วันพฤหัสบดีที่ 24 เมษายน พ.ศ. 2557

พีคเหมือนกันก็แปลว่ามีหมู่ฟังก์ชันเหมือนกัน MO Memoir : Thursday 24 April 2557

บ่ายวันวานระหว่างนั่งอ่านวิทยานิพนธ์ก็มีสาวน้อยที่ทำแลปอยู่อีกภาควิชาหนึ่งในตึกข้าง ๆ แวะเข้ามาถามปัญหาเกี่ยวกับการทดลอง ก็มีอยู่หลายเรื่องด้วยกัน แต่เรื่องหนึ่งที่คิดว่าน่าสนใจที่ควรจะนำมาพิจารณากันก็คือการแปลผล FT-IR ซึ่งผมก็ได้ให้ความเห็นตามที่นำมาเป็นหัวข้อเรื่องของ Memoir ฉบับนี้คือ "พีคเหมือนกันก็แปลว่ามีหมู่ฟังก์ชันเหมือนกัน"

รูปที่ ๑ (บน) โครงสร้างของ Syndiotactic polypropylene (ล่าง) Atactic polypropylene


รูปที่ ๒ IR spectra ของ (บน) Syndiotactic polypropylene (ล่าง) Atactic polypropylene
  
อันที่จริงเรื่องการแปลผลการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดนี้ เคยกล่าวเอาไว้ครั้งหนึ่งนานแล้วในMemoir ปีที่ ๑ ฉบับที่ ๘ วันศุกร์ที่ ๕ กันยายน พ.ศ. ๒๕๕๑ เรื่อง "IRspectrum interpretation" และขอแนะนำให้ผู้ที่ยังไม่มีพื้นฐานด้านนี้อ่านบทความฉบับดังกล่าวประกอบด้วย
  
สิ่งแรกที่ควรต้องพึงระลึกในการอ่านผลการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดคือ การดูดกลืนรังสีอินฟราเรดขึ้นอยู่กับการสั่นของ "พันธะระหว่างอะตอม" หรือ "พันธะระหว่างกลุ่มอะตอม" ดังนั้นสารใดก็ตามแม้ว่าเป็นสารคนละตัวกัน แต่ถ้ามีพันธะระหว่างอะตอมหรือกลุ่มอะตอมที่เหมือนกัน หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือมีหมู่ฟังก์ชันที่เหมือนกัน ก็จะให้รูปแบบการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่เหมือนกันหรือใกล้เคียงกันมาก


รูปที่ ๓ ปฏิกิริยาการควบแน่นของ (บน) 6-Aminohexanoic acid (ล่าง) Adipic acid กับ Hexamethylenediamine

รูปที่ ๔ IR spectra ของ (บน) Polyamide-6,6 หรือ Nylon-6,6 (ล่าง) Polyamide-6 หรือ Nylon-6
  
เรื่องมันเริ่มจากเขาเล่าให้ผมฟังว่า มีคนนำเอาไคโตซาน (Chitosan) ไปผ่านกระบวนการอย่างหนึ่ง แล้วนำไปวิเคราะห์ด้วยเทคนิค FT-IR และทดสอบคุณสมบัติในการดูดซับน้ำ ปรากฏว่าผล FT-IR ที่ได้นั้นมีลักษณะพีคปรากฏเหมือนกัน เขาก็เลยสรุปว่าตัวอย่างต่าง ๆ ที่นำไปผ่านกระบวนการดังกล่าวนั้นเหมือนกับตัวอย่างก่อนนำเข้ากระบวนการ

แต่ผลการวัดการดูดซับน้ำแสดงให้เห็นว่า เมื่อผ่านกระบวนการดังกล่าวแล้ว ไคโตซานที่ได้นั้นดูดซับน้ำได้ "มากขึ้น"

ผลการวัดการดูดซับน้ำแสดงให้เห็นว่าเมื่อนำไคโตซานไปผ่านกระบวนการ ไคโตซานที่ได้มีการ "เปลี่ยนแปลง" เกิดขึ้น ทำให้มีคุณลักษณะหนึ่งแตกต่างไปจากเดิมคือการดูดซับน้ำ สิ่งที่ผมได้อธิบายให้เขาฟังก็คือก่อนอื่นต้องทำความเข้าใจก่อนว่า FT-IR นั้นเราวัดการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดของพันธะระหว่างอะตอมหรือหมู่ฟังก์ชัน ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ที่ทำให้พันธะบางพันธะหรือหมู่ฟังก์ชันบางหมู่หายไป ก็จะทำให้เห็นพีคการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดของพันธะและหมู่ฟังก์ชันนั้นลดลงหรือหมายไป และการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ที่ทำให้เกิดพันธะบางพันธะหรือหมู่ฟังก์ชันบางหมู่เกิดขึ้นมาใหม่นอกเหนือไปจากที่มีอยู่เดิม ก็จะทำให้เห็นพีคการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดของพันธะหรือหมู่ฟังก์ชันนั้นเพิ่มเติมขึ้นมา (แต่ต้องไม่ซ้อนกับพีคที่มีอยู่เดิมนะ)
  
อีกประการคือความสามารถในการดูดซับน้ำขึ้นอยู่กับความมีขั้วของโมเลกุล (หรือของพื้นผิว) และปริมาตรรูพรุนของวัสดุที่ใช้ดูดซับนั้น ในกรณีของไคโตซานของเขานั้นผมคิดว่ากระบวนการนั้นคงไปทำให้โมเลกุลของไคโตซานเกิดการแตกตัวในบางตำแหน่ง แต่หมู่ฟังก์ชันที่เกิดขึ้นมาใหม่ตรงตำแหน่งพันธะที่มีการแตกตัวนั้นน่าจะเป็นหมู่ที่เหมือนกับที่มีอยู่แล้วในโมเลกุลของไคโตซาน (คือ -OH และ NH2) ซึ่งถ้าเป็นแบบนี้มันก็จะใช้เป็นสมมุติฐานหนึ่งที่จะอธิบายผลการทดลองที่เขาเล่าให้ฟังได้
  
จากประสบการณ์ของตัวเองนั้น การวัด "ปริมาณ" โดยใช้การวัดการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดกับตัวอย่างที่เป็นของแข็งนั้นมันทำได้ก็จริง แต่ก็ต้องระวังมากในการเตรียมตัวอย่าง โดยเฉพาะการเตรียมที่ใช้การผสมกับ KBr ก่อนอัดเป็นแผ่น เพราะต้องควบคุมสัดส่วนการผสมและความเป็นเนื้อเดียวกันของแผ่นตัวอย่างที่เตรียมได้ให้เหมือนกันหมดทุกตัวอย่าง ด้วยเหตุในกรณีเช่นนี้จึงมักจะทำไปเพื่อการเปรียบเทียบเชิงคุณภาพมากกว่า

บังเอิญว่ายังมีโปรแกรมฐานข้อมูลพีค IR การดูดกลืนสารต่าง ๆ อยู่ในคอมพิวเตอร์เก่า ๆ เครื่องหนึ่ง (โปรแกรมฐานข้อมูลนี้มันมากับเครื่องคอมพิวเตอร์ใช้ CPU รุ่น 80386 ความเร็ว 16 MHz ทำงานบน Windows 3.1) ก็เลยนำเอาตัวอย่างสารสองตัวที่แตกต่างกัน แต่มีพีคการดูดกลืน IR ใกล้เคียงกันมาก เว้นแต่บริเวณพีคเล็ก ๆ บางตำแหน่งเท่านั้น มาให้ดูกันสองคู่ คือกรณีของพอลิโพรพิลีน และไนลอน

รูปที่ ๑ แสดงโครงสร้างโมเลกุลของพอลิโพรพิลีน คุณสมบัติของพอลิโพรพิลีนที่ได้นั้นขึ้นอยู่กับตำแหน่งหมู่เมทิล (methyl -CH3) ว่าหันไปทางทิศไหนของสายโซ่พอลิเมอร์ ถ้าเป็นแบบ Isotactic หมู่ -CH3 จะหันไปในทิศทางเดียวกันหมด ถ้าเป็นแบบ Syndiotactic หมู่ -CH3 จะหันไปในทิศทางตรงข้ามกันแบบสลับไปมาอย่างเป็นระเบียบ และถ้าเป็นแบบ Atactic ทิศทางการหันของหมู่ -CH3 จะเอาแน่เอานอนไม่ได้ และด้วยทิศทางการหันของหมู่ -CH3 เช่นนี้ส่งผลให้พอลิโพรพิลีน มีคุณสมบัติที่แตกต่างกันมาก โดยแบบ Isotactic จะมีความเป็นผลึกมากที่สุด ในขณะที่แบบ Atactic นั้นมีโครงสร้างที่เป็นอสัณฐาน (amorphous) คล้ายยางซะมากกว่า
  
ถ้ายังดูไม่ออกว่าทิศทางการหันของหมู่ -CH3 นั้นมันแตกต่างกันอย่างไร แนะนำให้ไปทำความเข้าใจเรื่อง Chiral isomer ก่อน เรื่องนี้เคยเขียนเอาไว้แล้วเหมือนกันใน Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๔๒๙ วันเสาร์ที่ ๓๑ มีนาคม พ.ศ. ๒๕๕๕ เรื่อง "ปฏิกิริยาDehydroxylation"
  
แต่ไม่ว่าหมู่ -CH3 จะเรียงตัวแบบใด หมู่ฟังก์ชันของพอลิโพรพิลีนแต่ละชนิดก็ยังคงเหมือนกันคือประกอบด้วยหมู่เมทิล (methyl -CH3) หมู่เมทิลีน (methylene -CH2) และตำแหน่งของ tertiary carbon (C อะตอมตัวที่มีหมู่เมทิลมาเกาะ มันจะมีอะตอม H เกาะอยู่เพียงอะตอมเดียว อีก 3 แขนเกาะอยู่กับอะตอมคาร์บอนตัวอื่น) ดังนั้นถ้านำไปวัดการดูดกลืนรังสีอินฟราเรด ก็จะเห็นว่าพอลิเมอร์ทั้งสองชนิดมีการดูดกลืนรังสีไม่ว่าจะเป็นตำแหน่งหรือความเข้มของการดูดกลืนนั้น เหมือนกันมาก (รูปที่ ๒) ยกเว้นช่วงพีคเล็ก ๆ บริเวณ 1000-1100 cm-1 เท่านั้นเอง (ช่วงบริเวณนี้เรียกว่า "Finger print region")

ตัวอย่างที่สองที่นำมาให้ดูเป็นกรณีของ polyamide สองตัวคือ polyamide-6 หรือ Nylon-6 และ polyaminde-6,6 หรือ Nylon-6,6 พอลิเอไมด์นี้ได้จากปฏิกิริยาการควบแน่นระหว่างหมู่คาร์บอกซิล (carboxyl -COOH) กับหมู่อะมิโน (amino -NH2) สารตั้งต้นของ Nylon-6 คือ 6-Amino hexanoic acid ที่มีจำนวนอะตอม C 6 อะตอม (เป็นที่มาของเลข 6 ในชื่อ) สารตัวนี้มีหมู่ -NH2 ที่ปลายโซ่ข้างหนึ่งและหมู่ -COOH ที่ปลายโซ่อีกข้างหนึ่ง ทำให้โมเลกุลของตัวมันเองสามารถต่อรวมกันเป็นสายโซ่ยาวได้ (รูปที่ ๓ บน) โดยจะมีการคายโมเลกุลน้ำออกมาในระหว่างการต่อโมเลุล (แต่ในอุตสาหกรรมจะใช้ caprolactam เป็นสารตั้งต้น โดยทำให้วง caprolactam แตกออกและเชื่อมต่อเข้าดัวยกัน การใช้ caprolactum เป็นสารตั้งต้นจะทำให้ไม่มีการคายน้ำออกมาระหว่างการต่อโมเลกุล)
  
ส่วน Nylon-6,6 นั้นได้จากปฏิกิริยาการควบแน่นระหว่างโมเลกุล Adipic acid กับ Hexamethylenediamine โดยมีการคายโมเลกุลน้ำออกมา (รูปที่ ๓ ล่าง) ในรูปที่ ๓ นั้นผมแสดงแค่การเชื่อมต่อกันระหว่างสองโมเลกุล จะเห็นว่าผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการควบแน่นของโมเลกุล 6-Amino hexanoic acid ที่นำไปสู่การเกิดเป็น Nylon-6 และการควบแน่นของโมเลกุล Adipic acid กับ Hexamethylenediamine ที่นำไปสู่การเกิดเป็น Nylon-6,6 นั้นมีโครงสร้างโมเลกุลที่ไม่เหมือนกัน แต่มีหมู่ฟังก์ชันที่เหมือนกันและมีจำนวนเท่ากัน (มีหมู่ -COOH, -NH2, -CH2-, -CO-NH-) ทำให้สัญญาณการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดของ Nylon-6 และ Nylon-6,6 นั้นคล้ายคลึงกันมาก มีความแตกต่างเพียงเล็กน้อยในบริเวณเลขคลื่น 900-1200 cm-1 ซึ่งเป็นบริเวณของ Finger print region
  
หวังว่าสองตัวอย่างที่ยกมาให้เห็นนี้คงทำให้ตระหนักถึงความจำเป็นที่เราต้องเข้าใจว่าเครื่องมือวัดที่เราใช้นั้น โดยพื้นฐานแล้วมันวัดอะไร และจากข้อมูลที่ได้มานั้นมันควรแปลผลออกมาได้แค่ไหน ไม่ใช่แปลเกินเลยจากสิ่งที่มันวัดได้จริง

ท้ายสุดนี้ก็ขอแสดงความยินดีกับสมาชิกของกลุ่มอีก ๒ คนที่เหลือที่ผ่านการสอบปกป้องวิทยานิพนธ์ในช่วงเช้าของวันนี้ไปได้ด้วยดี หวังว่าจะรีบดำเนินการแก้ไขตามที่กรรมการให้ความเห็นไว้เพื่อจะได้ปิดงานอย่างสมบูรณ์ได้สักที


ไม่มีความคิดเห็น: