ลูกศรโค้งและการเขียนกลไกด้วยลูกศร: กฎ รูปแบบ และวิธีฝึก
คำตอบสั้น ๆ: ลูกศรโค้งแสดงการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนหนึ่งคู่ ลูกศรเริ่มที่อิเล็กตรอน: อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว พันธะ π หรือพันธะ σ และจบที่ปลายทางของอิเล็กตรอน: บนอะตอมกลายเป็นอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวใหม่ หรือระหว่างสองอะตอมกลายเป็นพันธะใหม่ ลูกศรเบ็ดตกปลาย้ายอิเล็กตรอนหนึ่งตัว หากต้องการฝึก ให้เปิดแบบฝึกเขียนกลไกปฏิกิริยาด้วยลูกศรที่ใช้ฟรี แตะจุดเริ่มและจุดจบของแต่ละลูกศร แล้วกด ตรวจคำตอบ
การเขียนกลไกด้วยลูกศรคืออะไร
การเขียนกลไกด้วยลูกศร (arrow pushing) เป็นวิธีที่นักเคมีแสดงว่าปฏิกิริยาเกิดขึ้นอย่างไรทีละขั้น ลูกศรโค้งแต่ละอันย้ายอิเล็กตรอน พันธะเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนคู่มาถึงระหว่างอะตอม และพันธะสลายเมื่ออิเล็กตรอนคู่จากไป
นิวคลีโอไฟล์คือสปีชีส์ที่มีอิเล็กตรอนมากและให้อิเล็กตรอนคู่ เช่น HO⁻, NH₃, CN⁻ หรือพันธะ π ของ C=C อิเล็กโทรไฟล์คือสปีชีส์ที่ขาดอิเล็กตรอนและรับอิเล็กตรอนคู่ เช่น คาร์โบแคตไอออน คาร์บอนของ C=O, H⁺ หรือ NO₂⁺ ลูกศรชี้จากนิวคลีโอไฟล์ไปอิเล็กโทรไฟล์เสมอ
กฎ
- ลูกศรย้ายอิเล็กตรอน ไม่ใช่อะตอม ลูกศรเต็ม (หัวสองด้าน) ย้ายอิเล็กตรอนสองตัว ลูกศรเบ็ดตกปลา (หัวด้านเดียว) ย้ายหนึ่งตัว
- หางลูกศรอยู่บนอิเล็กตรอน เริ่มที่อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว พันธะ π หรือพันธะ σ ห้ามเริ่มที่ประจุบวก ออร์บิทัลว่าง หรืออะตอม H เปล่า ๆ
- หัวลูกศรแสดงปลายทางของอิเล็กตรอน จบบนอะตอมได้อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว จบระหว่างสองอะตอมได้พันธะ
- รักษาออกเตต C, N และ O มีอิเล็กตรอนได้ไม่เกินแปดตัว หากอิเล็กตรอนคู่มาถึงอะตอมที่เต็มแล้ว ต้องมีลูกศรอีกอันย้ายอิเล็กตรอนคู่ออกจากอะตอมนั้นในขั้นเดียวกัน
- ประจุเป็นไปตามลูกศร อะตอมที่ใช้อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวสร้างพันธะจะเป็นบวกมากขึ้นหนึ่งหน่วย อะตอมที่ได้อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวจะเป็นลบมากขึ้นหนึ่งหน่วย
- ประจุรวมคงที่ รวมประจุก่อนและหลัง ต้องเท่ากัน
ประจุฟอร์มอล = เวเลนซ์อิเล็กตรอน − อิเล็กตรอนที่ไม่สร้างพันธะ − จำนวนพันธะ ใช้ตรวจทุกอะตอมหลังวาดลูกศร
ลูกศรเต็มและลูกศรเบ็ดตกปลา
| ลูกศรโค้งเต็ม | ย้ายอิเล็กตรอนหนึ่งคู่ ใช้กับปฏิกิริยามีขั้ว: กรดและเบส นิวคลีโอไฟล์และอิเล็กโทรไฟล์ SN1, SN2, E1, E2 การเติมและการกำจัด |
|---|---|
| ลูกศรเบ็ดตกปลา | ย้ายอิเล็กตรอนหนึ่งตัว ใช้กับปฏิกิริยาอนุมูลอิสระ การสลายพันธะอย่างเท่ากัน (โฮโมไลซิส) ต้องใช้ลูกศรเบ็ดตกปลาสองอัน ไปยังแต่ละอะตอม |
