บทที่ 7 เฮไลด์ (Halides) วัตถุประสงค์การเรียนรู้ - เพื่อให้นิสิตเข้าใจเกี่ยวกับสมบัติทางกายภาพและสมบัติทางเคมีของสารในกลุ่ม halide ได้ - นิสิตสามารถเขียนกลไกการเกิดปฏิกิริยาของสารในกลุ่ม halide ได้ สารกลุ่ม halide คือสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีธาตุเฮโลเจน (ธาตุหมู่ 7 ได้แก่ Cl Br I และ F) เป็นองค์ประกอบ สารประกอบหนึ่งๆ สามารถมีธาตุเฮโลเจน ได้ตั้งแต่ 1 อะตอมขึ้นไป สาร aliphatic halide แบ่งออกเป็น 3 กลุ่ม โดยพิจารณาจากคาร์บอนอะตอมที่ธาตุเฮโลเจนมาเกาะ ว่ามีหมู่ R มาเกาะกี่หมู่ 1. Primary alkyl halide มีหมู่ R มาเกาะ 1 หมู่ 2. Secondary alkyl halide มีหมู่ R มาเกาะ 2 หมู่ 3. Tertiary alkyl halide มีหมู่ R มาเกาะ 3 หมู่ คุณสมบัติทางกายภาพของสาร alkyl halides - alkyl halide ขนาดเล็กมักจะอยู่ในสถานะก๊าซ - จุดเดือดแปรผันตาม น้้าหนักโมเลกุล (ความยาวของสายโซ่ไฮโดรคาร์บอน) - มีขั้วมาก ละลายได้ดีในตัวท้าละลายอินทรีย์ที่มีขั้ว เช่น ไดคลอโรมีเทน เอททิลอะซีเตต แต่ไม่ ละลายน้้า
- ไม่เสถียร มักสลายตัวได้ง่ายเมื่อถูกความร้อน - alkyl bromide และ alkyl iodide มีความหนาแน่นมากกว่าน้้า ตาราง 7.1 จุดเดือดของ alkyl halide สูตรโครงสร้าง chloroalkane bromoalkane iodoalkane CH3X -24 5 42 CH3CH2X 13 38 72 CH3CH2CH2X 46 71 102 (CH3)2CH2X 37 60 89 CH3(CH2)3X 78 102 130 CH3(CH2)4X 108 130 157 CH2X2 40 99 180 ปฏิกิริยาของ alkyl halides 1. การสังเคราะห์Grignard reagent Grignard reagent เป็นสาร nucleophile ที่มีความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยา โดยจะท้าหน้าที่เป็นสาร ให้อิเล็กตรอนในปฏิกิริยาเคมี สามารถเตรียมได้จากการท้าปฏิกิริยาของ alkyl halide หรือ aryl halide กับ โลหะ magnesium โดยใช้ dry ether เป็นตัวท้าละลาย
ตัวอย่าง 2. การเกิด organolithium organolithium จัดเป็นสาร nucleophile อีกชนิดหนึ่งที่มีความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาใกล้เคียงกับ Grignard reagent เป็นสารให้อิเล็กตรอนในปฏิกิริยาเคมี สามารถเตรียมได้จาการท้าปฏิกิริยาของ alkyl halide หรือ aryl halide กับโลหะ lithium โดยใช้ dry ether เป็นตัวท้าละลาย สามารถใช้ organolithium เป็นสารตั้งต้นในการเตรียมสาร organometalic ตัวอื่นๆ ตัวอย่าง 3. ปฏิกิริยาการแทนที่ด้วย nucleophile (Nucleophilic substitution) halogen มีค่า EN ของ สูงกว่า C ส่งผลท้าให้ เกิดการดึงอิเล็กตรอนคู่สร้างพันธะเข้าหาอะตอมฮาโล เจน ส่งผลท้าให้อะตอม C เกิดภาวะขาดอะเล็กตรอนอ่อนๆ จึงให้สัญลักษณ์แทนด้วย δ +
