Aldol condensation กับ Cannizzaro reaction MO Memoir : Friday 9 October 2558

หมู่คาร์บอนิล (carbonyl C=O) มีความเป็นขั้วที่สูง โดยเฉพาะอะตอม C ของหมู่คาร์บอนิลที่มีอะตอมออกซิเจนเกาะอยู่จะมีความเป็นขั้วบวกที่สูง ทำให้อะตอม C นี้มันไปดึงอิเล็กตรอนจากอะตอม C ที่ถัดไป (เรียกตำแหน่งอะตอม C ที่อยู่ติดกับอะตอม C ของหมู่ C=O นี้ว่าตำแหน่ง alpha และตัวถัดไปอีกจะเรียกว่า beta) ส่งผลให้อะตอม H ของพันธะ C-H ของอะตอม C ที่ตำแหน่ง alpha นั้นมีความเป็นกรดที่แรงขึ้น และสามารถจ่าย H+ ให้กับเบส OH- ได้ และพอ H+ หลุดออกไป อะตอม C ของหมู่ C=O ของอัลดีไฮด์หรือคีโตนอีกโมเลกุลหนึ่งก็จะมาสร้างพันธะกับอะตอม C ที่ตำแหน่ง alpha นั้นได้ เกิดการเชื่อมต่อโมเลกุลเข้าด้วยกันเป็นโมเลกุลใหญ่ขึ้น ปฏิกิริยานี้มีชื่อว่า "Aldol condensation" ส่วนผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นจะมีหมู่ -OH ที่อะตอม C ที่อยู่ที่ตำแหน่ง alpha เมื่อเทียบกับหมู่คาร์บอนิล เรียกว่า beta-hydroxyaldehyde หรือ ketone (ขึ้นอยู่กับว่าสารตั้งต้นเป็นอัลดีไฮด์หรือคีโตน 

ปฏิกิริยา aldol condensation จะเกิดได้ก็ต่อเมื่ออัลดีไฮด์หรือคีโตนที่ทำปฏิกิริยากันนั้น (อาจเป็นโมเลกุลของสารเดียวกันหรือต่างสารกันก็ได้) อย่างน้อยหนึ่งโมเลกุล อะตอม C ที่ตำแหน่ง alpha จะต้องมีอะตอม H (ดูรูปที่ ๑ ประกอบ)

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยา aldol condensation (บน) ระหว่าง acetaldehyde สองโมเลกุล ที่อะตอม C ที่ตำแหน่ง alpha ต่างมีอะตอม H เกาะอยู่ (ล่าง) ระหว่าง acetaldehyde กับ formaldehyde (ไม่มีอะตอม C ที่ตำแหน่ง alpha) 

ประโยชน์ของปฏิกิริยา aldol condensation คือใช้ในการสร้างโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นจากโมเลกุลอัลดีไฮด์หรือคีโตนขนาดเล็ก เช่นการสังเคราะห์ 2-Ethylhexane-1,3-diol (สารประกอบที่มีอะตอม C 8อะตอมที่ใช้เป็นสารไล่ยุง) ด้วยปฏิกิริยา aldol condensationจาก acetaldehyde 4 โมเลกุล (สารประกอบที่มีอะตอม C 2 อะตอม - ดูรูปที่ ๒ ประกอบ) ซึ่งประกอบด้วยการทำปฏิกิริยาระหว่าง acetaldehyde สองโมเลกุลด้วยปฏิกิริยา aldol condensation ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีจำนวนอะตอม C 4 อะตอม ตามด้วยปฏิกิริยา dehydration (การกำจัดน้ำ) ดึงหมู่ -OH ออกทำให้เกิดเป็นพันธะคู่ C=C (ขณะนี้ในโมเลกุลนี้มีเพียงหมู่นี้หมู่เดียวที่เกิดปฏิกิริยา dehydration ได้) ได้สารประกอบที่เรียกว่า crotonaldehyde (มี 2 ไอโซเมอร์คือ E กับ Z ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของหมู่ -CH₃ กับ -COH ว่าอยู่ฟากเดียวกันหรือคนละฟากของพันธะคู่ C=C) 

