บทที่ 10 แอลดีไฮด์ (Aldehydes) และ คีโตน (Ketones) วัตถุประสงค์การเรียนรู้ - เพื่อให้นิสิตเข้าใจเกี่ยวกับสมบัติทางกายภาพและสมบัติทางเคมีของสารในกลุ่ม aldehyde และ ketone ได้ - นิสิตสามารถเขียนกลไกการเกิดปฏิกิริยาของสารในกลุ่ม aldehyde และ ketone ได้ aldehyde หมู่ฟังก์ชั่นคือ หมู่ carboxaldehyde (-CHO) ส่วน ketone หมู่ฟังก์ชั่นคือ หมู่ carboxyl (- CO-) สารสองชนิดนี้ถึงแม้ว่าจะจ าแนกเป็นสารคนละชนิดกันกัน แต่พบว่ามีปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่ไปใน ทิศทางเดียวกัน โครงสร้างทางเคมีของสารทั้งสองกลุ่มนี้มีพันธะคู่ระหว่าง C และ O ซึ่งเป็นธาตุที่มีค่า EN ไม่เท่ากัน (EN O > N) จึงส่งผลท าให้อิเล็กตรอน 4 อิเล็กตรอน ที่บรรจุอยู่ในพันธะคู่ ถูกดึงเข้าใกล้อะตอมของ O ส่งผลท าให้ C มีสภาพขาดอิเล็กตรอน ส่งผลท าให้สารกลุ่มนี้ แสดงคุณสมบัติเป็น electrophile (weak electrophile) ซึ่งท าปฏิกิริยากับสารที่มีอิเล็กตรอนมาก (nucleophile) คุณสมบัติทางกายภาพของ aldehyde และ ketone - aldehydes และ ketone มีความมีขั้วมากกว่า hydrocarbon แต่น้อยกว่า alcohol และ amine - aldehydes และ ketone มีจุดเดือดที่สูงกว่า hydrocarbon เมื่อมีจ านวนคาร์บอนที่เท่ากัน - มีจุดเดือดที่ต่ ากว่า alcohol และ amine เนื่องจากไม่เกิด hydrogen bonding ระหว่างโมเลกุล - จุดเดือดแปลผันตามน้ าหนักโมเลกุล (จ านวนคาร์บอน) - เมื่ออยู่ในน้ าอะตอม O ของหมู่ carbonyl สามารถเกิดแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลชนิด hydrogen bonding กับโมเลกุลของน้ า ส่งผลให้สารที่กลุ่มนี้ที่มีโมเลกุลเล็กจะละลายน้ าได้ดี และการละลาย จะลดลงเมื่อสายโซ่ไฮโดรคาร์บอน(ส่วนไม่มีขั้ว)ยาวมากขึ้น
ปฏิกิริยาของ aldehyde และ ketone 1. ปฏิกิริยาการเติม nucleophile (nucleophilic addition) ปฏิกิริยาการเติม nucleophile ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นดีหรือไม่ขึ้นอยู่กับ ปัจจัยต่างๆ ดังนี้ 1. ความแรงของความขาดอิเล็กตรอน (electrophilicity) ของสารตั้งต้น 2. ความแรงของคุณสมบัติความเป็นลบ (nucleophilicity) ของสารรีเอเจนต์ เมื่อเปรียบเทียบความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาการเติม nucleophile ของสารทั้งสองกลุ่ม พบว่า aldehyde มีความสารมารถในการเกิดปฏิกิริยามากกว่า ketone เนื่องจากจุดที่แสดงคุณสมบัติความเป็น electrophile ของ aldehyde และ ketone คือ C อะตอมที่สร้างพันธะคู่กับ O หากเปรียบเทียบโครงสร้าง พบว่า aldehyde มีหมู่แทนที่ (หมู่ R ซึ่งถือว่าเป็นหมู่ให้อิเล็กตรอน) อยู่ 1 หมู่ ในขณะที่ ketone มีหมู่ แทนที่ (R) อยู่ 2 หมู่ ผลของการให้อิเล็กตรอนของหมู่แทนที่ส่งผลท าให้ aldehyde มีสภาพขาดอิเล็กตรอนมากกว่า และมีความสามาถในการเกิดปฏิกิริยากับ nucleophile ได้ดีกว่า ketone ตัวอย่างปฏิกิริยาการเติม nucleophile มีดังนี้
