Foundation of Organic Chemistry

Functional Groups, Reaction Types & Biochemical Reactions

Part 1: Functional Groups และ Oxidation Levels

Organic Chemistry คืออะไร?

Organic chemistry คือการศึกษา structure, properties, composition, reactions และ preparation ของสารประกอบที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ ในร่างกายเรา organic chemistry เกิดขึ้นตลอดเวลาโดยที่เราไม่รู้ตัว เช่น ตาใช้ retinal (organic molecule) แปลงแสงเป็น nerve impulse และ neurotransmitter ที่ส่งสัญญาณระหว่าง brain cells ก็เป็น organic molecules ทั้งสิ้น

การเขียนโครงสร้างสารอินทรีย์

Skeletal formula คือวิธีเขียนที่ใช้บ่อยที่สุดในชีวิตจริง หลักการคือ:

• แสดง functional groups ให้ครบถ้วน (เช่น OH, COOH, NH2)
• ส่วน hydrocarbon (C–H) แทนด้วยเส้นหักมุม โดยจุดหักมุมแต่ละจุด = carbon atom
• ไม่ต้องเขียน H ที่ติดกับ carbon (สมองเราเติมเองได้)

ตัวอย่าง: butane (C4H10) เขียนเป็นเส้นหักมุม 3 ส่วน | alanine เขียนโดยเส้นหักมุม + NH2 + COOH ชัดเจน

Functional Groups ที่ต้องรู้

Functional groups คือ atom หรือกลุ่ม atom ที่ทำให้สารมี characteristic properties และ reactivity ที่แตกต่างกัน เหตุที่สำคัญคือ functional group เดียวกัน = reactivity เดียวกัน ไม่ว่าจะอยู่ใน molecule ใด

ตัวอย่างชัดเจน: cyclohexane (C6H12, ไม่มี functional group) เดือดที่ 81°C ไม่ละลายน้ำ ใช้เป็น organic solvent ส่วน glucose (C6H12O6, มีหลาย OH groups) เดือด >500°C ละลายน้ำได้ดี ใช้เป็นน้ำตาล — สูตรอณูต่างกันแค่ O6 แต่สมบัติต่างกันมาก เพราะ functional groups

หมายเหตุสำคัญ:

• Aromatic rings (benzene, naphthalene) = cyclic unsaturated hydrocarbons ที่มี alternating single/double bonds ใน flat structure → stable เพราะ electrons สามารถ delocalise ทั่ว ring ได้
• Resonance structures ของ benzene คือสองโครงสร้างที่เขียนสลับกันด้วยลูกศรสองหัวตรง (↔) หมายความว่าเป็น molecule เดียวกัน แต่แทน electron distribution ต่างกัน — ไม่ใช่ molecule คนละชนิด

Oxidation Levels ของคาร์บอน

Oxidation level ของ carbon atom ดูจาก จำนวน bond กับ heteroatom (อะตอมที่ไม่ใช่ C และ H เช่น O, N, Cl)

*ข้อสังเกตสำคัญ: alkene อยู่ที่ alcohol level เพราะทั้งสองสามารถ interconvert กันได้ด้วยการ add/remove H2O โดยไม่ต้องใช้ oxidising agent — ดังนั้น oxidation level ไม่เปลี่ยน

Oxidation = oxidation level เพิ่มขึ้น (เพิ่ม bond กับ heteroatom) | Reduction = oxidation level ลดลง

ลำดับ oxidation: methane → alcohol → aldehyde → carboxylic acid → CO2 (ใช้ [O] แทน oxidising agent แต่ละขั้น)

Oxidation และ Reduction จำแนกได้จาก:

Part 2: Chemical Reactivity — Nucleophiles, Electrophiles & Reaction Types

ทำไมสารถึงทำปฏิกิริยากัน?

Chemical reactivity เกิดจาก 2 กลไกหลัก:

1. Electrostatic attraction — ประจุตรงข้ามดึงดูดกัน เช่น CN⁻ (ประจุลบ) ถูกดึงดูดเข้าหา C=O ที่มี δ+ บน carbon
2. Orbital overlap — HOMO ของ nucleophile overlap กับ LUMO ของ electrophile ทำให้ reaction เกิดได้แม้ molecule ไม่มีประจุ

Nucleophile vs Electrophile

• Electrophile = "electron loving" → รับ electrons → มักเป็นส่วนที่ขาด electrons เช่น C ใน C=O (δ+), C ใน C–Br
• Nucleophile = "nucleus loving" → ให้ electrons → มักมี lone pair หรือประจุลบ เช่น OH⁻, CN⁻, NH3, H2O

Curly Arrows — ภาษาของ Mechanism

Full curly arrow (→) = แสดงการเคลื่อนที่ของ electron pair (2 electrons) → ใช้ใน heterolytic bond breaking/forming

Curly half-arrow (⇀) = แสดงการเคลื่อนที่ของ single electron → ใช้ใน radical (homolytic) reactions

กฎหัวลูกศร: ลูกศรชี้จากที่ที่มี electrons (lone pair หรือ bond) ไปยังที่ที่ electrons จะไป ไม่ใช่ตรงกันข้าม

ตัวอย่าง: CN⁻ (nucleophile) โจมตี C=O (electrophile)

• Full curly arrow จาก lone pair บน C≡N⁻ ไป C ของ C=O
• ผล: เกิด C–C bond ใหม่, C=O กลายเป็น C–O⁻ (double bond กลายเป็น single bond)
• Charge conserved เสมอ!

