ch01 introduction.ppt · Á ¤¸°· ¦¸¥r 2ujdqlf &khplvwu\ à ¦ µ¦ ´ ´Ê £µ ª...
TRANSCRIPT
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