256121 ch2 hc 1-alkane & cycloalkane
TRANSCRIPT
1
สารประกอบไฮโดรคาร�บอน
ผศ. วิ�จิ�ตร อ�ดอ�าย
2
กลุ่��มของอะตอมภายในโมเลุ่ก�ลุ่ซึ่��งม�ลุ่�กษณะเฉพาะที่��แสดงถึ�งสมบั�ต!ที่างเคม�
โดยหลุ่�กการแลุ่%วโมเลุ่ก�ลุ่ที่��ม�หม'�ฟั)งก*ชั�นประเภที่เด�ยวก�นจะสามารถึเก!ดปฏิ!ก!ร!ยาเคม�
ในลุ่�กษณะเด�ยวก�นโดยไม่�ขึ้��นก�บขึ้นาดหร อควิาม่ซั�บซั�อนขึ้องโม่เลก�ล
ที่�/งน�/ไม�ได%หมายรวมถึ�งความว�องไวในการเก!ดปฏิ!ก!ร!ยา
“ The chemistry of every organic molecule, regardless of size andcomplexity,
is determined by the functional groups it contains”
Functional Group
สาม่ารถจิ�ดแบ�งหม่วิดหม่(�ขึ้องสารประกอบอ�นทร*ย�ตาม่โครงสร�าง
(Structure) ซั�+งส�ม่พั�นธ์�ก�บควิาม่วิ�องไวิในการเก�ดปฏิ�ก�ร�ยาเคม่* (reactivity) Functional Group (หม่��ฟั1งก�ชั�น , หม่(�ท3าหน�าท*+)
3
4
5
6
7
8
สารประกอบไฮโดรคาร�บอน Hydrocarbon :
สารประกอบท*+ม่* C และ H เป4นองค�ประกอบอาจิจิ3าแนกได�ด�งน*�
• สารประกอบไฮโดรคาร�บอนอ�+ม่ต�วิ (Saturated hydrocarbon) :
สารประกอบไฮโดรคาร�บอนท*+ม่*พั�นธ์ะเด*+ยวิท��งหม่ด
• สารประกอบไฮโดรคาร�บอนไม่�อ�+ม่ต�วิ (Unsaturated hydrocarbon) :
สารประกอบไฮโดรคาร�บอนท*+ม่*พั�นธ์ะค(� หร อพั�นธ์ะสาม่
9
• อ�ลล�ฟัาต�กไฮโดรคาร�บอน (Aliphatic hydrocarbon) : สารประกอบไฮโดรคาร�บอนท*+อาจิเป4นสายโซั� เป4นวิงอ�+ม่ หร อไม่�อ�+ม่ต�วิ แต�ไม่�ม่*สม่บ�ต�อะโรม่าต�ก
• อะโรม่าต�กไฮโดรคาร�บอน (Aromatic hydrocarbon) :
สารประกอบไฮโดรคาร�บอนท*+ม่*สม่บ�ต�อะโรม่าต�ก
• อ�ลเคน (Alkane) : สารประกอบไฮโดรคาร�บอนอ�+ม่ต�วิ
• อ�ลค*น (Alkene) : สารประกอบไฮโดรคาร�บอนท*+ม่*พั�นธ์ะค(�
• อ�ลคาย (Alkyne) : สารประกอบไฮโดรคาร�บอนท*+ม่*พั�นธ์ะสาม่
10
อ�ลเคนและไซัโคลอ�ลอ�ลเคนและไซัโคลอ�ลเคนเคน
(Alkane and (Alkane and Cychoalkane)Cychoalkane)
11
โครงสร�างขึ้องอ�ลเคน•สารประกอบัไฮโดรคาร*บัอนอ!�มต�ว•ส'ตรที่��วไป CnH 2 2n+ โดย n เป3นเลุ่ขจ4านวนเต5ม 1 2 3, ,
•คาร*บัอนที่�กอะตอม เป3น sp3- C•โครงสร%างแบับัโซึ่�ตรง (straight chain) แลุ่ะโซึ่�ก!�ง (branched chain)
•โครงสร%างของสายโซึ่�คาร*บัอนเป3นแบับั -zig zag
12
• ต�วิอย�างสารประกอบแอลเคน• constitutional isomer
