Organic ChemistryI - Maejo University

Department of Chemistry, Faculty of Science, Maejo University

Organic Chemistry I(Chem 251)

Semester 1/2561

อ.ดร. ปยธดา กลำภอาคาร 60 ป แมโจ หอง 2301

E-mail: [email protected]

Organic Chemistry I (Chem 251) Introduction

Course outline

2Department of Chemistry, Faculty of Science, Maejo University

Organic reaction

mechanism

Nucleophilic substitutions Elimination

Organic Chemistry I (Chem 251)

SN1/SN2 E1/E2/E1cb

Cl H2O+ OH HCl+acetoneBr

+ NaOEt EtOH

Course syllabus



Week Date Topic Note

9T 28 August 2018 Introduction/Kind of organic reactions

F 31 August 2018 Mechanism of organic reactions

10T 4 September 2018 Nucleophilic Substitution (SN1/SN2) Quiz1

F 7 September 2018 Nucleophilic Substitution (SN1/SN2)

11T 11 September 2018 Elimination (E1/E2/E1cb) Quiz2

F 14 September 2018 Elimination (E1/E2/E1cb)

12T 18 September 2018 Substitution vs. Elimination

F 21 September 2018 Review Quiz3

Grading (25% of final grade)


Final80%

Quiz10%

Homework8%

Class Participation2%

List Percentage (of 25%)

Percentage of final grade

Final exam 80% 20%Homework 10% 2.5%Quiz 8% 2%Class attendant 2% 0.5%Total 100% 25%


Resources


Book- Francis A. Carey ,Richard J. Sunberg, Advance Organic Chemistry-Part A-

Reactions and Synthesis, 5th ed, 2007.

- John Mcmurry, Organic Chemistry, 9th ed, 2016.

- สำเนยง อภสนตยาคม, กลไกการเกดปฏกรยาเคมอนทรยเบองตน, พมพครงท 3, 2559.

Reference websiteshttp://www.organic-chemistry.orghttp://www.masterorganicchemistry.comSciencedirect, SciFinder

Course Webpage http://iammock.com/c/chem253-2


http://www.organic-chemistry.org/

http://www.masterorganicchemistry.com/

http://iammock.com/chem253-2

Introduction



Organic reactions

A B+ C D+

Substrateสารตงตน

Reagentตวเขาทำปฏกรยา

Productสารผลตภณฑ

Major productสารผลตภณฑหลก

Minor productสารผลตภณฑรอง

ปฏกรยาเคมอนทรย เกดจาก การชนกนของสารตงตนกบตวเขาทำปฏกรยา เกดการแตกหกของพนธะเกาและมการสรางพนธะใหมขน โดยเกดผานสภาวะทรานสชน(Transition state) หรอสารตวกลาง (Intermediate) ไดเปนสารผลตภณฑในทสด

Transition stateสภาวะทรานสชน

Intermediateสารตวกลาง

Introduction



Collision Theory ! = #$%&'() = *+$

%&'()

Orientation factor Collision frequency1. การชนทำใหโมเลกลมพลงงานสงเพยงพอกบ Activation energy 2. การชนมทศทางทถกตองปฏกรยาเคมจะเกดขนไดเมอมการชนกนของสารตงตน โดย

Tro, N. J. (2017) Chemistry : a molecular approach Fourth edition. Boston, MA: Pearson.

Introduction



Bond Clevage การแตกพนธะในปฏกรยาเคมอนทรย

1. Homolytic clevage

แตกพนธะโดยแบงอเลกตรอนอะตอมละหนงตวเทากน เกดเปนอนมลอสระ (free radicals)

ตวอยาง การแตกตวดวยแสงของโบรมน ในปฏกรยาการแทนทโบรมนในมเทน

Introduction



Bond Clevage การแตกพนธะในปฏกรยาเคมอนทรย

2. Heterolytic clevageแตกพนธะโดยคอเลกตรอนแยกไปอยกบอะตอมเดยว อกอะตอมหนงขาดอเลกตรอน

ไดคอเลกตรอนanion

ขาดอเลกตรอนcation

ตวอยาง การแตกตวของกรด HBr ในปฏกรยาการเตม HBr ใน ethene

Introduction



Bonding การสรางพนธะในปฏกรยาเคมอนทรย

1. Radical reaction

2. Polar reaction

สรางพนธะจากอเลกตรอนของอะตอมละหนงตว

สรางพนธะโดยการใหคอเลกตรอนจากอะตอมหนงไปยงอกอะตอมหนง

Introduction



Intermediate สารตวกลางทเกดจากการเปลยนแปลงของสารตงตนระหวางขนตอนของปฏกรยาปรากฏเพยงระยะสนเนองจากไมเสถยร จะเปลยนเปนสารผลตภณฑทเสถยรกวาสามารถตรวจวดได

