403221-alkyl halide 1

403221 เคมอิีนทรยี์ สารประกอบเฮโลเจน และแอลคิล

เฮไลด์

ผศ . ดร . วราภรณ์ พาราสขุ ภาควชิาเคมี คณะวทิยาศาสตร์

มหาวทิยาลัยเกษตรศาสตร์

403221-alkyl halide 2

โครงสรา้งของแอลคิลเฮไลด์

C X

sp3-Calkyl halide

CH3Cl CH3CH2-Br CH3 CH

CH3Br

CCH3

CH3CH3

Br

2o1o 3o

CH2-Br X

aryl halide

+-

403221-alkyl halide 3

สมบติัทางกายภาพ•จุดเดือด

– แอลคิลเฮไลด์มจุีดเดือดใกล้เคียงกับแอล เคนที่มมีวลโมเลกลุใกล้เคียงกัน

– สารประกอบ polyfluoroalkane มี จุดเดือดต่ำ่ากวา่ปกติ เชน่ CF3CF3 (MW

138) มจุีดเดือด -79oC ในขณะที่decane (MW 144) มีจุดเดือด174oC

403221-alkyl halide 4

• การละลาย– สารประกอบเฮโลเจนสว่นใหญ่ละลายน่ำ0าได้น้อยมาก แต่ละลายในตัว

ท่ำาละลายไมม่ขีั 0ว– CH2Cl2 CHCl3 CCl4 เป็นตัวท่ำาละลายท่ีดีส่ำาหรบัสารอินทรยีไ์มม่ี

ขั 0ว• ความหนาแน่น

– alkyl fluoride และ alkyl chloride มคีวามหนาแน่นต่ำ่ากวา่น่ำ0า– alkyl bromide และ alkyl iodide มคีวามหนาแน่นสงูกวา่น่ำ0า– สารประกอบท่ีมเีฮโลเจนมากกวา่ 1 อะตอมมกัมคีวามหนาแน่นสงู

กวา่น่ำ0า

403221-alkyl halide 5

การเตรยีมแอลคิลเฮไลด์ 1. เตรยีมจากแอลกอฮอล์ R-OH

403221-alkyl halide 6

2. Halogenation ของแอลเคน

วธินีี0เหมาะส่ำาหรบัสารตั0งต้นแอลเคนท่ีมี H เพยีงชนิดเดียวเท่านั0น

403221-alkyl halide 7

3. Halogenation ของแอลคีน

403221-alkyl halide 8

4. Halide exchange ของแอลคิลเฮไลด์

•วธินีี0มกัใชส้่ำาหรบัการเตรยีมแอลคิลไอโอไดด์• เกิดได้ดีท่ีสดุเมื่อ R-X เป็น

ชนิด 1o R-X

403221-alkyl halide 9

ปฏิกิรยิาของแอลคิลเฮไลด์ 1. Nucleophilic

Substitution (SN)

403221-alkyl halide 10

•Nucleophile คือ ไอออนท่ีมปีระจุลบ หรอืโมเลกลุเป็นกลางท่ีมี อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว (lone pair) อยา่งน้อย 1 คู่

•Leaving group ในแอลคิลเฮไลด์คือไอออนเฮไลด์ หมู่ leaving group ที่ดี เมื่อหลดุออกไปแล้วจะเป็นโมเลกลุ หรอืไอออนที่เสถียร และเป็นเบสอ่อน เชน่ Cl- , Br- , I-

403221-alkyl halide 11

CH2 BrCH3CH2 KOH

CH

CH3

Cl

CH3

+

+C2H5OH

Br+ CH2 OHCH3CH2

C2H5O-Na++ CH

CH3

OC2H5

CH3Cl

403221-alkyl halide 12

2. ปฏิกิรยิาการขจดั (Elimination) dehydrohalogenation 1,2-elimination

C CC C

H X

base,alcohol

C

CH3

CH3

Br

CH3 C

CH3

CH2CH3

KOH

CH

CH3

I

CH3CH

CH2CH3

C2H5OH, heat + KBr

+ KIKOH

C2H5OH, heat

เบสที่ใชอ้าจเป็น KOH ในแอลกอฮอล์ (alcoholic KOH) หรอื NaOEt/EtOH

403221-alkyl halide 13

3. การเตรยีม Grignard reagent

4. ปฏิกิรยิา Reduction

403221-alkyl halide 14

กลไกปฏิกิรยิา Nucleophilic substitution (SN)

Nu-C C X C C Nu X-+ +

การเปล่ียนแปลงที่เกิดขึ0น 2 อยา่ง

-นิวคลีโอไฟล์เขา้ท่ำาปฏิกิรยิา

-เฮโลเจนหลดุออกกลไกของปฏิกิรยิาอาจเป็น•พนัธะระหวา่งคารบ์อนกับเฮโลเจนในสารตั0งต้นแตกออกก่อนท่ีนิวคลีโอไฟล์จะเขา้ท่ำา