จากนั้นใช้ปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจน (hydrogenation) เข้าไปที่พันธะ C=C ได้เป็นอัลดีไฮด์ butanal (ตรงนี้ต้องระวังไม่ให้เกิดปฏิกิริยาที่หมู่อัลดีไฮด์ -COH) แล้วจึงใช้ปฏิกิริยา aldol condensation ต่อเชื่อมต่อโมเลกุล butanal เข้าด้วยกัน และรีดิวซ์หมู่ C=O ที่เหลืออยู่ ก็จะได้สารประกอบ 2-Ethylhexane-1,3-diol 

รูปที่ ๒ การสังเคราะห์ 2-Ethylhexane-1,3-diol (ที่ใช้เป็นสารไล่ยุง) จาก acetaldehyde 4 โมเลกุล 

สำหรับอัลดีไฮด์ที่อะตอม C ที่ตำแหน่ง alpha นั้นไม่มีอะตอม H เกาะอยู่ ภายใต้สภาวะที่เป็นเป็นเบสเข้มข้นที่แรงพอ อัลดีไฮด์ดังกล่าวก็จะสามารถเกิดปฏิกิริยา oxidation-reduction ระหว่างโมเลกุลอัลดีไฮด์สองโมเลกุลได้ โดยหมู่คาร์บอนิล C=O ของอัลดีไฮด์โมเลกุลหนึ่งจะถูกออกซิไดซ์กลายเป็นกรดอินทรีย์ -COOH และหมู่ C=O ของอีกโมเลกุลหนึ่งจะถูกรีดิวซ์กลายเป็นหมู่ไฮดรอกซิล -OH ปฏิกิริยานี้มีชื่อว่า Cannizzaro reaction (รูปที่ ๓) 

รูปที่ ๓ Cannizzaro reaction 

Pentaerythritol (C(CH₂OH)₄) เป็นสารประกอบพอลิออล (polyol คือ แอลกอฮอล์ที่มีหมู่ -OH มากกว่าหนึ่งหมู่ในโมเลกุลเดียว) สารประกอบนี้เตรียมได้จากปฏิกิริยาระหว่าง acetaldehyde 1 โมเลกุลกับ formaldehyde 4 โมเลกุล โดยใช้ปฏิกิริยา aldol condensation นำโมเลกุล formaldehyde 3 โมเลกุล เข้าแทนที่อะตอม H ทั้ง 3 อะตอมของอะตอม C ที่ตำแหน่ง alpha (ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีจำนวนอะตอม C 5 อะตอม) จากนั้นตามด้วย cannizzaro reaction ด้วยการใช้ formaldehyde 1 โมเลกุลเข้าไปรีดิวซ์หมู่ C=O ก็จะได้สารประกอบ pentaerythritol ออกมา ส่วน formaldehyde โมเลกุลสุดท้ายก็จะกลายเป็นกรดฟอร์มิก (formic) ไป (รูปที่ ๔ และ ๕) 

แต่ในการออกแบบกระบวนการผลิตนั้นต้องไม่ลืมว่าตัวโมเลกุล acetaldehyde เองนั้นก็สามารถเกิดปฏิกิริยา aldol condensation ระหว่างโมเลกุลของมันเองได้เช่นกัน (รูปที่ ๑) ดังนั้นถ้ามองในแง่ของวิศวกรรมเคมีแล้ว ถ้าต้องการให้ปฏิกิริยาข้างเคียงที่ไม่ต้องการนี้มีโอกาสเกิดได้น้อย ในการทำปฏิกิริยาก็ต้องให้มี formaldehyde ในสัดส่วนที่มากกว่า acetaldehyde เพื่อลดโอกาสที่โมเลกุล acetaldehyde จะมาเจอกันเองและเกิดการควบแน่น ส่วนสารมัธยันต์ที่เกิดจากปฏิกิริยา aldol condensation นั้น (beta-hydroxyaldehyde) ยากที่จะเกิดปฏิกิริยาควบแน่นระหว่างโมเลกุลของมันเองหรือกับ acetaldehyde เนื่องด้วยผลจาก steric effect คือมันเองมีขนาดโมเลกุลใหญ่ จึงยากที่จะเข้าไปทำปฏิกิริยากับอะตอม C ที่ตำแหน่ง alpha เว้นแต่ formaldehyde ที่มีขนาดโมเลกุลเล็กจึงสามารถเข้าถึงได้ง่ายกว่า 

