วันศุกร์ที่ 20 พฤศจิกายน พ.ศ. 2552

Reactions of hydroxyl group MO Memoir : Friday 20 November 2552

Memoir ฉบับนี้นำมาจากเอกสารคำสอนวิชาเคมีอินทรีย์ที่แจกให้กับนิสิตป.ตรี ปี ๒ ภาควิชาวิศวกรรมเคมี ไปเมื่อวันพฤหัสบดีที่ ๑๙ พฤศจิกายนที่ผ่านมา เนื่องจากเห็นว่าในขณะที่ทางกลุ่มวิจัยก็กำลังมีการศึกษาเกี่ยวกับสารประกอบที่มีหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) เป็นองค์ประกอบในโมเลกุล และจะว่าไปแล้วปฏิกิริยาต่าง ๆ เกือบทั้งหมดที่ศึกษากันอยู่ในกลุ่มก็ล้วนแต่เป็นปฏิกิริยาเคมีอินทรีย์ทั้งนั้น (พวกที่ไม่ใช่ก็เช่นปฏิกิริยา DeNOx ด้วย NH3 แต่ถ้าเป็นปฏิกิริยา DeNOx ด้วยสารประกอบไฮโดรคาร์บอนละก็ ต้องใช้ความรู้ทางด้านอินทรีย์เคมีด้วยเสมอ) ดังนั้นจึงถือว่าความรู้ทางด้านเคมีอินทรีย์เป็นความรู้พื้นฐานที่สมาชิกในกลุ่มทุกคนควรจะต้องเข้าใจเป็นอย่างดี

ในวิชาเคมีอินทรีย์นั้นเรามักเรียนว่าหมู่ฟังก์ชัน (functional group) แต่ละหมู่นั้นมีคุณสมบัติอย่างไร และสามารถทำปฏิกิริยาใดได้บ้าง โดยในหนังสือมักเขียนแยกหัวข้อคุณสมบัติและปฏิกิริยาต่าง ๆ ออกจากกัน และตัวอย่างที่ยกมานั้นก็มักจะเป็นกรณีของปฏิกิริยาเฉพาะนั้น ๆ แต่ในการใช้งานนั้นมักจะเป็นเรื่องปรกติที่จะพบว่าต้องใช้ความเข้าใจในคุณสมบัติหรือปฏิกิริยาหลาย ๆ ปฏิกิริยาที่แยกกันอยู่ในหลายบทนั้นมาประยุกต์ใช้รวมกันเพื่อสังเคราะห์สารใดสารหนึ่ง

เอกสารนี้จึงพยายามยกตัวอย่างปฏิกิริยาที่มีการใช้งานจริง (โดยหวังว่าคงมีเวลาเขียนตัวอย่างอื่นมาให้อ่านกันอีก) เพื่อแสดงให้เห็นการนำหัวข้อต่าง ๆ ที่อยู่ในส่วนต่าง ๆ ของหนังสือเคมีอินทรีย์มาประยุกต์ใช้งาน ตัวอย่างที่เลือกมาในตอนนี้คือ เรื่องของหมู่ไฮดรอกซิล (hydroxyl หรือ -OH) ที่ปรากฏในบทแอลกอฮอล์และฟีนอล

1. ความเป็นกรดของหมู่ไฮดรอกซิล

หมู่ไฮดรอกซิลที่เกาะกับอะตอมคาร์บอนที่ไม่ใช่อะตอมคาร์บอนของวงแหวนเบนซีนแล้วจะมีฤทธิ์เป็นกรดที่อ่อนมาก เราจะเห็นว่าหมู -OH ดังกล่าวจะจ่ายโปรตอนได้ก็ต่อเมื่อใช้เบสที่แรงมาก เช่นโลหะโซเดียม (Na) มาเป็นตัวรับโปรตอน โดยแอลกอฮอล์ R-OH จะกลายเป็นสารประกอบอัลคอกไซด์ (alkoxide) ดังสมการ

