Electrophilic substitution ตำแหน่งที่ 1 บนวงแหวนเบนซีน MO Memoir : Tuesday 9 September 2557

พฤติกรรมการทำปฏิกิริยาของพันธะคู่ระหว่างอะตอมคาร์บอน C=C ที่อยู่โดดเดี่ยว กล่าวคือในโมเลกุลมีพันธะคู่อยู่เพียงตำแหน่งเดียว หรือมีหลายพันธะคู่หลายตำแหน่ง แต่พันธะคู่เหล่านั้นแยกห่างจากกันด้วยพันธะเดี่ยวคั่นกลางตั้งแต่สองพันธะขึ้นไป (เช่น -C=C-C-C=C-) เป็นลักษณะของ isolated double bond การทำปฏิกิริยาของพันธะคู่เหล่านี้จะไม่ขึ้นอยู่กับพันธะคู่ตัวอื่น จะเป็นเหมือนกับการทำปฏิกิริยาของพันธะคู่ที่อยู่โดดเดี่ยว ทั้งนี้เพราะ πe^- ของพันธะคู่เหล่านั้นจะอยู่ประจำตำแหน่งโดยไม่ได้รับผลกระทบจากพันธะข้างเคียง

  

แต่ถ้าในโมเลกุลนั้นมีพันธะคู่มากกว่าหนึ่งพันธะ และพันธะคู่เหล่านั้นแยกห่างจากกันด้วยพันธะเดี่ยวเพียงพันธะเดียว เช่น -C=C-C=C- โครงสร้างเช่นนี้เรียกว่า conjugated double bonds พฤติกรรมการทำปฏิกิริยาของพันธะคู่เหล่านี้จะเปลี่ยนแปลงไป ทั้งนี้เพราะ πe^- จะไม่อยู่ประจำตำแหน่ง แต่จะเคลื่อนย้ายไปมาระหว่างพันธะคู่ที่อยู่เคียงข้างได้ ทำให้พันธะคู่ประเภท conjugated double bonds นั้นมีเสถียรภาพมากกว่า isolated double bond

เรื่องเกี่ยวกับ conjugated double bond และความเป็นอะโรมาติก เคยเล่าไว้ก่อนหน้านี้บ้างแล้วใน Memoir

ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๑๘ วันศุกร์ที่ ๑๒ ตุลาคม พ.ศ. ๒๕๕๕ เรื่อง "Conjugateddouble bonds กับAromaticity"

ปีที่ ๖ ฉบับที่ ๖๘๕ วันอาทิตย์ที่ ๒๐ ตุลาคม พ.ศ. ๒๕๕๖ เรื่อง "หมู่ทำให้เกิดสี(chromophore)และหมู่เร่งสี(auxochrome)"

ปีที่ ๖ ฉบับที่ ๗๕๒ วันอาทิตย์ที่ ๑๖ กุมภาพันธ์ พ.ศ. ๒๕๕๗ เรื่อง "Electrophilicaddition ของconjugateddiene"

แม้ว่าพันธะ C=C ในรูปของ conjugated double bond และวงแหวนอะโรมาติกจะมีพฤติกรรมบางอย่างคล้ายกัน แต่พฤติกรรมการทำปฏิกิริยาก็แตกต่างกันอยู่ ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือการทำปฏิกิริยากับสาร electrophile (สารที่ชอบอิเล็กตรอน) ในกรณีของพันธะ C=C ในรูปของ conjugated double bond นั้นจะทำปฏิกิริยาการเติม (addition) เหมือนกับพันธะคู่ทั่วไปของอัลคีน โดยพันธะ C=C จะกลายเป็นพันธะเดี่ยว C=C ส่วนในกรณีของสารประกอบอะโรมาติกนั้นจะทำปฏิกิริยาแทนที่ (substitution) เหมือนกับอัลเคน โดย electrophile นั้นจะเข้าไปแทนที่อะตอม H ที่เกาะกับอะตอม C ของวงแหวนอะโรมาติก
  

