ปฏิกิริยาอินทรีย์ — SN1, SN2, E1, E2 และการเติม

การจัดประเภทปฏิกิริยาอินทรีย์ทำได้ง่ายที่สุดโดยถามก่อนว่าอะไรเปลี่ยนไป ถ้าหมู่หนึ่งบนคาร์บอน $sp^3$ ถูกแทนที่ ให้นึกถึงการแทนที่ ถ้าเกิดพันธะไพใหม่ ให้นึกถึงการกำจัด ถ้ามีอะตอมถูกเติมข้ามพันธะ $C=C$ หรือ $C\equiv C$ ที่มีอยู่เดิม ให้นึกถึงการเติม

สำหรับโจทย์เคมีอินทรีย์ระดับต้นส่วนใหญ่ การแยกแบบแรกนี้ก็ช่วยจำกัดคำตอบให้เหลือ SN1, SN2, E1, E2 หรือการเติมได้มากแล้ว จากนั้นค่อยดูเงื่อนไขว่า มี leaving group หรือไม่ คาร์บอนที่เกิดปฏิกิริยาเป็นปฐมภูมิ ทุติยภูมิ หรือ ตติยภูมิ มีเบสแก่หรือนิวคลีโอไฟล์อยู่หรือไม่ และการเกิดคาร์โบแคตไอออนสมเหตุสมผลหรือเปล่า

วิธีแยก SN1, SN2, E1, E2 และการเติมอย่างรวดเร็ว

ชนิด	สิ่งที่เปลี่ยนไป	มักเกิดได้ดีเมื่อ	แนวคิดหลัก
SN1	leaving group ถูกแทนที่	สารตั้งต้นสามารถเกิดคาร์โบแคตไอออนที่ค่อนข้างเสถียรได้	การแทนที่แบบสองขั้น
SN2	leaving group ถูกแทนที่	สารตั้งต้นไม่เกะกะมากเกินไป และนิวคลีโอไฟล์ที่ดีสามารถโจมตีได้โดยตรง	การแทนที่แบบขั้นเดียว
E1	เกิดพันธะไพ	สามารถเกิดคาร์โบแคตไอออนได้ และการกำจัดแข่งขันได้หลังจากเกิดอินเตอร์มีเดียตนั้น	การกำจัดแบบสองขั้น
E2	เกิดพันธะไพ	เบสแก่ดึงไฮโดรเจนเบตาออกพร้อมกับที่ leaving group หลุดออก	การกำจัดแบบขั้นเดียว
การเติม	อะตอมถูกเติมข้ามพันธะไพ	โมเลกุลตั้งต้นมีพันธะ $C=C$ หรือ $C\equiv C$ อยู่แล้ว	พันธะไพเปลี่ยนเป็นพันธะซิกมาใหม่

ตารางนี้เป็นแนวทาง ไม่ใช่กฎตายตัว ผลลัพธ์จริงขึ้นอยู่กับสารตั้งต้น รีเอเจนต์ ตัวทำละลาย และบางครั้งก็อุณหภูมิ

กฎตัดสินใจแบบเร็วที่มักใช้ได้ผล

• ถ้าโมเลกุลตั้งต้นมี leaving group บนคาร์บอน $sp^3$ การแข่งขันหลักมักเป็นการแทนที่กับการกำจัด
• ถ้าโมเลกุลตั้งต้นมีพันธะไพอยู่แล้ว และ leaving group ไม่ใช่ประเด็นสำคัญของโจทย์ การเติมมักเป็นคำตอบแรกที่เดาได้ดีกว่า
• ถ้าคาร์บอนที่เกิดปฏิกิริยาเป็นปฐมภูมิ SN2 มักเป็นไปได้มากกว่า SN1
• ถ้าคาร์บอนที่เกิดปฏิกิริยาเป็นตติยภูมิ SN2 แบบปกติจะเกิดไม่ได้ ดังนั้นการแข่งขันที่พบบ่อยคือ SN1, E1 หรือ E2 ขึ้นกับเงื่อนไข
• ถ้ามีเบสแก่และมีไฮโดรเจนเบตาอยู่ E2 จะมีโอกาสเกิดมากขึ้นอย่างชัดเจน

ความหมายจริงของปฏิกิริยาแต่ละชนิด

SN1

SN1 ย่อมาจาก substitution nucleophilic unimolecular ขั้นช้าจะเกี่ยวข้องกับสารตั้งต้นเพียงตัวเดียว เพราะ leaving group หลุดออกก่อนและเกิดคาร์โบแคตไอออน

ดังนั้น SN1 จึงมีแนวโน้มมากขึ้นเมื่อคาร์โบแคตไอออนที่เกิดมีความเสถียรพอสมควร โดยเฉพาะในสารตั้งต้นตติยภูมิหลายชนิด ถ้ามีการ rearrangement แล้วทำให้คาร์โบแคตไอออนเสถียรมากขึ้น ผลิตภัณฑ์ก็อาจเปลี่ยนไปได้