ปฏิกิรยิา• ทั0ง 2 กระบวนการเกิดขึ0นพรอ้มๆ กัน

403221-alkyl halide 15

กลไกแบบ bimolecular nucleophilic substitution (SN2)– นิวคลีโอไฟล์เขา้ท่ำาปฏิกิรยิาพรอ้มๆ กับที่ leaving group หลดุออก– อัตราเรว็ของการเกิดปฏิกิรยิาขึ0นกับความเขม้ขน้ของทั0งสารตั0งต้นและนิวคลีโอไฟล์

ล่ำาดับความวอ่งไวต่อการเกิดปฏิกิรยิาแบบ SN2 ของ R-XCH3 > 1o > 2o >> 3o

403221-alkyl halide 16

Stereochemistry ของปฏิกิรยิาแบบ SN2• ผลิตภัณฑ์ท่ีได้จะมี configuration ตรงขา้มกับสารตั0งต้น• นิวคลีโอไฟล์จะเขา้ท่ำาปฏิกิรยิาด้านตรงขา้มกับ leaving group

403221-alkyl halide 17

กลไกแบบ unimolecular nucleophilic substitution (SN1)– อัตราเรว็ของปฏิกิรยิาขึ0นกับความเขม้ขน้แอลคิลเฮไลด์เท่านั0น– ปฏิกิรยิาเกิดหลายขั0นตอน

ล่ำาดับความวอ่งไวต่อการเกิดปฏิกิรยิาแบบ SN1 ของ R-X3o > 2o > 1o > CH3

403221-alkyl halide 18

กลไกแบบ unimolecular nucleophilic substitution (SN1)

ขั0นท่ี 1 leaving group หลดุออก

ขั0นท่ี 2 นิวคลีโอไฟล์เขา้ท่ำาปฏิกิรยิา

ขั0นท่ี 3

403221-alkyl halide 19

Carbocation คารโ์บแคทไอออน– เป็นสารมธัยนัตร์ (intermediate ) ใน

ปฏิกิรยิาแบบ SN 1– อะตอมคารบ์อนท่ีมปีระจุบวกของคารโ์บแคท ไอออนเป็นคารบ์อนชนิด sp2

+C

p orbital

sp2 carbon

ล่ำาดับความเสถียรของคารโ์บแคทไอออน3o > 2o > 1o > CH3

C

CH3

CH3

CH3 + C

CH3

H

CH3 + C

CH3

H

H + C

H

H

H +> > >

403221-alkyl halide 20

Stereochemistry ของปฏิกิรยิาแบบ SN1• คารโ์บแคทไอออนมรีูปรา่งเป็นสามเหล่ียมแบนราบ• นิวคลีโอไฟล์สามารถเขา้ท่ำาปฏิกิรยิาได้ทั0ง 2 ด้านของระนาบเท่า ๆ กัน

ปฏิกิรยิาเกิดผ่านคารโ์บแคทไอออนดังนี0

403221-alkyl halide 21

ปัจจยัท่ีมผีลต่ออัตราเรว็ของปฏิกิรยิาแบบ SN 1 และ SN2

• โครงสรา้งของแอลคิลเฮไลด์ R-X–3o - R X จะเกิดปฏิกิรยิาแบบ SN 1 ดีท่ีสดุ– CH3 X และ 1o R-X จะเกิดปฏิกิรยิาแบบ SN 2 ดีท่ีสดุ

• ความเขม้ขน้และความวอ่งไวของนิวคลีโอไฟล์ Nu– เมื่อเพิม่ความเขม้ขน้และความวอ่งไวของ Nu ปฏิกิรยิาแบบ SN 2 จะ

เกิดได้ดี– Nu ท่ีมปีระจุลบจะวอ่งไวกวา่ Nu ท่ีเป็นกลาง– เชน่ OH- วอ่งไวกวา่ H2 O และ RO- วอ่งไวกวา่ ROH เป็นต้น

403221-alkyl halide 22

ปัจจยัท่ีมผีลต่ออัตราเรว็ของปฏิกิรยิาแบบ SN 1 และ SN2

•ตัวท่ำาละลาย– ปฏิกิรยิา SN 1 เกิดได้ดีใน protic solvent เชน่ น่ำ0า– ปฏิกิรยิาSN 2 เกิดได้ดีใน aprotic solvent เชน่ DMF, DMSO

• Leaving group– leaving group ท่ีดี ปฏิกิรยิาเกิดได้เรว็ขึ0นทั0งแบบ SN 1 และ SN

2– ล่ำาดับของ leaving group ท่ีดี I- > Br- > Cl- > F-

403221-alkyl halide 23

กลไกปฏิกิรยิา Elimination (E)

CH

CH3

Br

CH3 CH

CH2 CH3 + Br - + C2H5OHC2H5O -+

กลไกแบบ bimolecular elimination (E2)

ปฏิกิรยิาเกิดขั 0นตอนเดียว

403221-alkyl halide 24

C

CH3

Cl

CH3

CH3 + H2OC

CH3

CH2CH3+ OH- + Cl -

กลไกแบบ unimolecular elimination (E1)

