การเปลี่ยนเอทานอล (Ethanol) ไปเป็นอะเซทัลดีไฮด์ (Acetaldehyde) MO Memoir : Thursday 24 May 2561

เอทานอล (ethanol H₃CCH₂-OH) ที่ได้จากกระบวนการหมักผลิตผลทางการเกษตรนั้นมีความเข้มข้นต่ำ (ราว ๆ 10-15%) การทำให้เอทานอลจากกระบวนการหมักให้มีความเข้มข้นสูงพอ (ไม่ต่ำกว่า 99.5%) ที่จะนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงกับรถยนต์ได้นั้นต้องใช้พลังงานสูงมากในการแยกเอาเอทานอลออกจากน้ำ เรียกว่าพลังงานที่ใช้ในการแยกเอทานอลจากน้ำนั้น "สูงกว่า" พลังงานที่ได้จากเอทานอล ดังนั้นถ้ามองในแง่ของการประหยัดพลังงานแล้ว การไม่เอาเอทานอลที่ผลิตจากการหมักมาใช้เป็นเชื้อเพลิงรถยนต์จะเป็นการดีกว่า (อาจลดการนำเข้าน้ำมัน แต่มีการนำเข้าถ่านหินเพื่อนำมาผลิตไอน้ำสำหรับให้ความร้อนในกระบวนการกลั่นเอทานอล)
 

วิธีการที่น่าจะเหมาะสมกว่าในการนำเอทานอลที่ได้จากกระบวนการหมักไปใช้ประโยชน์ก็คือการหาทางเปลี่ยนเป็นสารเคมีตัวอื่นที่มีมูลค่าเพิ่มสูงขึ้นโดยไม่จำเป็นต้องนำสารละลายเอทานอลดังกล่าวมาผ่านกระบวนการเพื่อทำให้ความเข้มข้นเอทานอลเพิ่มสูงขึ้นมาก
 

การเปลี่ยนเอทานอลไปเป็นสารตัวอื่นอาศัยการทำปฏิกิริยาของหมู่ไฮดรอกซิล (hydroxyl -OH) ปฏิกิริยาหลักปฏิกิริยาหนึ่งของหมู่ไฮดรอกซิลนี้ที่เป็นที่รู้จักกันทั่วไปก็คือปฏิกิริยาการกำจัดน้ำ (dehydration) ที่เป็นการดึงเอาหมู่ -OH ออกในรูปของโมเลกุล H₂O ผลิตภัณฑ์ที่ได้อาจเป็นไดเอทิลอีเทอร์ (diethyl ether H₃C-CH₃) หรือ เอทิลีน (ethylene H₂C=CH₂) ซึ่งขึ้นอยู่กับสภาวะการทำปฏิกิริยา และอีกปฏิกิริยาหนึ่งคือปฏิกิริยาการออกซิไดซ์ (oxidation reaction) ที่นำไปสู่การเกิดสารประกอบอัลดีไฮด์ (aldehyde) หรือกรดอินทรีย์ (carboxylic acid) ซึ่งในกรณีของเอทานอลก็จะได้แก่อะเซทัลดีไฮด์ (acetaldehyde H₃C-COH) และกรดอะซีติก (acetic acid H₃C-COOH)

รูปที่ ๑ บทความเกี่ยวกับการเปลี่ยนเอทานอลไปเป็นอะเซทัลดีไฮด์ด้วยปฏิกิริยาการกำจัดไฮโดรเจน ตีพิมพ์ในวารสาร Industrial and Engineering Chemistry vol. 43 No. 8 หน้า 1804-1811

กรดอะซีติกนั้นสามารถผลิตได้โดยตรงจากกระบวนการหมัก จึงไม่จำเป็นต้องมีการนำเอาเอทานอลจากการหมักมาทำให้มีความเข้มข้นสูง ก่อนที่จะเปลี่ยนให้กลายเป็นกรดอะซีติก (เว้นแต่ต้องการกรดที่มีความบริสุทธิ์สูง เพราะในของเหลวที่ได้จากการหมักก็จะมีอะไรต่อมิอะไรปนเปื้อนอยู่หลากหลายชนิด)