SN2

SN2 ย่อมาจาก substitution nucleophilic bimolecular นิวคลีโอไฟล์โจมตีในขณะที่ leaving group หลุดออก ดังนั้นปฏิกิริยาจึงเกิดในขั้นตอนเดียว

เพราะการโจมตีต้องเข้าถึงคาร์บอนที่เกิดปฏิกิริยาได้โดยตรง ความเกะกะเชิงสเตอริกจึงสำคัญมาก สารตั้งต้นปฐมภูมิมักเอื้อต่อ SN2 มากกว่าสารตั้งต้นตติยภูมิอย่างชัดเจน และสารตั้งต้นตติยภูมิจะไม่เกิด SN2 แบบปกติที่คาร์บอนซึ่งเกะกะนั้น

E1

E1 ย่อมาจาก elimination unimolecular เช่นเดียวกับ SN1 มันเริ่มจากการที่ leaving group หลุดออกเพื่อเกิดคาร์โบแคตไอออน จากนั้นเบสจะดึงไฮโดรเจนเบตาออก และเกิดพันธะไพ

เพราะ SN1 และ E1 ต่างก็ผ่านคาร์โบแคตไอออน จึงมักแข่งขันกันภายใต้เงื่อนไขคล้ายกัน ความร้อนมักทำให้การกำจัดเด่นขึ้น แต่เป็นเพียงแนวโน้ม ไม่ใช่ข้อสรุปแน่นอน

E2

E2 ย่อมาจาก elimination bimolecular ในขั้นตอนเดียวแบบ concerted เบสจะดึงไฮโดรเจนเบตาออกพร้อมกับที่ leaving group หลุดออก และเกิดพันธะไพ

E2 พบได้บ่อยเมื่อมีเบสแก่และมีไฮโดรเจนเบตาให้ดึงออก สำหรับสารตั้งต้นทุติยภูมิและตติยภูมิ เบสแก่มักผลักให้ปฏิกิริยาไปทาง E2 มากกว่าการแทนที่

การเติม

ปฏิกิริยาการเติมมักเริ่มจากแอลคีนหรือแอลไคน์ แทนที่จะสูญเสียหมู่ใดหมู่หนึ่ง โมเลกุลจะได้รับอะตอมใหม่เติมข้ามพันธะไพ

ตัวอย่างพื้นฐานที่พบบ่อยคือการเติม $HBr$ ข้ามพันธะคู่ของแอลคีน พันธะคู่แตกออก และอะตอมจากรีเอเจนต์จะไปอยู่บนคาร์บอนสองตัวที่เดิมเคยเชื่อมกันด้วยพันธะคู่

แนวคิดที่ช่วยให้ปฏิกิริยาเหล่านี้เข้าใจได้จริง

วิธีที่เร็วที่สุดในการทำความเข้าใจปฏิกิริยาเหล่านี้คือถามว่า ในเชิงโครงสร้างแล้วโมเลกุลนี้สามารถทำอะไรได้บ้าง

ถ้ามี leaving group บนคาร์บอนอิ่มตัว โมเลกุลอาจแทนที่หมู่นั้น หรือดึงไฮโดรเจนข้างเคียงออกแล้วสร้างพันธะไพ ถ้ามีพันธะไพอยู่แล้ว โมเลกุลอาจเกิดปฏิกิริยาโดยการเติมข้ามพันธะนั้นแทน คำถามเชิงโครงสร้างเพียงข้อนี้ช่วยแยกโจทย์ระดับเริ่มต้นส่วนใหญ่ออกได้ ก่อนที่คุณจะเริ่มคิดเรื่องลูกศรโค้งเสียอีก

หลังจากนั้น ให้ถามต่อว่ารีเอเจนต์ทำหน้าที่เหมือนนิวคลีโอไฟล์มากกว่าหรือเหมือนเบสมากกว่า นิวคลีโอไฟล์แก่หรือดีมักช่วยให้เกิดการแทนที่ เบสแก่มักช่วยให้เกิดการกำจัด รีเอเจนต์บางชนิดทำได้ทั้งสองแบบ ดังนั้นสารตั้งต้นและเงื่อนไขจึงเป็นตัวตัดสินว่าเส้นทางไหนจะชนะ

ตัวอย่างโจทย์: ทำไม 2-Bromopropane มักให้ E2

พิจารณา $2$-bromopropane ทำปฏิกิริยากับ sodium ethoxide, $\mathrm{NaOEt}$, ในเอทานอล

เริ่มจากดูสารตั้งต้นก่อน คาร์บอนที่จับกับโบรมีนเป็นคาร์บอนทุติยภูมิ ดังนั้นทั้งการแทนที่และการกำจัดจึงเป็นไปได้ในหลักการ

ต่อไปดูรีเอเจนต์ Ethoxide เป็นทั้งเบสแก่และนิวคลีโอไฟล์ที่ดี สำหรับสารตั้งต้นทุติยภูมิ แค่นี้ก็ทำให้ E2 เป็นตัวเลือกที่มีน้ำหนักมากแล้ว