1.1 ปฏิกิริยาการเติมโมเลกุลของน ้า เมื่อ aldehyde หรือ ketone ละลายในน้ าจะเกิดปฏิกิริยาผันกลับ ไป-มา ในสภาวะสมดุล ระหว่าง aldehyde กับ aldehyde hydrate และ ketone กับ ketone hydrate เนื่องจาก aldehyde และ ketone จัดเป็นสาร weak electrophile และน้ าก็เป็น weak nucleophile ปฏิกิริยาจึงเกิดได้ไม่ดีนัก ปฏิกิริยาจะเกิดได้ดีขึ้นเมื่อใช้กรดหรือเบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เมื่อใช้กรดเป็น ตัวเร่งปฏิกิริยา จะส่งผลท าให้ aldehyde หรือ ketone ท าปฏิกิยากับกรด (protonation) แล้วเปลี่ยน โครงสร้างไปอยู่ในรูปที่เป็น electrophile ที่แรงมากขึ้น ตัวอย่าง กลไก
การเกิดปฏิกิริยากับน้ าเมื่อมีเบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา OH- ของเบสจะสามารถท าหน้าที่เป็น nucleophile เข้าไปท าปฏิกิริยากับ aldehyde หรือ ketone ตัวอย่าง กลไก 1.2 ปฏิกิริยาการเติม alcohol เมื่อ aldehyde ท าปฏิกิริยากับ alcohol โดยมี anhydrous acid (gaseous HCl หรือconc. H2SO4 ) เป็น ตัวเร่งปฏิกิริยา จะได้สารที่เรียกว่า acetal เป็นสารผลิตภัณฑ์ ตัวอย่าง
กลไก เมื่อ ketone ท าปฏิกิริยากับ alcohol และ anhydrous acid (HCl หรือ conc. H2SO4 ในสถานะก๊าซ) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา จะได้สารที่เรียกว่า ketal เป็นสารผลิตภัณฑ์ ตัวอย่าง
acetal และ ketal จะสามารถกลับมาเป็น aldehyde และ ketone เมื่อท าปฏิกิริยากับน้ าและมีกรด เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ตัวอย่าง เมื่อ aldehyde ละลายใน alcohol จะเกิดปฏิกิริยาสมดุลระหว่าง aldehyde กับสาร hemiacetal ตัวอย่าง การเกิดปฏิกิริยา intra-molecular cyclization (การปิดวงภายในโมเลกุล) ของสารที่มีหมู่ OH และ CHO แล้วท าให้ได้ hemiacetal วง 5 หรือ 6 เหลี่ยมที่เสถียร ดังตัวอย่างที่สารในกลุ่ม cyclic-hemiacetal พบ ในธรรมชาติ ได้แก่ปฏิกิริยาการปิดวงสารในกลุ่มน้ าตาลชนิดต่างๆ
เมื่อ ketone ละลายใน alcohol จะเกิดปฏิกิริยาในสภาวะสมดุลระหว่าง ketone กับ hemiketal ตัวอย่าง 1.3 การเกิดปฏิกิริยาการเติมกับสารอนุพันธ์ของแอมโมเนีย เมื่อ aldehyde หรือ ketone ท าปฏิกิริยากับอนุพันธ์ของ ammonia จะได้สาร imine เป็นสาร ผลิตภัณฑ์ ตัวอย่าง
ปฏิกิริยากับ hydroxylamine ตัวอย่าง 1.4 ปฏิกิริยาการเติม hydrogen cyanide เมื่อ ketone ท าปฏิกิริยากับ hydrogen cyanide (HCN) จะได้สาร cyanohydrins เป็นสารผลิตภัณฑ์ ตัวอย่าง 1.5 ปฏิกิริยาการเติม organometallic reagent เมื่อน าสาร aldehyde และ ketone ท าปฏิกิริยากับ Grignard reagent (RMgX) หรือ organolithium (RLi) แล้วตามด้วยสารละลายกรดจะได้ alcohol เป็นสารผลิตภัณฑ์ Grignard reagent Organolithium
ตัวอย่าง กลไก 2. ปฏิกิริยา Wittig reaction เป็นปฏิกิริยาของ aldehyde และ ketone กับ phosphorus ylide ได้สาร alkene เป็นสารผลิตภัณฑ์ ตัวอย่าง
3. ปฏิกิริยา Oxidation สารกลุ่ม aldehyde เมื่อท าปฏิกิริยา oxidation กับสาร oxidizing agent ในสภาวะที่รุนแรง (KMnO4 , OH- ) หรือสภาวะที่ไม่รุนแรง (Ag2O, OH- ) จะได้ carboxylate anion เป็นสารผลิตภัณฑ์ ซึ่งสามารถเปลี่ยนไป เป็น carboxylic acid ได้เมื่อปรับสภาวะให้เป็นกรด ส่วนสารในกลุ่ม ketone ไม่เกิดปฏิกิริยา oxidation ตัวอย่าง 4. ปฏิกิริยา reduction ของ aldehyde และ ketone aldehyde และ ketone สามารถเกิดปฏิกิริยา reduction เมื่อท าปฏิกิริยากับสาร reducing agent เช่น lithium aluminium hydride (LiAlH4 ) แล้วตามด้วยน้ า หรือ ท าปฏิกิริยากับ sodium borohydride (NaBH4 ) จะได้ alcohol เป็นสารผลิตภัณฑ์ ตัวอย่าง
ความเป็นกรดของ α hydrogen H ที่สร้างพันธะกับคาร์บอนตรงต าแหน่ง α (α hydrogen) แสดงความเป็นกรด จึงสามารถท า ปฏิกิริยากับเบสได้ สาเหตุที่ α hydrogen มีความเป็นกรด เพราะเมื่อถูกดึง H + ไปแล้ว จะได้สารตัวกลางที่มีความ เสถียรเนื่องจากการเกิด resonance stabilized Keto - enol tautomerization
aldehyde และ ketone จะมีการเปลี่ยนกลับไปมาระหว่าง keto form และ enol form ในสภาวะ สมดุล ซึ่งสารจะเกิดเป็น form ไหนมากกว่ากัน ขึ้นกับความเสถียรของสารในรูป form นั้นๆ สาเหตุที่ 2,4-pentanedione เกิดอยู่ในรูป enol form ได้ดีกว่า เพราะเมื่อสาร 2,4-pentanedione อยู่ในรูป enol form จะเกิดแรง intramolecular hydrogen bonding ผ่านวง 6 เหลี่ยม ส่งผลท าให้ enol form ของ 2,4-pentanedione มีความเสถียรมากกว่า keto form ปฏิกิริยา acid-catalyzed enolization
เมื่อใช้กรดเป็นตัวเร่งสารสามารถเกิดการเปลี่ยนโครงสร้างจาก keto form ไปอยู่ในรูป enol form ได้ดีขึ้น กลไก ปฏิกิริยา base-catalyzed enolization เมื่อใช้เบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา สารจะเกิดการเปลี่ยนโครงสร้าง จาก keto form ไปอยู่ในรูป enolate anion (enol form) ปฏิกิริยา ณ ต้าแหน่ง α carbon 1. ปฏิกิริยา halogenation เมื่อ aldehyde หรือ ketone ท าปฏิกิริยากับก๊าซ halogen โดยมีกรดหรือเบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา จะได้ สาร α-haloketone เป็นสารผลิตภัณฑ์ กลไกการเกิดปฏิกิริยาเมื่อใช้กรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
กลไกการเกิดปฏิกิริยาเมื่อใช้เบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ตัวอย่าง 2. ปฏิกิริยา haloform reaction การเกิดปฏิกิริยาของ aldehyde หรือ ketone ที่มีหมู่ CH3 ต่ออยู่กับ carbonyl group เมื่อท าปฏิกิริยา กับก๊าซฮาโลเจนในสภาวะเบสจะได้เกลือ carboxylate anion เป็นสารผลิตภัณฑ์และได้ haloform เป็น byproduct
ตัวอย่าง การเกิดปฏิกิริยา iodoform test ในอดีต iodoform test เป็นปฏิกิริยาที่นิยมใช้ในการวิเคราะห์หาโครงสร้างของ aldehyde หรือ ketone ที่มีหมู่ CH3 ต่ออยู่กับ carbonyl เพราะสารที่มีโครงสร้างดังกล่าว เมื่อท าปฏิกิริยากับสารละลาย ไอโอดีนในสภาวะเบสจะเกิดผลึกสีเหลืองของ iodoform ตัวอย่าง 3. ปฏิกิริยา aldol reaction เป็นการเกิดปฏิกิริยาของสารในกลุ่ม aldehyde หรือ ketone เป็นปฏิกิริยาที่เกิดการเชื่อมต่อ 2 โมเลกุลเข้าด้วยกัน ปฏิกิริยาจะเกิดเมื่อมีกรดหรือเบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เมื่อปฏิกิริยาเคมีถูกควบคุมให้อยู่ ในอุณหภูมิต่ าจะเกิดสาร β-hydroxyl aldehyde หรือ β-hydroxyl ketone เป็นสารผลิตภัณฑ์ โดยกรดหรือ เบสที่ท าหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาจะท าการเปลี่ยน aldehyde หรือ ketone ซึ่งมีคุณสมบัติเป็นสาร electrophile ไปเป็นสาร nucleophile ในรูป enol หรือ enolate anion ตามล าดับ
ตัวอย่าง กลไก การเกิดปฏิกิริยา dehydration เมื่อให้ความร้อนกับ aldol product ในสภาวะเบส พบว่าจะเกิดการขจัดน้ า และได้สาร α,βunsaturated aldehyde หรือ α,β-unsaturated ketone เป็นสารผลิตภัณฑ์ สาเหตุของการขจัดน้ าเกิดจาก ผลของความเป็นกรดของ α-hydrogen และ product ที่เกิดขึ้นจากการขจัดน้ ามีความเสถียรกว่าเนื่องจาก เกิดโครงสร้างที่มีคุณสมบัติเป็น conjugate system และส่วนใหญ่แล้วพบว่าปฏิกิริยาจะเกิดการขจัดน้ าโดย อัตโนมัติ ยกเว้นควบคุมปฏิกิริยาให้เกิดที่อุณหภูมิต่ า ตัวอย่าง
กลไก ปฏิกิริยา crossed aldol reaction เป็นปฏิกิริยาที่เกิดจากการท าปฏิกิริยาเคมีของ aldehyde หรือ ketone ที่มี α hydrogen ทั้งคู่โดยใช้ กรดหรือเบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา พบว่าเกิดสารผลิตภัณฑ์ที่เป็นไปได้ทั้งหมด 4 ตัว ปฏิกิริยา crossed aldol reaction เป็นปฏิกิริยาที่ไม่นิยมเนื่องจากเกิดร้อยละผลผลิตของสารผลิตภัณฑ์น้อย (เพราะเกิดเป็นสาร ผลิตภัณฑ์ที่ไม่ต้องการอีก 3 ชนิด) ตัวอย่าง สามารถแก้ปัญหาได้โดยใช้ aldehyde ที่ไม่มี α hydrogen เป็น reagent ตัวหนึ่ง โดยใส่ไปในเบส ก่อน (ไม่สามารถสร้าง enolate anion ได้) จากนั้นค่อยเติม aldehyde ที่มี α hydrogen ลงไปจะท าให้เกิด สารผลิตภัณฑ์เพียงตัวเดียว สาเหตุที่เกิดการขจัดน้ าของปฏิกิริยาตัวอย่าง ทั้งที่ปฏิกิริยาถูกควบคุมให้อยู่ใน อุณหภูมิต่ า เนื่องจากสารผลิตภัณฑ์ที่เกิดหลังขจัดน้ ามีความเสถียรมาก (พันธะคู่ที่เกิดอยู่ในลักษณะ conjugate กับ carbonyl และ phenyl group)
ปฏิกิริยา aldol condenzation เมื่อใช้กรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ผลิตภัณฑ์ได้เหมือนกับปฏิกิริยาที่ใช้เบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา แต่กลไกการเกิดปฏิกิริยาแตกต่างกัน ตัวอย่าง กลไก
ปฏิกิริยาการเติมของสาร α,β-unsaturated aldehydes และ ketone ผลของการดึงอิเล็กตรอนของ อะตอม O ของหมู่ carbonyl ผ่าน resonance ส่งผลท าให้สาร α,βunsaturated aldehydes and ketone มีโอกาสที่จะเกิดคาร์บอนที่ขาดอิเล็กตรอน 2 ต าแหน่ง ซึ่งเป็นต าแหน่ง ที่สาร nucleophile จะเข้าท าปฏิกิริยา ปฏิกิริยาที่เป็นไปได้ของการเกิดปฏิกิริยาการเติม nucleophile ของสารกลุ่มนี้ เป็นไปได้ 2 แบบ ได้แก่ 1. ปฏิกิริยาการเติมแบบ simple addition (1,2-addition) โดย nucleophile จะเข้าท าปฏิกิริยาตรง ต าแหน่ง 2 และ O ตรงต าแหน่ง 1 จะท าปฏิกิริยาจับ H + 2. ปฏิกิริยาการเติมแบบ simple addition (1,4-addition) โดย nucleophile จะเข้าท าปฏิกิริยาตรง ต าแหน่ง 4 และ O ตรงต าแหน่ง 1 จะท าปฏิกิริยาจับ H + จะได้สารตัวกลาง enol form (ไม่เสถียร) ซึ่งจะเกิด การเปลี่ยนไปอยู่ในรูป keto form ที่เสถียรกว่า
ปฏิกิริยาจะเกิดแบบ 1,2-addition หรือ 1,4-addition ขึ้นกับความแรงของ nucleophile ที่เข้าท า ปฏิกิริยา - RMgX และ RLi มีความเป็น nucleophile ที่แรงมากจึงเข้าท าปฏิกิริยาแบบ 1,2- addition ได้ดี - ถ้าเป็น Nucleophileตัวอื่น(RCu, NaOR, NaOH, NaCN, ROH, RNH2) ที่มีความไม่มาก พบว่าจะเข้า ท าปฏิกิริยาแบบ 1,4-addition ได้ดี ตัวอย่างของปฏิกิริยาแบบ 1,2-Addition
ตัวอย่างของปฏิกิริยาแบบ 1,4-addition แบบฝึกหัด 1. จงเติมปฏิกิริยาต่อไปนี้ให้สมบูรณ์
2. จงเขียนกลไกการเกิดปฏิกิริยา