ปฏิกิริยาหลักที่ใช้ในการเปลี่ยนเอทานอลไปเป็นอะเซทัลดีไฮด์คือปฏิกิริยาการกำจัดไฮโดรเจน (dehydrogenation)ปฏิกิริยานี้จะทำการดึงเอาอะตอม H หนึ่งตัวออกจากหมู่ -OH และอะตอม H อีกอะตอมหนึ่งออกจากอะตอม C ที่หมู่ -OH เกาะอยู่ (ที่เรียกว่า alpha carbon atom) ผลิตภัณฑ์ที่ได้คืออะเซทัลดีไฮด์และแก๊สไฮโดรเจน (รูปที่ ๑)
 

อีกปฏิกิริยาหนึ่งที่สามารถใช้เปลี่ยนเอทานอลเป็นอะเซทัลดีไฮด์ ได้แก่ปฏิกิริยา Oxidative dehydrogenation โดยในปฏิกิริยานี้จะทำการออกซิไดซ์เอทานอลเพื่อดึงเอาอะตอมไฮโดรเจนออกในรูปโมเลกุลน้ำ (H₂O) (รูปที่ ๒ และ ๓) โดยในการทำปฏิกิริยานี้มีข้อควรระวังก็คือ อะเซทัลดีไฮด์เป็นสารที่ถูกออกซิไดซ์ต่อไปเป็นกรดอะซีติกได้อีก ดังนั้นต้องออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาให้เหมาะสมโดยต้องไม่ให้มีความสามารถในการออกซิไดซ์ที่แรงเกินไป

รูปที่ ๒ ตัวอย่างบทความที่ทำการเปลี่ยนแอลกอฮอล์ไปเป็นอัลดีไฮด์ด้วยปฏิกิริยา Oxidative dehydrogenation และกลไกการเกิดปฏิกิริยาที่มีการนำเสนอ

ที่วันนี้เขียนเรื่องนี้ก็เพราะว่าเมื่อวาน มีนิสิตปริญญาเอกคนหนึ่งที่ทำวิจัยเกี่ยวกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในการเปลี่ยนเอทานอลไปเป็นอะเซทัลดีไฮด์มาถามผมว่า จะเขียนกลไกการเกิดปฏิกิริยาอย่างไรดี โดยเขาเอาบทความฉบับหนึ่งมาให้ผมดูแล้วถามว่าจะเขียนตามบทความฉบับนั้นได้หรือไม่ ผมก็ตอบเขากลับไปว่าตามบทความนั้นเขาก็เขียนกลไกโดยอิงจากพื้นฐานเคมีอินทรีย์ที่อยู่ในตำราระดับปริญญาตรี เพียงแต่เรามีความเข้าใจในพื้นฐานเพียงพอหรือเปล่าที่จะเอาความรู้ดังกล่าวมาประยุกต์ใช้ คนที่คอยอธิบายสิ่งที่เจอด้วยการไปค้นว่าคนอื่นเขาเคยอธิบายปรากฏการณ์นี้เอาไว้อย่างไร ก็แสดงว่าไม่ได้มีความรู้พื้นฐาน หรือมีแต่ไม่รู้วิธีการนำมาใช้ ถ้าเป็นแบบนี้พอไปเจอเอาสิ่งที่ไม่เคยมีใครทำเอาไว้ก่อนก็คงจะหาคำอธิบายใด ๆ ไม่ได้
 

โครงสร้างที่แสดงฤทธิ์เป็นกรดกับโครงสร้างที่แสดงฤทธิ์เป็นเบสเป็นของคู่กัน เพียงแต่ว่าโครงสร้างไหนจะเด่นกว่ากันเท่านั้นเอง อย่างเช่นกรณีของสารละลาย HCl เมื่อละลายน้ำ H⁺ จะแสดงฤทธิ์เป็นกรดแก่ ในขณะที่ Cl^- แสดงฤทธิ์เป็นเบสที่อ่อนมาก หรือในกรณีของ KOH ที่เมื่อละลายน้ำ K⁺ จะแสดงฤทธิ์เป็นกรดที่อ่อนมาก ในขณะที่ OH^- แสดงฤทธิ์เป็นเบสที่แรง (ที่เราเรียกว่า acid-base conjugate pair)
 

ในกรณีของสารละลายในน้ำ ถ้าเราผสมกรดแก่กับเบสแก่เข้าด้วยกัน มันก็จะทำปฏิกิริยาสะเทินกัน (เพราะไอออนมีอิสระในการเคลื่อนที่) แต่ในกรณีของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็ง เราสามารถมีทั้งกรดแก่และเบสแก่อยู่บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งนั้นได้ (เพราะมันไม่สามารถเคลื่อนที่มาเจอกันได้)
 