จากนั้นถามว่า E2 ต้องการอะไร มันต้องมี leaving group และไฮโดรเจนเบตา โมเลกุลนี้มีทั้งสองอย่าง ดังนั้นการกำจัดจึงเกิดได้ในขั้นตอนเดียว

ภายใต้เงื่อนไขทั่วไปในห้องเรียน มักทำนายว่า E2 เป็นเส้นทางหลัก โดยเฉพาะเมื่อมีความร้อน ผลิตภัณฑ์อินทรีย์คือโพรพีน เพราะเบสดึงไฮโดรเจนเบตาออกในขณะที่โบรไมด์หลุดออกในขั้นตอนเดียวกัน

เหตุผลที่ตัวอย่างนี้สำคัญ:

• สารตั้งต้นทุติยภูมิหมายความว่ามีการแข่งขันจริงระหว่างหลายเส้นทาง
• เบสแก่ทำให้การกำจัดมีแนวโน้มมากขึ้น
• การเกิดแอลคีนบอกว่าปฏิกิริยานี้เป็นการกำจัด ไม่ใช่การแทนที่

ถ้าคุณเปลี่ยนสารตั้งต้นหรือรีเอเจนต์ การทำนายก็อาจเปลี่ยนได้ สารตั้งต้นปฐมภูมิที่เกะกะน้อยกว่าจะทำให้ SN2 แข่งขันได้มากขึ้นอย่างชัดเจน

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในการจัดประเภทปฏิกิริยาอินทรีย์

มองว่าเบสแก่กับนิวคลีโอไฟล์แก่เป็นสิ่งเดียวกัน

รีเอเจนต์บางชนิดทำหน้าที่ได้ทั้งสองแบบ แต่สารตั้งต้นสำคัญพอ ๆ กัน นิวคลีโอไฟล์แก่กับสารตั้งต้นปฐมภูมิมักชี้ไปทาง SN2 ขณะที่เบสแก่กับสารตั้งต้นที่เกะกะมากกว่ามักชี้ไปทาง E2

คิดว่าสารตั้งต้นตติยภูมิต้องเป็น SN1 เสมอ

สารตั้งต้นตติยภูมิไม่สามารถเกิด SN2 แบบปกติได้ แต่ก็ไม่ได้แปลว่าจะเป็น SN1 โดยอัตโนมัติ ถ้ามีเบสแก่ E2 มักเป็นคำทำนายที่ดีกว่า

ลืมว่า SN1 และ E1 ใช้คาร์โบแคตไอออนร่วมกัน

ถ้าเกิดคาร์โบแคตไอออน การ rearrangement ก็อาจเกิดขึ้นได้ และการแทนที่กับการกำจัดก็อาจแข่งขันกัน นี่จึงเป็นเหตุผลที่มักอธิบายกลไกสองแบบนี้ควบคู่กัน

เรียกทุกปฏิกิริยาของแอลคีนว่าการเติม

การเติมต้องมีอะตอมมาเติมข้ามพันธะไพ ถ้าปฏิกิริยาสร้างพันธะคู่ขึ้นมาแทน นั่นคือการกำจัด

ปฏิกิริยาอินทรีย์เหล่านี้ใช้ทำอะไร

ปฏิกิริยาเหล่านี้เป็นแกนหลักของการสังเคราะห์อินทรีย์และโจทย์กลไกระดับเริ่มต้น มันช่วยให้คุณทำนายได้ว่า:

• โมเลกุลจะถูกแทนที่มากขึ้นหรือไม่อิ่มตัวมากขึ้น
• รีเอเจนต์มีแนวโน้มจะแทนที่ leaving group หรือดึงไฮโดรเจนออก
• สภาวะปฏิกิริยาทำให้ผลิตภัณฑ์หลักเปลี่ยนไปอย่างไร
• ทำไมสารตั้งต้นเดียวกันจึงให้พฤติกรรมต่างกันเมื่อใช้รีเอเจนต์ต่างกัน

แนวคิดเหล่านี้ไม่ได้สำคัญแค่ในข้อสอบเท่านั้น แต่ยังช่วยให้นักเคมีวางแผนเส้นทางเปลี่ยนโครงกระดูกคาร์บอนหนึ่งไปเป็นอีกแบบหนึ่งได้ด้วย

ลองทำโจทย์จัดประเภทที่คล้ายกัน

เลือกสารตั้งต้นที่มี leaving group สักตัว เช่น $1$-bromobutane แล้วถามว่าการทำนายจะเปลี่ยนอย่างไรถ้าจับคู่กับ sodium cyanide, sodium ethoxide หรือ water การเปลี่ยนทีละเงื่อนไขเป็นหนึ่งในวิธีที่เร็วที่สุดที่จะทำให้ SN1, SN2, E1 และ E2 ดูมีเหตุผล แทนที่จะต้องท่องจำ หากต้องการอ่านต่อแบบใกล้เคียง ให้เปรียบเทียบหน้านี้กับ nucleophilic substitution