ตัวอย่างปฏิกิริยาการแทนที่ด้วย nucleophile ปฏิกิริยาแบบ SN2 Reactions เป็นปฏิกิริยาการแทนที่ ที่กลไกการเกิดปฏิกิริยาเกิดแบบขั้นตอนเดียว (concerted reaction) โดย การเข้าสร้างพันธะของสาร nucleophile กับการหลุดออกของ leaving group เกิดขึ้นพร้อมกัน อัตราการ เกิดปฏิกิริยาขึ้นกับความเข้มข้นของทั้งสารตั้งต้นทั้งสองชนิด โดยที่มาของ S N 2 = Substitution, Nucleophilic, 2=bimolecula Rate [CH3Cl] [OH- ]
กลไก Mechanism and stereochemistry of SN2 Reactions nucleophile เข้าท้าปฏิกิริยาฝั่งตรงข้ามของ leaving group ที่จะหลุดออก ส่งผลท้าให้สารผลิตภัณฑ์ ที่ได้ มีลักษณะเป็น inversion of configuration (มี configuration ตรงข้ามกับ สารตั้งต้น) ปฏิกิริยาแบบ SN1 Reactions เป็นปฏิกิริยาการแทนที่ที่กลไกการเกิดปฏิกิริยาเกิดแบบหลายขั้นตอน (multistep reaction (stepwide)) ขั้นที่เกิดช้าสุดจะเป็นตัวก้าหนดอัตราการเกิดปฏิกิริยารวม โดยกลไกจะเกิดผ่านตัวกลางที่เป็น carbocation สาร 3 o alkyl halide มักเกิดปฏิกิริยาการแทนที่แบบ SN1 ได้ดี เนื่องจากเกิดการแตกตัวแล้วได้ 3 o carbocation ที่เสถียร โดยที่มาของ SN1 reaction มาจาก Substitution, Nucleophilic, Unimolecular อัตรา การเกิดปฏิกิริยาแบบ SN1 จะขึ้นกับความเข้มข้นของสารตั้งต้นเพียงตัวเดียวเท่านั้น
ตัวอย่าง กลไก Step 1 Step 2 Step 3 สเตอรีโอเคมีของผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีแบบ SN1 reactions สารมี chiral carbon (คาร์บอนที่มีหมู่ที่สร้างพันธะทั้งสี่ ไม่เหมือนกัน) ณ ต้าแหน่งที่ท้าปฏิกิริยา จะ ท้าให้ได้สารผลิตภัณฑ์ที่เป็นสาร 2 stereoisomer ในสัดส่วนที่เท่ากัน (racemic mixture) เนื่องจากปฏิกิริยา แบบ SN1 เกิดผ่านสารตัวกลางที่อยู่ในรูป carbocation ซึ่งมีโครงสร้างทางเคมีเป็นระนาบแบน (trigonal planar) ส่งผลท้าให้สาร nucleophile สามารถเข้าท้าปฏิกิริยาได้ทั้ง 2 ทิศทาง (ในทิศบนและล่างของระนาบ) ท้าให้ได้สารที่มีลักษณะเป็น racemic mixture เป็นสารผลิตภัณฑ์
racemic mixture คือสารผสมที่มี R และ S isomer ในอัตราส่วน 50:50 ท้าให้มีการบิดของแสง ระนาบเดี่ยวหักล้างกันเป็นศูนย์ กลไก Step 1 Step 2
Step 3 ปัจจัยที่มีผลต่อการเกิดปฏิกิริยาแบบ SN1 หรือ SN2 1) โครงสร้างของ substrate (ความเกะกะ) 2) ความเข้มข้น และ reactivity ของ nucleophile (ส้าหรับ bimolecular reactions) 3) ผลของ solvent 4) ธรรมชาติของ leaving group 5) steric effects (ความเกะกะของโครงสร้าง) ในปฏิกิริยาแบบ SN2 reaction โครงสร้างของ substrate ความเกะกะของโครงสร้าง alkyl halide มีผลกับความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาการแทนที่แบบ SN2 โครงสร้างของสารตั้งต้นที่มีความเกะกะสูงส่งผลท้าให้เกิดปฏิกิริยาการแทนที่ได้น้อยกว่าโครงสร้างที่มี ความเกะกะน้อย ปฏิกิริยาการแทนที่แบบ SN2 มักเกิดได้ดีกับ สารในกลุ่ม 1 o alkyl halide
ผลของโครงสร้างของสารที่ท าหน้าที่เป็น substrate ตัวอย่างของโครงสร้างของ alkyl bromide ที่เกิดปฏิกิริยากับน้้า ปฏิกิริยาเกิดผ่านกลไกแบบ SN1 พบว่า 3 o alkyl bromide เกิดปฏิกิริยาได้ดีที่สุด เพราะเกิดผ่านสารตัวกลาง (carbocation) ที่เสถียรที่สุด ตาราง 7.2 ความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างของ alkyl halides ในการเกิดปฏิกิริยากับน้้า Alkyl halide Type Product Relative rate of reaction CH3Br methyl CH3OH 1.0 CH3CH2Br 1° CH3CH2OH 1.0 (CH3)2CHBr 2° (CH3)2CHOH 12 (CH3)3CBr 3° (CH3)3COH 1,200,000 อัตราการเกิดปฏิกิริยาสัมพันธ์กับความเสถียรของ carbocations โดยล้าดับความเสถียรของ carbocation แต่ละชนิดเป็นดังนี้ allylic carbocations และ benzylic carbocations มีความเสถียรเนื่องจากการเกิด delocalization allylic carbocations: delocalization
benzylic carbocations: delocalization ผลของตัวท าละลาย (Solvent effects) Protic solvents protic solvents คือ solvent ที่มีอะตอมของ hydrogen เกาะอยู่กับอะตอมของธาตุที่มีค่า EN สูง (O, N and S) เช่น alcohols, carboxylic acid และน้้า ตัวท้าละลายชนิด protic solvents ใช้ได้ดีในปฏิกิริยาแบบ SN1 เพราะ ช่วยล้อมรอบ (solvate) cations และ anions ที่เกิดขึ้นได้ดี และช่วยท้าให้สารตัวกลาง (carbocation) ที่เกิดขึ้น ให้มีความเสถียรมากขึ้น Polar aprotic solvents
polar aprotic solvents ใช้ได้ดีในปฏิกิริยาแบบ SN2 เพราะ solvent ไม่มีผลต่อการเข้าท้าปฏิกิริยา ของ nucleophile และ polar aprotic solvents จะละลาย ionic compounds ได้ดี และยังสามารถล้อมจับกับ cations ที่เกิดขึ้น สรุป กลไกเกิดผ่าน SN1 เมื่อ - substrates สามารถเปลี่ยนไปอยู่ในรูป carbocation ที่เสถียร - weak nucleophiles - อยู่ใน protic solvent กลไกเกิดผ่าน SN2 เมื่อ - substrate และ nucleophile มี steric น้อย - strong nucleophiles - polar aprotic solvents - high concentration of nucleophiles การเกิดผลิตผลที่ไม่ได้คาดหวัง ปฏิกิริยาผ่านกลไกแบบ SN1 เมื่อเกิดสารตัวกลาง (carbocation) ที่เสถียรน้อย จะเกิดการจัดเรียง ตัวใหม่ของโครงสร้างให้ไปอยู่ในรูปที่เสถียรกว่า ส่งผลท้าให้เกิดสารผลิตภัณฑ์ที่ไม่คาดหวังขึ้น เช่นปฏิกิริยาการแทนที่ของ 2-chloro-3,3-dimethylbutane ผลิตผลที่ควรจะได้คือ 2-bromo-3,3- dimethylbutane แต่พบว่าสารผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นคือ 2-bromo-2,3-dimethylbutane ซึ่งเป็นผลิตผลที่ไม่ คาดหวัง เป็นผลมาจาการจัดเรียงตัวใหม่ของสารตัวกลาง carbocation