ความเป็นกรดของแอลกอฮอล์จะแรงขึ้นถ้าหมู่ R นั้นมีหมู่อื่นที่ดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอม C มาเกาะ ตัวอย่างเช่น Ethanol (H3CCH2-OH) มีค่า pKa = 15.9 แต่ถ้าเป็น 2,2,2-trifluoroethanol (F3CCH2-OH) จะมีค่า pKa เป็น 12.4(1)

ความเป็นกรดของ R-OH นั้นไม่แรงพอที่จะจ่ายโปรตอนให้กับหมู่ไฮดรอกไซด์ (hydroxide หรือ OH-) ได้ แต่ถ้าหมู่ -OH ดังกล่าวเกาะกับอะตอมคาร์บอนที่เป็นส่วนหนึ่งของวงแหวนเบนซีน (กลายเป็นโครงสร้างแบบฟีนอล) ก็จะทำให้ความเป็นกรดของหมู่ -OH นั้นแรงขึ้นจนสามารถทำปฏิกิริยาสะเทิน (หรือจ่ายโปรตอน) ให้กับหมู่ไฮดรอกไซด์ ทำให้ฟีนอลกลายเป็นสารประกอบฟีนอกไซด์ (phenoxide) ได้ดังสมการ

ความเป็นกรดของฟีนอลก็เช่นเดียวกันกับความเป็นกรดของแอลกอฮอล์คือ ถ้าวงแหวนเบนซีนนั้นมีหมู่ที่ดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวนมาเกาะอยู่ ก็จะทำให้หมู่ -OH ของฟีนอลมีความเป็นกรดที่แรงขึ้น ตัวอย่างเช่น Phenol (C6H5-OH) มีค่า pKa = 10.0 แต่ถ้าเป็น p-nitrophenol (O2N(C6H4)-OH) จะมีค่า pKa เป็น 7.2

2. Williamson synthesis

Williamson synthesis เป็นปฏิกิริยาการสังเคราะห์สารประกอบอีเทอร์ (ether หรือ R1-O-R2) ที่เหมาะกับการเตรียมอีเทอร์ที่มีหมู่ R1 และ R2 แตกต่างกัน โดยอาศัยปฏิกิริยาระหว่างสารประกอบอัลคอกไซด์หรือฟีนอกไซด์ กับสารประกอบอัลคิลเฮไลด์ (เรียกว่าปฏิกิริยา Nucleophilic displacement ของ alkyl halide ด้วยอัลคอกไซด์หรือฟีนอกไซด์) ดังสมการ

อัลคิลเฮไลด์ที่ทำปฏิกิริยาได้ดีได้แก่ primary halide (พวกที่มีหมู่ X อยู่ที่อะตอมคาร์บอนที่อยู่ที่ปลายสายโซ่) แต่วิธีการนี้จะใช้ได้ไม่ดีในกรณีของสารประกอบเอริลเฮไลด์ (Aryl halide หรือ Ar-X) หมู่ X ที่เหมาะสมได้แก่ iodide bromide หรือ sulfonate

3. ปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชัน (Esterification)

แอลกอฮอล์ R-OH สามารถทำปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันกับกรดอินทรีย์ HOOC-R' โดยมีกรดแก่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ดังสมการ

ปฏิกิริยาข้างต้นสามารถผันกลับได้ ดังนั้นในการทำปฏิกิริยาเพื่อให้ปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าได้ดีขึ้น จึงควรต้องมีการดึงเอาผลิตภัณฑ์ตัวใดตัวหนึ่งออกตลอดเวลา เช่นใช้การต้มเพื่อให้น้ำ (ถ้าหากว่ามีจุดเดือดต่ำกว่าโมเลกุลเอสเทอร์ที่ได้) ระเหยออกมาจากระบบที่ใช้ทำปฏิกิริยา