ถ้าเราพิจารณาโครงสร้างโมเลกุลของเอทานอล หมู่ -OH นั้นแสดงฤทธิ์เป็นได้กรดและเบส ขึ้นอยู่กับว่ามันเจอกับอะไร ถ้ามันเจอกับกรดแก่ (จะเป็น H⁺ หรือกรดลิวอิวก็ตาม) กรดแก่จะเข้าทำปฏิกิริยาที่อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวของอะตอม O แต่ถ้ามันเจอกับเบสแก่ (เช่นสารละลาย NaOH เข้มข้นสูงและมีอุณหภูมิสูง) หมู่ -OH จะจ่ายโปรตอนออกไปในรูปของ H⁺ 
  

แต่อันที่จริงมันยังมีอีกตำแหน่งที่ยังแสดงฤทธิ์เป็นกรดได้ นั่นคือตำแหน่ง alpha hydrogen atom ของอะตอม C ที่หมู่ -OH เกาะอยู่ (ตำแหน่ง alpha carbon) ความแรงของความเป็นกรดของอะตอม H ที่ตำแหน่งนี้ขึ้นอยู่กับว่าหมู่ฟังก์ชันที่เกาะอยู่กับมันนั้นดึงอิเล็กตรอนออกจากตัวมันได้มากน้อยเพียงใด ถ้าสามารถดึงออกได้มาก ความเป็นกรดของอะตอม H ที่ตำแหน่งนี้ก็จะเด่นชัดมากขึ้น ในกรณีของหมู่ -OH นั้นอะตอม H ของหมู่ -OH จะแสดงฤทธิ์เป็นกรดที่โดดเด่นมากกว่า แต่ถ้าหากหมู่ -OH นี้เสีย H⁺ ออกไป และตำแหน่งอะตอม O ที่มีประจุลบนั้นเข้าไปเกาะกับไอออนบวกที่มีฤทธิ์เป็นกรดลิวอิสที่แรง ก็จะทำให้ alpha carbon นั้นถูกดึงอิเล็กตรอนออกมากขึ้นตามไปด้วย ความเป็นกรดของ alpha hydrogen atom ก็จะเพิ่มขึ้นตาม และถ้าบนพื้นผิวของแข็งนั้นมีตำแหน่งเบสที่มีความแรงเพียงพอ มันก็จะสามารถดึงเอาอะตอม H ที่เป็น alpha hydrogen atom ออกจากโมเลกุล ทำให้โมเลกุลเอทานอลเปลี่ยนไปเป็นอะเซทัลดีไฮด์ได้ (รูปที่ 
  

กลไกในบทความที่เขานำมาให้ผมดูนั้นมันไม่ได้มีอะไรซับซ้อนหรือเขียนขึ้นมาจากจินตนาการ แต่มันมีทฤษฎีพื้นฐานที่ปรากฏอยู่ในตำราอินทรีย์เคมีระดับปริญญาตรีรองรับอยู่แล้ว

รูปที่ ๓ ปฏิกิริยากำจัดไฮโดรเจน (dehydrogenation) ของเอทานอล เป็นอะเซทัลดีไฮด์ A แทนตำแหน่งที่เป็นกรดบนพื้นผิว ส่วน B แทนตำแหน่งที่เป็นเบสบนพื้นผิว เริ่มจากทางซ้ายเป็นการดึงเอาอะตอม H ตัวแรกออกด้วยตำแหน่งที่เป็นเบส ส่วนอะตอม O ที่มีประจุลบก็จะถูกยึดเอาไว้ด้วยไอออนบวกที่มีฤทธิ์เป็นกรดลิวอิสที่แรง จากนั้นตำแหน่งเบสที่แรงอีกตำแหน่งหนึ่งก็จะดึงเอา alpha hydrogen atom ออกจาก alpha carbon ก็เป็นการเสร็จสิ้นการเปลี่ยนเอทานอลไปเป็นอะเซทัลดีไฮด์ ส่วนไฮโดรเจนที่ดึงออกมานั้นก็จะรวมตัวกันกลายเป็นแก๊สไฮโดรเจน

ผมอธิบายเขาเสร็จผมก็ถามกลับไปเล่น ๆ ว่าแล้วนี่จะมีการกล่าวขอบคุณผมไว้ในกิตติกรรมประกาศไหม ซึ่งอันที่จริงผมก็ไม่ได้คาดหวังอะไร เพราะเจอเป็นประจำ ตอนมีปัญหาที่แม้แต่อาจารย์ที่ปรึกษาก็ไม่รู้ว่าจะอธิบายหรือแก้ไขอย่างไร พอมาขอความรู้และได้คำตอบกลับไป ก็กลายเป็นความดีความชอบของนิสิตและอาจารย์ที่ปรึกษาว่าเป็นผู้มีความรู้ความสามารถ (ทั้ง ๆ ที่คนอื่นเป็นคนทำให้) อย่าว่าแต่จะเป็นกิตติกรรมประกาศในบทความเลย แม้แต่ในวิทยานิพนธ์ก็ยังไม่ใส่กัน ปรกติก็เห็นใส่กันแค่คนที่บ้านกับกรรมการสอบเท่านั้น
 

ปิดท้าย Memoir ฉบับนี้ด้วยภาพสมาชิกของกลุ่มที่สามารถผ่านการสอบปกป้องวิทยานิพนธ์ไปเมื่อช่วงเช้าของวันนี้ ก็ต้องของแสดงความยินดีด้วยครับ

Benzaldehyde กับปฏิกิริยา Nitroaldol MO Memoir : Monday 2 April 2555

คำถามหนึ่งที่กรรมการสอบมักจะถามเวลาที่ใครสักคนทำวิจัยสังเคราะห์สารขึ้นมาสักตัวก็คือ "สารนั้นเอาไปใช้ประโยชน์อะไรได้บ้าง"

ดังนั้นเนื่องจากในกลุ่มเรามีการสังเคราะห์ benzaldehyde จากปฏิกิริยาระหว่างโทลูอีนกับ H₂O₂ ดังนั้น memoir นี้จึงขอยกตัวอย่างหนึ่งของการนำ benzaldehyde ไปผลิตเป็นสารอื่น

ปฏิกิริยา Aldol condensation เป็นปฏิกิริยาระหว่าง aldehyde หรือ ketone 2 โมเลกุลในภาวะที่มีเบส (เช่น hydroxide -OH หรือ alkoxide -OR) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา โดยสารตั้งต้นตัวหนึ่งต้องมี alpha hydrogen atom (คืออะตอม C ตัวที่อยู่ติดกับหมู่คาร์บอนิล (-CO-) ต้องมีอะตอม H) ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะเป็นสารประกอบ beta-hydroxyaldehyde หรือ beta-hydroxyketone ปฏิกิริยานี้มีประโยชน์มากในการสังเคราะห์สารเคมีต่าง ๆ จากสารตั้งต้นโมเลกุลเล็ก

ปฏิกิริยา Nitroaldol (หรือ Henry reaction) เป็นปฏิกิริยาหนึ่งที่คล้ายคลึงกับปฏิกิริยา Aldol condensation โดยปฏิกิริยา Nitroaldol นี้เป็นปฏิกิริยาระหว่าง aldehyde หรือ ketone กับสารประกอบ nitroalkane โดยมีเบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ beta-nitro alcohol ซึ่งสามารถนำไปผลิตเป็นสารอื่นได้ดังแสดงในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

รูปที่ ๑ กลไกการเกิดปฏิกิริยา Nitroaldol (ภาพจาก http://en.wikipedia.org/wiki/Nitroaldol_reaction)

Benzaldehyde สามารถเกิดปฏิกิริยา Nitroaldol กับสารประกอบ nitroalkane (เช่น nitroethane (H₃C-CH₂-NO₂)) โดยมีเบสที่เป็นสารประ amine (เช่น methyl amine (H₃C-NH₂) n-butyl amine (H₃C-(CH₂)₃-NH₂) cyclohexyl amine (C₆H₁₁-NH₂) เป็นต้น) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

Nitromethane (H₃C-NO₂) Nitroethane (H₃C-CH₂-NO₂) และ Nitropropane (H₃C-CH₂-CH₂-NO₂) มีการผลิตในระดับอุตสาหกรรมโดยใช้ปฏิกิริยาในเฟสแก๊สระหว่าง C₃H₈ กับ HNO₃

รูปที่ ๒ ลองดูซิว่าเริ่มต้นจากปฏิกิริยา Nitroaldol ระหว่าง Benzaldehyde กับ Nitroethane สุดท้ายจะลงเอยด้วยอะไร

ถ้าเราลองไล่การเกิดปฏิกิริยาตามรูปที่ ๒ ข้างบน (ผมเขียนขึ้นเองโดยเลียนแบบรูปที่ ๑ นะ) เริ่มจาก

(1) เริ่มจากปฏิกิริยา Nitroaldol ระหว่าง Benzaldehyde กับ Nitroethane โดยมีเบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา จะได้ผลิตภัณฑ์เป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นที่มีทั้งหมู่ -NO₂ และ -OH

(2) จากนั้นทำการกำจัดหมู่ -OH ด้วยปฏิกิริยา Dehydration จะเกิดพันธะคู่ -C=C-

(3) จากนั้นทำการรีดิวซ์พันธะคู่ -C=C- และหมู่ -NO₂ ด้วยปฏิกิริยา Reduction (ระวังอย่าให้วงเบนซีนถูกรีดิวซ์ไปด้วย) พันธะคู่ -C=C- จะกลายเป็นพันธะเดี่ยว -C-C- และหมู่ -NO₂ จะกลายเป็นหมู่ amino -NH₂ และได้ผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่ปรากฏในกรอบสี่เหลี่ยมสีแดง

อันที่จริงผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่ได้จะมีไอโซเมอร์แบบ Enantiomer เพราะมีอะตอม C ที่เป็น chiral centre อยู่หนึ่งอะตอม คืออะตอม C ตัวที่มีหมู่ -NH₂ และ -CH₃ เกาะอยู่ (อีกหมู่คือ -H)

คุ้นหน้าไหมว่าผลิตภัณฑ์สุดท้ายในกรอบสี่เหลี่ยมสีแดงคือสารอะไร ถ้านึกไม่ออกก็ลองย้อนกลับไปดูรูปที่ ๖ ของ Memoir ฉบับที่แล้วดูเอาเองก็แล้วกัน (Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๔๒๙ วันเสาร์ที่ ๓๑ มีนาคม ๒๕๕๕ เรื่อง "ปฏิกิริยา Dehydroxylation"

อย่างนี้จะสรุปได้ว่างานวิจัยของกลุ่มเราสามารถนำไปใช้ประโยชน์ในเชิงพาณิชย์ได้ไหมเนี่ย

ปฏิกิริยา Dehydroxylation MO Memoir : Saturday 31 March 2555

ปฏิกิริยา Hydration คือปฏิกิริยาการเติมน้ำเข้าไปในโมเลกุล ปฏิกิริยานี้ถ้าเกิดที่ตำแหน่งพันธะคู่ของอะตอมคาร์บอน (-C=C-) ก็จะได้หมู่ไฮดรอกซิล (-C-C(OH)-) แต่ถ้าเกิดที่วงอีพอกไซด์ (Epoxide) ก็จะได้ไกลคอล (-C(OH)-C(OH)-)

ในทางกลับกัน ปฏิกิริยา Dehydration คือปฏิกิริยาการดึงน้ำออกจากโมเลกุล ปฏิกิริยานี้ถ้าเกิดกับหมู่ไฮดรอกซิลที่อยู่โดดเดี่ยวบนสายโซ่คาร์บอนก็จะได้พันธะคู่ (-C=C-) ที่เกิดจากหมู่ -OH และอะตอมไฮโดรเจนจากอะตอมคาร์บอนที่อยู่เคียงข้างอะตอมคาร์บอนที่มีหมู่ -OH เกาะอยู่ แต่ถ้าเกิดระหว่างหมู่ -OH 2 หมู่ที่อยู่บนอะตอมคาร์บอนที่อยู่เคียงข้างกัน ก็จะได้วงอีพอกไซด์

ปฏิกิริยา Hydration และ Dehydration นี้บางทีก็หมายความรวมถึงเติม/ดึงโมเลกุล H₂O เข้า/ออกจากโมเลกุลสาร ในกรณีนี้น้ำที่เติมเข้าไปหรือดึงออกมานั้นเป็นน้ำในรูป H₂O ไม่เกี่ยวข้องกับการสร้างหรือทำลายหมู่ -OH อาจเรียกว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงจำนวนโมเลกุลของน้ำที่อยู่รวมกับสารตั้งต้นก็ได้