Bond Fission สองแบบ

Heterolytic fission (ที่พบในสารชีวภาพส่วนใหญ่):

• Bond แตกไม่สมมาตร → electrons ทั้งคู่ไปกับอะตอมหนึ่ง
• ผล: ได้ cation (+) และ anion (–)
• ใช้ full curly arrow

Homolytic fission (พบใน radical reactions):

• Bond แตกสมมาตร → แต่ละอะตอมได้ electron คนละตัว
• ผล: ได้ radical สองตัว (มี unpaired electron)
• ใช้ curly half-arrow
• Radical มี SOMO (singly occupied molecular orbital) → reactive มาก

4 ประเภทปฏิกิริยาหลัก

1. Substitution = กลุ่มหนึ่งถูกแทนที่ด้วยกลุ่มอื่น

• Nucleophile (incoming group) แทนที่ leaving group
• ตัวอย่าง: Ph–CH2–Cl + PhS⁻ → Ph–CH2–SPh + Cl⁻ (Cl⁻ เป็น leaving group)
• ตัวอย่างชีวภาพ: methylation โดย SAM

2. Addition = เกิดที่ unsaturated carbon (C=C, C=O) → ได้ saturated product

• A–B + C=C → A–C–C–B (pi bond หายไป)
• ตัวอย่าง: H2O + alkene → alcohol

3. Elimination = saturated compound → unsaturated product (เกิด C=C)

• Nucleophile ทำหน้าที่เป็น base ดึง H ออก พร้อมกับ leaving group หลุดออก
• ตัวอย่าง: t-butyl bromide + OH⁻ (concentration สูง) → isobutene + H2O + Br⁻
• ข้อสังเกต: OH⁻ ที่ concentration ต่ำ → substitution แต่ concentration สูง → elimination (competing mechanisms)

4. Radical chain reaction ประกอบด้วย 3 ขั้นตอน:

• Initiation: สร้าง radical จาก spin-paired molecule (มักใช้แสง hv หรือความร้อน)
• Propagation: radical ทำปฏิกิริยาสร้าง radical ใหม่ (วนซ้ำเป็น cycle)
  • Radical substitution: X• + Y–Z → X–Y + Z•
  • Radical addition: X• + Y=Z → X–Y–Z•
  • Radical elimination: X–Y–Z• → X=Y + Z•
• Termination: radical 2 ตัว รวมกันได้ spin-paired molecule (chain หยุด)

ตัวอย่างทางคลินิก: Reactive oxygen species (ROS) ซึ่งเป็น free radical ที่มี energy สูง → ทำลาย cell ได้ Vitamin E ทำหน้าที่ดัก ROS โดย radical substitution → เกิด stabilised delocalized radical ที่ไม่ reactive → ป้องกัน cell damage

ตัวอย่างสิ่งแวดล้อม: CFCs (สารทำความเย็นในอดีต) เมื่อขึ้นสู่ atmosphere → homolysis ด้วยแสง UV → Cl• radical → radical chain reaction ที่เปลี่ยน O3 → O2 → ozone layer บางลง → UV ทะลุมาถึงพื้นโลกมากขึ้น → risk ของ skin cancer สูงขึ้น

Part 3: Biochemical Reactions

Biomolecules และ Biochemical Reactions

Biomolecules คือ molecule ที่ผลิตโดย cell และสิ่งมีชีวิต ได้แก่ carbohydrates, lipids, proteins/enzymes และ nucleic acids

Biochemical reaction คือ chemical reaction ที่เกิดภายใน cell โดยมี enzyme เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา — แต่ chemistry พื้นฐานของมันไม่ต่างจากที่เรียนมาเลย

1. Redox Reactions ในร่างกาย

ร่างกายใช้ NAD+/NADH เป็น pair ของ oxidising/reducing agent หลัก:

• NAD+ (oxidised form) = oxidising agent → รับ H จาก substrate → กลายเป็น NADH
• NADH (reduced form) = reducing agent → ให้ H แก่ substrate → กลายเป็น NAD+

ส่วนที่ active ใน redox คือ Nicotinamide moiety (ring ที่มี N+)

ตัวอย่างคลินิก: การผลิตโยเกิร์ต (lactic acid fermentation)

