ปฏิกิริยา Dehydroxylation MO Memoir : Saturday 31 March 2555

ปฏิกิริยา Hydration คือปฏิกิริยาการเติมน้ำเข้าไปในโมเลกุล ปฏิกิริยานี้ถ้าเกิดที่ตำแหน่งพันธะคู่ของอะตอมคาร์บอน (-C=C-) ก็จะได้หมู่ไฮดรอกซิล (-C-C(OH)-) แต่ถ้าเกิดที่วงอีพอกไซด์ (Epoxide) ก็จะได้ไกลคอล (-C(OH)-C(OH)-)

ในทางกลับกัน ปฏิกิริยา Dehydration คือปฏิกิริยาการดึงน้ำออกจากโมเลกุล ปฏิกิริยานี้ถ้าเกิดกับหมู่ไฮดรอกซิลที่อยู่โดดเดี่ยวบนสายโซ่คาร์บอนก็จะได้พันธะคู่ (-C=C-) ที่เกิดจากหมู่ -OH และอะตอมไฮโดรเจนจากอะตอมคาร์บอนที่อยู่เคียงข้างอะตอมคาร์บอนที่มีหมู่ -OH เกาะอยู่ แต่ถ้าเกิดระหว่างหมู่ -OH 2 หมู่ที่อยู่บนอะตอมคาร์บอนที่อยู่เคียงข้างกัน ก็จะได้วงอีพอกไซด์

ปฏิกิริยา Hydration และ Dehydration นี้บางทีก็หมายความรวมถึงเติม/ดึงโมเลกุล H₂O เข้า/ออกจากโมเลกุลสาร ในกรณีนี้น้ำที่เติมเข้าไปหรือดึงออกมานั้นเป็นน้ำในรูป H₂O ไม่เกี่ยวข้องกับการสร้างหรือทำลายหมู่ -OH อาจเรียกว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงจำนวนโมเลกุลของน้ำที่อยู่รวมกับสารตั้งต้นก็ได้

ปฏิกิริยา Hydroxylation คือปฏิกิริยาการเติมหมู่ -OH เข้าไปในโมเลกุล ความแตกต่างระหว่างปฏิกิริยานี้กับปฏิกิริยา Hydration คือในปฏิกิริยา Hydration นั้นทำการเติม H-OH กล่าวคือมีการเติมอะตอม H และ หมู่ -OH เข้าไปโมเลกุลสารตั้งต้น ซึ่งทำให้ได้สารใหม่ที่มีหมู่ -OH แต่ปฏิกิริยา Hydroxylation นั้นเป็นการทำให้สารตั้งต้นมีหมู่ -OH เกิดขึ้นโดยที่ไม่มีการเติมอะตอม H เข้าไปเพิ่ม เช่นในการเปลี่ยนเบนซีน (C₆H₆) ไปเป็นฟีนอล (C₆H₅OH) ด้วย H₂O₂ นั้นจะเห็นว่ามีจำนวนอะตอมไฮโดรเจนของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ยังคงเท่าเดิม แต่มีอะตอมออกซิเจนเพิ่มขึ้น 1 อะตอม (อันที่จริงเป็นการดึง H ออก 1 อะตอมและใส่ -OH เข้าไปแทน)

ในทางกลับกัน ปฏิกิริยา Dehydroxylation ก็คือปฏิกิริยาการกำจัดหมู่ -OH ออกจากโมเลกุลสารตั้งต้น ซึ่งมักจะเป็นการเปลี่ยน -OH ให้กลายเป็น -H โดยที่ไม่มีการทำให้เกิดพันธะคู่ (-C=C-)

Stereoisomer เป็นไอโซเมอร์ที่มีการจัดเรียงตัวของอะตอมในสามมิติที่แตกต่างกัน (คือเป็นสารที่มีสูตรทางเคมีและรูปร่างของโมเลกุลเหมือนกัน แต่ตำแหน่งที่เกาะของโมเลกุลแตกต่างกัน) สารที่เป็น stereoisomer ที่ไม่มีการเปลี่ยนโครงสร้างอย่างรวดเร็วจะมีเสถียรภาพเพียงพอที่จะแยกออกจากกันได้ ไอโซเมอร์ชนิดนี้เรียกว่า configuration isomer ในขณะที่ stereoisomer ที่สามารถเปลี่ยนโครงสร้างกลับไปกลับมาได้อย่างรวดเร็วโดยการหมุนของพันธะโควาเลนซ์จะเรียกว่า conformational isomer (ดูรูปที่ ๑ และ ๒)

Chiral isomer เป็น configurational isomer ที่มี chiral หรือ disymmetric molecule ถ้าหากโมเลกุลสองโมเลกุลเหมือนกันทุกประการ ทั้งสองโมเลกุลนั้นจะต้องสามารถวางซ้อนทับกันได้ทุกๆจุด แต่ในกรณีของ chiral molecule แล้วจะมีลักษณะเป็นภาพเงาในกระจกของกันและกัน ซึ่งเรียกกันว่า enantiomer ซึ่งไม่สามารถซ้อนทับกันได้

ในกรณีของสารประกอบคาร์บอน Chiral isomer จะเกิดขึ้นเมื่ออะตอมคาร์บอนมีหมู่ที่มาเกาะ 4 หมู่นั้นไม่เหมือนกันเลย เช่นในกรณีของ 2-Butanol H₃C-CH₂-C(OH)H-CH₃ จะเห็นว่าอะตอม C ตัวที่เน้นสีน้ำเงินนั้นมีหมู่มาเกาะ 4 หมู่ที่ไม่เหมือนกันคือ H₃C-CH₂-, -H, -OH และ -CH₃ ดังนั้น 2-Butanol จึงมี 2 ไอโซเมอร์ดังแสดงในรูปที่ ๓