อีกวิธีการหนึ่งได้แก่การใช้สารประกอบแอนไฮดรายของกรด (acid anhydride) มาทำปฏิกิริยากับแอลกอฮอล์ สารประกอบแอนไฮดรายเกิดจากการที่หมู่คาร์บอกซิล (carboxyl หรือ -COOH) สองหมู่หลอมรวมกันโดยคายน้ำออกมาดังสมการ

เมื่อนำแอนไฮดรายไปทำปฏิกิริยากับแอลกอฮอล์ก็จะได้สารประกอบเอสเทอร์ดังสมการ

ซึ่งในการทำปฏิกิริยามักจะมีการเติมเบสเข้าไปด้วยเพื่อสะเทินกรดที่เกิดขึ้น

ข้อดีของวิธีการนี้คือไม่เกิดน้ำที่จะทำให้ปฏิกิริยาผันกลับได้ แต่มีข้อเสียในแง่ของปริมาณกรดที่ใช้คือ ต้องใช้กรด 2 โมเลกุลต่อแอลกอฮอล์ 1 โมเลกุลเพื่อให้ได้เอสเทอร์ 1 โมเลกุล ดังนั้นวิธีการนี้จึงมักใช้ในกรณีที่แอลกอฮอล์มีราคาแพงหรือใช้กับกรดที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ

4. Opium alkaloid

อัลคาลอย์ (alkaloid) เป็นสารประกอบอินทรีย์ที่มีไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบ เดิมทีนั้นสารประกอบอัลคาลอยด์ต่าง ๆ จะได้จากพืชและถูกนำมาใช้เป็นยาต่าง ๆ พืชชนิดหนึ่งที่มีการนำมาสกัดเอาสารประกอบอัลคาลอย์มาใช้เป็นยาที่ใช้กันมานานแล้วคือ "ฝิ่น (opium)"

สารประกอบอัลคาลอย์ที่สำคัญในฝิ่นมีอยู่ 2 ตัวด้วยกันคือมอร์ฟีน (morphine) และโคเดอีน (codeine)

มอร์ฟีนถูกสกัดออกมาจากฝิ่นได้ในปีค.ศ. ๑๘๐๔ และถูกนำมาใช้เป็นยาระงับความเจ็บปวดและรักษาผู้ติดฝิ่น (ซึ่งมันรักษาการติดฝิ่นได้ดีมากจนกระทั่งต้องเลิกใช้ เพราะผู้ติดฝิ่นหันมาติดมอร์ฟีนแทน) ในปีค.ศ. ๑๘๑๗ แต่มอร์ฟีนก็มีข้อเสียที่สำคัญคือเป็นสารเสพติดที่ทำให้ผู้ใช้เกิดการเสพติดได้ง่าย

โคเดอีนถูกสกัดแยกออกมาจากฝิ่นในปีค.ศ. ๑๘๓๒ โคเดอีนนั้นไม่มีฤทธิ์ในการระงับความเจ็บปวดเหมือนมอร์ฟีน แต่ก็ไม่ทำให้เกิดการเสพติดรุนแรงเหมือนมอร์ฟีน โคเดอีนถูกใช้เป็นส่วนผสมในสูตรยาแก้ไอบางสูตร เมื่อร่างกายเราได้รับโคเดอีนเข้าไป ร่างกายสามารถเปลี่ยนโคเดอีนให้กลายเป็นมอร์ฟีนได้ในปริมาณเล็กน้อย ซึ่งทำให้ผู้เสพยาแก้ไอดังกล่าวรู้สึกเคลิบเคลิ้มได้ ดังนั้นจึงมีบุคคลบางกลุ่มซื้อยาแก้ไอดังกล่าวมาเสพ (ทั้ง ๆ ที่ไม่ได้มีอาการไอ) เพื่อประสงค์อาการเคลิบเคลิ้มดังกล่าวที่เกิดจากมอร์ฟีนที่ร่างกายเปลี่ยนมาจากโคเดอีน

โครงสร้างโมเลกุลของมอร์ฟีนและโคเดอีนแสดงในรูปที่ 1 ข้างล่าง

รูปที่ 1 โครงสร้างโมเลกุลของ (ซ้าย) มอร์ฟีน และ (ขวา) โคเดอีน(2)

