แขกผู้มาเยือน
๒ รายที่แวะมาเยี่ยมผมเมื่อบ่ายวันศุกร์ที่ผ่านมานั้น
มาพร้อมกับคำถามที่ว่าเขามีสารประกอบโลหะไฮดรอกไซด์/ออกไซด์ผสมที่มีฤทธิ์เป็นเบสที่หน่วยงานของเขาสังเคราะห์ขึ้นได้
จะสามารถนำไปใช้ประโยชน์อะไรได้บ้าง
ในแง่การใช้เป็นตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยา
(ที่เรียกว่า
catalyst
support) หรือใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
(อันที่จริงผมก็ยังไม่มั่นใจว่าสารประกอบที่เขามีนั้นมีฤทธิ์เป็น
"เบส"
เสมอไปหรือไม่
เพราะเท่าที่ฟังจากองค์ประกอบไอออนโลหะที่เขามี
ตัวหนึ่งนั้นมีฤทธิ์เป็นเบสแน่
ๆ แต่อีกตัวหนึ่งนั้นคิดว่ามันเป็น
"amphoteric"
คือในสภาวะที่เป็นกรดมันจะแสดงฤทธิ์เป็นเบส
และในสภาวะที่เป็นเบสมันจะแสดงฤทธิ์ที่เป็นกรด)
การจะนำเอาสิ่งที่เขามีอยู่ในมือนั้นไปใช้เป็นตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยา
คงต้องมีการทดลองกันอีกยาวไกล
แต่สิ่งที่น่าจะทำได้เร็วกว่าคือการหาทางนำเอามันไปใช้ในรูปของตัวเร่งปฏิกิริยา
ดังนั้นคำถามที่เกิดขึ้นตามมาก็คือมีปฏิกิริยาเคมีอินทรีย์ไหนบ้างที่ใช้เบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้
นอกเหนือไปจากปฏิกิริยา
trans-esterification
ที่ใช้ในการผลิตไบโอดีเซลในปัจจุบัน
ที่แม้ว่าการใช้ NaOH
จะมีปัญหาอยู่บ้างในแง่ของกระบวนการผลิต
แต่เมื่อพิจารณาจากค่าใช้จ่ายรวมทั้งหมดแล้วก็ยังจัดว่าคุ้มค่าอยู่
และปฏิกิริยาหนึ่งที่มีการเอ่ยถึงขึ้นมาก็คือ
"Aldol
condensation"
Aldol
condensation เป็นปฏิกิริยาระหว่างหมู่คาร์บอนิล
(-C(O)-)
ของโมเลกุลอัลดีไฮด์หรือคีโตนโมเลกุลหนึ่ง
กับอัลฟาคาร์บอนอะตอม
(α-carbon
atom) ของโมเลกุลอัลดีไฮด์หรือคีโตนโมเลกุลอีกหนึ่ง
(คู่ของสารที่เข้าทำปฏิกิริยากันไม่จำเป็นต้องมีอัลฟาคาร์บอนอะตอมทั้งคู่)
ปฏิกิริยานี้ใช้เบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะเป็นเบต้าไฮดรอกซีอัลดีไฮด์
(β-hydroxyaldehyde)
หรือเบต้าไฮดรอกซีคีโตน
(β-hydroxyketone)
โดยอะตอมออกซิเจนของหมู่คาร์บอนนิลที่อัลฟาคาร์บอนอะตอมเข้าไปสร้างพันธะด้วยนั้นจะกลายเป็นหมู่ไฮดรอกซี
(-OH)
ที่สามารถเกิดปฏิกิริยาคายน้ำ
(dehydration)
ต่อเนื่องกลายเป็นพันธะคู่
C=C
ได้
รูปที่
๑ ปฏิกิริยา aldol
condensation ระหว่าง
benzaldehye
2 โมเลกุลกับ
acetone
1 โมเลกุล
เพื่อสังเคราะห์สารประกอบ
dibenalacetone
(หรือ
dibenzilidenacetone)
ที่สามารถใช้เป็นสารป้องกันแสงอาทิตย์
(sunscreen)
ได้
(พึงสังเกตโครงสร้างโมเลกุลที่ประกอบด้วยพันธะคู่และพันธะเดี่ยวสลับกับ
ที่ทำให้อิเล็กตรอนมีการเคลื่อนย้ายได้ตลอดทั้งโมเลกุล)
Dibenzalacetone
เป็นสารเคมีตัวหนึ่งที่เตรียมได้จากปฏิกิริยา
aldol
condensation ระหว่าง
acetone
(ที่มีอัลฟาคาร์บอนอะตอมถึง
6
ตัว)
และ
benzaldehyde
(ที่ไม่มีอัลฟาคาร์บอนอะตอม)
โดยใช้
NaOH
เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
(รูปที่
๑)
อุณหภูมิการทำปฏิกิริยานั้นจะอยู่ที่ราว
20-25ºC
เท่านั้นเอง
การทำปฏิกิริยาดูเผิน ๆ
ก็ไม่น่ามีอะไร
แต่อันที่จริงพอจะต้องลงมือปฏิบัติมันก็มีอะไรให้พิจารณาอีกตั้งหลายอย่าง
เช่น
๑.
