บทที่ 12 carboxylic acid

1

เอกสารประกอบการสอน วชิ าเคมีอนิ ทรีย์ 242141

บทที่ 12 Carboxylic Acids และอนภุ ณั ฑ์

จดั ทำโดย อ.คงเดช สวำสดิ์พันธ์ สำขำวิชำเคมี คณะวิทยำศำสตร์ มหำวิทยำลยั พะเยำ

วัตถปุ ระสงค์กำรเรียนรู้

1. เพือ่ ให้นสิ ิตเข้ำใจเกีย่ วกบั สมบัติทำงกำยภำพและสมบัติทำงเคมีของสำรในกลุ่ม
carboxylic acid และอนุภัณฑไ์ ด้

2. นิสิตสำมำรถเขียนกลไกกำรเกิดปฏิกิริยำของสำรในกลุ่ม carboxylic acid และอนุ
ภัณฑ์ได้
Carboxylic acid เป็นสำรอินทรีย์ที่หมู่ฟังก์ชั่น คือ carboxyl group ผลจำกกำร

จัดเรียงโครงสร้ำงส่งผลให้ H ของหมู่ carboxyl group หลุดได้ง่ำย (แสดงคุณสมบัติเป็น
กรด) ทำให้นิยมเรียกสำรกลุ่มนี้อีกอย่ำงหนึ่งว่ำกรดอินทรีย์ กรดอินทรีย์เป็นกรดที่พบได้
ในสิ่งมีชีวิตที่มีรสเปรี้ยว เช่น formic acid ในมดแดง citric acid ในน้ำมะนำวหรือน้ำส้ม
acetic acid ในน้ำส้มสำยชู หรอื L-tartaric acid ในมะขำม

สำรอนุพันธ์ของ Carboxylic acid ได้แก่สำรในกลุ่ม acid chloride, acid anhydride,
ester, amide และ nitrile คุณสมบัติของสำรอนุพันธ์ของ carboxylic acid คือสำรที่เม่ือ
เกิดปฏิกิริยำ hydrolysis โดยใช้สำรละลำยกรดหรือเบสแล้วได้ carboxylic acid หรือ
carboxylate anion เปน็ สำรผลติ ภณั ฑ์

2

ตัวอย่ำง

คุณสมบัติทางกายภาพของ carboxylic acid
- Carboxylic acid มีควำมมีข้ัวมำก เกิด Strong hydrogen bonding ระหว่ำงโมเลกุล
ดงั นนั้ จะมีจดุ เดือดทีส่ ูงกว่ำ alcohol
- จุดเดือดแปลผนั ตำมน้ำหนักโมเลกุล (จำนวนคำร์บอน)
- carboxylic acid จะเกิด hydrogen bonding ได้ดีกับโมเลกุลของน้ำ ดังนั้นสำรที่มี
โมเลกุลขนำดเล็กจะละลำยน้ำได้ดี แต่กำรละลำยน้ำจะลดลงเม่ือส่วนของสำยโซ่
ไฮโดรคำร์บอนยำวขึน้

คณุ สมบตั ิความเปน็ กรดของ Carboxylic Acids
Carboxylic acid มีค่ำ pKa = 4-5 มีควำมเป็นกรดมำกกว่ำ alcohol และ phenol

เพรำะเม่ือเกิดกำรแตกตัว จะอยู่ในรูป carboxylate anion ซึ่งมีควำมเสถียรเนื่องจำกเกิด
resonance stabilize ของประจลุ บที่เกิดขึน้ ได้

3

Carboxylic acid จะสำมำรถทำปฏิกิรยิ ำได้กบั ท้ังเบสแก่และเบสอ่อน
ปฏิกิรยิ ำกับเบสแก่

ปฏิกิรยิ ำกับเบสอ่อน
ตัวอย่ำง
ปฏิกิรยิ าของ carboxylic acid

1. ปฏิกิรยิ าการเตรยี ม Acid chloride

4

สำร acid chloride สำมำรถเตรียมได้จำกปฏิกิริยำของ carboxylic acid กับ thionyl
chloride (SOCl2) Phosphorous trichloride (PCl3) หรอื Phosphorous pentachloride (PCl5)