ปฏิกิริยา Hydroxylation คือปฏิกิริยาการเติมหมู่ -OH เข้าไปในโมเลกุล ความแตกต่างระหว่างปฏิกิริยานี้กับปฏิกิริยา Hydration คือในปฏิกิริยา Hydration นั้นทำการเติม H-OH กล่าวคือมีการเติมอะตอม H และ หมู่ -OH เข้าไปโมเลกุลสารตั้งต้น ซึ่งทำให้ได้สารใหม่ที่มีหมู่ -OH แต่ปฏิกิริยา Hydroxylation นั้นเป็นการทำให้สารตั้งต้นมีหมู่ -OH เกิดขึ้นโดยที่ไม่มีการเติมอะตอม H เข้าไปเพิ่ม เช่นในการเปลี่ยนเบนซีน (C₆H₆) ไปเป็นฟีนอล (C₆H₅OH) ด้วย H₂O₂ นั้นจะเห็นว่ามีจำนวนอะตอมไฮโดรเจนของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ยังคงเท่าเดิม แต่มีอะตอมออกซิเจนเพิ่มขึ้น 1 อะตอม (อันที่จริงเป็นการดึง H ออก 1 อะตอมและใส่ -OH เข้าไปแทน)

ในทางกลับกัน ปฏิกิริยา Dehydroxylation ก็คือปฏิกิริยาการกำจัดหมู่ -OH ออกจากโมเลกุลสารตั้งต้น ซึ่งมักจะเป็นการเปลี่ยน -OH ให้กลายเป็น -H โดยที่ไม่มีการทำให้เกิดพันธะคู่ (-C=C-)

Stereoisomer เป็นไอโซเมอร์ที่มีการจัดเรียงตัวของอะตอมในสามมิติที่แตกต่างกัน (คือเป็นสารที่มีสูตรทางเคมีและรูปร่างของโมเลกุลเหมือนกัน แต่ตำแหน่งที่เกาะของโมเลกุลแตกต่างกัน) สารที่เป็น stereoisomer ที่ไม่มีการเปลี่ยนโครงสร้างอย่างรวดเร็วจะมีเสถียรภาพเพียงพอที่จะแยกออกจากกันได้ ไอโซเมอร์ชนิดนี้เรียกว่า configuration isomer ในขณะที่ stereoisomer ที่สามารถเปลี่ยนโครงสร้างกลับไปกลับมาได้อย่างรวดเร็วโดยการหมุนของพันธะโควาเลนซ์จะเรียกว่า conformational isomer (ดูรูปที่ ๑ และ ๒)

Chiral isomer เป็น configurational isomer ที่มี chiral หรือ disymmetric molecule ถ้าหากโมเลกุลสองโมเลกุลเหมือนกันทุกประการ ทั้งสองโมเลกุลนั้นจะต้องสามารถวางซ้อนทับกันได้ทุกๆจุด แต่ในกรณีของ chiral molecule แล้วจะมีลักษณะเป็นภาพเงาในกระจกของกันและกัน ซึ่งเรียกกันว่า enantiomer ซึ่งไม่สามารถซ้อนทับกันได้

ในกรณีของสารประกอบคาร์บอน Chiral isomer จะเกิดขึ้นเมื่ออะตอมคาร์บอนมีหมู่ที่มาเกาะ 4 หมู่นั้นไม่เหมือนกันเลย เช่นในกรณีของ 2-Butanol H₃C-CH₂-C(OH)H-CH₃ จะเห็นว่าอะตอม C ตัวที่เน้นสีน้ำเงินนั้นมีหมู่มาเกาะ 4 หมู่ที่ไม่เหมือนกันคือ H₃C-CH₂-, -H, -OH และ -CH₃ ดังนั้น 2-Butanol จึงมี 2 ไอโซเมอร์ดังแสดงในรูปที่ ๓

อะตอมที่มีหมู่มาเกาะ 4 หมู่ไม่เหมือนกันนี้จะเรียกว่าเป็น chiral centre

รูปที่ ๑ การหมุนรอบพันธะระหว่างคาร์บอนอะตอมที่ 2 และ 3 ของโมเลกุลบิวเทน (C₄H₁₀) และการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของโมเลกุล

รูปที่ ๒ การบิดโครงสร้างวงแหวนของโมเลกุล cyclohexane (C₆H₁₂)