อ่านมาถึงตรงนี้คิดว่าหลายต่อหลายคนคงจะเห็นแล้วว่า สารเคมีต่าง ๆ ที่ใช้ในการเตรียมที่กล่าวมานั้น ไม่ได้เป็นสารเคมีพิเศษหายากอะไรเลย แต่เป็นสารที่สามารถหาซื้อได้ทั่วไป 

รูปที่ ๔ การสังเคราะห์ pentaerythritol ด้วยปฏิกิริยา aldol condensation ระหว่าง acetaldehye 1 โมเลกุลกับ formaldehyde 3 โมเลกุล ได้สารประกอบที่มีจำนวนอะตอม C 5 อะตอม (อะตอม H สีแดงในรูปคือตัวที่ถูกกำจัดออก) จากนั้นใช้ formaldehyde อีก 1 โมเลกุลทำการรีดิวซ์หมู่ C=O ของสารประกอบ C 5 ที่เกิดขึ้น ก็จะได้ pentaerythritol และถ้านำ pentaerythritol ไปทำปฏิกิริยา nitration กับกรด HNO₃ จนหมู่ -OH ทั้ง 4 หมู่ทำปฏิกิริยาจนหมดก็จะได้สารประกอบ Pentaerythritol tetranitrate หรือย่อว่า PETN ที่ใช้เป็นวัตถุระเบิดหลักทางทหารตัวหนึ่ง 

รูปที่ ๕ สิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเรื่องการผลิต pentaerythritol จาก formaldehyde และ acetaldehye ด้วยปฏิกิริยา aldol condensation และ cannizzaro reaction 

หมู่ -OH นี้สามารถเกิดปฏิกิริยา nitration (หรือจะเรียกว่า esterification) กับกรดอนินทรีย์ก็ได้ (ดู Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๔๘ วันเสาร์ที่ ๑๔ พฤศจิกายน ๒๕๕๒ เรื่อง "Esterification of hydroxyl group") กลายเป็นสารประกอบไนเทรตที่มีสัดส่วนอะตอม O ในโมเลกุลเพิ่มมากขึ้น และถ้าหมู่ -OH ทั้ง 4 หมู่ของ petaerythritol นี้เกิดปฏิกิริยา nitration จนหมดทั้ง 4 หมู่ ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ Pentaerythritol tetranitrate หรือที่เรียกกันย่อ ๆ ว่า PETN สารตัวนี้ใช้เป็นวัตถุระเบิดหลักตัวหนึ่งในทางทหาร (รูปที่ ๕) 

คุณสมบัติเด่นของ PETN คือปั้นเป็นรูปร่างต่าง ๆ ได้ (แบบดินน้ำมัน) เป็นวัตถุระเบิดในกลุ่มที่เรียกว่า "ระเบิดพลาสติก (Plastic explosive)" โดยตัวที่มีชื่อเสียงมากที่สุดเห็นจะได้แก่ตัวที่ผลิตขายภายใต้ชื่อการค้า "SEMTEX" จุดเด่นของระเบิดตัวนี้ในช่วงแรก ๆ ที่ผลิตขึ้นมาคือตรวจจับยากหรือตรวจจับไม่ได้ ด้วยเหตุนี้จึงเป็นที่นิยมของกลุ่มก่อการร้าย (ทำเป็นแผ่นแบน ๆ แทรกไว้ระหว่างผนังกระเป๋าเดินทางและผ้าบุด้านในกระเป๋าได้) และกรณีที่มีทำให้ SEMTEX นี้เป็นที่รู้จักกันไปทั่วโลกเห็นจะได้แก่กรณีของเที่ยวบิน Pan Am Flight 103 