ตวั อย่ำง

2. esterification (ปฏิกิรยิ าการสังเคราะห์ ester)
carboxylic acid ทำปฏิกิริยำกับ alcohol โดยมีกรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยำได้สำรใน

กลุ่ม ester เปน็ สำรผลติ ภัณฑ์ ปฏิกิรยิ ำนเี้ กิดได้ไม่ดีมำกนกั และอยู่ในรูปปฏิกิริยำที่เกิดผัน
กลับได้ ปฏิกิริยำจะเกิดได้ดีขึ้นเม่ือมีกำรรบกวนสมดุลเคมี โดยกำรขจัดน้ำออกจำกระบบ
หรอื กลัน่ เอำ ester ที่ได้ออกมำจำกปฏิกิรยิ ำ เพรำะจะช่วยใหส้ มดุลของปฏิกิรยิ ำเคลื่อนไป
ทำงขวำมอื มำกขึ้น

ตวั อย่ำง

3. ปฏิกิรยิ ากับสาร organolithium

5

ปฏิกิริยำของ carboxylic acid กับ organolithium ตำมด้วยกำรเกิดปฏิกิริยำกับ
สำรละลำยกรดจะได้สำรในกลุ่ม ketone เปน็ สำรผลติ ภณั ฑ์

ตัวอย่ำง

4. ปฏิกิรยิ า Reduction
carboxylic acid ถูกรีดิวส์ได้ยำก ปฏิกิริยำจะเกิดขึ้นได้ต้องใช้ตัวรีดิวส์ที่แรง เช่น

LiAlH4 หรอื BH3 ตำมด้วยสำรละลำยกรด (H3O+)

ตัวอย่ำง

5. ปฏิกิรยิ า Decarboxylation
เป็นปฏิกิริยำทีเ่ กิดกำรกำจดั หมู่ carboxyl ออกจำก carboxylic acid ในรปู ของก๊ำซ

คำร์บอนไดออกไซด์ กำรกำจัดจะยำกหรือง่ำยขึ้นกับโครงสร้ำงสำร โดยปกติปฏิกิริยำ
decarboxylation ของ monocarboxylic acid เกิดได้ยำก ยกเว้นสำรในกลุ่ม aromatic
carboxylic acid ทีม่ หี มดู่ ึง electron เกำะอยู่จะเกิด decarboxylation ได้ง่ำยขึ้น
ตวั อย่ำง

6

monocarboxylic acid ที่มี carbonyl group อยู่ที่ตำแหน่ง alpha และ beta จะเกิด
decarboxylation ได้ดเี มื่อใหค้ วำมรอ้ น
α-keto acid

1,3-dicarboxylic acid (β-keto acid)

กลไกกำรเกิด decarboxylation ของ β-keto acid เกิดผ่ำน 6-membered ring
transition state

ปฏิกิรยิ าของสารอนุพนั ธ์ของ carboxylic acid
ลำดับควำมสำมำรถในกำรเกิดปฏิกิรยิ ำของสำรอนุพนั ธ์ของ carboxylic acid เปน็

ดงั น้ี acid chloride > acid anhydride > ester > amide

7

ปฏิกิรยิ าการแทนทด่ี ว้ ย Nucleophile ตรงตาแหน่ง Acyl carbon
ปฏิกิรยิ ำแบ่งเปน็ 2 ขน้ั ตอน คอื Nucleophilic addition และ Elimination

Nucleophilic addition

Elimination

ตวั อย่ำง

Acid chloride or Acyl chloride
เป็นสำรที่มีควำมสำมำรถในกำรเกิดปฏิกิริยำที่มำกที่สุด นิยมนำมำใช้เป็นสำรต้ัง

ต้นในกำรสังเครำะห์แทน carboxylic acid ที่ไม่ว่องไวในกำรเกิดปฏิกิริยำ และนิยมใช้เป็น
สำรตั้งต้นในกำรสงั เครำะหอ์ นพุ นั ธ์ของ carboxylic acid ตวั อืน่ ๆ

8

คุณสมบตั ิทางกายภาพของ acid chloride
- มีจดุ เดือดเหมอื นกบั aldehyde หรอื ketone ทีม่ นี ้ำหนักโมเลกลุ ใกล้เคียงกนั
- มีกลิ่นฉนุ แสบจมกู โดยเฉพำะตวั ทีม่ โี มเลกุลต่ำๆ ซึ่งระเหยง่ำย
- เหตทุ ีแ่ สบจมูกเพรำะ acid chloride จะทำปฏิกิรยิ ำกับควำมชื้นในอำกำศ โดยจะ
ถูกไฮโดรไลส์ ได้กรด HCl เป็นสำร bye product
1. ปฏิกิรยิ า hydrolysis
สำร acid chloride เกิดปฏิกิริยำ hydrolysis โดยสำรละลำยกรดหรือเบส ได้

Carboxylic acid หรอื Carboxylate anion เป็นสำรผลติ ภัณฑ์

2. ปฏิกิรยิ าการสงั เคราะห์ acid anhydride
เมื่อนำสำร acid chloride มำทำปฏิกิรยิ ำกับ เกลือ carboxylate จะได้ acid anhydride

เป็นสำรผลติ ภัณฑ์

ตัวอย่ำง

3. ปฏิกิรยิ าการสงั เคราะห์ ester
Ester สำมำรถสังเครำะห์ขึ้นจำกกำรทำปฏิกิริยำของ acid chloride กับ alcohol โดย

มีเบสเปน็ ตวั เร่งปฏิกิรยิ ำ ปฏิกิรยิ ำเกิดได้ดีกว่ำปฏิกิรยิ ำกำรสงั เครำะหจ์ ำก carboxylic acid

9

ตวั อย่ำง

4. ปฏิกิรยิ าการสังเคราะห์ amide
เมื่อนำ acid chloride มำทำปฏิกิรยิ ำกบั 1o amine หรอื 2o amine จะได้ amide เป็น

สำรผลติ ภัณฑ์

ตัวอย่ำง

5. ปฏิกิรยิ า Reduction
เป็นปฏิกิริยำที่ใช้ในกำรสังเครำะห์ aldehyde หรือ alcohol หำกเลือกใช้ reducing

agent ที่ไม่รุนแรง เชน่ H2/PdSO4 หรอื LiAlH(O-t-Bu)3 จะได้ aldehyde เป็นสำรผลติ ภัณฑ์
แต่เม่ือใช้ reducing agent ที่รุนแรง เช่น LiAlH4 ปฏิกิริยำ Reduction จะเกิดต่อเนื่องจนได้
alcohol เปน็ สำรผลติ ภณั ฑ์

ตัวอย่ำง

10

6. Reaction with organometallic compound
- Nucleophile ที่แรงไม่มำกเช่น R2Cd, R2CuLi จะเกิดปฏิกิริยำได้ ketone เป็นสำร
ผลติ ภัณฑ์
- ถ้ำเป็น Nucleophile ทีแ่ รงมำก เช่น RMgX, RLi จะเกิดปฏิกิรยิ ำได้ 2o alcohol เปน็
สำรผลิตภณั ฑ์

ตัวอย่ำง

7. Friedel-Crafts acylation

11

ปฏิกิรยิ ำของเบนซีนกับสำร acid halide โดยมีกรดลิวอีส (AlCl3, FeCl3 หรอื FeBr3)
เป็นตวั เร่งปฏิกิรยิ ำจะได้ aromatic ketone เปน็ สำรผลติ ภณั ฑ์

ตัวอย่ำง

Acid anhydride
Acid anhydride เป็นสำรที่มี reactivity สูงรองจำก acid chloride สำมำรถใช้ acid

anhydride เป็นสำรต้ังต้นในกำรสังเครำะห์ carboxylic acid และ อนุพันธ์ ตัวอื่นๆ ยกเว้น
acid chloride เพรำะ –CO2R มีควำมเปน็ leaving group น้อยกว่ำ Cl

Esters

คุณสมบัติทางกายภาพของ ester
- ester มักมีกลิ่นหอม มีจุดเดือดต่ำกว่ำ carboxylic acid ที่มีน้ำหนักโมเลกุล
ใกล้เคียงกัน เพรำะ ester ไม่เกิด intermolecular hydrogen bonding
- ester มีจุดเดือดใกล้เคียงกบั aldehyde หรือ ketone ที่มีน้ำหนักโมเลกุลใกล้เคียง
กัน