พึงสังเกตว่าโครงสร้างโมเลกุลของมอร์ฟีนและโคเดอีนคล้ายกันมาก แตกต่างกันเพียงตรงที่ อะตอมไฮโดรเจนหนึ่งอะตอมของหมู่ไฮดรอกซิล (ที่วงกลมเอาไว้ในรูป) ถูกแทนที่ด้วยหมู่เมทิล (Methyl หรือ -CH3) ดังนั้นจึงอาจจัดได้ว่าโคเดอีนเป็น monomethyl ether derivative ของมอร์ฟีน

เนื่องจากในทางการแพทย์นั้นความต้องการโคเดอีน (เพื่อนำไปใช้ผลิตยาแก้ไอ) สูงกว่าความต้องการมอร์ฟีนมาก แต่ปริมาณโคเดอีนที่ได้จากฝิ่นไม่เพียงพอต่อความต้องการในขณะที่ปริมาณมอร์ฟีนที่ได้นั้นเกินพอต่อความต้องการมาก ดังนั้นจึงต้องมีการเปลี่ยนมอร์ฟีนส่วนเกินให้กลายเป็นโคเดอีนด้วยการเปลี่ยนอะตอมไฮโดรเจนของหมู่ไฮดรอกซิล (ตัวที่วงกลมเอาไว้ในรูป) ให้กลายเป็นหมู่เมทิล ปฏิกิริยาที่ใช้คือ Williamson ether synthesis (หัวข้อที่ 2)

โมเลกุลของมอร์ฟีนนั้นมีหมู่ -OH อยู่ 2 หมู่ (ที่วงกลมและวงสี่เหลี่ยม) ที่สามารถทำปฏิกิริยากลายเป็นโครงสร้างอีเทอร์ได้ แต่ในการเปลี่ยนมอร์ฟีนให้กลายเป็นโคเดอีนนั้นต้องการให้เฉพาะหมู่ -OH เที่วงกลมเอาไว้เท่านั้นถูกเปลี่ยนให้กลายเป็นหมู่ -OCH3 โดยที่หมู่ -OH ตรงที่วงสี่เหลี่ยมเอาไว้นั้นยังคงอยู่เหมือนเดิม ซึ่งเราสามารถทำได้เพราะถ้าลองพิจารณาดูโครงสร้างโมเลกุลให้ดีจะเห็นว่าหมู่ -OH ทั้งสองหมู่ของมอร์ฟีนนั้นแตกต่างกันอยู่

หมู่ -OH ตัวบน (ที่วงกลมแดงเอาไว้) นั้นต่ออยู่กับอะตอมคาร์บอนที่ "เป็น" ส่วนหนึ่งของวงแหวนแอโรแมติกในขณะที่หมู่ -OH ตัวล่าง (ที่วงสี่เหลี่ยมเอาไว้) นั้นต่ออยู่กับอะตอมคาร์บอนที่ "ไม่ได้เป็น" ส่วนหนึ่งของวงแหวนแอโรแมติก ดังนั้นหมู่ -OH ตัวบนจึงมีคุณสมบัติเหมือนกับหมู่ -OH ในสารประกอบฟีนอล ในขณะที่หมู่ -OH ตัวล่างมีคุณสมบัติเหมือนหมู่ -OH ของแอลกอฮอล์ทั่วไป ด้วยเหตุนี้หมู่ -OH ตัวบนจึงมีความเป็นกรดที่แรงกว่า (เหมือนฟีนอล) หมู่ -OH ตัวล่าง