และด้วยความที่ πe^- ของวงแหวนเบนซีนมีเสถียรภาพมากกว่า πe^- ของพันธะคู่ C=C จึงทำให้ในบางปฏิกิริยานั้น electrophile ที่สามารถทำปฏิกิริยาได้ง่ายกับพันธะคู่ C=C กลับไม่ทำปฏิกิริยากับวงแหวนเบนซีน เว้นแต่จะมีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาหรือภาวะการทำปฏิกิริยาที่รุนแรงกว่าเข้าช่วย

เนื้อหาใน Memoir ฉบับนี้เขียนขึ้นเพื่อทบทวนความเข้าใจพื้นฐานเคมีอินทรีย์ (ทั้งของผมเองและของสมาชิกกลุ่ม) เกี่ยวกับการทำปฏิกิริยา electrophilic substituion ของวงแหวนเบนซีน เพราะกลุ่มเราเองก็มีการศึกษาปฏิกิริยา electrophilic substituion บนวงแหวนเบนซีนอยู่ด้วย (ปฏิกิริยา hydroxylation ที่เติมหมู่ -OH เข้าไปที่วงแหวน) โดยเลือกมาเฉพาะส่วนการทำปฏิกิริยาการแทนที่ครั้งแรกของวงแหวนเบนซีนเท่านั้น (ถ้าว่างเมื่อไรจะเขียนเรื่องการแทนที่ครั้งที่สอง ส่วนการแทนที่ครั้งที่สามนั้นเขียนไปก่อนหน้านี้ตั้งแต่เดือนสิงหาคม ๒๕๕๖ แล้ว)
  

ปฏิกิริยาการแทนที่ทุกปฏิกิริยาในที่นี้เป็นปฏิกิริยา electrophilic substituion ทั้งหมด แต่ที่มีชื่อเรียกแตกต่างกันเพราะเขาจำแนกตามชนิดของ electrophile ที่เข้าทำปฏิกิริยา

1. ปฏิกิริยาการเติมฮาโลเจนหรือ Halogenation

ปฏิกิริยาในที่นี้ใช้กับกรณีของ Cl₂ และ Br₂ เท่านั้น F₂ มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยาที่สูงเกินไปจนยากที่จะควบคุม ในขณะที่ I₂ มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยาที่ต่ำเกินไป ดังนั้นการแทนที่ด้วยอะตอม F หรือ I จะใช้วิธีการที่แตกต่างออกไป (ดังนั้นอาจจะเรียกเฉพาะไปเลยว่าเป็นปฏิกิริยา chlorination หรือ bromination แทนที่จะใช้คำกลาง ๆ)
  

ในกรณีของ Cl₂ และ Br₂ นั้น จำเป็นต้องมีตัวเร่งปฏิกิริยาพวก Lewis acid เข้าช่วย ตัวอย่างเช่นในกรณีของการเติมอะตอม Cl เข้าไปที่วงแหวนเบนซีน (C₆H₆) โดยใช้ FeCl₃ เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (ตำแหน่งที่เป็น Lewis acid คือ Fe³⁺) ในขั้นตอนแรกโมเลกุล Cl-Cl จะหันด้านหนึ่งเข้าหา Fe³⁺ ทำให้ความหนาแน่นอิเล็กตรอนของโมเลกุล Cl ย้ายไปทางอะตอมด้านที่เกาะเข้ากับไอออน Fe³⁺ อะตอม Cl ด้านที่อยู่ห่างออกมาจึงมีความเป็นขั้วบวกที่แรงมากขึ้น ดังสมการข้างล่าง

จากนั้นอะตอม Cl ด้านที่เป็นขั้วบวกจะไปดึงอิเล็กตรอนจากวงแหวน สร้างเป็นพันธะ C-Cl ขึ้น พร้อมกับการหลุดออกของอะตอม H จากวงแหวน ซึ่งจะมีอะตอม Cl ที่เกาะอยู่กับ Fe³⁺ รับไปอีกทีดังสมการ