(structural isomer)
CH3CHCH3
CH3
C4H10 CH3CH2CH2CH3:
CH3CHCH2CH3
CH3
CH3CCH3
CH3
CH3
CH3CH2CH2CH2CH3C5H12:
13
14
15
16
17
18
19
Table 1 Common Alkyl Groups
20
21
22
23
24
(Nomenclature)
25
26
22
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
แหล�งก3าเน�ดและประโยชัน� (จิ�ดเด อด oC) จิ3านวิน
คาร�บอนการใชั�ประโยชัน�
20ต3+ากวิ�า C1 - C4 ก5าซัธ์รรม่ชัาต�ก5าซัห�งต�ม่20 - 60 C5 - C6 ป6โตรเล*ยม่อ*เทอร�ต�วิท3าละลาย60 - 100 C6 - C7 (ligroin) ล�โกรอ�น ต�วิท3าละลาย40- 200 C5 - C10 ก5าซัโซัล*น175 - 325 C12 - C18 เคโร (kerosene) ซั*น เชั �อเพัล�งเคร +องบ�น250 - 400 C12 ขึ้��นไป น3�าม่�นเชั �อเพัล�ง น3�าม่�นด*เซัล
ขึ้องเหลวิไม่�ระเหย C20 ขึ้��นไป (mineral oil)น3�าม่�นหล�อล +นน3�าม่�นแร�ขึ้องแขึ้7งไม่�ระเหย C20 ขึ้��นไป ไขึ้พัาราฟั6น ยางม่ะตอย
38
สม่บ�ต�ทางกายภาพั• สถานะ ที่��อ�ณหภ'ม!ห%อง แลุ่ะความด�น 1 บัรรยากาศ
– อ�ลุ่เคนโซึ่�ตรงที่��ม�คาร*บัอน - 14 อะตอม ก5าซั – อ�ลุ่เคนที่��ม�คาร*บัอน - 517 อะตอม
ขึ้องเหลวิ – อ�ลุ่เคนที่��ม�คาร*บัอนมากกว�า 18 อะตอม ขึ้องแขึ้7ง
• ควิาม่หนาแน�น – อ�ลุ่เคนม�ความหนาแน�นต4�ากว�า 08. g/cm3 – ความหนาแน�นเพ!�มข�/นตามจ4านวนอะตอมคาร*บัอน
39
• จิ�ดเด อด – เพ!�มข�/นตามจ4านวนคาร*บัอน
•เพราะโมเลุ่ก�ลุ่ขนาดใหญ่�จะม�แรงย�ดเหน��ยวระหว�างโมเลุ่ก�ลุ่มากกว�าโมเลุ่ก�ลุ่ขนาดเลุ่5ก
– อ�ลุ่เคนโซึ่�ก!�งม�จ�ดเด9อดต4�ากว�าอ�ลุ่เคนโซึ่�ตรงที่��ม�คาร*บัอนเที่�าก�น •โมเลุ่ก�ลุ่ของอ�ลุ่เคนโซึ่�ก!�งจะม�ขนาดโมเลุ่ก�ลุ่กระที่�ด
ร�ดกว�าโซึ่�ตรง ที่4าให%พ9/นที่��ผิ!วส�มผิ�สระหว�างโมเลุ่ก�ลุ่น%อยลุ่ง แรง van de Waals ซึ่��งเป3นแรงระหว�างโมเลุ่ก�ลุ่จ�งน%อยลุ่งด%วย
40
แอลเคนจิ3านวิน
คาร�บอนจิ�ดหลอม่-เหลวิ (oC)
จิ�ดเด อด(oC)
ควิาม่หนาแน�น(g/cm3)
5 - 130 36 .626
6 - 95 69 .659
6 - 154 60 .653
6 - 129 58 .662
6 - 98 50 .649
อ�ลุ่เคน
41
• จิ�ดหลอม่เหลวิ – ม�แนวโน%มเพ!�มข�/นตามจ4านวนอะตอมคาร*บัอน
• การละลาย – อ�ลุ่เคนเป3นสารประกอบัไม�ม�ข� /วจ�งไม�ลุ่ะลุ่ายน4/า– ลุ่ะลุ่ายในต�วที่4าลุ่ะลุ่ายไม�ม�ข� /วเชั�น ether,
benzene
42
CH3CHCH3
CH3
C4H10 CH3CH2CH2CH3:
CH3CHCH2CH3
CH3
CH3CCH3
CH3
CH3
CH3CH2CH2CH2CH3C5H12:
butane
pentane
• อ�ลุ่เคนที่��ม�หม'� -CH2- เพ!�มข�/นหร9อลุ่ดลุ่งที่�ลุ่ะหม'�เร�ยกว�า homologous series
• อ�ลุ่เคน ที่��เป3นสมาชั!กในhomologous series เร�ยกว�า homologs
43
Conformations ขึ้องอ�ลเคน
•การจ�ดเร�ยงต�วของอะตอมหร9อหม'�ที่��ต�างก�นเน9�องจากการหม�นรอบัพ�นธะเด��ยว
44
H
H H
H H
H
=60o
Saw horseNewman Projection
•Stagger conformation เป4นconformation ท*+เสถ*ยรท*+ส�ด
= dihedral
angleม�มระหว�างพ�นธะ C-H ของ Cอะตอมหน%าก�บั
C อะตอมหลุ่�ง
45
H H
H
H
H
H
=0o
Saw horseNewman Projection
•Eclipsed conformation
46
Newman projection
แทนอะตอม่หน�าท*+อย(�ใกล�ตา
แทนอะตอม่หล�งท*+อย(�ไกลตา
47
Conformations ขึ้องอ�ลเคน
48
การเตร*ยม่อ�ลเคน 1 . Hydrogenation ขึ้องอ�ลค*น
C
CPd or Pt or Ni
C
C
H
H+
H
H
NiCH3CH=CH2 + H2 CH3CH2CH3C2H5OH
NiCH3 C
CH3
CH2 + H2 C2H5OHCH3CH
CH3
CH3
Pd+ H2 C2H5OH
49
2. Reduc tion ขึ้องอ�ลค�ลเฮไลด� 21. reduce ด%วยโลุ่หะ แลุ่ะ กรด
C H+C X ZnH
+
CH3CH2 CH
Br
CH3 CH3CH2 CH2CH3
Zn
H+
CH3CH2 CH CH2
CH3
Br CH3CH2 CH CH3
CH3
Zn
H+
50
22. hydrolysis ของ Grignard reagent
C Mg X+C X MgH2Oether
C H
Grignard reagent
CH3CH2 CH CH2
CH3
Br CH3CH2 CH CH3
CH3
Zn
H+
H2OCH3CH2 CH CH2
CH3
Mg Br
51
3. Corey-House synthesis ใชั% lithium dialkylcuprate
R' X methyl, 1ควรม�หม'�แอลุ่ค!ลุ่ชัน!ด o 2หร9อ o เที่�าน�/น
ม�หม'�แอลุ่ค!ลุ่เป3นชัน!ดใดก5ได%RX
52
CH3CH2CH2CH2Br
(CH3)2CuLiCH3I
LiCH3Li
CuI
ether
CH3CH2CH2CH2CH3
I
CH3
จ4านวน C ในผิลุ่!ตภ�ณฑ์*มากกว�าสารต�/งต%น
53
4. ปฏิ�ก�ร�ยา Wurtz
CH3CH2 CH Br
CH3
CH3CH2 CH
CH3
CH2CH3CH
CH3Na
CH3CH2 Br CH3CH2 CH2CH3
Na
จ4านวน C ในผิลุ่!ตภ�ณฑ์*เป3น 2เที่�าของสารต�/งต%น
54
ปฏิ�ก�ร�ยาขึ้องอ�ลเคน 1. Halogenation
+ +
CH3CH2CH3
Cl2 แสง
+
H ClCH3CH3CH3CH2 Cl
+ Cl2 CH3CH2CH2 Cl CH3CH CH3
Cl+ H Cl
45% 55%
h
C H + C XX2 แสงหร9อความร%อน
+ H X
ถึ%าอ�ลุ่เคนม� H มากกว�า 1 ชัน!ดจะได%ผิลุ่!ตภ�ณฑ์*มากกว�า 1 ชัน!ดด%วย
55
กลุ่ไกปฏิ!ก!ร!ยาข�/นเร!�มปฏิ!ก!ร!ยา (initiation step)
ข�/นด4าเน!นปฏิ!ก!ร!ยา (propagation step)