Carbenesคารบน

C

R

R

R

C

R

R

R

C

R

R

C

R

R

R

Carbocationsคารโบแคตไอออน

Carbanionsคารแบนไอออน

Carbon radicalsคารบอนแรดคล

Introduction



เปนคารบอนทมประจบวก จะมไฮบรดออรบตลแบบ sp2

โดยคารบอนม 3 พนธะและม p-ออรบตล 1 ออรบตล แตไมมอเลกตรอนบรรจอยCarbocations

เรยงตามลำดบความเสถยร

Introduction



เปนคารบอนทมประจลบ จะมไฮบรดออรบตลแบบ sp3

โดยคารบอนม 3 พนธะและม p-ออรบตล 1 ออรบตล มคอเลกตรอนบรรจอยCarbanions


CR

RR

CR

RH

CH

RH

CH

HH

> > >methyl primary secondary tertiary

Introduction



เปนคารบอนทไมมประจ อาจมไฮบรดออรบตลแบบ sp2 หรอ sp3

โดยคารบอนม 3 พนธะและม p-ออรบตล 1 ออรบตล มอเลกตรอนบรรจอย 1 ตวCarbon radicals


methylprimarysecondarytertiary

CR

RR

CR

RH

CH

RH

CH

HH

> > >

Introduction



เปนคารบอนทไมมประจ อาจมไฮบรดออรบตลแบบ sp2 หรอ spโดยคารบอนม 2 พนธะและม p-ออรบตล 2 ออรบตล มอเลกตรอนบรรจอย 2 ตว

Carbenes

โครงสรางสามเหลยมแบนราบมมระหวางพนธะ 110∘

Singlet carbene Triplet carbene

โครงสรางคลายเสนตรงมมระหวางพนธะ <180∘

Introduction



Transition state เปนสภาวะทมพลงงานศกยสงสด เกดระหวางสารตงตนเปลยนไปเปนสารผลตภณฑ ไมสามารถตรวจสอบได เปนเพยงการอธบายการดำเนนไปของปฏกรยาเคม

สภาวะทรานซชน

Introduction



Intermediate vs Transition state

Practice test



จงเรยงลำดบความเสถยรของอนเทอรมเดยตตอไปน

A B C

1.

D E F

2.

X Y Z

3.

Introduction



Kinds of Organic reactions

A B+ C D+

Substrateสารตงตน

Reagentตวเขาทำปฏกรยา

Productสารผลตภณฑ

1. แบงตามการเปลยนแปลงจากสารตงตนเปนสารผลตภณฑ 2. แบงตามชนดของตวเขาทำปฏกรยา• ปฏกรยาการแทนท (Substitution reaction)

• ปฏกรยาการเตม (Addition reaction)

• ปฏกรยาการขจด (Elimination reaction)

• การจดเรยงตวใหม (Rearrangement)

• นวคลโอไฟล Nucleophile (Nu-)

• อเลกโทรไฟล Electrophile (E+)

ชนดของปฏกรยาเคมอนทรย

Introduction



1. ปฏกรยาการแทนท (Substitution reaction)

CH3 OH + HBr CH3 Br + H2O

เมทานอล เมทลโบรไมด

H CH

HCH

HH

Br2+ H CH

HCBr

HH

HBr+

อเทน เอทลโบรโมด

อะตอมในสารตงตนทมพนธะอมตวถกแทนทดวยอะตอมอน

1. แบงตามการเปลยนแปลงจากสารตงตนเปนสารผลตภณฑ

Introduction



2. ปฏกรยาการเตม (Addition reaction)

อะซโตน โพรเพน,2-2-ไดออล

อทน ไดโบรโมอเทน

อะตอมอนเตมเขาทพนธะทไมอมตวของสารตงตน

H2C CH2 Br2+ H2C CH2Br Br

H3C CO

CH3+ H2O H3C C

OHCH3

H+

OH

Introduction



3. ปฏกรยาการขจด (Elimination reaction)

โบรโมอทน อไทน

อทนโบรโมอเทน

อะตอมหลดออกเกดเปนพนธะทไมอมตว (ค/สาม)

H CH

HCBr

HH

+ KOH H CH

C HH

+ KBr + H2O

HC

HCH

Br+ NaNH2 C CH H + NaBr+ NH3

Introduction



4. การจดเรยงตวใหม (Rearrangement) สารตงตนมการเปลยนแปลงโครงสรางโมเลกลจากเดม

2° Carbocation 3° Carbocation

เสถยรมากขน

H H

[1,3]

H-Shift

Introduction



Cl H2O+ OH HCl+acetone

H2C CH2 Br2+ CCl4 H2C CH2Br Br

Br+ NaOEt EtOH

CH

CH2CH3C

H3CH3C

HCl+ CH

CH3CH3C

H3CH3C

CH

CH3CH3C

H3C

CH3

2°carbocation 3°carbocation

1. ปฏกรยาการแทนท

2. ปฏกรยาการเตม

3. ปฏกรยาการขจด

4. การจดเรยงตวใหม

Kinds of Organic reactions แบงตามการเปลยนแปลงจากสารตงตนเปนสารผลตภณฑ

Introduction



Types of Organic reactions

• Nucleophile (Nu-)ประจลบ /กลาง ม electronชอบให electron

• Electrophile (E+)ประจบวก/กลาง ขาด electron

ชอบรบ electron

C C E++ C CE

L Nu-+ Nu L-+

Example: H+, Br+, NO2+, BF3, AlCl3, C=O, R-X

Example: OH-, CH3O-, CN-, F-, ROH, H2O, R-M

2. แบงตามชนดของตวเขาทำปฏกรยา

Introduction



Nucleophile or Electrophile or both?

NO2+ CN- CH3NH2 (CH3)3S+

CH3Cl CH3S- H2C=CH2

Introduction



Names of Organic reactions

2. แบงตามชนดของตวเขาทำปฏกรยา = H2O = Nucleophile

1. แบงตามการเปลยนแปลงจากสารตงตนเปนสารผลตภณฑ = Substitution

Cl H2O+ OH HCl+acetone

Nucleophilic substitution reaction

H2C CH2 Br2+ CCl4 H2C CH2Br Br

What is this reaction? _________________________________

Practice test



What is this reaction?

H

O+ CH3OH

OH

OCH3

CH

CH2H3C Cl2+ HC CH2H3CCl Cl

CH3CH2CHCH3

Br NaOEtEtOH

CH3CH=CHCH3 + CH3CH2CH=CH2

O

Cl CH3O-+

O

OCH3 + Cl-

Br+ CN-

CN+ Br-

1.

2.

3.

4.

5.

Practice test



What is this reaction?

H

O+ CH3OH

OH

OCH3

CH

CH2H3C Cl2+ HC CH2H3CCl Cl

CH3CH2CHCH3

Br NaOEtEtOH

CH3CH=CHCH3 + CH3CH2CH=CH2

O

Cl CH3O-+

O

OCH3 + Cl-

Br+ CN-

CN+ Br-

1.

2.

3.

4.

5.

Introduction



Reaction mechanismกลไกการเกดปฏกรยา: อธบายวาปฏกรยาเกดขนมลำดบขนตอนอยางไรผานการเขยนลกศรแสดงการสรางและแตกพนธะ

Fisher esterification

https://www.masterorganicchemistry.com/reaction-guide/conversion-of-carboxylic-acids-to-esters-using-acid-and-alcohols-fischer-esterification/ (27Aug2018)

Introduction



Reaction mechanism

2e-

1e-

Br OH-+ OH Br-+

H2C CH2 Br+ H2C CH2Br

Example: substitution, elimination, addition reactions

Example: radical reactions

Full-headed arrow

Half-headed arrow

1. Curved arrow

กลไกการเกดปฏกรยา: อธบายวาปฏกรยาเกดขนไดอยางไรมลำดบขนตอนของการเกดปฏกรยาอยางไร

Introduction



Reaction mechanism

2. Reaction arrow

Irreversible reactionปฎกรยาดำเนนไปขางหนาทางเดยว

Reversible reactionปฏกรยาแบบผนกลบได

H3C CO

O CH3 H2O+H2SO4

heatH3C C

OOH + HO CH3

Br+ NaOEt EtOH

Introduction



Reaction mechanism

Rule 1: อเลกตรอนเคลอนทจาก Nucleophile ไปท Electrophile เทานน

A+

Electrophile

(electron-poor)

Nucleophile

(electron-rich)

:B-+ A-B

Introduction



Reaction mechanism

Rule 1: อเลกตรอนเคลอนทจาก Nucleophile ไปท Electrophile เทานน

Introduction



Reaction mechanism

Rule 2: Nucleophile สามารถเปนสารทมประจลบ หรอ เปนกลาง

Introduction



Reaction mechanism

Rule 3: Electrophile สามารถเปนสารทมประจบวก หรอ เปนกลาง

Introduction



Reaction mechanism

Rule 4: ตองเปนไปตามกฎออกเตต (Octet rule)กฎทอะตอมพยายามทจะทำใหเวเลนซอเลกตรอนของตวมนเองใหครบแปดซงเปนสภาพทเสถยรทสด(เลยนแบบแกสเฉอย)

Introduction



Reaction mechanism

เขยนลกศรแสดงกลไกของปฏกรยา

Introduction



Reaction mechanism เขยนลกศรแสดงกลไกของปฏกรยา

Homework



-สง Homework 1 ครงหนา (โหลดการบานไดจากใน webpage)

-ด Youtube video มากอนเขาเรยน https://youtu.be/TnY1S5IdVqI

Documents

Organic ChemistryI - Maejo University