ถ้าเรานำเอามอร์ฟีนมาทำปฏิกิริยากับเบสเช่น NaOH จะมีเฉพาะหมู่ -OH ตัวบนเท่านั้นที่แตกตัวออกให้ H+ และกลายเป็นสารประกอบฟีนอกไซด์ (ตามสมการที่ 2 โดยเปลี่ยน Ar เป็นโมเลกุลมอร์ฟีน) และถ้าให้สารประกอบฟีนอกไซด์ที่ได้นั้นทำปฏิกิริยาต่อกับ CH3I ก็จะเกิดปฏิกิริยา Nucleophilic displacement ของ alkyl halide กลายเป็นโครงสร้างอีเทอร์ (ตามสมการที่ 4 โดยเปลี่ยน Ar เป็นโมเลกุลมอร์ฟีน)

หมู่ -OH ทั้งสองหมู่ของมอร์ฟีนนั้นสามารถเกิดปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันกับกรดอินทรีย์ได้ ในทางปฏิบัตินั้นมีการนำเอามอร์ฟีนมาทำปฏิกิริยาเอสเทอริกฟิเคชันกับสารประกอบแอนไฮดรายตัวหนึ่งคืออะซีติกแอนไฮดราย (acetic anhydride หรือ H3C(CO)-O-(CO)CH3 (ตามสมการที่ 7) กลายเป็นสารประกอบ diacetyl derivative ของมอร์ฟีนที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อเฮโรอิน (Heroin) ดังแสดงในรูปที่ 2 ข้างล่าง


รูปที่ 2 โครงสร้างโมเลกุลของเฮโรอีน(2)

ไดอะเซทิลมอร์ฟีนถูกสังเคาะห์ขึ้นมาครั้งแรกโดยนักเคมีชาวอังกฤษในปีค.. ๑๘๗๔ แต่ก็ไม่เป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลาย ต่อมานักเคมีแห่งบริษัท Aktiengesellschaft Farbenfabriken (ปัจจุบันคือบริษัท Bayer) แห่งประเทศเยอรมันสังเคราะห์สารนี้ขึ้นมาใหม่ในปีค.. ๑๘๙๗ และนำออกขายในชื่อการค้าว่า "เฮโรอิน" ในช่วงปีค.. ๑๘๙๘-๑๙๑๐ โดยโฆษณาว่ามีสรรพคุณเป็นสารทดแทนมอร์ฟีนที่ไม่เสพติด และมีฤทธิ์เป็นยาแก้ไอ แต่ต่อมามีการค้นพบว่าเฮโรอินมีฤทธิ์ในการเสพติดที่รุนแรงกว่ามอร์ฟีนอีก จึงมีการถอนออกไปจากตลาด

ในประเทศไทยนั้น ตามพระราชบัญญัติยาเสพติดให้โทษ พ.ศ. ๒๕๒๒ ได้จัดให้อะซีติกแอนไฮดรายที่เป็นสารตั้งต้นในการผลิตเฮโรอีนอยู่ในกลุ่มยาเสพติดให้โทษประเภท ๔ (กลุ่มน้ำยาเคมีที่ใช้ในการผลิตยาเสพติดให้โทษประเภท ๑) ผู้มีไว้ในครอบครองและผู้ใช้ต้องได้รับการอนุญาตเป็นพิเศษ (เพราะในการผลิตยาบางชนิดยังต้องใช้อะซีติกแอนไฮดรายอยู่ เช่น แอสไพริน)


หมายเหตุ

(1) ค่า pKa = -log[Ka] ดังนั้นกรดที่มีค่า pKa ต่ำ แสดงว่าเป็นกรดที่แตกตัวได้มากกว่ากรดที่มีค่า pKa ที่สูงกว่า

(2) ภาพจาก www.biopsychiatry.com

(3) เนื้อหาบางส่วนนำมาจากหนังสือ "A short course in organic chemistry" โดย Edward E. Burgoyne

(4) อ่านเพิ่มเติมได้จาก http://www.en.wikepedia.org ในหัวข้อ Heroin, Morphine และ Codeine

(5) อ่านเพิ่มเติมได้จาก http://www.dmsc.moph.go.th ซึ่งเป็นของกรมวิทยาศาสตร์การแพทย์ กระทรวงสาธารณสุข

ไม่มีความคิดเห็น: