ความเป็นกรดของอัลฟาไฮโดรเจนอะตอม (alpha-Hydrogen atoms) MO Memoir : Sunday 24 September 2560

ในการเกิดปฏิกิริยาที่โมเลกุลหนึ่งจำเป็นต้องมีการสูญเสียอะตอม (เช่น H หรือเฮไลด์) หรือกลุ่มอะตอม (เช่น -OH) ของตัวมันเองออกไป เพื่อที่จะสามารถสร้างพันธะกับอีกโมเลกุลหนึ่งที่เข้ามาทำปฏิกิริยาได้นั้น โอกาสเกิดปฏิกิริยาจะมีมากน้อยเพียงใดขึ้นอยู่กับว่าโครงสร้างส่วนที่เหลือของโมเลกุลหลังจากที่ได้สูญเสียอะตอมหรือกลุ่มอะตอมออกไปแล้วนั้น มีเสถียรภาพมากน้อยเพียงใด ถ้ามันมีเสถียรภาพมากพอ มันก็จะมีเวลานานพอที่จะทำปฏิกิริยากับอีกโมเลกุลหนึ่ง
 

การสูญเสียอะตอมหรือกลุ่มอะตอมออกไปทำให้โมเลกุลนั้นกลายเป็น ไอออนบวก (เกิดตำแหน่งที่ขาดอิเล็กตรอนเช่นการเกิด carbocation) ไอออนลบ หรืออนุมูลอิสระ (เกิดตำแหน่งที่มีอิเล็กตรอนหนาแน่นสูง) ซึ่งขึ้นอยู่กับชนิดของสารและการทำปฏิกิริยา เสถียรภาพของสารมัธยันต์ (intermediate) ที่เกิดขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับความสามารถในการจัดการกับอะตอมตรงตำแหน่งที่ขาดอิเล็กตรอน/มีอิเล็กตรอนหนาแน่นนั้นอย่างไร ถ้าส่วนที่เหลือของโมเลกุลสามารถลดทอนการขาดอิเล็กตรอนหรือช่วยกระจายอิเล็กตรอนส่วนเกินนั้นไม่ให้อยู่หนาแน่น ณ ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งได้ สารมัธยันต์ที่เกิดขึ้นก็จะมีเสถียรภาพ การลดทอนหรือช่วยกระจายความหนาแน่นประจุอาจทำได้ด้วยการเกิด resonance กับโครงสร้างส่วนที่เหลือ (เช่นกรณีของหมู่คาร์บอกซิล -COOH) การที่มีอะตอมอื่นจ่ายอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวมาให้ (เช่นกรณีของหมู่ที่เป็น ring activationg group ในปฏิกิริยา electrophilic substitution ของวงแหวนเบนซีน) หรือมีอะตอมที่ช่วยดึงเอาอิเล็กตรอนออกจากบริเวณดังกล่าว (เช่นผลของอะตอมฮาโลเจนที่ทำให้ความเป็นกรดของแอลกอฮอล์และกรดอินทรีย์สูงขึ้น)

เกณฑ์การเรียกชื่อตำแหน่งอะตอมในโมเลกุลด้วยการใช้อักษรกรีกก็เป็นข้อตกลงหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปในเคมีอินทรีย์ ในการเรียนกชื่อนี้จะใช้ตำแหน่งหมู่ฟังก์ชันที่มีความสำคัญมากที่สุดเป็นหลัก ตำแหน่งที่อยู่เคียงข้างหมู่ฟังก์ชันดังกล่าวจะเรียกว่าเป็นตำแหน่ง อัลฟา (α) และตำแหน่งถัดไปเรียกว่าเป็นตำแหน่งเบต้า (β) แต่ถ้าเป็นการนับจากอะตอมตัวที่อยู่ทางด้านไกลสุดจากตำแหน่งหมู่ฟังก์ชันจะใช้อักษรโอเมก้า (ω) แล้วใช้ตัวเลขกำกับว่าถ้านับจากด้านไกลสุดนั้นจะเป็นอะตอมตัวที่เท่าใด ดังเช่นตัวอย่างของกรดไขมันไม่อิ่มตัวที่แสดงในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

รูปที่ ๑ การเรียกชื่อตำแหน่งอะตอมคาร์บอนจะอาศัยลำดับความสำคัญของหมู่ฟังก์ชันเป็นหลัก ดังเช่นกรดไขมันไม่อิ่มตัวในรูปจะมีหมู่ฟังก์ชันสองหมู่คือหมู่คาร์บอกซิล (-COOH) และพันธะคู่ C=C แต่เนื่องจากหมู่คาร์บอกซิลมีลำดับความสำคัญสูงกว่าจึงใช้ตำแหน่งหมู่คาร์บอกซิลเป็นหลัก อะตอม C ตัวที่เกาะอยู่กับอะตอม C ของหมู่คาร์บอกซิลเรียกว่า อัลฟาคาร์บอนอะตอม (α-carbon atom) และอะตอมไฮโดรเจนที่เกาะอยู่กับอัลฟาคาร์บอนอะตอมนี้ก็จะเรียกว่าอัลฟาไฮโดรเจนอะตอม (α-hydrogen atom) ที่อาจมีได้ถึง 3 ตัว แต่ถ้านับจากทางปลายโซ่เข้ามา จะให้อะตอม C ตัวที่อยู่ตรงปลายโซ่เป็นตำแหน่ง ω-1 ตัวถัดมาก็จะเป็นตัวที่ 2, 3. ... ไล่ไปเรื่อย ๆ อย่างเช่นกรดไขมันไม่อิ่มตัว ω-3 ก็จะหมายถึงกรดไขมันที่มีพันธะ C=C ตรงตำแหน่งอะตอม C ตัวที่ 3 เมื่อนับจากปลายสายโซ่เข้ามา (หรือพันธะ C=C เชื่อมระหว่างอะตอม C ตัวที่ 3 และ 4) ในทำนองเดียวกันกรดไขมันไม่อิ่มตัว ω-6 ก็จะหมายถึงกรดไขมันที่มีพันธะ C=C ตรงตำแหน่งอะตอม C ตัวที่ 6 เมื่อนับจากปลายสายโซ่เข้ามา
  

ในหลายโครงสร้าง อัลฟาไฮโดรเจนอะตอม (คืออะตอมไฮโดรเจนที่เกาะอยู่กับอัลฟาคาร์บอนอะตอม) มีคุณสมบัติที่เป็นกรด กล่าวคือถ้ามีเบสที่แรงพอก็จะสามารถดึงอัลฟาไฮโดรเจนอะตอมออกมาในรูปของ H⁺ ได้ ส่วนที่ว่าจะเป็นกรดที่แรงแค่ไหนนั้นก็ขึ้นอยู่กับว่าโมเลกุลส่วนที่เหลือมีวิธีการจัดการกับอิเล็กตรอนส่วนเกินที่หลงเหลืออยู่จากการสูญเสีย H⁺ นั้นอย่างไร ถ้าหากโมเลกุลส่วนที่เหลือสามารถทำให้อิเล็กตรอนตัวนั้น (ที่เกิดจากการสูญเสีย H⁺) เกิดการเคลื่อนย้ายตำแหน่งกระจายตัวไปยังส่วนอื่นของโมเลกุลได้ (ไม่ว่าจะเป็นการเกิด resonance หรือมีอะตอมที่มีความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนสูงอยู่ใกล้เคียง) ความหนาแน่นประจุตรงตำแหน่งอะตอมที่สูญเสีย H⁺ ออกไปก็จะลดลง โครงสร้างโมเลกุลส่วนที่เหลือก็จะมีเสถียรภาพที่สูงขึ้น กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือมีความเป็นกรดที่แรงขึ้น ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดของเรื่องนี้ก็คือความเป็นกรดของหมู่คาร์บอกซิลในกรณีของกรดอินทรีย์ และหมู่ไฮดรอกซิลในกรณีของแอลกอฮอล์

รูปที่ ๒ ค่า pKa (คือค่า -log[Ka] ดังนั้นค่า pKa ที่ต่ำจึงหมายถึงความเป็นกรดที่สูง ดังนั้นค่า pKa ที่ต่างกัน 1 หน่วยจะมีความแรงของกรดที่แตกต่างกัน 10 เท่า) ของการแตกตัวของอัลฟาไฮโดรเจนอะตอม (ที่ระบายสีเหลืองเอาไว้) ของสารอินทรีย์บางตัว (รูปภาพจาก http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/724/741576/chapter_19.html)