อะตอมที่มีหมู่มาเกาะ 4 หมู่ไม่เหมือนกันนี้จะเรียกว่าเป็น chiral centre

รูปที่ ๑ การหมุนรอบพันธะระหว่างคาร์บอนอะตอมที่ 2 และ 3 ของโมเลกุลบิวเทน (C₄H₁₀) และการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของโมเลกุล

รูปที่ ๒ การบิดโครงสร้างวงแหวนของโมเลกุล cyclohexane (C₆H₁₂)

รูปที่ ๓ Chiral isomer ของโมเลกุล 2-butanol จะเห็นว่าโมเลกุล (ก) และ (ข) จะเป็นภาพในกระจกเงาของกันและกัน ทั้งสองโมเลกุลมีหมู่ฟังก์ชันที่เหมือนกัน และมีโครงสร้างโมเลกุลแบบเดียวกัน แต่ถ้าทำการบิดโมเลกุล (ก) ให้หมู่ -CH₂CH₃ หมู่ -H และอะตอม C ตัวที่มีหมู่มาเกาะ 4 หมู่นั้นให้อยู่ในตำแหน่งเดียวกัน (จะได้รูป (ค)) จะเห็นว่าหมู่ -OH และ -CH₃ จะอยู่ที่ตำแหน่งที่แตกต่างกัน กล่าวคือโมเลกุลไม่สามารถซ้อนทับกันได้ เปรียบเสมือนมือซ้ายและมือขวา (ในการอ่านรูปนี้ พันธะที่เป็นเส้นตรงทึบให้ถือว่าอยู่บนระนาบของกระดาษ พันธะที่เป็นสามเหลี่ยมทึบให้ถือว่ายื่นออกมาจากระนาบกระดาษ และพันธะที่เป็นสามเหลี่ยมประให้ถือว่ายื่นไปทางด้านหลังระนาบกระดาษ

ส่วนโมเลกุลที่ภาพเงาของมันนั้นเหมือนกับตัวมันเองจะเรียกว่ามีคุณสมบัติ achiral (reflection symmestry) โมเลกุลประเภทนี้จะไม่มี enantiomer

เมื่อโมเลกุลสารอินทรีย์เริ่มซับซ้อนมากขึ้น จำนวนของ chiral centre ในแต่ละโมเลกุลก็มีสิทธิ์ที่จะเพิ่มมากตามไปด้วย ที่เห็นเป็นประจำตอนเรียนเคมีหรือชีววิทยาคือกรณีโมเลกุลน้ำตาล เช่นน้ำตาล C6 ที่แสดงในรูปที่ ๔ ข้างล่าง

รูปที่ ๔ (ซ้าย) โมเลกุลของน้ำตาล D-Glucose แตกต่างจาก (ขวา) โมเลกุลของน้ำตาล D-Galactose ตรงการสลับตำแหน่งหมู่ -OH ที่ตีกรอบเอาไว้เพียงตำแหน่งเดียวเท่านั้น โมเลกุลของน้ำตาล C6 ดังกล่าวมี chiral centre 4 ตำแหน่ง

Pseudo- แปลว่าเทียม มักใช้ประกอบคำเพื่อให้มีความหมายว่าลอกเลียนแบบ ตัวอย่างเช่น Ephedrine และ Pseudoephedrine ทั้งสองเป็นโมเลกุลที่สามารถพบได้ในธรรมชาติในพืชบางชนิด แต่ส่วนใหญ่ที่ใช้ในปัจจุบันจะได้มาจากการสังเคราะห์ สารเคมีทั้งสองตัวนี้ถูกนำมาใช้ทางการแพทย์เป็นยาแก้แพ้และลดน้ำมูกในยาแก้หวัด โครงสร้างโมเลกุลของสารทั้งสองแสดงในรูปที่ ๕ ข้างล่าง

รูปที่ ๕ (คู่บน) Ephedrine และ (คู่ล่าง) pseudoephedrine ต่างมี chicral centre 2 อะตอมต่อโมเลกุล (ตรงเลข 1 และ 2 ที่กำกับอยู่ในรูป) ดังนั้นแต่ละโมเลกุลจึงมีไอโซเมอร์ได้ 2 แบบ (ภาพจาก www.en.wikipedia.org)

ที่น่าสนใจคือ ถ้ากำจัดหมู่ -OH ที่วงกลมแดงด้วยปฏิกิริยา dehydroxylation ให้กลายเป็น -H ได้จะเกิดอะไรขึ้น

คำตอบอยู่ในรูปที่ ๖ ในหน้าถัดไป

รูปที่ ๖ โครงสร้างโมเลกุลของ (บน) pseudoephedrine นำมาแสดงเพื่อเปรียบเทียบกับ (ล่างซ้าย) amphetamine และ (ล่างขวา) methamphetamine จะเห็นว่า methamphetamine แตกต่างจาก pseudoephedrine ตรงที่ไม่มีหมู่ -OH และถ้าเปลี่ยนหมู่ -CH₃ ที่เกาะอยู่กับอะตอม N ให้กลายเป็น -H ก็จะได้ amphetamine

ตอนนี้คงเห็นภาพแล้วนะว่า ทำไมถึงมีการหายไปของยาแก้หวัดที่ผสม pseudoephedrine จากโรงพยาบาล