12

ปฏิกิรยิ าทน่ี ่าสนใจของ Ester
1. Acid-Catalyzed Ester Hydrolysis
Carboxylic acid คือผลติ ภัณฑข์ องปฏิกิรยิ ำ Hydrolysis ของ ester โดยใช้กรดเปน็

ตัวเร่งปฏิกิรยิ ำ

2. Base-Promoted Hydrolysis of Ester
ปฏิกิริยำ Hydrolysis ของ ester โดยใช้เบสจะได้เกลือ carboxylate เป็นสำร

ผลิตภัณฑ์ ปฏิกิริยำนี้จะถูกเรียกว่ำ Saponification กรณีที่จำนวนคำร์บอนของสำยโซ่
ไฮโดรคำร์บอนของ ester มีมำกกว่ำ 11 อะตอมขึ้นไป โดยเกลือ carboxylate ที่ได้จำก
ปฏิกิรยิ ำจะแสดงคุณสมบตั ิเปน็ สบู่

ดังนั้นนิยำมของ สบู่ คือ เกลือของกรดไขมัน ในธรรมชำติหน่วยที่เล็กที่สุดของ
ไขมัน (lipid) มักจะอยู่ในรูป triacylglycerol (ซึ่งจะเป็น long-chain carboxylic acid จับกับ
glycerol ด้วย ester bond) เม่ือนำเอำไขมันมำทำปฏิกิริยำกับเบสแก่ จะเกิดปฏิกิริยำ
Hydrolysis จะได้เกลือของกรดไขมนั (สบู่) และ glycerol เปน็ สำรผลติ ภณั ฑ์

13

- glycerol ที่เป็นผลพลอยได้ของปฏิกิรยิ ำ นิยมนำมำใช้เป็นสำรให้ควำมชุ่มชื่นแก่
ผวิ หนงั ในอตุ สำหกรรมเคร่ืองสำอำง

กลไกการขจัดสิ่งสกปรกของสบู่
เนื่องจำกโครงสร้ำงทำงเคมีของสบู่จะมีโครงสร้ำงแบ่งออกเป็น 2 ส่วน ที่มีสภำพ

ข้ัวที่แตกต่ำงกัน ส่วนแรกคือส่วนของสำยโซ่ไฮโดรคำร์บอน (ส่วนที่มีสภำพข้ัวน้อย ไม่
ละลำยน้ำ) ส่วนที่ 2 คือสว่ นของหมู่ carboxylate anion (ส่วนทีช่ อบน้ำเกิดกำรแตกตัวได้ใน
น้ำ จึงละลำยน้ำได้ดี) เม่ือโมเลกุลสบู่หลำยๆ โมเลกุลละลำยในน้ำ จะเกิดกำรจัดเรียงตัว
กันโดยหันด้ำนที่มีขั้วน้อยเข้ำหำกัน ส่วนด้ำนที่มีข้ัวมำกจะหันเข้ำหำโมเลกุลของน้ำที่
ล้อมรอบ จนมีลักษณะเป็นอนุภำคทรงกลมเล็กๆ เรียกว่ำ micelles สิ่งสกปรกที่ไม่ละลำย
น้ำจะละลำยอยู่ในแกนกลำงของ micelles และทั้งหมดจะถูกล้ำงออกไปพร้อมกบั น้ำ

14

ลกั ษณะอนภุ ำคของ micelles ในน้ำ
ปฏิกิรยิ า transesterification

เป็นปฏิกิริยำเคมีที่ใช้ในกำรเปลี่ยน ester ให้กลำยไปเป็น ester ตัวใหม่โดยกำร
เปลีย่ นหมู่ -OR โดยปฏิกิรยิ ำจะใช้กรดหรอื เบสเปน็ ตวั เร่งปฏิกิรยิ ำ

ตวั อย่ำง

ปฏิกิริยำ transesterification ถูกนำมำใช้ประโยชน์มำก ในกำรเตรียมไบโอดีเซล
เนื่องจำกปัญหำของ diesel oil ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์จำกน้ำมันดิบที่มีคำร์บอน 13 หรือ 14
อะตอมที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงในปัจจุบันเป็นทรัพยำกรสิ้นเปลืองและกำลังจะหมดไป จึงมีกำร
พยำยำมนำน้ำมันกลุ่มน้ำมันพืชและไขมันสัตว์มำทดแทน แต่เกิดปัญหำเน่ืองมำจำกควำม
หนืดของน้ำมันทำให้ไม่สำมำรถนำมำใช้กับเคร่ืองยนต์โดยตรงได้ เนื่องมำจำกน้ำมันพืช
และไขมันสัตว์มีโครงสร้ำงเป็น triacylglycerol (ซึ่งจะเป็น long-chain carboxylic acid จับ
กับ glycerol ด้วย ester bond) ซึง่ มีโมเลกลุ ใหญ่จึงมีควำมหนดื มำก (เกิดแรงดงึ ดดู ระหว่ำง
โมเลกุลมำก) จึงมีกำรพยำยำมพยำยำมเปลี่ยนแปลงโครงสร้ำงทำงเคมีของ

15

triacylglycerol ให้มำอยู่ในรูป ester มีขนำดโมเลกุลเล็กลงเพื่อลดควำมหนืด โดยใช้
ปฏิกิรยิ ำ transesterification
ตัวอย่ำง

Lactone
คือ ester ที่อยู่ในรปู วง (cyclic ester) กำรเรียกช่อื ขึน้ กบั ตำแหน่งของ C ทีม่ ำสร้ำง

ester bond

Amide
เป็นสำรอนภุ ัณฑต์ ัวหนึ่งของ carboxylic acid

16

คุณสมบัติทางกายภาพของ amide
- amide ส่วนใหญ่มักมีสถำนะเป็นของแข็งที่อุณหภมู หิ อ้ ง และมักมีจุดเดือด
ค่อนขำ้ งสูง เพรำะเกิด intermolecular hydrogen bonding

Lactams
คือ amide ทีม่ ลี ักษณะเป็นวง (cyclic amide)

Penicilin G เป็นตัวอย่ำงของสำรในกลุ่ม amide ที่มีคุณสมบัติเป็นยำฆ่ำเชื้อ
bacteria โดยจะไปยับยังกำรทำงำนของเอ็นไซม์ ที่เกี่ยวข้องกับกำรสังเครำะห์ผนังเซลล์
ของเชอื้ แบคทีเรยี

Penicilin G
กลไกกำรยังย้ังเอมไซม์ของ Penicilin G หมู่ amino ที่เป็นส่วนหนึ่งของ active site
ของเอนไซม์ เข้ำมำสร้ำงพันธะกบั หมู่ lactam ของโมเลกุล Penicilin G ส่งผลทำให้ เอนไซม์
เสียสภำพ ไม่สำมำรถสร้ำงผนังเซลล์ให้กับเอนไซม์ได้อกี ต่อไป

17

แบบฝึกหดั
1. จงเติมปฏิกิรยิ ำต่อไปนีใ้ ห้สมบูรณ์

18

2. จงเขียนกลไกกำรเกิดปฏิกิรยิ ำ

บรรณานุกรม

รำไพ ศริ ิมนกุล “เคมีอินทรีย์เบื้องต้น” ภำควิชำเคมี คณะวิทยำศำสตร์ มหำวทิ ยำลยั รำมคำแหง 2543
อุดม ก๊กผล โสภณ เริงสำรำญ อมร เพชรสม (2547) อินทรีย์เคมี 1. พมิ พค์ รง้ั ที่ 1 กรุงเทพฯ สำนกั พิมพ์

แห่งจฬุ ำลงกรณม์ หำวทิ ยำลยั
เกสร พะลงั สุนันท์ ชยั นะกลุ (2549) เคมีอินทรีย์ . พมิ พค์ รง้ั ที่ 1 กรุงเทพฯ สำนักพิมพแ์ ห่งจฬุ ำลงกรณ์

มหำวทิ ยำลยั
Carey F A (2010) “Organic Chemistry”, 7th Ed, McGraw-Hill Companies, Inc.

19

McMerry J (2008) “Organic Chemistry”, 7th Ed, Brooks/Cole Publishing Company
Solomons T. W. G, Fryhle C B (2011) “Organic Chemistry”, 11st Ed, New York: John Wiley