2. ปฏิกิริยา Sulphonation

ในปฏิกิริยานี้จะใช้กรดกำมะถัน (H₂SO₄) เข้มข้น หรือกรดกำมะถันที่มีแก๊ส SO₃ ละลายอยู่ (H₂SO₄.SO₃) ที่เรียกว่า Oleum (โอเลียม) ในการทำปฏิกิริยา สารที่เข้าทำปฏิกิริยาคือ SO₃ (อะตอม S ของโมเลกุล SO₃ มีความเป็นบวกที่แรงนื่องจากมีอะตอม O ถึง 3 อะตอมดึงอิเล็กตรอนออกจากตัวมันเอง ในกรณีของกรดกำมะถันเข้มข้น ปฏิกิริยาในขั้นแรกที่เกิดคือ

จากนั้น SO₃ จะเข้าไปแทนที่อะตอม H ของวงแหวนเบนซีนดังสมการข้างล่าง โดยมี HSO₄^- มาเป็นตัวรับอะตอม H ของวงแหวน

ทุกขั้นตอนของปฏิกิริยา Sulphonation นี้สามารถผันกลับได้ ดังนั้นปฏิกิริยานี้จึงเป็นปฏิกิริยาที่ถูกคุมด้วยสมดุลเคมี

3. ปฏิกิริยา Nitration

การเติมหมู่ไนโตร (-NO₂) เข้าไปที่วงแหวนเบนซีนทำได้ด้วยการใช้สารละลายผสมระหว่างกรดกำมะถัน (H₂SO₄) เข้มข้นกับกรดไนตริก (HNO₃) เข้มข้น สารที่เป็น electrophile คือ nitronium ion (⁺NO₂) ที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างกรดกำมะถันและกรดไนตริกดังสมการ

จากนั้น nitronium ion (⁺NO₂) จะเข้าไปแทนที่อะตอม H ของวงแหวนเบนซีนโดยมี HSO₄^- มาเป็นตัวรับอะตอม H ได้เป็นสารประกอบไนโตรเบนซีนดังสมการ

ความสำคัญอย่างหนึ่งของปฏิกิริยา nitration นี้คือ การเติมหมู่ -NO₂ นั้นทำได้ไม่ยาก และเมื่อได้ nitrobenzene (C₆H₅-NO₂) แล้วยังสามารถทำการรีดิวซ์หมู่ -NO₂ เพื่อเปลี่ยน nitrobenzene ให้กลายเป็น Aniline (C₆H₅-NH₂) หมู่ amino -NH₂ ที่เกาะอยู่กับวงแหวนทำให้วงแหวนมีความว่องไวในการแทนที่ครั้งที่สองสูงขึ้นมาก และตัวหมู่ -NH₂ ก็ยังสามารถเปลี่ยนไปเป็นหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) ได้อีก

4. ปฏิกิริยา Friedel-Crafts alkylation

ปฏิกิริยาตั้งชื่อตามนักเคมีสองคนที่ค้นพบ ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาใช้ในการเตรียมสารประกอบ alkyl benzene (C₆H₅-R เมื่อ R คือหมู่ alkyl) โดยสารที่เป็น electrophile คือ carbocation ที่เกิดจากปฏิกิริยาของ alkyl halide, alcohol หรือ alkene กับกรดแก่ที่มีความแรง ตัวอย่างเช่น isopropyl carbocation สามารถเตรียมได้ดังสมการ

จากนั้น isopropyl cation จะเข้าทำปฏิกิริยากับวงแหวนเบนซีนได้เป็นสารประกอบ cumene ดังสมการ