ปฏิกิรยิาเกิดผ่าน carbocation ดังนี0

403221-alkyl halide 25

การเกิดปฏิกิรยิาแทนท่ีหรอืขจดัออก• ปฏิกิรยิา SN 2 หรอื E2

– E2 : Nu- ท่ำาหน้าท่ีเป็นเบสเขา้ท่ำาปฏิกิรยิากับ -H– SN 2 : Nu- เขา้ท่ำาปฏิกิรยิากับ -C

C

C

H

XNu-

a)

b)

a) E2

b) SN2

C

C

C

CNu

H

+ X-

+ X-

+ Nu H

403221-alkyl halide 26

• ปฏิกิรยิา SN 2 หรอื 2E– 1o R-X เกิด substitution มากกวา่

eliminationCH2 BrCH3 CH2 CH2+-NaBr

+CH2CH3 OC2H5

SN2, 90% E2, 10%

C2H5ONa C2H5OH

– 2o R-X เกิด elimination มากกวา่ substitution CH BrCH3

CH3

CH2 CH CH3+-NaBr

+CHCH3 OC2H5

CH3

SN2, 79% E2, 21%

C2H5ONa C2H5OH

C BrCH3

CH3

CH3

CH2 C CH3

CH3

+-NaBr

+CCH3 OC2H5

CH3

CH3

SN1, 9% E2, 91%

C2H5ONa C2H5OH

– 3o R-X เกิด elimination เท่านั0น อาจเกิด SN1 เล็กน้อย

403221-alkyl halide 27

• ปฏิกิรยิา SN 1 หรอื 1E– อุณหภมูติ่ำ่าจะเกิด SN 1 มากกวา่ E1 – อุณหภมูสิงูจะเกิด elimination มากกวา่– ถ้าต้องการปฏิกิรยิา elimination เพยีงอยา่งเดียว

การใชเ้บสแก่ เชน่ KOH ในแอลกอฮอล์C2H5 ONa / C2H5OH

ที่อุณหภมูสิงูจะท่ำาให้์ 3o R-X เกิดปฏิกิรยิาแบบ E2 ได้ดี

403221-alkyl halide 28

R-X ปฏิกิริยาCH3-X SN2

1o SN2 E2ยกเว้นกรณีท่ีใช้เบสแก่อุณหภูมิสูงจะเกิด2o SN2 Iถ้าใช้เบสอ่อนเช่น -, CN-, -OOCR

E2 ถ้าใช้เบสแก่เช่น -OR3o SN1/E1 E2 Sหรือ ไม่เกิด N2

Sท่ีอุณหภูมิต่ำ่าเกิด N1 > E1 E2ใช้เบสแก่เกิด

403221-alkyl halide 29

สารประกอบไดเฮโลเจนC CH3

Cl

CH3

Cl

CH2CHCH3

Cl

Cl

2,2-dichloropropane 1,1-dichloropropane

•geminal dihalides

•vicinal dihalides

•isolated dihalides

1,2-dibromobutane

CH2CHCH3

Br

CH2Br

1,4-dibromo-2-methylbutane

CH2CHCH2

CH3

CH2BrBr CH2CHCH2

Br

CH3Br

1,3-dibromobutane

403221-alkyl halide 30

ปฏิกิรยิาของสารประกอบไดเฮโลเจน1. ปฏิกิรยิากับ NaOH หรอื KOH ในน้ำ-า (, .)

11. Geminal dihalide ได้ผลิตภัณฑ์เป็น aaaaaaaa หรอื aaaaaa

403221-alkyl halide 31

12. vicinal dihalide ได้ผลิตภัณฑ์เป็น aaaaaa

13. isolated dihalide ได้ผลิตภัณฑ์เป็น aaaaaaaa aaaaaaa

403221-alkyl halide 32

2. ปฏิกิรยิากับ Zn , ความรอ้น 21. Geminal dihalide ไมเ่กิดปฏิกิรยิา 22. vicinal dihalide ได้ผลิตภัณฑ์เป็น alkene

23. isolated dihalide ได้ผลิตภัณฑ์เป็น aaaaaaaaaaa

403221-alkyl halide 33

3. ปฏิกิรยิากับ NaOH หรอื KOH ในแอลกอฮอล์ (alc.KOH หรอื alc. NaOH)

31. Geminal dihalide ได้ผลิตภัณฑ์เป็น aaaaaa

32. vicinal dihalide ได้ผลิตภัณฑ์เป็น alkyne

33. isolated dihalide ได้ผลิตภัณฑ์เป็น aaaaa

403221-alkyl halide 34

สารประกอบออรแ์กโนเม แทลิก (Organometallic

compounds)C - Na+ C - K+

พันธะระหวา่ง C กับ โลหะในสารประกอบ organometallic•ionic

•covalent

• ระหวา่ง ionic กับ covalent

C Sn C Pb

403221-alkyl halide 35

สารประกอบorganolithium

•การเตรยีม

•ปฏิกิรยิา

403221-alkyl halide 36

สารประกอบorganomagnesium

•การเตรยีม

•ปฏิกิรยิา