บทที่ 6 สารประกอบอะโรมาติก (Aromatic compounds) วัตถุประสงค์การเรียนรู้ - เพื่อให้นิสิตเข้าใจเกี่ยวกับสมบัติทางกายภาพและสมบัติทางเคมีของสารในกลุ่ม aromatic compounds ได้ - นิสิตสามารถเขียนกลไกการเกิดปฏิกิริยาของสารในกลุ่ม aromatic compounds ได้ aromatic hydrocarbon เป็นสารที่มีลักษณะเป็น cyclic-hydrocarbon หรือ heterocyclic ที่มีลักษณะ พิเศษ ตามกฏของ Huckel ดังนี้ 1. เป็น planar cyclic คือ เป็นสารที่มีลักษณะโครงสร้างเป็นวงที่มีรูปทรงเป็นระนาบแบน 2. ทุกอะตอมในวง ต้องมี p-orbital ที่ตั้งฉากกับระนาบของวง 3. ในวงต้องมี - electron วิ่งวนได้รอบ จ านวน 4n+2 เมื่อ n=0,1,2,3…… นั่นคือ วงที่มี - electron เท่ากับ 2, 6, 10, 14 ตัวอย่าง orbital structures ของวงอะโรมาติกแสดงให้เห็นว่าทุกอะตอมในวงอะโรมาติกจะมี electron ที่ สามารถเคลื่อนที่ได้รอบวง (เกิด resonance ของอิเล็กตรอน) ส่งผลท าให้สารอะโรมาติกมีความเสถียรกว่า
(เกิดปฏิกิริยาได้ยากกว่า) สาร unsaturated hydrocarbon ชนิดอื่นๆ และผลของการที่ electron ไม่ได้อยู่ คงที่ ส่งผลท าให้ท าให้ทุกพันธะในวงอะโรมาติกมีความยาวระหว่างพันธะเท่ากัน (1.39 Ao ) 2. Heterocyclic aromatic compounds วงอะโรมาติกที่มี hetero atom (O, N, S ) อยู่ในวง Orbital structures of pyrrole and furan
Orbital structure of pyridine ตัวอย่างสารที่มีสมบัติไม่ครบ 3 ประการตามกฎของ Huckel คือ มีจ านวน - electron ไม่เท่ากับ 4n+2 และโครงสร้างไม่เป็น planar จึงไม่ถือว่าเป็น aromatic compound สารประกอบใดๆ ที่มีส่วนหนึ่งส่วนใดมีคุณสมบัติเป็นอะโรมาติก ถือว่าสารดังกล่าวเป็น สารใน กลุ่มอนุพันธ์ของอะโรมาติกด้วย เช่น สาร curcumin ที่พบในขมิ้นชัน (Curcuma longa L.) ซึ่งเป็นสารออก ฤทธิ์ต้านอนุมูลอิสระ (antioxidant) ที่นิยมน ามาใช้ในครีมบ ารุงผิว คุณสมบัติทางกายภาพของ aromatic compounds 1. Aromatic hydrocarbon โดยส่วนใหญ่เป็นสารไม่มีขั้ว ละลายได้ในตัวท าละลายที่ไม่มีขั้ว เช่น hexane, dichloromethane จุด เดือดแปรผันตรงกับจ านวน carbon 2. Heterocyclic aromatic compound
โดยส่วนใหญ่มีขั้วน้อย ละลายในตัวท าละลายอินทรีย์เกือบทุกชนิด เช่น hexane dichloromethane alcohol และ ether จุดเดือดแปรผันตรงกับจ านวน carbon ปฎิกิริยาของ benzene 1. ปฏิกิริยา hydrogenation การเกิดปฏิกิริยา hydrogenation ของสารอะโรมาติกต้องใช้สภาวะที่รุนแรงกว่าการเกิดปฏิกิริยา ของสารในกลุ่ม alkene เช่น การท าปฏิกิริยากับก๊าซไฮโดรเจน โดยใช้โลหะ Rhodium ท าท าปฏิกิริยาใน สภาวะที่มีความดันสูง เมื่อเทียบกับการเกิดปฏิกิริยาดังกล่าวกับสารในกลุ่ม alkene ซึ่งเกิดได้โดยไม่ต้องอยู่ในสภาวะที่มี ความดันสูง 2. ปฏิกิริยาการแทนที่ด้วย electrophile (electrophilic aromatic substitution reaction) เนื่องจากสารประกอบอะโรมาติกเป็นสารที่อุดมไปด้วยอิเล็กตรอนจึงมีความสามารถในการ เกิดปฏิกิริยาการแทนที่ด้วย electrophile (สารที่ขาดอิเล็กตรอน) ได้ดี โดยกลไกของการเกิดปฏิกิริยาของการสร้างพันธะระหว่างวงอะโรมาติกกับ electrophile จะเกิด สารตัวกลางที่สูญเสียสภาพความเป็นอะโรมาติก ซึ่งในขั้นตอนสุดท้ายของการเกิดปฏิกิริยาจะเกิด กระบวนการก าจัด H + เพื่อที่จะกลับคืนสภาพความเป็นสารอะโรมาติก (aromatization) ดังเดิม กลไก
2.1 ปฏิกิริยา nitration คือปฏิกิริยาของเบนซีนกับกรดไนตริกเข้มข้นและกรดกัมมะถันเข้มข้น กรดสองชนิดนี้เมื่อท า ปฏิกิริยากันจะเกิดสารตัวกลาง nitronium ion ซึ่งเมื่อท าปฏิกิริยากับวงเบนซีนจะเกิดปฏิกิริยาการแทนที่ได้ สารในกลุ่ม nitrobenzene เป็นสารผลิตภัณฑ์ กลไก 2.2 ปฏิกิริยา sulfonation เมื่อเบนซีนท าปฏิกิริยากับกรดก ามะถันเข้มข้น จะได้สาร benzenesulfonic acid เป็นสารผลิตภัณฑ์
2.3 ปฏิกิริยา halogenation ปฏิกิริยาของเบนซีนกับก๊าซฮาโลเจนโดยมีกรดลิวอีส (AlCl3, FeCl3 หรือ FeBr3) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา จะได้สาร halobenzene เป็นสารผลิตภัณฑ์ กลไก ปฏิกิริยา Friedel-Crafts alkylation ปฏิกิริยาของเบนซีนกับสาร alkyl halide โดยมีกรดลิวอีส (AlCl3, FeCl3 หรือ FeBr3) เป็นตัวเร่ง ปฏิกิริยา จะได้เบนซีนที่มีหมู่ alkyl เป็นหมู่แทนที่ (arene) เป็นสารผลิตภัณฑ์
กลไก R X + AlCl3 R X AlCl3 ตัวอย่าง ปฏิกิริยานี้อาจมีการแทนที่มากกว่า 1 ต าแหน่ง นิยมท าปฏิกิริยากับสาร 1 o alkyl halide มากกว่า 2 o และ 3 o alkyl halide สารกลุ่ม vinyl halide กับ aryl halide ไม่สามารถเกิดปฏิกิริยาได้ เพราะพันธะ ระหว่าง C-X มีความแข็งแรง จึงเกิดปฏิกิริยาได้ยาก vinyl halide aryl halide ปฏิกิริยา Friedel-Crafts acylation ปฏิกิริยาของเบนซีนกับสาร acid halide หรือ acid anhydride โดยมีกรดลิวอีส (AlCl3, FeCl3 หรือ FeBr3) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา จะได้ aromatic ketone เป็นสารผลิตภัณฑ์
กลไก ตัวอย่าง
อิทธิพลของหมู่แทนที่ต่อปฏิกิริยา electrophilic aromatic substitution สามารถจ าแนกหมู่แทนที่ที่เกาะกับวงอะโรมาติก แล้วมีผลต่อการเข้าท าปฏิกิริยาของ electrophile ได้เป็น 3 กลุ่มใหญ่ๆ ดังนี้ 1. หมู่ให้ electron (Electron donating group) เมื่อมีหมู่ให้อิเล็กตรอนต่อโดยตรงกับวงอะโรมาติก โดยอะตอมที่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวจะให้ อิเล็กตรอนกับวงเบนซีนผ่าน resonance effect ส่งผลท าให้ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในวงอะโรมาติกมี มากขึ้น ส่งผลท าให้สารที่มีหมู่ให้อิเล็กตรอนมาเกาะมีความสามารถในการเกิดปฏิกิริยากับ electrophile มากกว่า benzene ที่ไม่มีหมู่แทนที่มาเกาะ ผลของ resonance effect ท าให้มี electron หนาแน่น ณ ต าแหน่ง ortho และ para ปฏิกิริยาการ แทนที่จึงเกิด ณ ต าแหน่ง ortho และ para จึงเรียกหมู่แทนที่นี้ว่า ortho-para directing group
ตัวอย่าง 2. หมู่ดึง electron (Electron withdrawing group) คือหมู่ที่มาเกาะวงอะโรมาติกแล้วดึงอิเล็กตรอนออกจากวง ส่งผลท าให้ความหนาแน่นของ อิเล็กตรอนภายในวงลดลง ส่งผลท าให้สารที่มีหมู่ดึงอิเล็กตรอนมาเกาะมีความสามารถในการเกิดปฏิกิริยา กับ electrophile น้อยกว่า benzene ที่ไม่มีหมู่แทนที่มาเกาะ ผลของ resonance effect ต าแหน่ง ortho และ para มีความเป็นบวก electron ส่งผลท าให้ต าแหน่ง meta มีอิเล็กตรอนหนาแน่นที่สุด ซึ่งจะเกิดปฏิกิริยาแทนที่กับสาร electrophile ณ ต าแหน่ง meta จึงเรียก หมู่แทนที่นี้ว่า meta directing group
ตัวอย่าง 3. halogen halogen ที่เกาะอยู่กับวงเบนซีนให้อิทธิพล 2 แบบกับวงเบนซีน ประการแรก จากผลของ resonance effect ของอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวของอะตอมฮาโลเจน ส่งผลท า ให้มีอิเล็กตรอนหนาแน่นบริเวณต าแหน่ง ortho และ para แต่เนื่องจาก ฮาโลเจนเป็นอะตอมที่มีค่า EN สูง จึงดึงอิเล็กตรอนออกจากวง ผลของ inductive effect ท าให้ความหนาแน่นของ electron ในวงมีน้อยลง จากปัจจัยทั้งสองอย่าง ส่งผลท าให้วงอะโรมาติกที่อะตอมฮาโลเจนเป็นหมู่แทนที่ มีความหนาแน่น ของอิเล็กตรอนในวงน้อยลง สารกลุ่มนี้จึงมีความสามาถในการเกิดปฏิกิริยาน้อยกว่า benzene แต่จากผล
ของ resonance effect จะเหนี่ยวน าให้เกิดปฎิกิริยา ณ ต าแหน่ง ortho และ para จึงจัดหมู่แทนที่กลุ่มนี้เป็น ortho-para directing group ตัวอย่าง ปฏิกิริยาการแทนที่ด้วย nucleophile (nucleophilic aromatic substitution reaction) ปฏิกิริยาการแทนที่ด้วย nucleophile ของสารอะโรมาติกเกิดค่อนข้างยากเนื่องจากภายในวงอะโร มาติกอุดมไปด้วยอิเล็กตรอน ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นได้ต้องใช้ condition ที่มีความรุนแรงสูง เช่น การใช้อุณหภูมิ หรือความดันสูง เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาการแทนที่ขึ้น ตัวอย่าง ปฏิกิริยาการแทนที่เกิดง่ายขึ้นเมื่อมีหมู่ดึง electron เกาะอยู่ในวง โดยหมู่ดึงอิเล็กตรอนจะท าให้ ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนภายในวงลดลง
กลไก ปฏิกิริยา benzylic substitution เป็นปฏิกิริยาการแทนที่เกิดตรงต าแหน่ง benzylic (C ที่อยู่ติดกับวงอะโรมาติก) เมื่อสาร arene (วงอะโรมาติกที่ต่ออยู่กับหมู่ hydrocarbon) ท าปฏิกิริยากับก๊าซ halogen โดยมีแสงหรือความร้อนเป็นตัวเร่ง ปฏิกิริยา จะได้สาร halide เป็นสารผลิตภัณฑ์ โดยกลไกของปฏิกิริยาเป็นแบบเรดิคอล
กลไก Resonance stabilize ของ benzylic radical ล าดับความเสถียรของ radical แต่ละชนิดเป็นดังนี้ ปฏิกิริยา Oxidation ของ arene วงเบนซีนที่มีหมู่ R (methyl, 1o alkyl และ 2 o alkyl) ที่ต่ออยู่กับวงเบนซีนเมื่อท าปฏิกิริยากับ KMnO4 และให้ความร้อน จะได้ benzoic acid เป็นสารผลิตภัณฑ์ แต่ปฏิกิริยานี้ไม่เกิดกับอะโรมาติกที่มีหมู่แทนที่ ที่ เป็น 3 o alkyl group
ปฎิกิริยาของ aromatic heterocyclic compound Resonance stabilize ของ heterocyclic aromatic compound พบว่า hetero atom ที่อยู่ในวงอะโรมาติก ชนิด 5 เหลี่ยม ส่งผลท าให้ความหนาแน่นของอิเล็กตรอน ภายในวงมีมากขึ้น ในทางกลับกัน hetero atom ที่อยู่ในวงอะโรมาติก ชนิด 6 เหลี่ยม ส่งผลท าให้ความ หนาแน่นของอิเล็กตรอนภายในวงมีน้อยลง และผลของ resonance stabilize ส่งผลท าให้ความหนาแน่นของ อิเล็กตรอนแต่ละต าแหน่งเป็นดังนี้