ข�/นส!/นส�ดปฏิ!ก!ร!ยา (termination step)
56
•ชัน!ดของผิลุ่!ตภ�ณฑ์*แอลุ่ค!ลุ่เฮไลุ่ด* R-X ข�/นก�บัชัน!ดของ alkyl radical ที่��เก!ดในข�/นด4าเน!นปฏิ!ก!ร!ยา• alkyl radical ที่��เสถึ�ยรเก!ดข�/นมากกว�า•ลุ่4าด�บัเสถึ�ยรภาพของ alkyl radical3
o 2> o 11 o > •CH3
57
CH3 CH CH3
CH3
++ Br2
แสงCH3 CH CH2 Br
CH3
CH3 C CH3
Br
CH3
< 1% > 99%
CH3 CH CH3
CH3
Br
CH3 C
CH3
Br
CH3
-1o H
-3o H
CH3 CH CH2
CH3
CH3 C CH3
CH3
CH3 CH CH2 Br
CH3
Br2
Br2
58
2 . ปฏิ�ก�ร�ยา combustion
+ O2flame
CO2OH2+ H = -845 kcalC5H12 5 6
3. ปฏิ�ก�ร�ยา pyrolysis หร อ cracking
400-600 oC+ +H2
CH3CH3 CH2=CH2CH4
59
โครงสร�างขึ้องไซัโคลอ�ลเคน
•สารประกอบัไฮโดรคาร*บัอนอ!�มต�วซึ่��งม�โครงสร%างเป3นวง• ส'ตรที่��วไป CnH2n โดย n เป3นเลุ่ขจ4านวนเต5ม 1, 2, 3
• คาร*บัอนที่�กอะตอม เป3น sp3-C
CH2H2C CH2
60
สม่บ�ต�ทางกายภาพั
• คลุ่%ายก�บัอ�ลุ่เคน• ไซึ่โคลุ่แอลุ่เคนที่��ม�จ4านวนอะตอมคาร*บัอนเที่�าก�บัอ�ลุ่เคน จะม�จ�ดเด9อดแลุ่ะความหนาแน�นส'งกว�า
61
เสถ*ยรภาพัขึ้องวิง•พ!จารณาจากค�า heat of combustion•ไซึ่โคลุ่เฮกเซึ่นเสถึ�ยรที่��ส�ด •ไซึ่โคลุ่โปรเปน แลุ่ะไซึ่โคลุ่บั!วเที่น ม�ความเสถึ�ยรต4�า– โครงสร%างของวงม�ควิาม่เคร*ยดวิง (ring
strain)– ควิาม่เคร*ยดวิง (ring strain) ประกอบัด%วย
• angle strain• torsional strain
62
angle strain
•คาร*บัอน sp3 ม�ม�มพ�นธะ 1095. o
•ไซึ่โคลุ่โปรเปนแลุ่ะไซึ่โคลุ่บั!วเที่น ม�ม�มพ�นธะภายในวงเป3น 60o แลุ่ะ 90o
•พลุ่�งงานที่��ส'งข�/นเน9�องจากความแตกต�างของม�มน�/เร�ยกว�า ม�มเคร�ยด (angle strain)
60o
90o
63
torsionalstrain
•พ�นธะ C-H ในไซึ่โคลุ่โปรเปน อย'�ในแนวซึ่%อนที่�บัก�น (ec lipsed)
•ที่4าให%ไซึ่โคลุ่โปรเปนม�พลุ่�งงานส'งข�/นกว�าโมเลุ่ก�ลุ่ที่��วไปซึ่��งสามารถึจ�ดเร�ยงพ�นธะในลุ่�กษณะที่��ไม�ซึ่%อนก�น (stagger)
•พลุ่�งงานที่��ส'งข�/นน�/เร�ยกว�า torsional strain
H
H
CH2
H
H
64
Conformations ขึ้องไซัโคลเฮกเซัน
•ไซึ่โคลุ่เฮกเซึ่นเสถึ�ยรที่��ส�ดเม9�อเที่�ยบัก�บัสารประกอบัไซึ่โคลุ่อ�ลุ่เคนอ9�นๆ
•วงหกเหลุ่��ยมแบันราบัม�ม�มพ�นธะภายในวง 120
o ซึ่��งต�างจากม�ม 1095. o ของคาร*บัอน sp3 ค�อนข%างมาก
•โครงสร%างของวงไซึ่โคลุ่เฮกเซึ่นเป3น non planar
•คาร*บัอนที่�/ง 6 อะตอมไม�อย'�ในระนาบัเด�ยวก�น
120o
65
Chair conformation เป3น conformation เสถึ�ยรที่��ส�ด
• Chair Conformation ขึ้องไซัโคลเฮกเซัน
Newman projection
Axial hydrogenEquatorial hydrogen
66
• Boat Conformation ขึ้องไซัโคลเฮกเซัน
Flagpole interaction
Newman projection
67
flagpole interaction
H HH H
Boat conformation
H
H
H
H
H
HHH
HH
HH
axial Hequatorial H
Chair conformation
68
Chair conformation เสถึ�ยรที่��ส�ดเพราะ• ม�มพ�นธะระหว�างคาร*บัอนเป3น 1095. o • ที่�กพ�นธะอย'�ในต4าแหน�ง stagger
Boat conformation ม�พลุ่�งงานส'งเพราะ• ม�พ�นธะอย'�ในลุ่�กษณะซึ่%อนก�นแบับั eclipsed ที่4าให%ม� torsional strain ส'ง • อะตอมไฮโดรเจนบันคาร*บัอนอะตอมที่�� 1 แลุ่ะ 4เก!ดแรงผิลุ่�ก van de Waals ซึ่��งเร�ยกว�า
flagpole interaction
69
ไอโซัเม่อร�เชั�งเรขึ้าคณิ�ต (geometric isomer)
• พ�นธะในไซึ่โคลุ่อ�ลุ่เคนเป3นพ�นธะที่��ไม�สามารถึหม�น ได%อย�างอ!สระ
• ถึ%าม�หม'�แที่นที่��ในวง 2 หม'� จะม�ไอโซึ่เมอร*เชั!งเรขาคณ!ตได%ค9อ
– cis- หม'�แที่นที่��ที่� /ง 2 หม'�ชั�/ไปด%านเด�ยวก�นของระนาบัวง – trans- หม'�แที่นที่��ที่� /ง 2 หม'�ชั�/ไปคนลุ่ะด%านของระนาบัวง
70
- -12cis ,dddddddddddddddddddd
- -dddddddddddddddddddd1,2H3C H
H CH3
H3C CH3
H H
71
การเตร*ยม่ไซัโคลอ�ลเคน
• ว!ธ�ที่��ด�ดแปลุ่งจากปฏิ!ก!ร!ยา Wurtz reaction
BrCH2CH2CH2Br Zn
BrCH2CH2CH2CH2Br Zn
ZnBr2
ZnBr2
+
+
+
+
72
• hydrogenation ของไซึ่โคลุ่อ�ลุ่ค�น
+ H2Pt
73
• การส�งเคราะห* -Simmons Smith– ว!ธ�น�/ใชั%ในการเตร�ยมไซึ่โคลุ่โปรเปนจากอ�ลุ่ค�น
H2C CH2 + CH2I2Zn(Cu)
etherH2C CH2
CH2
C C + CH2I2Zn(Cu)
etherC C
CH2
+ CH2I2Zn(Cu)
etherH2
CH3CH CH2CH3CH CH2
C
74
ปฏิ�ก�ร�ยาขึ้องไซัโคลอ�ลเคน
• ไซัโคลอ�ลเคน วิงขึ้นาดใหญ่�ท3าปฏิ�ก�ร�ยาเหม่ อนอ�ลเคน• ไซัโคลโปรเปน ไซัโคลบ�วิเทนท3าปฏิ�ก�ร�ยาแตกต�างจิากอ�ลเคน เพัราะไม่�เสถ*ยร ม่*ควิาม่เคร*ยดวิงส(ง
75
ปฏิ�ก�ร�ยาขึ้องไซัโคลอ�ลเคน• Halogenation
76
• ปฏิ!ก!ร!ยาเป?ดวงของไซึ่โคลุ่โปรเปน ไซึ่โคลุ่บั!วเที่น
CH2
CH2 CH2
CH2 + Cl2
CH2 CH2
CH2 + Cl2
FeCl3
FeCl3
ClCH2CH2CH2CH2Cl
ClCH2CH2CH2Cl
+Pd
CH3CH2CH3H2