รูปที่ ๓ Chiral isomer ของโมเลกุล 2-butanol จะเห็นว่าโมเลกุล (ก) และ (ข) จะเป็นภาพในกระจกเงาของกันและกัน ทั้งสองโมเลกุลมีหมู่ฟังก์ชันที่เหมือนกัน และมีโครงสร้างโมเลกุลแบบเดียวกัน แต่ถ้าทำการบิดโมเลกุล (ก) ให้หมู่ -CH₂CH₃ หมู่ -H และอะตอม C ตัวที่มีหมู่มาเกาะ 4 หมู่นั้นให้อยู่ในตำแหน่งเดียวกัน (จะได้รูป (ค)) จะเห็นว่าหมู่ -OH และ -CH₃ จะอยู่ที่ตำแหน่งที่แตกต่างกัน กล่าวคือโมเลกุลไม่สามารถซ้อนทับกันได้ เปรียบเสมือนมือซ้ายและมือขวา (ในการอ่านรูปนี้ พันธะที่เป็นเส้นตรงทึบให้ถือว่าอยู่บนระนาบของกระดาษ พันธะที่เป็นสามเหลี่ยมทึบให้ถือว่ายื่นออกมาจากระนาบกระดาษ และพันธะที่เป็นสามเหลี่ยมประให้ถือว่ายื่นไปทางด้านหลังระนาบกระดาษ

ส่วนโมเลกุลที่ภาพเงาของมันนั้นเหมือนกับตัวมันเองจะเรียกว่ามีคุณสมบัติ achiral (reflection symmestry) โมเลกุลประเภทนี้จะไม่มี enantiomer

เมื่อโมเลกุลสารอินทรีย์เริ่มซับซ้อนมากขึ้น จำนวนของ chiral centre ในแต่ละโมเลกุลก็มีสิทธิ์ที่จะเพิ่มมากตามไปด้วย ที่เห็นเป็นประจำตอนเรียนเคมีหรือชีววิทยาคือกรณีโมเลกุลน้ำตาล เช่นน้ำตาล C6 ที่แสดงในรูปที่ ๔ ข้างล่าง

รูปที่ ๔ (ซ้าย) โมเลกุลของน้ำตาล D-Glucose แตกต่างจาก (ขวา) โมเลกุลของน้ำตาล D-Galactose ตรงการสลับตำแหน่งหมู่ -OH ที่ตีกรอบเอาไว้เพียงตำแหน่งเดียวเท่านั้น โมเลกุลของน้ำตาล C6 ดังกล่าวมี chiral centre 4 ตำแหน่ง

Pseudo- แปลว่าเทียม มักใช้ประกอบคำเพื่อให้มีความหมายว่าลอกเลียนแบบ ตัวอย่างเช่น Ephedrine และ Pseudoephedrine ทั้งสองเป็นโมเลกุลที่สามารถพบได้ในธรรมชาติในพืชบางชนิด แต่ส่วนใหญ่ที่ใช้ในปัจจุบันจะได้มาจากการสังเคราะห์ สารเคมีทั้งสองตัวนี้ถูกนำมาใช้ทางการแพทย์เป็นยาแก้แพ้และลดน้ำมูกในยาแก้หวัด โครงสร้างโมเลกุลของสารทั้งสองแสดงในรูปที่ ๕ ข้างล่าง

รูปที่ ๕ (คู่บน) Ephedrine และ (คู่ล่าง) pseudoephedrine ต่างมี chicral centre 2 อะตอมต่อโมเลกุล (ตรงเลข 1 และ 2 ที่กำกับอยู่ในรูป) ดังนั้นแต่ละโมเลกุลจึงมีไอโซเมอร์ได้ 2 แบบ (ภาพจาก www.en.wikipedia.org)

ที่น่าสนใจคือ ถ้ากำจัดหมู่ -OH ที่วงกลมแดงด้วยปฏิกิริยา dehydroxylation ให้กลายเป็น -H ได้จะเกิดอะไรขึ้น

คำตอบอยู่ในรูปที่ ๖ ในหน้าถัดไป

รูปที่ ๖ โครงสร้างโมเลกุลของ (บน) pseudoephedrine นำมาแสดงเพื่อเปรียบเทียบกับ (ล่างซ้าย) amphetamine และ (ล่างขวา) methamphetamine จะเห็นว่า methamphetamine แตกต่างจาก pseudoephedrine ตรงที่ไม่มีหมู่ -OH และถ้าเปลี่ยนหมู่ -CH₃ ที่เกาะอยู่กับอะตอม N ให้กลายเป็น -H ก็จะได้ amphetamine

ตอนนี้คงเห็นภาพแล้วนะว่า ทำไมถึงมีการหายไปของยาแก้หวัดที่ผสม pseudoephedrine จากโรงพยาบาล