Aromatic heterocyclic compound วง 5 เหลี่ยม 1. ปฏิกิริยา hydrogenation reaction การเกิดปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจนของ aromatic heterocyclic compound ชนิดวง 5 เหลี่ยม สามารถเกิดได้โดยใช้โลหะเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และใช้ความดันหรืออุณหภูมิสูง
2. ปฏิกิริยา electrophilic aromatic substitution reaction ปฏิกิริยาการแทนที่มีความว่องไวกว่าเบนซีน เพราะผลจาก nonbonding electrons ของ hetero atom ส่งผลท าให้วงอะโรมาติกมีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนมากขึ้น โดยปฏิกิริยาเลือกเกิดที่ต าแหน่ง 2 และ 5 กลไก
ตัวอย่าง 2. ปฏิกิริยา Diels-Alder reaction เป็นปฏิกิริยาระหว่างสาร diene กับ olefin โดยมีความร้อนเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ปฏิกิริยาเป็นแบบ 2+4 cycloaddition ได้สารอนุพันธ์ของ cyclohexene เป็นผลิตภัณฑ์ furan สามารถเกิดปฏิกิริยา Diels-Alder reaction โดยท าหน้าที่เป็นสารกลุ่ม diene แต่พบว่า pyrrole และ thiophene ไม่สามารถเกิดปฏิกิริยานี้ได้
ตัวอย่าง ปฏิกิริยาของ aromatic heterocyclic compound วง 6 เหลี่ยม 1. ความสามารถในความเป็นเบสของ pyridine เมื่อเทียบความเป็นเบสของ pyridine พบว่ามีความเป็นเบสน้อยกว่า alkyl amine นิยมใช้ pyridine เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ส าหรับปฏิกิริยาเคมีที่สารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ที่ได้ไม่เสถียรเมื่ออยู่ในสภาวะที่เป็นเบส สูง ตัวอย่าง
2. ปฏิกิริยา alkylation pyridine เมื่อท าปฏิกิริยากับ alkyl halide จะได้ เกลือ pyridinium เป็นสารผลิตภัณฑ์ 3. ปฏิกิริยา oxidation pyridine ที่มีหมู่ R (methyl, 1o alkyl และ 2 o alkyl) เป็นหมู่แทนที่ เมื่อท าปฏิกิริยา กับ KMnO4 ใน สภาวะที่อุณหภูมิสูง จะได้ pyridinecarboxylic acid เป็นสารผลิตภัณฑ์ แต่พบว่าปฏิกิริยานี้ไม่เกิดเคมีกับ pyridine ที่มีหมู่แทนที่เป็น 3 o alkyl group 4. ปฏิกิริยา electrophilic substitution reaction aromatic heterocyclic compound วง 6 เหลี่ยมเกิดปฏิกิริยาได้ยากเพราะความหนาแน่นของ อิเล็กตรอนภายวงน้อย ซึ่งเป็นผลจากการดึงอิเล็กตรอนผ่าน resonance effect จาก N อะตอม ปฏิกิริยามักท าในสภาวะกรด แต่ pyridine มีความเป็นเบส จะท าปฏิกิริยากับกรดเปลี่ยนไปเป็นสาร เชิงซ้อนที่มีความเป็นบวกมากขึ้น
ปฏิกิริยาจะเกิดได้ ต้องใช้สภาวะที่รุนแรง แต่พบว่ายังให้ผลผลิตต่ า ตัวอย่าง 5. ปฏิกิริยา nucleophilic substitution reaction pyridine เปรียบเหมือนวงเบนซีนที่มีหมู่ดึง electron ท าให้วงขาด electron เกิดปฏิกิริยาการแทนที่ ด้วย nucleophile ได้ดี จากผลของ resonance พบว่าจะมีความเป็นบวกที่ต าแหน่ง 2 และ 4 ซึ่งเหนี่ยวน าให้ nucleophile เข้าท า ณ ต าแหน่ง 2 และ 4 กลไก
ตัวอย่าง แบบฝึกหัด 1. จงพิจารณาสารต่อไปนี้ว่า สารใดที่มีคุณสมบัติเป็น aromatic hydrocarbon 2.จงเติมปฏิกิริยาต่อไปนี้ให้สมบูรณ์
3 จงเขียนกลไกการเกิดปฏิกิริยาต่อไปนี้