Pan Am Flight 103 เกิดระเบิดขึ้นกลางอากาศในน่านฟ้าเหนือเมือง Lockerbie ประเทศสกอตแลนด์ ในวันพุธที่ ๒๑ ธันวาคม ปีค.ศ. ๑๙๘๘ (พ.ศ. ๒๕๓๑) ขณะมุ่งหน้าจากลอนดอนไปยังสหรัฐอเมริกา ส่งผลให้ผู้โดยสารและลูกเรือเสียชีวิตทั้งลำ และยังมีพลเรือนบนพื้นเสียชีวิตด้วยจำนวนหนึ่ง (โดนซากเครื่องบินหล่นใส่) ผลการสอบสวนพบว่าสาเหตุเกิดจากระเบิด SEMTEX ที่ซุกซ่อนมาในกระเป๋าเดินทางใบหนึ่ง ด้วยเที่ยวบินดังกล่าวมีความล่าช้า ทำให้เครื่องบินเกิดการระเบิดในขณะที่ยังบินอยู่เหนือพื้นดินแทนที่จะเกิดระเบิดขึ้นกลางทะเลตามที่ผู้วางระเบิดตั้งใจไว้ (ถ้าเกิดขณะบินอยู่เหนือทะเลก็คงยากที่จะตรวจสอบหาสาเหตุหรือไม่ก็หาสาเหตุไม่ได้) 

รูปที่ ๖ สิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเรื่องกระบวนการผลิต PETN ด้วยปฏิกิริยา nitration โมเลกุล pentaerythritol 

ผลจากเหตุการณ์ดังกล่าวจึงทำให้เกิดการผสมสารที่เป็นตัวบ่งชี้ (detection taggant) เข้าไปกับ SEMTEX ที่ผลิตขึ้นเพื่อจำหน่ายในช่วงหลัง เพื่อให้สามารถตรวจจับได้ง่ายขึ้นและระบุได้ว่าจำหน่ายให้กับใคร 

บรรณานุกรม 
Albert Zlatkis, Eberhard Breitmaier and Günther Jung, "A concise introduction to organic chemistry", McGraw Hill, 1985. 
Edward E. Burgoyne, "A short course in organic chemicsty", McGraw Hill, 1985. 
Harold Hart, Leslie E. Craine and David J. Hart, "Organic chemistry ; A short course', 10th ed., Houghton Mifflin, 1999. 
https://en.wikipedia.org/wiki/Pentaerythritol (วันศุกร์ที่ ๙ ตุลาคม ๒๕๕๘) 
https://en.wikipedia.org/wiki/Pentaerythritol_tetranitrate (วันศุกร์ที่ ๙ ตุลาคม ๒๕๕๘) 
https://en.wikipedia.org/wiki/Semtex (วันศุกร์ที่ ๙ ตุลาคม ๒๕๕๘) 
https://en.wikipedia.org/wiki/Pan_Am_Flight_103 (วันศุกร์ที่ ๙ ตุลาคม ๒๕๕๘) 

ท้ายสุดนี้ก็คงต้องขอแสดงความยินดีกับสมาชิกเพียงคนเดียวของกลุ่มที่เข้ารับพระราชทานปริญญามหาบัณฑิตเมื่อช่วงเช้าที่ผ่านมาของวันนี้ ก็ขออวยพรให้ประสบแต่ความสุขความเร็จในชีวิตครอบครัวและหน้าที่การงานตลอดไป ขอให้ดำเนินการใด ๆ อย่างมีสติ 

และเป็นธรรมเนียมปฏิบัติคือเมื่อสมาชิกคนใดของกลุ่มได้สำเร็จการศึกษาและเข้ารับพระราชทานปริญญาบัตรเป็นที่เรียบร้อยแล้ว การส่ง Memoir ฉบับ pdf ให้ทางอีเมล์ก็จะเป็นอันยุติ ดังนั้น Memoir ฉบับนี้ก็จะเป็นฉบับสุดท้ายที่ส่งทางอีเมล์ให้กับสาวน้อยผู้เพิ่งจะรับปริญญาไปในเช้าวันนี้ แต่ถ้ามีเวลาว่างก็ขอเชิญแวะมาอ่านได้ทางหน้า blog หรือ facebook ของกลุ่มได้เช่นเดิม จะได้ทราบว่าเกิดอะไรขึ้นกับน้อง ๆ รุ่นใหม่กันบ้าง