การยับยั้งปฏิกิริยาด้วยการขัดขวางการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยา MO Memoir : Tuesday 24 November 2563

ในการเกิดปฏิกิริยาเคมีนั้น จำเป็นที่สารตั้งต้นต้องมีอุณหภูมิสูงระดับหนึ่งก่อนเพื่อที่จะได้มีพลังงานมากพอที่จะเอาชนะพลังงานกระตุ้น และวิธีการเพิ่มพลังงานให้กับสารตั้งต้นที่ใช้กันทั่วไปก็คือการเพิ่มอุณหภูมิ

ทีนี้เมื่อปฏิกิริยาเคมีเริ่มเกิดแล้ว ก็จะมีการคายพลังงานออกมา ถ้าพลังงานที่คายออกมานั้น "น้อยกว่า" พลังงานที่ต้องใส่เข้าไปเพื่อเอาชนะพลังงานกระตุ้น ปฏิกิริยาเคมีนั้นก็จะเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน (Endothermic reaction) ดังนั้นจำเป็นต้องใส่พลังงานเข้าไปอย่างต่อเนื่องเพื่อให้ปฏิกิริยาสามารถดำเนินต่อไปข้างหน้าได้ด้วยตนเอง

แต่ถ้าพลังงานที่คายออกมานั้น "มากกว่า" พลังงานที่ต้องใส่เข้าไปเพื่อเอาชนะพลังงานกระตุ้น ปฏิกิริยาเคมีนั้นก็จะเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน (Exothermic reaction) ความร้อนที่คายออกมานั้นส่วนหนึ่งสามารถป้อนกลับไปยังสารตั้งต้นเพื่อให้มันมีพลังงานมากพอที่จะเอาชนะพลังงานกระตุ้นได้ แต่ก็ยังมีความร้อนอีกส่วนหนึ่งหลงเหลืออยู่ที่จำเป็นต้องหาทางระบายออก เพื่อไม่ให้เกิดการสะสมในระบบ

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีนั้นเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่สูงขึ้น (ไม่สนด้วยว่าเป็นปฏิกิริยาดูดหรือคายความร้อน) ในกรณีของปฏิกิริยาดูดความร้อนนั้นถ้าเราหยุดการป้อนความร้อนให้กับระบบ ปฏิกิริยาก็จะหยุดตัวเอง เพราะเมื่อปฏิกิริยาเกิดขึ้นจะทำให้อุณหภูมิของระบบลดต่ำลง อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็ลดต่ำลงตาม แต่ในกรณีของปฏิกิริยาคายความร้อนนั้นมันตรงข้ามกัน ถ้าเราไม่สามารถดึงความร้อนออกจากระบบได้ทันเวลา ความร้อนที่สะสมในระบบจะทำให้อุณหภูมิของระบบเพิ่มสูงขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็จะยิ่งเพิ่มสูงขึ้นเร็วมาก และอาจนำไปสู่การเกิดอันตรายเนื่องจากอุณหภูมิที่สูงมากเกินไปได้

ในกรณีของปฏิกิริยาที่มีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา เทคนิคหนึ่งที่มีการนำมาใช้เพื่อการหยุดปฏิกิริยาหรือหน่วงการเกิดปฏิกิริยาเมื่อปฏิกิริยามีแนวโน้มที่จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วนอกเหนือการควบคุมก็คือการทำลายตัวเร่งปฏิกิริยา แต่ถ้าใช้วิธีการนี้ก็ต้องเตรียมใจว่าอาจต้องเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งหมดในเครื่องปฏิกรณ์ โดยเฉพาะในกรณีของเครื่องปฏิกรณ์แบบเบดนิ่ง (Fixed-bed reactor) ถ้าหากสารที่ป้อนเข้าไปเพื่อหยุดปฏิกิริยานั้นสามารถทำลายตัวเร่งปฏิกิริยาได้อย่างถาวร แต่ถ้าเป็นการทำปฏิกิริยาที่มีการป้อนตัวเร่งปฏิกิริยาเข้าระบบอย่างต่อเนื่อง เช่นในปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาตระกูล Ziegler-Natta มันก็ไม่เป็นไร ตัวอย่างกรณีหลังนี้เคยเล่าไว้ในเรื่อง "การทำลายตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อหยุดปฏิกิริยา" ใน Memoir เมื่อวันพุธที่ ๑๒ สิงหาคม ๒๕๖๓

ปฏิกิริยาการออกซิไดซ์แบบบางส่วน (partial oxidation) หรือการออกซิไดซ์แบบเลือกเกิด (selective oxidation) เป็นปฏิกิริยาที่ใช้ในการเปลี่ยนสารตั้งต้น (ที่อาจเป็นไฮโดรคาร์บอน) ไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีสัดส่วนอะตอม O ในโมเลกุลสูงขึ้น ตัวออกซิไดซ์ที่นิยมใช้กันในอุตสาหกรรมก็คืออากาศหรือออกซิเจน ด้วยเหตุผลที่ว่ามันมีอยู่ทั่วไปและไม่ก่อปัญหาเรื่องของเสีย แต่มันก็มีข้อเสียคือค่อนข้างเฉื่อยและต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยทำปฏิกิริยา ในกรณีที่ผลิตภัณฑ์มีความเฉื่อยต่อการถูกออกซิไดซ์มากกว่าสารตั้งต้น การทำปฏิกิริยานี้ก็จะไม่มีปัญหาอะไร แต่ถ้าผลิตภัณฑ์นั้นมีความว่องไวต่อการถูกออกซิไดซ์สูงกว่าสารตั้งต้น จะมีโอกาสสูงที่จะสูญเสียผลิตภัณฑ์ที่ต้องการไปเป็นสารอื่น (เช่น CO₂) ดังนั้นจึงต้องหาวิธีการป้องกันไม่ให้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการนั้นสลายตัวต่อ เช่นใช้การควบคุมปริมาณออกซิเจนให้มีพอเพียงแค่การออกซิไดซ์สารตั้งต้นไปเป็นผลิตภัณฑ์ โดยไม่ให้มีเหลือสำหรับการทำให้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการนั้นสลายตัว อีกวิธีการหนึ่งก็คือหาทางหยุดการเกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ และวิธีการหนึ่งที่มีการนำมาใช้ก็คือการเพิ่มสารที่หน่วงหรือยับยั้งการเกิดปฏิกิริยาของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ โดยต้องไม่หน่วงหรือยับยั้งการเกิดปฏิกิริยาของสารตั้งต้น และสารตระกูลหนึ่งที่มีการนำมาใช้กันก็คือสารประกอบในตระกูล alkyl halide

 รูปที่ ๑ สารที่สามารถนำมาใช้ลดการเกิด CO₂ ในระหว่างการออกซิไดซ์ ethylene ไปเป็น ethylene oxide (จากสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 2,279,469

สารประกอบ alkyl halide ขนาดเล็ก (พวก C1 หรือ C2) มีการนำมาใช้เป็นสารทำความเย็น (refrigerant) และสารดับเพลิง (fire extinguisher) อีกชื่อเรียกของสารตระกูลนี้คือฮาลอน (Halon) เมื่อเทียบกับ CO₂ แล้วฮาลอนมีความสามารถในการดับเพลิงที่สูงกว่า (คือใช้ปริมาณที่น้อยกว่าในการดับเพลิงไหม้ที่มีความรุนแรงเท่ากัน) สาเหตุที่ทำให้ฮาลอนทำงานได้ดีกว่า CO₂ เชื่อกันว่าเป็นเพราะนอกจากการเข้าไปเจือจางออกซิเจนแบบเดียวกับที่ CO₂ ทำแล้ว โมเลกุลฮาลอนยังมีการแตกตัวเมื่อได้รับความร้อน และอนุมูลที่เกิดจากการแตกตัวนี้เข้าไปยับยั้งปฏิกิริยาลูกโซ่ของการเผาไหม้ (สิ่งที่โมเลกุล CO₂ ทำไม่ได้) ด้วยเหตุนี้จึงทำให้ฮาลอนมีความสามารถในการดับเพลิงที่ดีกว่า