| ลูกศรปฏิกิริยา (→) | แยกสารตั้งต้นออกจากผลิตภัณฑ์ ไม่ใช่ลูกศรโค้ง |
| ลูกศรเรโซแนนซ์ (↔) | เชื่อมภาพวาดสองแบบของสปีชีส์เดียวกัน ไม่มีปฏิกิริยาเกิดขึ้น |
รูปแบบลูกศรที่พบบ่อย
กลไกเกือบทั้งหมดสร้างจากรูปแบบเพียงไม่กี่แบบ
| การถ่ายโอนโปรตอน | อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวของเบส → H; พันธะ H–A → A ตัวอย่าง: HO⁻ + HCl → H₂O + Cl⁻ |
|---|---|
| การเข้าทำแบบนิวคลีโอไฟล์ | อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวหรือพันธะ π → อะตอมที่เป็นอิเล็กโทรไฟล์ ตัวอย่าง: น้ำ + (CH₃)₃C⁺ |
| การหลุดของหมู่ที่หลุดออก | พันธะ C–X → X ตัวอย่าง: (CH₃)₃C–Br → (CH₃)₃C⁺ + Br⁻ |
| SN2 | นิวคลีโอไฟล์ → C และ C–X → X พร้อมกัน |
| การเติมที่ C=O | นิวคลีโอไฟล์ → C และ π ของ C=O → O |
| E2 | เบส → β-H, C–H → C–C (พันธะ π ใหม่), C–X → X |
| การย้ายของคาร์โบแคตไอออน | พันธะ C–H หรือ C–C → C⁺ ที่อยู่ข้างเคียง |
| เพอริไซคลิก | ลูกศรเป็นวงปิด เช่นในปฏิกิริยา Diels–Alder |
| เรดิคัล | ลูกศรเบ็ดตกปลา อิเล็กตรอนหนึ่งตัวต่อลูกศร |
วิธีใช้เครื่องมือฝึกหัด
- เปิดแบบฝึกเขียนกลไกปฏิกิริยาด้วยลูกศร
- เลือกระดับ (เบื้องต้น ปานกลาง หรือขั้นสูง) และประเภทปฏิกิริยา หรือปล่อยไว้ที่ทั้งหมด
- อ่านสมการและบรรทัดที่บอกว่าต้องวาดลูกศรกี่อัน
- แตะจุดเริ่มของลูกศร: จุดคู่ (อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว) พันธะ หรือจุดเดี่ยว (อิเล็กตรอนเดี่ยว) แล้วแตะอะตอมหรือพันธะที่อิเล็กตรอนไปถึง
- สำหรับขั้นอนุมูลอิสระ ให้กด เบ็ดตกปลา (1 e⁻) ก่อนวาด
- กด ตรวจคำตอบ ลูกศรที่ผิดแต่ละอันจะมีข้อความของตัวเอง ลบด้วย × หรือใช้ ย้อนกลับ หรือ ล้าง
- กด คำใบ้ หากติดขัด หรือ แสดงเฉลย เพื่อดูลูกศรที่ถูกต้องเป็นสีส้ม ผลิตภัณฑ์ และเหตุผล แล้วกด ขั้นถัดไป
วาดลูกศรตามลำดับใดก็ได้ เครื่องมือยังยอมรับภาพวาดที่เทียบเท่ากัน เช่น ลูกศรจากอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวที่จบบนพันธะที่สร้างขึ้นแทนที่จะจบบนอะตอม ความคืบหน้าของคุณบันทึกไว้ในเบราว์เซอร์ รีเซ็ตความคืบหน้า จะล้างข้อมูลนี้
ตัวอย่างโจทย์
1. SN2: ไฮดรอกไซด์กับโบรโมมีเทน
HO⁻ + CH₃Br → CH₃OH + Br⁻ ลูกศรที่ 1 ไปจากอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวบน O⁻ ไปยังคาร์บอน ลูกศรที่ 2 ไปจากพันธะ C–Br ไปยังโบรมีน ออกซิเจนเปลี่ยนจาก −1 เป็น 0 และโบรมีนจาก 0 เป็น −1 ลูกศรอันเดียวจะทำให้คาร์บอนมีห้าพันธะ จึงต้องใช้ทั้งสองอัน
2. E2: ไฮดรอกไซด์กับโบรโมอีเทน