การจัดเรียงตัวใหม่ (rearrangement) การจัดเรียงตัวใหม่ (rearrangement) ของ carbocation มีได้หลากหลายรูปแบบ ดังนี้ Methide shift (CH3 - ) เป็นการจัดเรียงตัวใหม่ของ carbocation ผ่านการย้ายของหมู่ CH3 - Hydride shift (H - ) เป็นการจัดเรียงตัวใหม่ของ carbocation ผ่านการย้ายของ H - Resonance effect เกิดผ่านสารตัวกลางที่เกิด resonance stabilize ของ allyl carbocation
ตัวอย่าง 3. ปฏิกิริยาการขจัด (Elimination) ปฏิกิริยาการขจัดเป็นปฏิกิริยาที่เกิดการก้าจัดเอาอะตอมหรือหมู่ของอะตอมที่อยู่ในคาร์บอนที่ ติดกันออกจากโมเลกุล เมื่อสารในกลุ่ม alkyl halide ท้าปฏิกิริยากับเบส จะปฏิกิริยาการขจัดแล้วเกิดสาร ในกลุ่ม alkene เป็นสารผลิตภัณฑ์ กลไกการเกิดปฏิกิริยา มี 2 แบบ 1. การขจัดแบบ E2 (bimolecular elimination) อัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นกับ ความเข้มข้นของ halide และเบส โดยหมู่ทั้งสองที่ถูกก้าจัดต้องอยู่ใน ลักษณะ anti-periplanar (วางตัวอยู่ในระนาบเดียวกันและอยู่ตรงกันข้ามกัน) เพราะเมื่อเกิดปฏิกิริยาการ ขจัด อะตอมจะต้องมีการจัด p-orbital ที่ขนานกันเพื่อสร้าง -bond การแตกพันธะเดิม และการสร้าง พันธะใหม่เกิดขึ้นภายในขั้นตอนเดียว กลไกการขจัดแบบ E2
2. การขจัดแบบ E1 (unimolecular elimination) อัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นกับความเข้มข้นของสารเฮไลด์อย่างเดียว กลไกการเกิดปฏิกิริยาโดยเกิด เป็นขั้นตอน (step) คือมีการแตกตัวของสารเฮไลด์อยู่ในรูป carbocation ก่อน จากนั้นเป็นการขจัดโปรตอน กลไก การขจัดแบบ E1 อันดับความไวในการเกิดปฏิกิริยาแบบ E1 และ E2 ทิศทางของการเกิดปฏิกิริยาการขจัด ทิศทางการเกิดปฏิกิริยาการขจัดจะเป็นไปตามกฎของเซทเซฟ (saytzeft rule) ที่มีอยู่ว่าปฏิกิริยา การขจัดจะเกิดให้ได้อัลคีที่มีหมู่แอลคิลแทนที่อยู่มาก (more highly substituted alkene)
สามารถท้านายได้ว่าปฏิกิริยาการขจัดแบบ E1 ของ 2-bromobutane จะได้ 2-butene (major product) มากกว่า 1-butene (minor product) CH3CH2CHCH3 Br 2-bromobutane + NaOH E1 CH3CH CHCH3 + CH3CH2CH CH2 2-butene (80%) 1-butene (20%) Stability of alkene ตัวอย่าง
ปฏิกิริยาการขจัดแบบ E2 ในระบบไซคลิก ปฏิกิริยาการขจัดของสาร A จะเกิดผลิตภัณฑ์ 2 ตัว เนื่องจากเบสมีโอกาสจับ H + ที่วางตัวใน ลักษณะตรงข้ามกับ Cl ได้ 2 ต้าแหน่ง แต่พบว่าปฏิกิริยาการขจัดของสาร B จะเกิดผลิตภัณฑ์แค่ 1 ตัว เนื่องจากเบสมีโอกาสจับ H + ที่ วางตัวในลักษณะตรงข้ามกับ Cl ได้เพียง 1 ต้าแหน่ง เปรียบเทียบให้เห็นถึงการวางตัวของอะตอม H กับหมู่ Cl ของสาร A และ B พบว่า สาร A มี H ที่ วางตัวอยู่ในลักษณะ anti-periplanar 2 ตัว ในขณะที่ สาร B มี H เพียงตัวเดียวที่วางตัวอยู่ในลักษณะ antiperiplanar