เอทิลีนออกไซด์ (Ethylene oxide C₂H₄O) สังเคราะห์ได้จากการออกซิไดซ์เอทิลีน (Ethylene H₂C=CH₂) ด้วยโมเลกุลออกซิเจน โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยา Ag หรือ Au ช่วย แต่เนื่องจากเอทิลีนออกไซด์เป็นสารที่มีความว่องไวสูงตัวหนึ่ง ดังนั้นเอทิลีนออกไซด์ที่เกิดขึ้นจึงสามารถเข้าแย่งทำปฏิกิริยากับออกซิเจนและสลายตัวเป็น CO₂ และน้ำได้ และเพื่อป้องกันการสลายตัวดังกล่าวจึงต้องใช้ออกซิเจนในปริมาณที่จำกัด เพื่อให้ออกซิเจนที่หลงเหลือจากการเปลี่ยนเอทิลีนไปเป็นเอทิลีนออกไซด์แล้ว เหลืออยู่ในปริมาณไม่มาก โอกาสที่มันจะทำปฏิกิริยาต่อกับเอทิลีนออกไซด์ก็จะลดคง (อันที่จริงการที่ต้องใช้ออกซิเจนในปริมาณที่จำกัดยังมีอีกเหตุผลหนึ่งคือ การต้องควบคุมส่วนผสมของแก๊สไม่ให้อยู่ในช่วง Explosive limit)

รูปที่ ๒ สิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 7,803,957 B2 ที่มีการเอาสารพวก alkyl halide มาใช้ในการหน่วงการเกิด CO₂ ในระหว่างการออกซิไดซ์ ethylene ไปเป็น ethylene oxide

อีกแนวทางหนึ่งในการป้องกันการสูญเสียเอทิลีนออกไซด์คือการหาทางยับยั้งการเกิดปฏิกิริยาต่อเนื่อง และวิธีการหนึ่งที่มีการนำมาใช้กันก็คือการผสมสารบางชนิดในปริมาณเล็กน้อย (ระดับ ppm) เข้าไปในสายป้อนเข้าเครื่องปฏิกรณ์ (รูปที่ ๑) และสารตระกูลหนึ่งที่นิยมผสมเข้าไปคือสารประกอบ alkyl halide ตระกูล chlorinated compound เช่น ethylene dichloride (หรืออีกชื่อคือ 1,2-dichloroethane ClH₂C-CH₂Cl) (หมายเหตุ : สารตัวนี้ก็มีโอกาสที่จะสลายตัวในเครื่องปฏิกรณ์กลายเป็น vinyl chloride (H₂C=CHCl) ที่อาจเกิดการพอลิเมอร์ไรซ์และเกาะติดบนผิวตัวเร่งปฏิกิริยาและผนังด้านในของท่อปฏิกรณ์โดยเฉพาะในช่วงท้าย ๆ และด้วยการที่ vinyl chloride มีฤทธิ์ในการยับยั้งการสลายตัวของเอทิลีนออกไซด์ต่ำกว่า ethylene dichloride จึงทำให้ปฏิกิริยาการสลายตัวยังมีโอกาสเกิดได้อยู่ในช่วงตอนท้ายของท่อปฏิกรณ์ - รูปที่ ๓)

รูปที่ ๓ ในกรอบสีแดงคือผลข้างเคียงที่เกิดจากการเติม dichloroethane เป็น moderator เพื่อลดการสลายตัวของเอทิลีนออกไซด์ (จากสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 4,055,579)

การหยุดการทำปฏิกิริยาของเอทิลีนออกไซด์ไปเป็น CO₂ ยังช่วยป้องกันปัญหาอุณหภูมิสูงเกินในเครื่องปฏิกรณ์ด้วย ปฏิกิริยาการออกซิไดซ์เอทิลีนไปเป็นเอทิลีนออกไซด์นั้นคายความร้อนออกมาประมาณ 105 kJ/mol (คิดจาก enthalpy of formationที่ 25ºC) ในขณะที่การออกซิไดซ์เอทิลีนออกไซด์ไปเป็น CO₂ นั้นคายความร้อนมากถึงประมาณ 1306 kJ/mol หรือสูงกว่าประมาณ 13 เท่า ปฏิกิริยาที่มีการคายความร้อนสูงเช่นนี้มักจะใช้เครื่องปฏิกรณ์ชนิด multi tubular reactor ซึ่งเปรียบเสมือนกับ shell and tube heat exchanger ที่วางตั้ง โดยในส่วน tube จะบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาและทำหน้าที่เป็น tubular reactor ขนาดเล็กหลายตัววางเรียงขนานกัน ส่วน shell นั้นก็มี cooling medium ไหลผ่านเพื่อระบายความร้อน

รูปที่ ๔ ตัวอย่างหนึ่งของ multi tubular reactor ที่แก๊สไหลจากบนลงล่าง (จากสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 3,566,961)

อันที่จริงเอทิลีนเองก็สามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนไปเป็น CO₂ ได้โดยตรงโดยไม่ผ่านการเกิดเป็นเอทิลีนออกไซด์ก่อน การหาว่า CO₂ ที่เห็นนั้นมาจากไหนทำได้ด้วยการทดสอบโดยใช้เอทิลีนออกไซด์เป็นสารตั้งต้น (คือไม่มีการป้อนเอทิลีน) ถ้าพบว่ามี CO₂ เกิดขึ้นก็แสดงว่าเอทิลีนออกไซด์สามารถถูกออกซิไดซ์ไปเป็น CO₂ ได้ (แต่ถ้าตรวจไม่พบ CO₂ ก็แสดงว่า CO₂ นั้นเกิดจากเส้นทางอื่นที่ไม่ผ่านเอทิลีนออกไซด์) จากนั้นทำการทดลองใหม่ด้วยการใช้เอทิลีนเป็นสารตั้งต้นโดยให้มี contact time ระหว่างสารตั้งต้นกับตัวเร่งปฏิกิริยาสั้น ๆ (ทำการทดลองที่ค่า conversion ต่ำ) แล้วดูว่ามีการเกิด CO₂ (หรือสารอินทรีย์ตัวอื่นที่ไม่ใช่เอทิลีนออกไซด์) พร้อมกับการเกิดเอทิลีนออกไซด์หรือไม่ ถ้าพบเห็น CO₂ เกิดขึ้นพร้อมกับเอทิลีนออกไซด์ก็แสดงว่าเอทิลีนสามารถกลายไปเป็น CO₂ ได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนเป็นเอทิลีนออกไซด์ก่อน (แต่ไม่ได้ตัดความเป็นไปได้ว่าเอทิลีนออกไซด์สามารถทำปฏิกิริยาต่อไปเป็น CO₂ ได้) แต่ถ้าตรวจพบแต่เอทิลีนออกไซด์โดยไม่พบ CO₂ ก็แสดงว่าการเกิด CO₂ จำเป็นต้องเกิดเอทิลีนออกไซด์ก่อน

ปฏิกิริยา Nucleophilic substitution ของสารประกอบ Organic halides MO Memoir : Wednesday 7 September 2559

ในทางเคมีอินทรีย์นั้น สารประกอบอินทรีย์เฮไลด์ (organic halide) คือสารประกอบที่มีธาตุในหมู่ฮาโลเจนสร้างพันธะเข้ากับอะตอมคาร์บอน ถ้าอะตอมคาร์บอนนั้นไม่ใช่ส่วนหนึ่งของวงแหวนอะโรมาติก สารประกอบนั้นก็จัดว่าในกลุ่มอัลคิลเฮไลด์ (alkyl halide) แต่ถ้าอะตอมคาร์บอนนั้นเป็นส่วนหนึ่งของวงแหวนอะโรมาติก สารประกอบนั้นก็จัดว่าอยู่ในกลุ่มเอริลเฮไลด์ (aryl halide)
 

ในส่วนของอัลคิลเฮไลด์นั้นยังมีการจำแนกออกเป็นชนิดปฐมภูมิ (primary - 1º) ทุติยภูมิ (secondary - 2º) และตติยภูมิ (tertiary - 3º) โดยดูจากอะตอม C ที่มีอะตอมเฮไลด์เกาะอยู่ ว่าอะตอม C นั้นมีพันธะเชื่อมต่อกับอะตอม C ตัวอื่นอีกกี่ตัว ถ้ามีการเชื่อมต่อกับอะตอม C ตัวอื่นเพียงตัวเดียว (ที่เหลืออีก ๒ เป็นอะตอม H) ก็จัดว่าเป็นชนิดปฐมภูมิ ถ้ามีการเชื่อมต่อกับอะตอม C อื่นอีก ๒ ตัว (อีก ๑ เป็นอะตอม H) ก็จัดว่าเป็นชนิดทุติยภูมิ และถ้าอะตอม C นั้นเชื่อมต่อเข้ากับอะตอม C อื่นอีก ๓ ตัว ก็จัดว่าเป็นชนิดตติยภูมิ (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ ตัวอย่างการจำแนกประเภทของสารประกอบเฮไลด์ออกเป็นชนิด ปฐมภูมิ ทุติยภูมิ และตติยภูมิ ทุกตัวเป็นสารประกอบอัลคิลเฮไดล์ ยกเว้นตัวสุดท้ายที่อะตอม Cl เกาะกับอะตอม C ที่เป็นส่วนหนึ่งของวงแหวนเบนซิน สารประกอบนี้จึงเป็นเอริลเฮไลด์

สารประกอบอินทรีย์เฮไลด์นั้นแทบไม่มีปรากฏในธรรมชาติ (ยกเว้นในสาหร่ายทะลบางชนิด) ดังนั้นถ้าตรวจพบว่ามีสารประกอบอินทรีย์เฮไลด์ในธรรมชาติ ก็เชื่อได้ว่าสารนั้นป็นสารที่มนุษย์สังเคราะห์ขึ้นและมีการรั่วไหลหรือปล่อยออกสู่ธรรมชาติ
 

ในตำราเคมีอินทรีย์นั้น อะตอมฮาโลเจนที่ปรากฏอยู่เป็นประจำของสารประกอบอินทรีย์เฮไลด์คือ คลอรีน (Cl) โบรมีน (Br) และ ไอโอดีน (I) ส่วนฟลูออรีน (F) นั้นแม้ว่าจะเป็นธาตุฮาโลเจนเช่นกัน แต่ก็แทบไม่ได้รับการกล่าวถึงในตำราอินทรีย์เคมี เหตุผลหนึ่งก็เพราะ F มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยาสูงมากจนยากต่อการควบคุม (ทำปฏิกิริยาการออกซิไดซ์อย่างแรงกับสารอินทรีย์ต่าง ๆ) ทำให้ไม่ปลอดภัยในการเตรียมสารประกอบฟลูออรีนในระดับห้องปฏิบัติการทั่วไป (ส่งผลให้ยากต่อการศึกษาวิจัย) เรื่องเกี่ยวกับฟลูออรีนนี้เคยเล่าไว้บ้างแล้วใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๙๒ วันจันทร์ที่ ๒๑ ธันวาคม ๒๕๕๒ เรื่อง "ฟลูออรีนหายไปไหน"
 

ประโยชน์หนึ่งของสารประกอบอินทรีย์เฮไลด์คือใช้เป็นสารมัธยันต์ (intermediate) ในการเตรียมสารอื่น ด้วยการแทนที่อะตอม H ด้วยอะตอมฮาโลเจนก่อน จากนั้นจึงค่อยแทนที่อะตอมฮาโลเจนด้วยหมู่ฟังก์ชันหมู่อื่นอีกที วิธีการนี้ใช้ได้ดีกับกรณีของสารประกอบอัลคิลเฮไลด์ เพราะปฏิกิริยาการแทนที่อะตอม H ของอะตอม C ที่ไม่ใช่ส่วนหนึ่งของวงแหวนเบนซีนด้วยอะตอมฮาโลเจนนั้นเกิดได้ง่าย (การแทนที่อะตอม H ของอะตอม C ที่เป็นส่วนหนึ่งของวงแหวนเบนซีนเกิดได้ยากกว่ามาก อาจต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย) นอกจากนี้ยังไม่ต้องกังวลว่าจะเกิดการตัดสายโซ่โมเลกุลสารตั้งต้นให้กลายเป็นโมเลกุลที่เล็กลง (เช่นการออกซิไดซ์อัลเคนด้วยออกซิเจน O₂ มักจะมีการตัดสายโซ่โมเลกุลอัลเคนร่วมอยู่ด้วยเสมอเพราะต้องใช้ภาวะการทำปฏิกิริยาที่รุนแรง ในขณะที่การทำปฏิกิริกับ Cl₂ หรือ Br₂ จะไม่ประสบปัญหาดังกล่าว) นอกจากนี้การที่อะตอมฮาโลเจนนั้นมีขนาดใหญ่ ทำให้พันธะ C-X (เมื่อ X คือ Cl, Br หรือ I) มีความยาวพันธะมาก พันธะจึงไม่แข็งแรง หลุดออกจากกันได้ง่าย และการที่อะตอมฮาโลเจนมีค่า electronegativity สูงกว่าอะตอม C จึงทำให้อะตอม C ที่มีอะตอมฮาโลเจนเกาะอยู่นั้นมีความเป็นขั้วบวก ไอออนที่เป็นลบหรือโมเลกุลที่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวจึงสามารถทำปฏิกิริยากับอะตอม C ตัวดังกล่าวได้ง่ายขึ้น
 

ในช่วงแรกนี้จะขอกล่าวถึงการทำปฏิกิริยาของสารประกอบอัลคิลเฮไลด์ก่อน (เมื่อ X = Cl, Br หรือ I)

การเกิดปฏิกิริยาของสารประกอบอัลคิลเฮไลด์นั้นเป็นปฏิกิริยาในรูปแบบ nucleophilic substitution (S_N) คือการแทนที่อะตอมฮาโลเจนด้วย nucleophile (ย่อว่า Nu คือสารที่ชอบนิวเคลียส (ประจุบวก, ขั้วบวก) ซึ่งได้แก่ไอออนลบหรืออะตอมที่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว โดยในการเกิดปฏิกิริยานั้นอาจเริ่มจาก
 

(ก) การที่โมเลกุลอัลคิลเฮไลด์แตกพันธะ C-X ออกเป็น carbocation กับไอออนลบของฮาโลเจนก่อนที่ Nu จะเข้ามาทำปฏิกิริยากับ carbocation หรือ
 

(ข) การที่ Nu นั้นเข้ามาทำปฏิกิริยาที่อะตอม C ที่มีฮาโลเจนเกาะอยู่โดยตรง โดยที่ไม่จำเป็นต้องมีการแตกพันธะ C-X ก่อน

รูปที่ ๒ การแตกตัวของสารประกอบอัลคิลเฮไลด์ออกเป็น carbocation และไอออนลบ

การเกิดปฏิกิริยาในรูปแบบ (ก) (รูปที่ ๒) นั้นขึ้นอยู่กับว่า carbocation และไอออนลบของฮาโลเจนที่เกิดขึ้นนั้นมีเสถียรภาพมากน้อยเพียงใด ในส่วนของไอออนลบของฮาโลเจนนั้นเป็นที่ทราบกันทั่วไปว่ามีเสถียรภาพสูง (เห็นได้จากกรดพวก HCl HBr และ HI ที่ต่างเป็นกรดแก่ เพราะไอออนลบ Cl^- Br^- และ I^- นั้นมีความหนาแน่นประจุต่ำ สามารถอยู่ได้ด้วยตัวมันเองได้โดยไม่ดึง H⁺ กลับเข้าหาตัว) ดังนั้นปฏิกิริยาในรูปแบบนี้จะเกิดได้ง่ายหรือยากนั้นจึงไปขึ้นอยู่กับเสถียรภาพของ carbocation ที่เกิดขึ้น ถ้า carbocation ที่เกิดขึ้นนั้นมีเสถียรภาพสูง มันก็จะสามารถคงอยู่และทำปฏิกิริยากับ Nu ได้ แต่ถ้า carbocation ที่เกิดขึ้นนั้นมีเสถียรภาพต่ำ มันก็จะดึงเอาไอออนลบของฮาโลเจนกลับคืนตัวมันเอง 
  

เนื่องจากเสถียรภาพของ carbocation นั้นเรียงตามลำดับ 3º > 2º > 1º สารประกอบอัลคิลเฮไลด์ชนิด 3º จึงเกิดปฏิกิริยาในรูปแบบนี้ได้ง่ายกว่าชนิด 2º และชนิด 2º ก็เกิดได้ง่ายกว่าชนิด 1º