ลูกศรที่ 1: อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวของ O⁻ ไปยังไฮโดรเจนบนคาร์บอนที่อยู่ติดกับ C–Br ลูกศรที่ 2: พันธะ C–H นั้นเข้าไปในพันธะ C–C ซึ่งกลายเป็นพันธะ π ลูกศรที่ 3: พันธะ C–Br ไปยังโบรมีน ผลิตภัณฑ์คือเอทีน น้ำ และโบรไมด์ ลูกศรที่สองจบบนพันธะ ไม่ใช่บนอะตอมคาร์บอน
3. การเติมแบบแอลดอล
อีโนเลต CH₂=CH–O⁻ เข้าทำแอซีตัลดีไฮด์ ลูกศรที่ 1: อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวของ O⁻ สร้าง C=O ขึ้นใหม่ ลูกศรที่ 2: พันธะ π ของ C=C เข้าทำคาร์บอนของแอลดีไฮด์ สร้างพันธะ C–C ใหม่ ลูกศรที่ 3: พันธะ π ของ C=O ในแอลดีไฮด์ย้ายไปที่ออกซิเจน ได้แอลคอกไซด์
4. คลอริเนชันแบบอนุมูลอิสระของมีเทน
Cl• + CH₄ → HCl + •CH₃ ใช้ลูกศรเบ็ดตกปลาสามอัน อิเล็กตรอนหนึ่งตัวจาก Cl• และหนึ่งตัวจากพันธะ C–H จับคู่กันเป็นพันธะ H–Cl อิเล็กตรอนอีกตัวของ C–H อยู่บนคาร์บอนเป็นอนุมูลเมทิล
5. การย้ายไฮไดรด์แบบ 1,2
คาร์โบแคตไอออนทุติยภูมิที่อยู่ติดกับ C–H กลายเป็นตติยภูมิ ลูกศรหนึ่งอันไปจากพันธะ C–H ไปยังคาร์บอนที่เป็นบวก ไฮโดรเจนย้ายไปพร้อมอิเล็กตรอนสองตัวในรูปไฮไดรด์ หากลูกศรไปจบบนพันธะ C–C แทน จะเป็นการอธิบายการกำจัด
ตารางสรุป
| ขั้น | ลูกศร · การเปลี่ยนประจุ |
|---|---|
| การถ่ายโอนโปรตอน | 2 · เบสได้ +1, A ของกรดได้ −1 |
| การแตกตัวเป็นไอออนใน SN1 | 1 · C เป็น +, หมู่ที่หลุดออกเป็น − |
| SN2 | 2 · นิวคลีโอไฟล์ +1, หมู่ที่หลุดออก −1 |
| การเติมที่ C=O | 2 · O เป็น − |
| E2 | 3 · หมู่ที่หลุดออก −1 |
| การเกิดอีโนเลต | 3 · O เป็น − |
| ปฏิกิริยาแทนที่แบบอิเล็กโทรฟิลิกบนวงอะโรมาติก | 2 อันสำหรับการเข้าทำ, 2 อันสำหรับการเสีย H⁺ |
| Diels–Alder | 3 อันเป็นวง · ไม่มีประจุ |
| การดึงอะตอมโดยอนุมูลอิสระ | ลูกศรเบ็ดตกปลา 3 อัน · ไม่มีประจุ |
ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย
- ลูกศรกลับทิศ วาดจากอิเล็กโทรไฟล์ไปนิวคลีโอไฟล์ หรือจาก H⁺ ไปเบส
- เริ่มที่ประจุ + คาร์โบแคตไอออนไม่มีอิเล็กตรอนให้
- พันธะมากเกินไป การเข้าทำคาร์บอนที่เต็มแล้วโดยไม่ดันอิเล็กตรอนคู่ออกไป ทำให้คาร์บอนมีห้าพันธะ
- สลายพันธะผิดใน C=O ในปฏิกิริยาการเติม มีเพียงพันธะ π เท่านั้นที่ย้ายไปที่ออกซิเจน
- หัวลูกศรไม่ชัดเจน ลูกศรที่หยุดครึ่งทางไม่ได้บอกว่าเกิดพันธะหรืออิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว
- ใช้ลูกศรเต็มในขั้นอนุมูลอิสระ หรือใช้ลูกศรเบ็ดตกปลาในขั้นมีขั้ว
- ลืมปรับประจุ นับใหม่ทุกอะตอมที่ลูกศรแตะ
เคล็ดลับการสอบ
- วาดอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวทั้งหมดบนอะตอมที่เกิดปฏิกิริยา ผู้ตรวจจะดูว่าหางลูกศรอยู่บนอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว
- เริ่มลูกศรแต่ละอันตรงที่อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวหรือพันธะพอดี และจบตรงที่อะตอมหรือพันธะพอดี
- เขียนประจุบนสารมัธยันตร์ทุกตัว การลืมประจุมักทำให้เสียคะแนน
- สำหรับ SN2 ให้แสดงการเข้าทำจากด้านตรงข้ามกับหมู่ที่หลุดออก
- สำหรับ E2 ให้วาด H และหมู่ที่หลุดออกในแนว anti-periplanar
- ตรวจความเสถียรของคาร์โบแคตไอออนที่เกิดขึ้น และมองหาการย้ายไฮไดรด์หรือเมทิล
- เรียนรู้รูปแบบ ไม่ใช่ปฏิกิริยาเดี่ยว ๆ กลไกในข้อสอบส่วนใหญ่รวมรูปแบบสามหรือสี่แบบเข้าด้วยกัน
คำถามและคำตอบ
ลูกศรโค้งในเคมีหมายถึงอะไร
ลูกศรโค้งแสดงการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนหนึ่งคู่ในขั้นของปฏิกิริยา หางลูกศรคือตำแหน่งปัจจุบันของอิเล็กตรอน และหัวลูกศรคือตำแหน่งที่อิเล็กตรอนไปถึง อะตอมไม่ได้เคลื่อนตามลูกศร มีแต่อิเล็กตรอนเท่านั้น
ลูกศรโค้งเริ่มจากประจุบวกได้หรือไม่
ไม่ได้ ประจุบวกหมายความว่าอะตอมขาดอิเล็กตรอน จึงไม่มีอิเล็กตรอนให้ ลูกศรชี้เข้าหาศูนย์กลางบวก เช่น คาร์โบแคตไอออนหรือคาร์บอน δ+ ของ C=O ไม่เคยชี้ออกจากศูนย์กลางบวก
ใช้ลูกศรเบ็ดตกปลาเมื่อใด
ใช้ลูกศรเบ็ดตกปลาซึ่งมีหัวด้านเดียวเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่เพียงตัวเดียว ซึ่งเกิดในปฏิกิริยาอนุมูลอิสระ: การแตกพันธะแบบโฮโมไลซิสของ Cl₂ หรือ Br₂ ภายใต้แสง การดึงไฮโดรเจนโดยอนุมูลแฮโลเจน และการเติมอนุมูลอิสระเข้าที่แอลคีน การสลายพันธะหนึ่งพันธะอย่างเท่ากันต้องใช้ลูกศรเบ็ดตกปลาสองอัน
ทำไมลูกศรจึงชี้จากนิวคลีโอไฟล์ไปอิเล็กโทรไฟล์
นิวคลีโอไฟล์มีอิเล็กตรอนมากและให้อิเล็กตรอนคู่ที่สร้างพันธะใหม่ อิเล็กโทรไฟล์ขาดอิเล็กตรอนและรับอิเล็กตรอนคู่นั้น เนื่องจากลูกศรติดตามอิเล็กตรอน จึงชี้จากนิวคลีโอไฟล์ไปอิเล็กโทรไฟล์เสมอ และจากพันธะไปยังหมู่ที่หลุดออก
แต่ละขั้นของกลไกต้องใช้ลูกศรกี่อัน
เท่ากับจำนวนคู่อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ การหลุดของหมู่ที่หลุดออกใช้หนึ่งอัน SN2 และการเติมที่ C=O ใช้สองอัน E2 และการเกิดอีโนเลตใช้สามอัน ปฏิกิริยา Diels–Alder ใช้สามอันเป็นวง การเติมแบบ Michael จากอีโนเลตใช้สี่อัน
จะตรวจว่าลูกศรถูกต้องได้อย่างไร
ทำตามลูกศรแต่ละอันแล้ววาดผลิตภัณฑ์ใหม่ ทุกอะตอมควรมีออกเตตที่สมเหตุสมผล ประจุฟอร์มอลควรเป็นไปตามลูกศร และประจุรวมต้องไม่เปลี่ยน แบบฝึกหัดการเขียนกลไกด้วยลูกศรของ MolDraw ที่ใช้ฟรีจะตรวจให้คุณบนขั้นตอนจริง 35 ขั้น
ลูกศรโค้งกับลูกศรเรโซแนนซ์ต่างกันอย่างไร
ลูกศรโค้งย้ายอิเล็กตรอนภายในหรือระหว่างโครงสร้าง ส่วนลูกศรตรงสองหัว (↔) เชื่อมโครงสร้างเรโซแนนซ์ ซึ่งเป็นภาพวาดสองแบบของโมเลกุลเดียวกัน ไม่ใช่ปฏิกิริยา ลูกศรโค้งที่วาดบนโครงสร้างเรโซแนนซ์แสดงวิธีเปลี่ยนจากภาพหนึ่งไปอีกภาพหนึ่ง