ตัวอย่างเช่นในรูปที่ ๒ อัลฟาไฮโดรเจนอะตอมของไดไนโตรมีเทน (dinitromethane O₂N-CH₂-NO₂ ตัวที่อยู่มุมล่างขวาสุดของตาราง ที่มีค่า pKa = 3.6) มึความเป็นกรดที่สูงเป็นเพราะอะตอม N นั้น (ไม่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวเหลืออยู่) ช่วยดึงเอาอิเล็กตรอนที่เกิดจากการสูญเสีย H⁺ ออกจากอัลฟาคาร์บอนอะตอม ในขณะที่อะซีโตไนไตรล์ (acetonitrile H₃C-CN ที่มีค่า pKa = 25) มีความเป็นกรดที่ต่ำกว่ามากเพราะอะตอม N ยังมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวเหลืออยู่ ในกรณีของอะเซทัลดีไฮด์ (acetaldehyde H₃C-C(O)H) ที่มีค่า pKa = 17 ที่แสดงความเป็นกรดที่สูงกว่าอะซีโทน (acetone H₃C-C(O)-CH₃) ที่มีค่า pKa 20 เป็นเพราะอะตอม C ของหมู่คาร์บอนิล (carbonyl -C(O)-) ของอัลดีไฮด์มีความเป็นบวกที่สูงกว่าของคีโตน (เพราะในกรณีของอัลดีไฮดล์อะตอม C ตัวนี้มีหมู่อัลคิลที่สามารถดึงอิเล็กตรอนเข้ามาชดเชยได้เพียงแค่หมู่เดียว)
 

"Active methylene" หมายถึงหมู่ -CH₂- ที่มีหมู่คาร์บอนิลสองหมู่ขนาบข้าง ในกรณีนี้อะตอม H ของหมู่ active methylene จะมีความเป็นกรดที่แรงขึ้นไปอีกเมื่อเทียบกับตัวที่มีหมู่คาร์บอนนิลอยู่เคียงข้างเพียงตัวเดียว เช่นอะเซทิลอะซีโทน (acetylacetone H₃C-C(O)-CH₂-C(O)-CH₃) ที่หมู่ -CH₂- ที่มีหมู่คาร์บอนิลขนาบข้างทั้งสองด้านนั้นมีค่า pKa = 8.9 แสดงให้เห็นถึงความเป็นกรดที่แรงกว่าหมู่ -CH₃ ของอะซีโทนมาก

Memoir ฉบับนี้เป็นการปูพื้นฐานสำหรับเรื่องปฏิกิริยา aldol condensation ที่จะเขียนเป็นเรื่องถัดไป (ทั้ง ๆ ที่อันที่จริงผมเขียนเรื่องเกี่ยวกับ aldol condensation ไปหลายเรื่องแล้ว) และสำหรับผู้ที่เพิ่งจะได้เห็นบทความฉบับนี้ ขอแนะนำให้อ่านบทความด้านล่างของ blog นี้ประกอบด้วย เพื่อที่จะได้ภาพพื้นฐานเรื่องความมีเสถียรภาพของโครงสร้างโมเลกุลชัดเจนขึ้น

ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๒๓ วันจันทร์ที่ ๒๒ ตุลาคม ๒๕๕๕ เรื่อง "Carbocation - การเกิดและเสถียรภาพ"

ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๓๓ วันเสาร์ที่ ๑๐ พฤศจิกายน ๒๕๕๕ เรื่อง "Carbocation - การทำปฏิกิริยา"

ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๓๙ วันเสาร์ที่ ๒๔ พฤศจิกายน ๒๕๕๕ เรื่อง "Carbocation - การจำแนกประเภท-เสถียรภาพ"

ปีที่ ๗ ฉบับที่ ๙๖๖ วันศุกร์ที่ ๓ เมษายน ๒๕๕๘ เรื่อง "เสถียรภาพอนุมูลอิสระ (๑)"

ปีที่ ๗ ฉบับที่ ๙๖๗ วันอาทิตย์ที่ ๕ เมษายน ๒๕๕๘ เรื่อง "เสถียรภาพอนุมูลอิสระ (๒)"

ปีที่ ๗ ฉบับที่ ๙๖๘ วันอังคารที่ ๗ เมษายน ๒๕๕๘ เรื่อง "เสถียรภาพอนุมูลอิสระ (๓)"

ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๑๙๔ วันอังคารที่ ๒๘ มิถุนายน ๒๕๕๙ เรื่อง "ความเป็นกรดของหมู่ไฮดรอกซิล (Hydroxyl group) ตอนที่ ๑"

ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๑๙๗ วันเสาร์ที่ ๒ กรกฏาคม ๒๕๕๙ เรื่อง "ความเป็นกรดของหมู่ไฮดรอกซิล (Hydroxyl group) ตอนที่ ๒"