NaOH เป็นของแข็งที่ละลายน้ำได้ดี
แต่ละลายใน acetone
ได้ดีแค่ไหนก็ไม่รู้เหมือนกัน
acetone
ก็ละลายน้ำได้ดี
benzaldehyde
นั้นละลายใน
acetone
ได้
แต่ละลายน้ำได้น้อยมาก
ดังนั้นจะทำอย่างไรจึงจะทำให้ทั้งสามสารอยู่ร่วมกันได้เพื่อที่จะทำให้ปฏิกิริยาเกิดได้
จำเป็นต้องใช้ตัวกลาง
(ที่เฉื่อย)
ช่วยในการประสานเฟสไหม
และถ้ามีการใช้ตัวกลาง
จะแยกผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นที่เหลืออยู่
(รวมทั้งตัวเร่งปฏิกิริยา)
ออกจากกันได้อย่างไร
๒.
acetone เองก็สามารถทำปฏิกิริยา
aldol
condensation กับพวกเดียวกันเองได้
กลายเป็นสารประกอบ diacetone
alcohol (รูปที่
๒)
ดังนั้นเราควรทำอย่างไรเพื่อที่จะให้มั่นใจว่า
acetone
ที่เติมเข้าไปนั้นทำปฏิกิริยาเฉพาะกับ
benzaldehyde
เท่านั้น
โดยไม่ทำปฏิกิริยากับ acetone
ด้วยกันเอง
วิธีการหนึ่งก็คือการใส่
benzaldehyde
และทุกอย่างเข้าไปในระบบก่อน
ปรับสภาวะระบบให้เหมาะสมกับการทำปฏิกิริยา
จากนั้นจึงค่อย ๆ เติม acetone
ลงไปทีละช้า
ๆ พร้อมทั้งทำการปั่นกวนให้
acetone
กระจายตัวไปอย่างรวดเร็ว
แต่ก็เกิดคำถามตามขึ้นมาก็คือ
จะทำอย่างไรกับ NaOH
ที่ไม่ละลายใน
benzaldehyde
และจำเป็นไหมที่เบสที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาจะต้องอยู่ในสภาพไอออนในสารละลาย
อยู่ในสภาพที่เป็นของแข็งได้ไหม
ถ้าไม่ได้
ก็แสดงว่าต้องมีการใช้ตัวกลางที่ละลายได้ทั้ง
NaOH
และ
benzaldehyde
รูปที่
๒ ปฏิกิริยา aldol
condensation ระหว่าง
acetone
2 โมเลกุลเพื่อการสังเคราะห์สารประกอบ
mesityl
oxide (หรือ
isobutenyl
methyl ketone)
๓.
aldol product ที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่าง
acetone
กับ
benzaldehyde
ในขั้นตอนแรกนั้นก็มีอัลฟาคาร์บอนอะตอมเช่นกัน
มีความเป็นไปได้มากน้อยเท่าใดที่
aldol
product นี้จะทำปฏิกิริยาด้วยกันเอง
๔.
ผลิตภัณฑ์ที่ได้จาก
aldol
condensation ในช่วงแรกเป็นสารประกอบเบต้าไฮดรอกซีคีโตน
ที่อุณหภูมิสูงมากพอในสภาวะที่มีเบสที่แรงมากพอ
หมู่ไฮดรอกซิลจะเกิดปฏิกิริยา
base
catalyzed dehydration (ปฏิกิริยาคายน้ำ)
กับอัลฟาไฮโดรเจนอะตอม
กลายเป็นพันธะ C=C
ดังนั้นก่อนที่จะเกิดปฏิกิริยา
dehydration
ตัว
aldol
product จะมีอัลฟาไฮโดรเจนอยู่ทั้งสองฝั่งของหมู่คาร์บอนิล
(-C(O)-)
ในสภาวะที่ทำปฏิกิริยานั้นเรามีความมั่นใจมากแค่ไหนว่า
ปฏิกิริยา dehydration
นั้นเป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นต่อเนื่องอย่างรวดเร็วจนโมเลกุล
acetone
ไม่มีโอกาสที่จะทำปฏิกิริยาที่อัลฟาไฮโดรเจนอะตอมที่อยู่ระหว่างหมู่ไฮดรอกซิลและหมู่คาร์บอนนิล
หรือโครงสร้างโมเลกุลของ
aldol
product นั้นทำให้ยากที่โมเลกุล
acetone
จะเข้าทำปฏิกิริยาที่ตำแหน่งดังกล่าว
(ที่เรียกว่า
steric
effect)
๕.
สารละลาย
NaOH
เป็นสารละลายที่มีฤทธิ์กัดกร่อน
ในขณะที่ acetone
เอง
(อาจรวมถึงสารตัวกลางที่ใช้ในการประสานเฟสด้วย)
ก็เป็นตัวทำละลายอินทรีย์ตัวหนึ่ง
ถ้าจะทำการขยายขนาดให้ใหญ่ขึ้น
ตัวอุปกรณ์ควรจะต้องทำจากวัสดุชนิดใด
จึงจะสามารถทนได้ทั้งด่างและตัวทำละลายอินทรีย์
๖.
จำเป็นไหมที่ปฏิกิริยาต้องเกิดในเฟสของเหลว
เกิดในเฟสแก๊สได้ไหม
โดยให้สารตั้งต้นไหลผ่านเบดตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเบส
ถ้าเกิดในเฟสแก๊สได้ก็จะมีข้อดีตรงที่หมดปัญหาเรื่องการผสมกันระหว่าง
fluid
phase
แต่ต้องไปพิจารณาประเด็นเรื่องค่าใช้จ่ายในการทำให้สารตั้งต้นเป็นไอระเหย
รูปที่
๓ ตัวอย่างสิทธิบัตรปฏิกิริยา
aldol
condensation ของคีโตน
ปฏิกิริยา
base
catalyzed dehydration ที่ดึงหมู่
-OH
ของ
aldol
product ออกทำให้เกิดพันธะ
C=C
นั้น
ใช่ว่าจะเป็นปฏิกิริยาที่เกิดได้ทันทีเสมอ
ตรงนี้ขึ้นอยู่กับสารตั้งต้นด้วย
อย่างเช่นในกรณีของ acetone
ที่เกิดเป็น
diacetone
alcohol ก่อน
มีการพบว่าเบสที่แรงพอที่ทำให้โมเลกุล
acetone
เกิดการควบแน่นเป็น
aldol
product ได้นั้น
ใช่ว่าจะสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยา
base
catalyzed dehydration ได้เสมอไป
(ดังเช่นสิทธิบัตรที่นำมาแสดงในรูปที่
๓)
หรืออย่างเช่นกรณีของการสังเคราะห์
pentaerythritol
จากปฏิกิริยาระหว่าง
acetaldehyde
กับ
formaldehyde
นั้นพบว่าสามารถรักษาหมู่
-OH
ทั้ง
4
หมู่ที่เกิดขึ้นได้โดยไม่ถูกเปลี่ยนไปเป็นพันธะ
C=C
(ดู
Memoir
ปีที่
๘ ฉบับที่ ๑๐๖๐ วันศุกร์ที่
๙ ตุลาคม ๒๕๕๘ เรื่อง "Aldol condensation กับ Cannizzro reaction")
ประเด็นเรื่องผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียงก็เป็นเรื่องสำคัญที่ต้องพิจารณาเช่นกันในการขยายขนาด
(ที่เรียกว่า
scale
up)
ในระดับห้องปฏิบัติการนั้นของเสียที่เกิดขึ้นจากการทดลองในห้องปฏิบัติการมักจะถูกส่งไปกำจัดยังหน่วยงานอื่นที่รับทำหน้าที่นี้
แต่ถ้าเป็นระดับโรงงานอุตสาหกรรมเอง
ตัวโรงงานผู้ผลิตมักจะต้องเป็นผู้รับทำหน้าที่ดังกล่าวเอง
สิ่งที่เรามักจะเห็นกันก็คือเวลามีคนนำเสนอวิธีการสังเคราะห์สารที่ให้ค่าผลได้
(yield)
ที่สูง
เขามักจะไม่ให้รายละเอียดใด
ๆ กับผลิตภัณพ์ข้างเคียงที่เกิดขึ้น
(ส่วนปริมาณมันคำนวณได้จากสารตั้งต้นที่หายไป)
รูปที่
๔ ตัวอย่างวิธีการเตรียม
dibenzalacetone
จากปฏิกิริยาระหว่าง
acetone
กับ
benzaldehyde
ในห้องปฏิบัติการ
บทความนี้พูดถึงผลได้ (yield)
ที่ได้จากวิธีการที่นำเสนอ
แต่ไม่ได้ให้รายละเอียดใด
ๆ เกี่ยวกับผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่เกิดขึ้น
ซึ่งถ้าจะนำวิธีการนี้ไปขยายขนาด
จำเป็นที่ต้องรู้ว่าผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่เกิดขึ้นนั้นประกอบด้วยสารใดบ้าง
ในสัดส่วนเท่าใด
เพื่อที่จะได้สามารถวางแผนการจัดการกับผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่เกิดขึ้นนั้นได้
วันนั้นผมก็บอกแขกทั้งสองรายนั้นไปว่า
มาคุยกับผลคงไม่ได้ไอเดียอะไรเอาไปผลิตของขายหรอก
แต่หวังว่าคงจะได้มุมมองใหม่
ๆ ในการมองปัญหาและตั้งคำถาม
ที่พวกเขาอาจจะสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับงานของพวกเขาได้เท่านั้นเอง
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น