Hydrocarbon แบงกลมใหญเปน aliphatic และ aromatic hydrocarbons

– Alkane functional group คอ -C-C-

– Alkene -C=C-

– Alkyne -CC-

– Aromatic

• Halogen -C -X-

• Alcohol -C - OH

• Phenol

44

OH

12/11/2019

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-NH2

45

ปฏกรยาของสารอนทรย

• การเกดปฏกรยาเคมของสารตองคานงถง

- ประเภทการแตกพนธะ

Homolytic cleavage

Heterolytic cleavage

- ลกษณะของตวเขาทาปฏกรยา

Nucleophile

Electrophile

Free radical

46

12/11/2019

24

- ปฏกรยาทเกด

Substitution reaction

Addition reaction

Elimination reaction

47

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+

48

. .

. .

12/11/2019

25

ลกษณะของตวเขาทาปฏกรยา

• สารตงตน + ตวเขาทาปฏกรยา ผลตภณฑ

• ตวเขาทาปฏกรยาม 3 ชนด

– Nucleophile สารทใหอเลกตรอน 1 คแกสารอน หรอชอบทาปฏกรยา

กบสารทเปน nucleus เปน Lewis base

เชน OH- , CN- , NH3, R-OH , RO-

– Electrophile สารทตองการหรอขาดอเลกตรอน 1 ค เปน Lewis acid

เชน H3O+ , BF3 , AlCl3

49

– Free radical อะตอมหรอหมอะตอมทมอเลกตรอนเดยว

วองไวในการทาปฏกรยา เชน

Cl:Cl 2 Cl

CH4 + Cl CH3 + HCl

50

.. h

12/11/2019

26

ประเภทของปฏกรยาทเกด

• Substitution reaction

อะตอมหรอหมอะตอมทเกาะกบ C ถกแทนท

CH3CH2Br + OH - CH3CH2OH + Br-

2 CH3OH + 2 Na+ 2 CH3ONa + H2

• Addition reaction

การเพมอะตอมหรอหมอะตอมในสารทไมอมตว

CH2=CH2 + Br2 Br-CH2-CH2-Br

CH3CH=CH2 + HBr CH3-CH-CH2

Br H

51

• Elimination reaction

การกาจดอะตอมหรอหมอะตอมทเกาะตดอยกบอะตอมทตดกน

OH

CH3 – C – CH3 CH3 – C = CH2 + H2O

H H

52