ข้อควรระวังของปฏิกิริยานี้คือสารประกอบ alkyl benzene ที่เกิดขึ้นมีความว่องไวในการทำปฏิกิริยาแทนที่สูงกว่าเบนซีนที่เป็นสารตั้งต้น ดังนั้นแทนที่จะได้สารประกอบที่มีการแทนที่เพียงครั้งเดียวเป็นผลิตภัณฑ์เพียงอย่างเดียว จะทำให้ได้สารประกอบที่มีการแทนที่มากกว่าหนึ่งครั้งเป็นผลิตภัณฑ์เกิดขึ้นร่วมด้วย วิธีการหนึ่งในการลดการเกิดผลิตภัณฑ์ที่มีการแทนที่มากกว่า 1 ตำแหน่งคือการใช้เบนซีนในสัดส่วนที่สูงกว่า
  

นอกจากนี้วิธีการนี้ยังมีปัญหาในการเตรียมสารประกอบที่ต้องการให้เชื่อมส่วนปลายของหมู่ alkyl เข้ากับวงแหวนเบนซีน เพราะ 1º carbocation นั้นมีเสถียรภาพต่ำกว่า 2º หรือ 3º carbocation จะทำให้ 1º carbocation ที่เกิดขึ้นมีการจัดเรียงตัวใหม่กลายเป็น 2º หรือ 3º carbocation เช่นในกรณีที่ใช้ 1-Chloropropane (หรือ n-Propylchloride) เป็นสารตั้งต้นในการปฏิกิริยากับเบนซีน propyl carbocation (เป็นชนิด 1º) อาจมีการจัดเรียงตัวใหม่เป็น isopropyl carbocation (เป็นชนิด 2º) ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ที่เป็น n-propyl benzene และ cumene ดังสมการ

ปฏิกิริยา Friedel-Crafts alkylationนี้ใช้ได้กับ เบซีน, halobenzene (เบนซีนที่อะตอม H ถูกแทนที่ด้วยเฮไลด์ - แต่ต้องไม่มากเกินไป) และเบนซีนที่มีหมู่แทนที่ที่เป็น ring activation group (จะกล่าวถึงในเรื่องต่อไป ซึ่งไม่รู้จะมีเวลาเขียนเมื่อใด) สำหรับเบนซีนที่ถูกแทนที่ด้วยหมู่ที่เป็น ring deactvationg group ตัวอื่น (เช่น -NO₂, SO₃H หรือ -C(O)-R) จะไม่ทำปฏิกิริยาดังกล่าว

5. ปฏิกิริยา Friedel-Crafts acylation

ปฏิกิริยานี้มีรูปแบบทำนองเดียวกับปฏิกิริยา Friedel-Crafts alkylation ในข้อ 4. แต่ใช้สารประกอบ acyl halide (X-(CO)-R) เป็น electrophile (หรืออาจใช้สารประกอบ anhydride (แอนไฮดราย R-(CO)-O-R) แทนก็ได้) ตัวอย่างเช่นในกรณีของการใช้ Acyl chloride (หมู่ R เป็นหมู่ alkyl ใด ๆ ที่ไม่ใช่อะตอม H) เป็นสารตั้งต้นและใช้ AlCl₃ ที่เป็น strong Lewis acid เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ปฏิกิริยาจะเริ่มจากการเกิด Acylium ion ดังสมการ

Acylium ion ที่เกิดขึ้นมีจุดเด่นคือเป็น strong electrophile และมีเสถียรภาพในการดึงให้ตำแหน่งที่มีประจุ + นั้นคงอยู่ที่อะตอม C ที่เชื่อมต่อกับอะตอม O (หรืออะตอม C ที่ปลายโซ่นั่นเอง) โดยไม่มีการเคลื่อนย้ายประจุ + ไปยังอะตอม C ตัวอื่นของหมู่ R (หรือการ rearrangement) จนทำให้เกิดเป็น 2º carbocation จากนั้น acylium ion จึงเข้าทำปฏิกิริยากับวงแหวนเบนซีนได้สารประกอบ alkyl aryl ketone ดังสมการ

หมู่ carbonyl (-(CO)-) ที่เกาะอยู่กับวงแหวนเบนซีนโดยตรงนั้นเป็น ring deactivating group จึงทำให้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นยากที่จะทำปฏิกิริยา acylation ต่อไปอีกเมื่อเทียบกับเบนซีนที่เป็นสารตั้งต้น จึงทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีการแทนที่เพียงครั้งเดียว
  

สารประกอบอัลคิลเบนซีนที่ต้องการให้หมู่อัลคิลนั้นเป็นโซ่ตรงโดยไม่มีกิ่งก้าน (ซึ่งอาจเป็นผลจากการจัดเรียงตัวใหม่ของ carbocation ที่เกิดขึ้น) ซึ่งไม่สามารถเตรียมได้หรือเตรียมได้ยากจากปฏิกิริยา Friedel-Crafts alkylation ก็สามารถเตรียมได้ผ่านทางปฏิกิริยา Friedel-Crafts acylation นี้ ตัวอย่างเช่นการเตรียม n-Propylbenzene โดยใช้ propionyl chloride เป็นสารตั้งต้น ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นคือ

หลังจากที่ได้ Ethyl phenyl ketone แล้วจึงทำการรีดิวซ์หมู่ carbonyl ก็จะได้ n-propylbenzene
  

ตรงนี้มีข้อควรคำนึงคือ Ethyl phenyl ketone มีหมู่ที่สามารถรีดิวซ์ได้สองหมู่คือหมู่ carbonyl ที่ต้องการตัดอะตอม O ออก และตัววงแหวนเบนซีนเอง ในกรณีนี้ต้องการรีดิวซ์เฉพาะส่วนของหมู่ carbonyl โดยไม่ยุ่งเกี่ยวอะไรกับวงแหวน สำหรับนักเคมีแล้วจะใช้ปฏิกิริยาที่มีชื่อว่า Clemmensen reduction ที่ใช้โลหะ zinc amalgam (สังกะสีผสมกับปรอท) และ HCl ในการทำปฏิกิริยา
  

อีกวิธีการหนึ่งในการเตรียม n-propylbenzene คือเตรียมจากปฏิกิริยาระหว่างโทลูอีน (toluene - C₆H₅-CH₃) กับเอทิลีน (H₂C=CH₂) โดยใช้เบสแก่ (เช่นโลหะอัลคาไลน์) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา หมู่ -CH₃ ของโทลูอีนจะจ่ายโปรตอนให้กับเบสแก่นั้นและกลายเป็น benzyl cation ที่สามารถทำปฏิกิริยากับเอทิลีนกลายเป็น n-propylbenzene ได้

เรื่องอื่น ๆ ในหมวดหมู่เดียวกันนี้ได้แก่

ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๑๗ วันพฤหัสบดีที่ ๑๑ ตุลาคม พ.ศ. ๒๕๕๕ เรื่อง "NucleophileกับElectrophile"

ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๒๓ วันจันทร์ที่ ๒๒ ตุลาคม พ.ศ. ๒๕๕๕ เรื่อง "Carbocation- การเกิดและเสถียรภาพ"

ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๓๓ วันเสาร์ที่ ๑๐ พฤศจิกายน พ.ศ. ๒๕๕๕ เรื่อง "Carbocation- การทำปฏิกิริยา"

ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๓๙ วันเสาร์ที่ ๒๔ พฤศจิกายน พ.ศ. ๒๕๕๕ เรื่อง "Carbocationตอนที่๓ การจำแนกประเภท-เสถียรภาพ"

ปีที่ ๖ ฉบับที่ ๖๕๔ วันพุธที่ ๒๑ สิงหาคม พ.ศ. ๒๕๕๖ เรื่อง "Electrophilicsubstitution ตำแหน่งที่3บนวงแหวนเบนซีน"

ปีที่ ๖ ฉบับที่ ๗๔๗ วันจันทร์ที่ ๑๐ กุมภาพันธ์ พ.ศ. ๒๕๕๗ เรื่อง "Electrophilicaddition ของอัลคีน"

ปีที่ ๖ ฉบับที่ ๗๔๘ วันพุธที่ ๑๒ กุมภาพันธ์ พ.ศ. ๒๕๕๗ เรื่อง "Halogenationของalkane"

a