การระเบิดหลังการเปิดใบพัดกวน (5-t-butyl-m-xylene) MO Memoir : Tuesday 3 January 2566

อยู่ดี ๆ เว็บJST Failure Knowledge Database หรือ www.shippai.org ก็หายไปดื้อ ๆ ไม่รู้จะกลับมาอีกหรือไม่ ถ้าไม่กลับมาก็คงน่าเสียดาย เพราะยังมีเหตุการณ์ต่าง ๆ ที่น่านำมาเล่าให้ฟังอีกเยอะ อย่างเช่นเรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้ นำมาจากบทความเรื่อง "Explosion of 5-t-butyl-m-xylene on restarting an agitator during the nitration reaction" ที่เป็นเหตุการณ์เกิดที่เมือง Osaka ประเทศญี่ปุ่น เมื่อวันที่ ๑๔ เมษายน ค.ศ. ๑๙๗๐ (พ.ศ. ๒๕๑๓)

ปฏิกิริยา Friedel-Crafts alkylation ของ m-xylene มีพฤติกรรมที่แปลกหน่อย คือแทนที่หมู่ alkyl ตัวที่ 3 ที่เติมเข้าไปจะเข้าที่ตำแหน่ง ortho หรือ para เมื่อเทียบกับหมู่ -CH₃ 2 หมู่ที่มีอยู่เดิม (ซึ่งจะทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ 1,2,3 หรือ 1,3,4 isomer แต่การแทนที่กลับเข้าที่ตำแหน่ง meta เมื่อเทียบกับหมู่ -CH₃ 2 หมู่ที่มีอยู่เดิม ทำให้ได้ 1,3,5 isomer เป็นผลิตภัณฑ์ (รูปที่ ๑) ซึ่งเรื่องนี้ได้เล่าไว้ใน Memoir ฉบับก่อนหน้านี้เมื่อวันเสาร์ที่ ๓๑ ธันวาคม ๒๕๖๕ เรื่อง "ปฏิกิริยาElectrophilic substitution ของ m-Xylene"

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยา Friedel-Crafts alkylation ของ m-xylene จะมีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย ทำให้หมู่ alkyl หมู่ใหม่ที่เติมเข้าไปเข้าไปที่ทำหน้า meta เมื่อเทียบกับหมู่ -CH₃ ที่มีอยู่เดิม ได้ 1,3,5 isomer เป็นผลิตภัณฑ์ แทนที่จะได้ 1,2,3 หรือ 1,3,4 isomer

5-t-butyl-m-xylene สังเคราะห์ได้จากปฏิกิริยา Friedel-Crafts alkylation ของ m-xylene ด้วย tert-butyl chloride โดยมี aluminium chloride (AlCl₃) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เมื่อนำ 5-t-butyl-m-xylene มาทำปฏิกิริยา nitration ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ 1-tert-Butyl-3,5-dimethyl-2,4,6-trinitrobenzene สารตัวนี้รู้จักกันในอีกชื่อหนึ่งคือ musk xylene ที่เคยใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมน้ำหอม (รูปที่ ๒) แต่ในปัจจุบันมีการใช้กันอย่างจำกัด

รูปที่ ๒ ปฏิกิริยา nitration ของ 5-t-butyl-m-xylene เนื่องจากหมู่ alkyl ทั้ง 3 หมู่เป็น ring activating group จึงทำให้หมู่ NO₂⁺ สามารถเข้าไปแทนที่อะตอม H ของวงแหวนที่เหลือยู่ 3 อะตอมได้หมด

กระบวนการผลิตของโรงงานที่เกิดอุบัตเหตุนั้นเริ่มจาก (รูปที่ ๓ - วาดขึ้นใหม่เพราะภาพาต้นฉบับไม่ชัด) การเติม H₂SO₄ และ HNO₃ เข้มข้น ผสมกันในถังผสม จากนั้นจึงค่อย ๆ เติม 5-t-butyl-m-xylene ลงไปเพื่อให้เกิดปฏิกิริยา โดยใช้เวลาในการเติมประมาณ 14-15 ชั่วโมงพร้อมทั้งทำการปั่นกวนของเหลวในถังผสมตลอดเวลา ในระหว่างการทำปฏิกิริยานี้จะคุมอุณหภูมิในถังผสมให้อยู่ในช่วง 35-45ºC โดยทำการวัดอุณหภูมิทุก ๆ 30 นาที (ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน รูปภาพประกอบของเอกสารต้นฉบับระบุอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาในช่วง 35-45ºC แต่ในเนื้อหาบทความกล่าวว่าเป็นช่วง 35-40ºC - รูปที่ ๔) เมื่อเติม 5-t-butyl-m-xylene จนครบจำนวนแล้วก็จะถ่ายสารผสมเข้าสู่กระบวนการถัดไปที่จะมีการเติมกรดกำมะถันลงไปอีก (ในรูปใช้คำว่า Fermentation ที่ถ้าแปลตรงตัวก็คือ "การหมัก" แต่ในที่นี้น่าจะหมายถึงการตั้งทิ้งไว้เพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดสมบูรณ์) ก่อนที่จะนำสารผสมนั้นไปแยกเอาผลิตภัณฑ์ออกมา