การเกิดปฏิกิริยาในรูปแบบนี้พบว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารอินทรีย์เฮไลด์ที่เป็นสารตั้งต้น ไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของ Nu ที่เข้ามาทำปฏิกิริยา อัตราการเกิดปฏิกิริยาจึงเป็นปฏิกิริยาอันดับหนึ่ง (1st order reaction) หรือเขียนย่อว่า S_N1 รูปที่ ๓ ข้างล่างเป็นการเปรียบเทียบอัตราเร็วในการทำปฏิกิริยา nucleophilic substitution ของเมทิลโบรไมด์เทียบกับสารประกอบ 1º 2º และ 3º โบรไมด์

รูปที่ ๓ เปรียบเทียบอัตราเร็วในการทำปฏิกิริยา nucleophilic substitution ของสารประกอบอัลคิลโบรไมด์ชนิดต่าง ๆ

ส่วนการเกิดปฏิกิริยาในรูปแบบ (ข) (รูปที่ ๔) นั้นขึ้นอยู่กับว่า Nu สามารถเข้าถึงอะตอม C ที่มีอะตอมฮาโลเจนเกาะอยู่ได้ง่ายหรือยาก ตรงนี้จะมีเรื่องขนาดของหมู่อื่นที่เกาะอยู่กับอะตอม C ตัวดังกล่าวเข้ามาเกี่ยวข้อง กล่าวคือถ้าหมู่อื่นที่ไม่ใช่อะตอมฮาโลเจนนั้นมีขนาดเล็ก (เช่นเป็นอะตอม H) Nu ก็จะเข้าถึงอะตอม C ตัวดังกล่าวได้ง่าย การเกิดปฏิกิริยาในรูปแบบนี้ก็จะเกิดได้ง่าย แต่ถ้าหมู่อื่นที่มาเกาะกับอะตอม C ตัวดังกล่าวมีขนาดใหญ่หรือเป็นหมู่ที่มีกิ่งก้าน การเกิดปฏิกิริยาในรูปแบบนี้ก็จะเกิดได้ยาก และถ้าตัว Nu เองก็มีขนาดใหญ่ร่วมด้วยแล้ว การเกิดปฏิกิริยารูปแบบนี้ก็อาจจะเกิดไม่ได้เลย

รูปที่ ๔ การเข้าทำปฏิกิริยาที่ตำแหน่งอะตอม C ที่มีความเป็นขั้วบวกของ Nucleophile

เหตุผลที่กล่าวมาข้างต้นเป็นตัวอธิบายว่าทำไมสารประกอบอัลคิลเฮไลด์ชนิด 1º จึงเกิดปฏิกิริยาในรูปแบบนี้ได้ง่ายกว่าชนิด 2º และชนิด 2º ก็เกิดได้ง่ายกว่าชนิด 3º (ลำดับกลับกับรูปแบบ (ก))

จากการที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับการชนกันระหว่างโมเลกุลสารประกอบอัลคิลเฮไลด์กับ Nu อัตราการเกิดปฏิกิริยาจึงขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นทั้งสอง อัตราการเกิดปฏิกิริยาจึงเป็นปฏิกิริยาอันดับสอง (2nd order reaction) หรือเขียนย่อว่า S_N2

เอริลเฮไลด์มีพฤติกรรมที่แตกต่างไปจากอัลคิลเฮไลด์มาก ในขณะที่อัลคิลเฮไลด์เกิดปฏิกิริยา nucleophilic substitution ได้ง่าย เอริลเฮไลด์กลับเกิดปฏิกิริยาดังกล่าวได้ยากมาก ต้องใช้อุณหภูมิและความดันที่สูงช่วยทำให้เกิด สาเหตุก็เพราะอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวของอะตอมฮาโลเจนสามารถเกิด resonance กับ pi elelctron ของวงแหวนเบนซีน ประจุจึงกระจายตัวออกไป และพันธะ C-X ของเอริลเฮไลด์ก็ยังสั้นกว่าพันธะ C-X ของอัลคิลเฮไลด์ แสดงให้เห็นว่าดังกล่าวเป็นพันธะที่ก้ำกึ่งระหว่างพันธะเดี่ยวและพันธะคู่ (รูปที่ ๕)

รูปที่ ๕ การเกิด resonance ของคลอโรเบนซีน

แต่มีการค้นพบว่าถ้าหากสารประกอบอัลคิลเฮไลด์มีหมู่ที่สองที่เป็นหมู่ดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวน (electron withdrawing group) มาเกาะอยู่ที่ตำแหน่ง ortho หรือ para เมื่อเทียบกับตำแหน่งของอะตอมฮาโลเจน การแทนที่อะตอมฮาโลเจนด้วย Nu จะเกิดได้ง่ายขึ้น ดังตัวอย่างที่แสดงในรูปที่ ๖ ข้างล่าง ตรงนี้ขอให้พึงสังเกตตำแหน่งของประจุลบที่เกิดขึ้นในระหว่างการเกิด resonance ไปรอบวงแหวนเบนซีนในรูปที่ ๕ จะเห็นว่าจะประจุลบจะอยู่ที่ตำแหน่ง ortho หรือ para เมื่อเทียบกับอะตอมฮาโลเจนเช่นกัน การที่มีหมู่ดึงอิเล็กตรอนเข้าไปเกาะที่ตำแหน่งดังกล่าว จึงเป็นเหมือนกับไปรบกวนการเกิด resonance

รูปที่ ๖ ปฏิกิริยา nucleophilic substitution อะตอม Cl ด้วย NH₃ จะเกิดได้ง่ายมากขึ้นเมื่อมีหมู่ไนโตร (-NO₂) มาเกาะที่ตำแหน่ง ortho และ/หรือ para ถ้ามีหมู่ดึงอิเล็กตรอนมาเกาะที่ตำแหน่งดังกล่าวมากขึ้น การเกิดปฏิกิริยาก็จะเกิดได้ง่ายมากขึ้นตามไปด้วย

- การสังเคราะห์ 1,3,5-Triamine-2,4,6-trinitrobenzene

1,3,5-Triamine-2,4,6-trinitrobenzene เป็นสารประกอบที่จัดอยู่ในกลุ่ม Insensitive High Explosive (IHE) หรือวัตถุระเบิดแรงสูงที่ไม่ว่องไว กล่าวคือเป็นวัตถุระเบิดที่จุดระเบิดได้ยาก ไม่ระเบิดได้ง่ายจากการกระแทกอย่างรุนแรง วัตถุระเบิดดังกล่าวถูกนำไปใช้ในอาวุธบางประเภทที่ต้องการให้หัวรบเจาะเกราะป้องกันเข้าไปให้ได้ก่อน โดยที่หัวรบต้องไม่ระเบิด แล้วค่อยไประเบิดภายใน (เช่นกระสุนปืนใหญ่เจาะเกราะที่เรือรบใช้ในการยิงต่อสู้กับเรือรบด้วยกัน) นอกจากนี้ยังมีการนำไปใช้กับอาวุธบางชนิดที่ต้องการความปลอดภัยสูง ไม่ระเบิดได้ง่ายแม้ว่าจะได้รับแรงกระแทกที่รุนแรง เว้นแต่ว่าจะได้รับการจุดระเบิดด้วยวิธีการที่เหมาะสม ตัวอย่างของอาวุธดังกล่าวได้แก่ระเบิดนิวเคลียร์ที่ทิ้งจากเครื่องบินรบ ที่ต้องการความมั่นใจว่าถ้าหากเกิดอุบัติเหตุใด ๆ ที่ทำให้เครื่องบินบรรทุกระเบิดนิวเคลียร์ดังกล่าวตก ระเบิดนิวเคลียร์จะต้องไม่ระเบิด (ระเบิดนิวเคลียร์นั้นใช้ดินระเบิดสร้าง explosive lens เป็นตัวผลักดันให้เชื้อเพลิงยูเรเนียมหรือพลูโตเนียมที่แยกชิ้นกันอยู่นั้นประกบเข้าด้วยกัน)

รูปที่ ๗ ตัวอย่างเส้นทางที่เป็นไปได้ในการสังเคราะห์ 1,3,5-Triamine-2,4,6-trinitrobenzene

รูปที่ ๗ ข้างบนแสดงตัวอย่างเส้นทางหนึ่งที่เป็นไปได้ในการสังเคราะห์ 1,3,5-Triamine-2,4,6-trinitrobenzene โดยเริ่มจากเบนซีน เริ่มจากปฏิกิริยา nitration เบนซีนให้กลายเป็น nitrobenzene (ใช้ H₂SO₄ เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา) จากนั้นจึงทำการรีดิวซ์หมู่ -NO₂ ให้กลายเป็น -NH₂ ก่อนที่จะทำปฏิกิริยา chlorination เหตุผลที่ต้องเปลี่ยนหมู่ -NO₂ เป็น -NH₂ ก่อนก็เพราะหมู่ -NH₂ เป็น ring activating group ที่แรง ทำให้การแทนที่อะตอม H ที่เหลืออยู่ของวงแหวนเกิดได้ง่ายมากขึ้น (ถ้าเป็นโมเลกุลเบนซีนปรกติ การเกิดปฏิกิริยา chlorination จะเกิดได้ยาก) และยังทำให้เกิดการแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho และ para 
  

ขั้นตอนถัดไปเป็นการออกซิไดซ์หมู่ -NH₂ กลับเป็นหมู่ -NO₂ ก่อนทำปฏิกิริยา nitration เพื่อแทนที่อะตอม H ที่เหลือของวงแหวนด้วยหมู่ -NO₂ จากนั้นจึงค่อยแทนที่อะตอม Cl ด้วยหมู่ -NH₂ (1,3,5-trichloro-2,4,6-trinitrobenzene มีหมู่ -NO₂ ซึ่งเป็นหมู่ดึงอิเล็กตรอนอยู่ที่ตำแหน่ง ortho และ para เมื่อเทียบกับตำแหน่งอะตอม Cl) 
  

ที่น่าสนใจก็คือสามารถทำปฏิกิริยา nitration กับ 2,4,6-trichloroaniline ได้โดยตรงหรือไม่ แล้วค่อยออกซิไดซ์หมู่ -NH₂ ให้กลายเป็น -NO₂ เพราะแม้ว่าปรกติหมู่ -NH₂ จะเป็น ortho และ para direction group แต่ในสภาวะของปฏิกิริยา nitration ที่ใช้กรดแก่ในการทำปฏิกิริยาและเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา หมู่ -NH₂ จะแสดงฤทธิ์เป็นเบสและรับเอา H⁺ เข้ามา กลายเป็นหมู่ -NH₃⁺ ซึ่งเป็น electron withdrawing group และเป็น meta directing group ถ้าเป็นเช่นนี้เส้นทางการทำปฏิกิริยาก็จะกลายเป็นการนำเอา 2,4,6-Trichloroaniline มาทำปฏิกิริยา nitration ก่อน จากนั้นจึงค่อยทำการออกซิไดซ์หมู่ -NH₂ ให้กลายเป็น NO₂ เรื่องการทำปฏิกิริยาของ aniline นี้เคยเล่าไว้ครั้งหนึ่งใน Memoir ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๐๗๑ วันศุกร์ที่ ๓๑ ตุลาคม ๒๕๕๘ เรื่อง "จาก Alkanes ไปเป็น Aramids"

ปิดท้ายที่ว่างที่เหลือของหน้าด้วยภาพบรรยากาศการทำแลปเคมีของนิสิตวิศวกรรมเคมีปี ๒ เรื่องการไทเทรตกรด-เบสเมื่อบ่ายวันนี้ก็แล้วกันครับ

แหล่งข้อมูลประกอบการเขียน

๑. Robert T. Morrison และ Robert N. Boyd, "Organic chemistry", 3rd ed., Prentice-Hall of India, 1976.

๒. Robert C. Atkins, Francis A. Carey และ Chi Wi Ong, "Organic chemistry : A brief course", McGraw Hill, 2013.

๓. https://en.wikipedia.org/wiki/Insensitive_munition

Malayan emergency, สงครามเวียดนาม, Seveso และหัวหิน MO Memoir : Sunday 7 September 2557

Malayan emergency หรือการรบกับพรรคคอมมิวนิสต์มาลายาของรัฐบาลอังกฤษในประเทศมาเลเซียปัจจุบัน
  

สงครามเวียดนาม หรือการรบของกองทัพสหรัฐกับกองทัพเวียดนามเหนือและเวียดกงในเวียดนามใต้
  

Seveso อุบัติเหตุของโรงงานเคมีที่นำมาสู่เหตุการณ์หายยะที่เมือง Seveso ประเทศอิตาลี
  

และถังบรรจุสารเคมี ที่ขุดพบที่ตำบลบ่อฝ้าย อำเภอหัวหิน จังหวัดประจวบคีรีขันธ์ ในขณะทำการขยายสนามบิน

ต่างมีสิ่งหนึ่งที่เหมือนกัน

ปฏิกิริยาการเติมฮาโลเจนหรือที่เรียกเป็นภาษาอังกฤษว่า halogenation นั้นเป็นปฏิกิริยาที่สำคัญปฏิกิริยาหนึ่งทางเคมีอินทรีย์ โดยเฉพาะเมื่อต้องการเปลี่ยนตำแหน่งที่มีอะตอมไฮโดรเจน -H เกาะอยู่นั้นให้กลายเป็นหมู่อื่น ซึ่งทำได้ด้วยการแทนที่อะตอมไฮโดรเจน -H ด้วยฮาโลเจน -X (ปรกติ X ก็มักเป็น Cl, Br หรือ I) จากนั้นก็ค่อยแทนที่อะตอม -X ที่เติมเข้าไปนั้นให้กลายเป็นหมู่อื่นอีกที
  

การเติมฮาโลเจนเข้าไปที่พันธะคู่ C=C ของ alkene หรือพันธะสาม C=C ของ alkyne นั้นทำได้ง่าย เกิดปฏิกิริยาได้เองที่อุณหภูมิห้อง การแทนที่อะตอม -H ของพันธะ C-H ที่เป็นหมู่ aliphaticนั้นทำได้ยากกว่า จำเป็นต้องมีการใช้แสงหรือความร้อนช่วยทำให้ปฏิกิริยาเกิด และที่ยากที่สุดเห็นจะได้แก่การแทนที่อะตอม -H ของพันธะ C-H ที่อะตอม C เป็นส่วนหนึ่งของวงแหวน aromatic
  

Benzene สามารถทำปฏิกิริยากับแก๊ส Cl₂ ได้แต่ต้องมีตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นพวก Lewis acid ช่วย (เช่น FeCl₃) โดยอะตอม Cl จะเข้าไปแทนที่อะตอม H ของอะตอม C ที่เป็นโครงสร้างของวงแหวน ถ้าปล่อยให้ปฏิกิริยาดำเนินไปเรื่อย ๆ ก็จะเกิดการแทนที่อะตอม H ได้มากกว่า 1 ตำแหน่ง ในกรณีของ benzene กับแก๊ส Cl₂ นั้นเนื่องจากอะตอม Cl จัดอยู่ในพวก ortho- และ para- directing group (เพราะมันสามารถจ่ายอิเล็กตรอนให้วงแหวนได้) ดังนั้นในกรณีที่มีการแทนที่อะตอม H 2 อะตอม ผลิตภัณฑ์ที่ได้ก็จะเป็น 1,2-dichlorobenzene และ 1,4-dichlorobenzene (รูปที่ ๑)
  

ถึงแม้ว่าตำแหน่ง ortho นั้นจะมีถึง 2 ตำแหน่งในขณะที่ตำแหน่ง para นั้นมีเพียงตำแหน่งเดียว แต่การที่อะตอม Cl มีขนาดค่อนข้างใหญ่ อะตอม Cl ตัวที่สองจึงแทรกเข้าไปแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho ได้ยาก (เพราะโดนอะตอม Cl ตัวแรกที่เข้าไปแทนที่นั้นขวางอยู่ การกีดขวางที่เกิดจากโครงสร้างโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่เช่นนี้เรียกว่า steric effect) ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นมากกว่าจึงเป็น 1,4-dichlorobenzene โดยมี 1,2-chlorobenzene เกิดขึ้นน้อยกว่า

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยา chlorination ของ bezene ไปเป็นdi-, tri- และ tetrachlorobenzene

สำหรับการแทนที่ด้วยอะตอม Cl ตัวที่สาม จากผลของ steric effect จึงทำให้ในกรณีของ 1,2-dichlorobenzene อะตอม Cl ตัวที่ 3 ยากที่จะเข้าไปเกาะอยู่เคียงข้างอะตอม Cl อะตอมใดอะตอมหนึ่งที่เกาะอยู่ก่อน (ซึ่งจะทำให้เกิดเป็นผลิตภัณฑ์ 1,2,3-trichlorobenzene) การเข้าไปยังอะตอม C ที่อยู่ตรงข้ามอะตอม Cl อะตอมใดอะตอมหนึ่งที่เกาะอยู่ก่อนนั้นจะง่ายกว่า ทำให้ได้ผลิตภัณฑ์เป็น 1,2,4-trichlorobenzene ส่วนในกรณีของ 1,4-dichlorobenzene ไม่ว่าอะตอม Cl ตัวที่สามจะเข้าไปเกาะที่ตำแหน่งไหนก็จะให้ผลเหมือนกัน คือได้ผลิตภัณฑ์เป็น 1,2,4-trichlorobenzene (ดูรูปที่ ๒ ประกอบ)

รูปที่ ๒ ในกรณีของ 1,2-dichlorobenzene (ซ้าย) การอะตอม Cl ตัวที่สามจะเข้าไปยังตำแหน่ง a หรือ d นั้นจะเข้าได้ยากเนื่องจากอะตอม Cl เองก็มีขนาดค่อนข้างใหญ่ และยังถูกกีดกันจากอะตอม Cl ที่เข้าไปแทนที่ก่อนหน้าที่อยู่ด้านข้าง ดังนั้นการแทนที่ครั้งที่สามที่ตำแหน่ง b หรือ c จะเกิดได้ง่ายกว่า ทำให้ได้ผลิตภัณฑ์เป็น 1,2,4-trichlorobenzene ส่วนในกรณีของ 1,4-dichlorobenzene (ขวา) นั้น การแทนที่ไม่ว่าจะเป็นที่ตำแหน่ง a, b, c และ d ด้วยอะตอม Cl ตัวที่สามนั้นจะให้ผลิตภัณฑ์ที่เหมือนกันหมดคือ 1,2,4-trichlorobenzene

ด้วยการที่อะตอม halogen นั้นเป็น ring deactivating group (ทำให้การแทนที่ครั้งต่อไปเกิดได้ยากขึ้น) ดังนั้นหลังการแทนที่ด้วยอะตอม Cl แต่ละครั้งจึงทำให้การแทนที่ด้วยอะตอม Cl ตัวถัดไปเกิดได้ยากขึ้น ตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาการแทนที่ในตำแหน่งแรก ๆ ได้อาจจะไม่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาการแทนที่ในตำแหน่งที่มากขึ้นไปอีกได้ ด้วยเหตุนี้จึงไม่แปลกหากการแทนที่เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีจำนวนการแทนที่มากหลายตำแหน่งนั้นจำเป็นต้องใช้กระบวนการที่มีมากกว่าหนึ่งขึ้นตอน เพราะจำเป็นต้องมีการเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้

การเตรียม tetrachlorobenzene จาก tri-chlorobenzene ก็เป็นเช่นนี้

การพิจารณาตำแหน่งที่จะเกิดการแทนที่ตำแหน่งที่สี่ของ 1,2,4-trichlorobenzene จำเป็นต้องพิจารณาผลของความเป็น ortho- และ para- direction group และผลของ steric effect ของอะตอม Cl ไปด้วยกัน

แม้ว่าตำแหน่ง a ของ 1,2,4-trichlorobenzene (ดูรูปที่ ๓ ประกอบ) จะเป็นตำแหน่ง ortho กับอะตอม Cl ถึงสองอะตอม แต่การที่มีอะตอม Cl ขนาดใหญ่อยู่ทั้งซ้ายและขวาของตำแหน่ง a จึงทำให้อะตอม Cl ตัวที่สี่เข้าแทนที่ที่ตำแหน่ง a ได้ยาก (เกิดผลิตภัณฑ์เป็น 1,2,3,4-tetrachlorobenzene ได้ยาก) ส่วนที่ตำแหน่ง b และ c นั้นแม้ว่าทั้งสองตำแหน่งจะมีอะตอม Cl อยู่เคียงข้างเพียงอะตอมเดียวเหมือนกัน แต่ตำแหน่ง c นั้นเป็นตำแหน่ง meta กับอะตอม Cl ถึงสองอะตอมในขณะที่เป็นตำแหน่ง ortho กับอะตอม Cl เพียงอะตอมเดียว จึงทำให้การแทนที่ด้วยอะตอม Cl ตัวที่สี่ที่ตำแหน่ง c เกิดได้ยาก (เกิดผลิตภัณฑ์เป็น 1,2,3,5-tetrachlorobenzene ได้ยากเช่นกัน) ตำแหน่ง b นั้นเป็นตำแหน่งที่ง่ายกว่าในการเกิดการแทนที่ด้วยอะตอม Cl ตัวที่สี่ เพราะเป็นตำแหน่ง ortho กับ para ของอะตอม Cl รวมกันสองอะตอม โดยเป็นตำแหน่ง meta เมื่อเทียบกับอะตอม Cl เพียงอะตอมเดียว จึงทำให้ได้ผลิตภัณฑ์หลักของการแทนที่ตำแหน่งที่สี่เป็น 1,2,4,5-tetrachlorobenzene

รูปที่ ๓ ผลิตภัณฑ์ที่มีโอกาสเกิดได้จากการแทนที่ด้วยอะตอม Cl ตัวที่สี่เข้าไปยังโมเลกุล 1,2,4-trichlorobenzene ในกรณีนี้ 1,2,4,5-tetrachlorobenzene จะเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีโอกาสเกิดมากที่สุด โดย 1,2,3,5-tetrachlorobenzene และ 1,2,3,4-tetrachlorobenzene มีโอกาสเกิดได้กว่า

Aryl halide นั้นจัดว่าเป็นสารประกอบที่เฉื่อยต่อการทำปฏิกิริยา การแทนที่อะตอม halogen ด้วยหมู่อื่นนั้นจำเป็นต้องใช้ภาวะการทำปฏิกิริยาที่รุนแรง ตัวอย่างเช่นการแทนที่อะตอม Cl ของ chlorobenzene ด้วยอะตอม O เพื่อเปลี่ยนจากสารประกอบ aryl halide เป็น phenoxide นั้นจำเป็นต้องใช้อุณหภูมิและความดันที่สูงเข้าช่วย จากนั้นจึงเปลี่ยน phenoxide ที่ได้ให้กลายเป็น phenol อีกที ดังสมการที่แสดงในรูปที่ ๔ ข้างล่าง

รูปที่ ๔ ปฏิกิริยาการแทนที่อะตอม Cl ที่เกาะอยู่กับวงแหวนเบนซีนด้วยหมู่ -OH พึงสังเกตว่าใช้ภาวะการทำปฏิกิริยาที่ค่อนข้างจะรุนแรง สำหรับปฏิกิริยาที่เกิดในเฟสของเหลวถ้าต้องการทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงขึ้นก็มักต้องใช้ความดันที่สูงขึ้นไปด้วย เพื่อที่จะคงสภาพสารตั้งต้นให้ยังคงเป็นเฟสของเหลวอยู่ ในที่นี้ NaOH นั้นไม่สามารถทำให้กลายเป็นแก๊สได้ ดังนั้นถ้าต้องการเพิ่มอุณหภูมิการทำปฏิกิริยา ก็จำเป็นต้องเพิ่มความดันของระบบให้สูงขึ้นไปด้วย เพื่อทำให้ chlorobenzene ยังคงสภาพเป็นของเหลวอยู่

การสังเคราะห์ 2,4,5-trichlorophenol จาก 1,2,4,5-tetrachlorobenzene และ 2,4-dichlorophenol จาก 1,2,4-trichlorobenzene (รูปที่ ๕) ก็สามารถใช้วิธีการที่ได้แสดงไว้ในรูปที่ ๔

รูปที่ ๕ การเปลี่ยนหมู่ Cl ของ 1,2,4,5-tetrachlorobenzene และของ 1,2,4-trichlorobenzene ให้กลายเป็นหมู่ -OH ทำให้ได้สารประกอบ 2,4,5-trichlorophenol (บน) และ 2,4-dichlorophenol (ล่าง) ตามลำดับ

Williamson ether synthesis เป็นวิธีการหนึ่งที่ใช้ในการเตรียมสารประกอบether R-O-R' ที่หมู่ R กับ R' นั้นเหมือนกันหรือแตกต่างกันก็ได้ การทำปฏิกิริยาดังกล่าวจะใช้เบสเปลี่ยน alcohol หรือ phenol ให้กลายเป็นสารประกอบ alkoxide หรือ phenoxide (ดูรูปที่ ๖) ปฏิกิริยานี้ใช้งานได้ดีในกรณีที่ R-X เป็น primary หรือ secondary halide แต่ใช้ไม่ได้ในกรณีที่ R-X เป็น aryl halide (อะตอม halogen เกาะกับอะตอม C ของวงแหวน) หรือ vinyl halide (อะตอม halogen เกาะอยู่กับอะตอม C ที่มีพันธะคู่) เพราะสารสองชนิดหลังนี้เฉื่อยต่อการทำปฏิกิริยามากเกินไป

รูปที่ ๖ การสังเคราะห์โครงสร้าง ether (R-O-R') ด้วยปฏิกิริยา Williamson synthesis ระหว่างสารประกอบที่มีหมู่ R-OH กับ R-X โดยหมู่ -OH ของแอลกอฮอล์และฟีนอลสามารถแสดงคุณสมบัติที่เป็นกรดด้วยการจ่าย H⁺ ออกมา โดยหมู่ -OH ของฟีนอลจะแสดงฤทธิ์เป็นกรดที่แรงกว่าหมู่ -OH ของแอลกอฮอล์

Defoliant หรือ Defoliating agent เป็นสารเคมีที่ใช้ในการทำให้ใบไม้ร่วง สารนี้แตกต่างไปจาก Herbicide หรือยาปราบวัชพืชตรงที่ ยาปราบวัชพืชนั้นเน้นไปตรงที่ไปทำให้พืชที่ไม่ต้องการนั้นตายลง ส่วน Defoliant จะไปทำให้ใบของพืช (โดยเฉพาะพืชใบกว้าง หรือใบเลี้ยงคู่) นั้นร่วงหล่น (ไม่ได้ไปฆ่าพืชให้ตาย) ในขณะที่ Herbicide ใช้ในการกำจัดพืชที่ไม่ต้องการก่อนทำการเพาะปลูกที่ต้องการ (เช่นฆ่าหญ้าก่อนปลูกข้าว) Defoliant มีการนำมาใช้ในการกำจัดใบเพื่อช่วยในการเก็บเกี่ยวผลิตภัณฑ์ (เช่นกำจัดใบฝ้ายก่อนทำการเก็บฝ้าย)
  

แนวความคิดในการนำสารเคมีทั้งสองชนิดมาใช้ในสงครามมีมาตั้งแต่ยุคสงครามโลกครั้งที่ ๒ โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อหาสารเคมีที่จะทำลายแหล่งผลิตอาหารของฝ่ายศัตรู แต่ที่นำมาใช้กันอย่างจริงจังเป็นครั้งแรกเห็นจะได้แก่การที่รัฐบาลอังกฤษใช้ในการปราบปรามกองกำลังที่มีฃื่อว่า Malayan National Liberation Army (MNLA) ซึ่งเป็นกองกำลังติดอาวุธของพรรคคอมมิวนิสต์มาลายา (Malayan Communist Party (MCP)) ในช่วงปีค.ศ. ๑๙๔๘-๑๙๖๐ (พ.ศ. ๒๔๙๑-๒๕๐๓) ซึ่งเป็นช่วงที่อังกฤษยังปกครองมาเลเซียในฐานะเป็นอาณานิคมอยู่ (มาเลเซียได้รับเอกราชจากอังกฤษในปีค.ศ. ๑๙๕๗ (พ.ศ. ๒๕๐๐)) เหตุการณ์ในตอนนั้นทางอังกฤษเรียกว่า "Malayan Emergency" หรือ "สถานการณ์ฉุกเฉิน" (ผู้สนใจสามารถอ่านเพิ่มเติมได้ที่ http://en.wikipedia.org/wiki/Malayan_Emergency)

  
ทั้ง ๆ ที่จะว่าไปแล้วการรบระหว่างทหารของรัฐบาลอังกฤษกับพรรคคอมมิวนิสต์มาลายามันจัดได้ว่าป็นการรบในรูปแบบ "สงคราม" ระหว่างกองกำลังรัฐบาลกับกองกำลังติดอาวุธของพรรคคอมมิวนิสต์มาลายา เช่นเดียวกับสงครามเวียดนามที่สหรัฐเข้าร่วมรบ แต่อังกฤษก็หลีกเลี่ยงที่จะใช้คำว่าสงคราม ตรงนี้หนังสือเรื่อง "the war of the running dogs" เขียนโดย Noel Barber (ผมไปได้มาเล่มหนึ่งเมื่อปี ๒๕๕๒ ในราคา ๒๙๓ บาท จากร้าน Kinokuniya) อธิบายไว้ว่าทางอังกฤษต้องการหลีกเลี่ยงการใช้คำว่า "สงคราม" เพราะจะทำให้บริษัทประกันมีข้ออ้างในการที่จะไม่จ่ายค่าชดเชยความเสียหายที่เกิดขึ้น โดยส่วนตัวแล้วผมเห็นว่าหนังสือเล่มยังสะท้อนให้เห็นภาพการเข้ามาเอาผลประโยชน์ของอังกฤษจากดินแดนที่อังกฤษเข้าไปยึดครองเพื่อส่งกลับประเทศตนเอง และการทำให้เกิดปัญหาความแตกแยกในสังคมด้วยการอพยพผู้คนให้ย้ายถิ่นฐานจากดินแดนอื่นเพื่อนำมาใช้เป็นแรงงาน (อังกฤษไม่ค่อยจะไว้ใจคนท้องถิ่นให้ทำงานให้ แต่จะใช้คนชาติอื่นมาทำงานในหลาย ๆ ด้านให้แทน โดยเฉพาะจากอินเดียและจีน)
  
2,4,5-trichlorophenoxy acetic acid และ 2,4-dichlorophenoxy acetic acid สังเคราะห์ได้จากการนำเอา 2,4,5-trichlorophenol หรือ 2,4-dichlorophenol มาทำปฏิกิริยากับ chloroacetic acid เกิดการเชื่อมต่อโมเลกุลเข้าด้วยกัน (แบบปฏิกิริยา Williamson ether synthesis) กลายเป็นผลิตภัณฑ์ดังสมการที่แสดงในรูปที่ ๗

รูปที่ ๗ ปฏิกิริยา Williamson ether synthesis (บน) ระหว่าง 2,4,5-trichlorophenol กับ chloroacetic acid เพื่อสังเคราะห์เป็น 2,4,5-trichlorophenoxy acetic acid (บางที่จะเขียนย่อว่า 2,4,5-T) และ (ล่าง) ปฏิกิริยาระหว่าง 2,4-dichlorophenol กับ chloroacetic acid เพื่อสังเคราะห์เป็น 2,4-dichlorophenoxy acetic acid (บางที่จะเขียนย่อว่า 2,4-D) ที่เป็น defoliating agent
  

สิ่งที่กองทัพอังกฤษทำก็คือเอาสารทั้ง herbicide และ defoliant นี้ไปฉีดโปรยในป่ามาเลเซียเพื่อให้ใบไม้ร่วงและต้นไม้ตาย เพื่อเป็นการตัดเสบียงอาหารกองกำลังฝ่ายตรงข้าม และยังทำให้ง่ายต่อการตรวจการณ์ทางอากาศ หนึ่งในสาร defoliant ที่อังกฤษนำไปใช้คือ 2,4,5-trichlorophenoxy acetic acid และ 2,4-dichlorophenoxy acetic acid
    

พึงระลึกว่าหมู่ -OH ของแอลกอฮอล์นั้นเกิดปฏิกิริยา esterification กับหมู่ -COOH ของกรดอินทรีย์ได้ง่าย แต่หมู่ -OH ของฟีนอลจะเกิดได้ยากกว่า ดังนั้นในกรณีนี้แทนที่หมู่ -OH จะทำปฏิกิริยากับหมู่ -COOH ของ chloroacetic acid แต่จะทำปฏิกิริยากับหมู่ Cl-CH₂- แทน ถ้าต้องการจะให้หมู่ -OH ที่เกาะอยู่โดยตรงกับวงแหวนเบนซีนทำปฏิกิริยา esterification การใช้สารประกอบ anhydride จะง่ายกว่า (anhydride คือสารประกอบที่เกิดจากการที่หมู่ -COOH สองหมู่หลอมรวมเข้าด้วยกันและคายน้ำออกมา โดยหมู่ -COOH นั้นอาจอยู่ในโมเลกุลเดียวกันแต่อยู่ในตำแหน่งที่ใกล้กัน หรือมาจากต่างโมเลกุลกัน)
  