• Pyruvic acid (oxidation level 2) + NADH → lactic acid (oxidation level 1) + NAD+
• นี่คือ reduction (oxidation level ลด 2→1, gain of H)
• NAD+ ถูก oxidise กลับเพื่อนำไปใช้ใหม่ได้

NADP+/NADPH มีโครงสร้างเหมือน NAD+/NADH ทุกอย่าง ต่างแค่มี phosphate group ติดที่ 2'-OH ของ adenine's ribose — redox activity เหมือนกันทุกประการ

2. Isomerisation

Isomers = molecule (หรือ ion) ที่มี chemical formula เดียวกัน แต่ arrangement of atoms ต่างกัน

Isomerisation = กระบวนการเปลี่ยน molecule หนึ่งไปเป็น isomer ของมัน

ตัวอย่าง:

• Sugar isomerisation: D-glucose (open chain, C6H12O6) ↔ cyclic hemiacetal form (C6H12O6) — formula เดิม แต่โครงสร้างต่างกัน
• Cis/trans isomerisation ของ retinal (chemistry of vision): 11-cis-retinal รับแสง hv → pi bond แตก → หมุนได้ → เกิดส่วนผสม cis + trans-retinal → trans-retinal ทำให้ protein conformation เปลี่ยน → nerve impulse

3. Condensation และ Hydrolysis

Condensation = molecule 2 ตัว (หรือมากกว่า) รวมกันเป็น molecule ใหญ่ + ขับ small molecule (มักเป็น H2O) ออกมา

Hydrolysis = reverse ของ condensation (ใช้ H2O แตก bond)

ตัวอย่างสำคัญ:

• Amide bond (peptide bond): carboxylic acid + amine → amide + H2O (ใช้ enzyme ในร่างกาย)
  • เป็นพื้นฐานของ protein synthesis (ribosome เชื่อม amino acid ด้วย condensation)
  • Digestion ใช้ hydrolysis ย่อย protein กลับเป็น amino acids
• Ester bond: carboxylic acid + alcohol → ester + H2O (esterification)
  • ตัวอย่าง: กรดไขมัน 3 สาย + glycerol → triglyceride (main lipid ใน olive oil) + 3H2O

4. Polymerisation

Polymerisation = monomers หลายตัวรวมกันเป็น polymer ตัวเดียว (ผ่าน condensation ซ้ำๆ)

Natural polymers ที่สำคัญในร่างกาย:

• Proteins: amino acids (monomer) → protein (polymer) + nH2O
• Carbohydrates: glucose (monomer) → starch/cellulose/glycogen (polymer) + nH2O

กระบวนการย้อนกลับคือ hydrolysis — เช่น digestion ย่อย starch → glucose หรือ protein → amino acids

5. Phosphorylation

Phosphorylation = การถ่ายโอน phosphate group จาก donor ไปยัง acceptor

ATP (adenosine triphosphate) คือ nature's phosphorylating agent หลัก

• ATP → ADP + Pi (dephosphorylation, ให้ phosphate ออก) → ใช้ energy ในเซลล์
• ADP + Pi → ATP (phosphorylation, รับ phosphate เข้า) → เกิดใน glycolysis และ oxidative phosphorylation

ตัวอย่างใน glycolysis:

• Phosphoenolpyruvate (PEP) สูญเสีย phosphate (dephosphorylation) → pyruvate
• AMP รับ phosphate จาก PEP (phosphorylation) → ATP (catalysed โดย pyruvate kinase)

ความสำคัญทางคลินิก: Phosphorylation/dephosphorylation ของ protein เป็นส่วนสำคัญของ cell signalling pathways หลายอย่าง

• Kinase = enzyme ที่เร่ง phosphate transfer
• ตัวอย่าง: Histidine kinase ของเชื้อรา Candida albicans เกี่ยวข้องกับกลไกการก่อ candidiasis (fungal infection)

6. Methylation

Methylation = การถ่ายโอน methyl group (–CH3) จาก donor ไปยัง acceptor

SAM (S-adenosyl methionine) คือ nature's methylating agent หลัก

• SAM มี S+ ที่ผูกกับ methyl group → C นี้เป็น electrophile ที่ดี → ถูก nucleophile โจมตีได้ง่าย
• กลไกคือ SN2 substitution: nucleophile โจมตีที่ CH3 ของ SAM → methyl ถ่ายโอน → S กลายเป็น SAH (S-adenosyl homocysteine)
• SAM ผลิตจาก methionine + ATP

ตัวอย่างสำคัญ:

• Caffeine synthesis: ในต้นกาแฟ theobromine ถูก methylate โดย SAM → caffeine (SN2)
• DNA methylation (Epigenetics): การติด methyl group บน cytosine ใน DNA → ไม่เปลี่ยน DNA sequence แต่ เปลี่ยน gene expression → เกี่ยวข้องกับ heart disease, diabetes, cancer

สรุป Biochemical Reactions