ผลิตผลฮอฟแมนน์(Hoffmann product) การเกิดปฏิกิริยาการขจัด ทั้ง E1 และ E2 มักเป็นตามกฎเซทเซฟ แต่มีบางครั้งเกิดปฏิกิริยาที่ได้ alkene ที่มีหมู่แทนที่น้อยเป็นผลิตผลหลัก มักมีสาเหตุมาจาก steric effect 1. ขนาดของเบสที่เข้าท้าปฏิกิริยา หากเบสที่เข้าท้าปฏิกิริยามีขนาดเล็ก (ไม่มีความเกะกะของโครงสร้าง) ส่งผลให้ได้สารผลิตภัณฑ์ เป็นตามกฎเซทเซฟ แต่ถ้าเบสที่เข้าท้าปฏิกิริยาเป็นเบสขนาดใหญ่ โครงสร้างมีความเกะกะ จะส่งผลท้าให้ ได้ alkene ที่มีหมู่แทนที่น้อยเป็นผลิตภัณฑ์ บางครั้งจะนิยมเรียกว่าเป็นผลิตผลฮอฟแมนน์ เบสที่มีความเกะกะสูง จึงมีโอกาสที่จะจับ H + ของสารตั้งต้นในฝั่งที่มีความเกะกะน้อยได้ดีกว่า
2 ขนาดของหมู่ล้อมรอบหมู่ living group ของสารตั้งต้น เบสมักจะเลือกจับโปรตรอนฝั่งที่มีความเกะกะ น้อย ขนาดของหมู่ living group ที่ใหญ่ ส่งผลท้าให้เบสเลือกจับ H + ฝั่งที่มีความเกะกะน้อย การแข่งขันระหว่างปฏิกิริยาแบบ SN2, SN1, E2 และ E1 1 o alkyl halide - เกิดปฏิกิริยาแบบ SN2 ได้ดีกว่า SN1 เพราะเกิดการแตกตัวเป็น carbocation ได้ยาก - การใช้ nucleophile ที่ดี เช่น RSI - Br- CN- หรือการใช้เบสขนาดเล็ก เช่น HO- หรือ EtO- จะเกิด แบบ SN2 มากกว่า E2
- ถ้าใช้เบสขนาดใหญ่ เช่น tert-BuO- จะเกิดปฏิกิริยาแบบ E2 ดีขึ้น เพราะความเกะกะท้าให้ไม่ สามารถเกิดปฏิกิริยาการแทนที่แบบ SN1 ได้ 3 o alkyl halide เกิดกลไกได้ 3 อย่าง คือ SN1 E1 และ E2 ขึ้นกับสภาวะในการท้าปฏิกิริยา - เมื่อใช้เบสแรงจะเกิดแบบ E2 - ใช้ nucleophile ที่เป็นเบสอ่อนจะเกิดแบบ SN1 และ E1 ตัวอย่าง
ปฏิกิริยา reduction 1. สังกะสีในกรด เมื่อสาร alkyl halide ท้าปฏิกิริยากับสังกะสีในกรด (กรดที่นิยมใช้ได้แก่ HCl และ CH3COOH) จะได้สาร ในกลุ่ม alkane เป็นสารผลิตภัณฑ์ ตัวอย่าง 2. ปฏิกิริยา hydrogenation เมื่อสาร alkyl halide ท้าปฏิกิริยากับก๊าซไฮโดรเจน โดยมี Pd Pt หรือ Ni เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา จะ ได้สารในกลุ่ม alkane เป็นสารผลิตภัณฑ์ 3. การใช้ hydride เมื่อสาร alkyl halide ท้าปฏิกิริยากับ H - (hydride) จะได้สารในกลุ่ม alkane เป็นสารผลิตภัณฑ์ โดยส่วนใหญ่สารที่ให้ hydride ion ได้แก่ NaBH4 หรือ LiAlH4 ตัวอย่าง
แบบฝึกหัด 1. จงเติมปฏิกิริยาต่อไปนี้ให้สมบูรณ์ 2. จงเขียนกลไกของปฏิกิริยาต่อไปนี้ และจงระบุว่าปฏิกิริยาเกิดผ่านกลไกแบบใด