มาถึงตรงนี้ถ้าย้อนกลับไปอ่าน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๗๙ วันศุกร์ที่ ๒๐ พฤศจิกายน ๒๕๕๒ เรื่อง "Reactions of hydroxyl group" ก็จะเห็นว่าทำไปการเปลี่ยน morphine ไปเป็น heroin นั้นไม่สามารถใช้กรด acetic (CH₃COOH) ได้ ก็เพราะหมู่ -OH หนึ่งในสองหมู่ของโมเลกุล morphine ที่ต้องการทำให้ปฏิกิริยานั้น เกาะอยู่โดยตรงกับวงแหวนเบนซีน ด้วยเหตุนี้จึงทำให้ต้องใช้ acetic anhydride (H₃C(CO)-O-(CO)CH₃) ในการสังเคราะห์แทน

ความสำเร็จของอังกฤษในการใช้สารนี้ทำให้ทางกองทัพสหรัฐสนใจเอามาใช้บ้าง โดยนำสารผสมระหว่าง 2,4,5-trichlorophenoxy acetic acid และ 2,4-dichlorophenoxy acetic acid (อัตราส่วนผสมประมาณ 50:50) มาใช้ในสงครามเวียดนามในชื่อ "Agent orange" โดยใช้ฉีดพ่นไปบนพื้นที่ป่าให้ใบไม้ร่วง จะได้ง่ายต่อการตรวจการเคลื่อนไหวภาคพื้นจากทางอากาศ ประมาณกันว่ากองทัพสหรัฐนำใช้ถึง ๕๐ ล้านลิตรในระหว่างสงคราม
  

ในระหว่างการสังเคราะห์ 2,4,5-trichlorophenoxy acetic acid นั้น อะตอม Cl ของ 2,4,5-trichlorophenol ก็สามารถเข้าทำปฏิกิริยากับหมู่ -OH ของ 2,4,5-trichlorophenol อีกโมเลกุลหนึ่งได้ ทำให้เกิดการหลอมรวมกันของโมเลกุล 2,4,5-trichlorophenol สองโมเลกุลเป็นสารประกอบ "dioxin" ดังแสดงในรูปที่ ๘ ข้างล่าง (dioxin หรือไดออกซิน เป็นสารประกอบ heterocyclic ที่เป็นวง ๖ อะตอม โดยอะตอม C สองอะตอมถูกแทนที่ด้วยอะตอม O ถ้าอะตอม O สองอะตอมนั้นอยู่เคียงข้างกันก็จะเรียกว่าเป็นสารประกอบ o-dioxin หรือ 1,2-dioxin แต่ถ้าอะตอม O สองอะตอมนั้นอยู่ตรงข้ามกันดังตัวอย่างที่แสดงในรูปที่ ๘ ก็จะเป็นสารประกอบที่เรียกว่า 1,4-dioxin หรือ p-dioxin)

รูปที่ ๘ ปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุล 2,4,5-trichlorophenol สองโมเลกุลหลอมรวมเข้าด้วยกัน (ตามแบบ Williamson ether synthesis) ที่สามารถเกิดขึ้นระหว่างการสังเคราะห์ trichlorophenoxy acetic acid นำไปสู่การเกิดสารประกอบ 2,3,7,8-tetrachlorodibenzoparadioxin ที่เป็นสารพิษที่มีความเป็นพิษร้ายแรงในอันดับต้น ๆ ที่มนุษย์รู้จัก

  

2,3,7,8-tetrachlorodibenzoparadioxin นี้เป็นสารพิษที่มีความเป็นพิษร้ายแรงในอันดับต้น ๆ ที่มนุษย์รู้จัก มีการประมาณการกันว่าจากจำนวน Agent orange ที่กองทัพสหรัฐอเมริกานำไปฉีดพ่นในเวียดนามใต้นั้นอาจมีสารประกอบ dioxin มากถึง ๑๗๐ กิโลกรัมที่ถูกฉีดพ่นกระจายไปพร้อมกับ Agent orange

๑๗๐ กิโลกรัมนี้มากแค่ไหน คงเป็นคำถามที่หลายคนสงสัย แต่ถ้าพิจารณาว่าปริมาณที่สารนี้สามารถทำให้สัตว์เสียชีวิตได้คือ "หนึ่งในพันล้านเท่าของน้ำหนักตัว" หรือ (10^-9 x น้ำหนักตัว) ก็คงจะมองเห็นภาพอันตรายของสารนี้ชัดขึ้น

อีกเหตุการณ์หนึ่งที่ทำให้สารไดออกซินนี้เป็นข่าวใหญ่เกรียวกราวไปทั่วโลก จนมีการนำมาบรรจุไว้ในบทเรียนของนิสิตวิศวกรรมเคมีในวิชาด้านความปลอดภัยของอุตสาหกรรมเคมี คืออุบัติเหตุที่เมือง Seveso ประเทศอิตาลี ในปีค.ศ. ๑๙๗๖ (พ.ศ. ๒๕๑๙) เรื่องนี้เคยเล่าเอาไว้แล้วใน Memoir ปีที่ ๖ ฉบับที่ ๖๖๔ วันจันทร์ที่ ๙ กันยายน ๒๕๕๖ เรื่อง "การรั่วไหลของDioxinที่เมืองSevesoประเทศอิตาลี"
  

และในปีพ.ศ. ๒๕๔๒ (ค.ศ. ๑๙๙๙) สารประกอบไดออกซินนี้ก็กลับมาเป็นข่าวอีกครั้ง โดยครั้งนี้เกิดขึ้นที่ประเทศไทยเอง ที่สนามบินบ่อฝ้าย อ.บ่อฝ้าย จ.ประจวบคีรีขันธ์ ที่มีการขุดค้นพบถังสารเคมีที่กองทัพสหรัฐอเมริกาฝังเอาไว้ตั้งแต่สมัยสงครามเวียดนาม รายละเอียดเหตุการณ์เป็นอย่างไรก็ลองอ่านตาม link ที่ให้ไว้หรือรูปที่ ๙ ก็แล้วกัน

รูปที่ ๙ รายละเอียดการค้นพบถังบรรจุ Agent orange ที่นำมาใช้ในสมัยสงครามเวียดนาม และกองทัพสหรัฐอเมริกาฝังทิ้งเอาไว้ที่สนามบิน ภาพข่าวนำมาจากบทความเรื่อง "เหตุเกิดที่บ่อฝ้าย อ.หัวหิน จ.ประจวบคีรีขันธ์ - ศูนย์ข้อมูลพิษวิทยา" เขียนโดย ดร.สุมล ปวิตรานนท์ http://webdb.dmsc.moph.go.th/ifc_toxic/a_tx_21_002c.asp?info_id=322

  
เหตุผลหนึ่งที่ผมสนใจอ่านเรื่องราวเกี่ยวกับประวัติศาตร์ เพราะมันบอกให้รู้ถึงความต้องการที่จะเอาชนะของมนุษย์ เครื่องมือที่มนุษย์ใช้ในความพยายามที่จะเอาชนะธรรมชาติและคู่แข่งคือวิทยาศาสตร์
  

และเหตุผลที่ทำให้ผมเขียนเรื่องนี้ขึ้นมาก็เพราะอยากให้ผู้ที่คิดว่าเคมีอินทรีย์เป็นเรื่องน่าเบื่อ เรียนไปแล้วไม่รู้ว่าจะเอาไปใช้ทำอะไร จะได้มีตัวอย่างให้มองเห็นภาพบ้างว่าความรู้จากวิชานี้ ในอดีตได้เคยมีการนำไปใช้เพื่อที่จะเอาชนะทางการทหารและการเมืองอย่างไรบ้าง

Alexander William Williamson (1842-1904)

ภาพจากหนังสือ Ray Q. Brewster and William E. McEwen, "Organic Chemistry", 3rd., Prentice-Hall, Inc. 1961. โดยมีคำบรรยายภาพว่า English chemist, was a student of Liebig at Giessen. In 1849 he was appointed professor of "practical chemistry" at University College, London, and was connected with that institution until his retirement in 1887.