รูปที่ ๓ Process flow diagram ของกระบวนการผลิตที่เกิดอุบัติเหตุ พึงสังเกตุว่าใช้กรดไนตริก (HNO₃) เข้มข้นสูงที่เรียกว่า fuming nitric acid ในการทำปฏิกิริยา conc. HNO₃ ที่ใช้กันทั่วไปในห้องปฏิบัติการเคมีจะเข้มข้นเพียง 68-70 wt%

การทำงานในวันที่เกิดเหตุนั้นเป็นดังนี้

13.00 น ทำการเติมสารละลายกรดผสมเข้าไปใน reactor

13.30 น เริ่มทำการเติม 5-t-butyl-m-xylene เข้าไปใน reactor

18.30 น การตรวจสอบยืนยันว่าอุณหภูมิใน reactor อยู่ที่ 37ºC (แสดงว่ายังมีปฏิกิริยาเกิดอยู่ แต่ก็เป็นไปได้ว่าใบพัดกวนหยุดทำงานแล้ว เพราะอีก 20 นาทีถัดมาก็พบว่าระบบเย็นตัวลงมากเกินไปแล้ว)

18.50 น ตรวจพบว่าอุณหภูมิใน reactor ลดลงต่ำกว่า 34ºC แสดงว่าใบพัดกวนหยุดทำงาน (สารตั้งต้นเป็นโมเลกุลไม่มีขั้ว จะแยกชั้นกับสารละลายกรด จึงต้องทำการปั่นกวนเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างเฟส ปฏิกิริยาจึงจะเกิดได้ดี ถ้าหากใบพัดกวนหยุดทำงาน จะเกิดการแยกเฟสเป็นสองชั้น พื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างเฟสจะลดลงมาก ปฏิกิริยาจะเกิดได้ไม่ดี อุณหภูมิภายใน reactor ก็จะลดลง)

เมื่อพบว่าใบพัดกวนหยุดทำงาน จึงหยุดการเติม 5-t-butyl-m-xylene และเปิดการทำงานของใบพัดกวนใหม่ทันที แต่หลังจากนั้นโอเปอร์เรเตอร์ระลึกได้ว่าการเปิดการทำงานใบพัดกวนใหม่นั้นอาจทำให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว จึงทำการปิดการทำงานใบพัดกวนทันที แต่ในขณะนั้นเริ่มมีกลุ่มกควันสีเหลืองลอยออกมาจากช่องระบายแก๊สของ reactor โอเปอร์เรเตอร์จึงพยายามเข้าไปเปิดวาล์วทางด้านล่างของ reactor เพื่อระบายของเหลวในถังออก แต่ไม่สามารถกระทำได้เนื่องจากกลุ่มควันปกคลุม จากนั้นไม่กี่นาทีถัดมามีกลุ่มหมอกควันขาวพวยพุ่งออกมาก่อนที่จะเกิดการระเบิดและเพลิงงไหม้ตามมา แรงระเบิดทำให้ฝา reactor ปลิวออกไปไกลประมาณ 15 เมตรพร้อมทั้งการพังของตัว reactor

รูปที่ ๔ คำบรรยายเหตุการณ์ที่เกิด

ในเรื่อง "การระเบิดหลังการเปิดใบพัดกวน (Sulphonation reaction)" ที่เล่าไปเมื่อวันเสาร์ที่ ๑๐ ธันวาคม ๒๕๖๕ นั้น ก็เป็นเหตุการณ์ที่เกิดที่เมือง Osaka เช่นเดียวกัน (แต่ไม่รู้ว่าเกิดขึ้นในบริษัทเดียวกันหรือไม่) โดยเกิดเมื่อวันที่ ๓๐ สิงหาคม ค.ศ. ๑๙๗๐ หรือหลังจากเหตุการณ์นี้เพียงแค่ 4 เดือนครึ่ง และสองเหตุการณ์นี้ก็มีรูปแบบการทำปฏิกิริยา (การค่อย ๆ เติมสารตั้งต้นตัวหนึ่งลงไปในสารตั้งต้นอีกตัวหนึ่ง) และรูปแบบการเกิดอุบัติเหตุที่เหมือนกัน (พบว่าใบพัดกวนหยุดทำงาน จึงรีบเปิดการทำงานของใบพัดกวนทันที) ซึ่งเป็นการแสดงให้เห็นความสำคัญของการรีบค้นหาสาเหตุของความผิดพลาดและการเผยแพร่สาเหตุดังกล่าวให้ผู้อื่นรับทราบ เพื่อที่ผู้อืนจะได้ไม่ทำผิดพลาดเช่นเดียวกันซ้ำอีก

ปฏิกิริยา Electrophilic substitution ของ m-Xylene MO Memoir : Saturday 31 December 2565

ในเรื่องการแทนที่อะตอม H ตัวที่ 2 ของวงแหวนเบนซีนนั้น ตำราเคมีอินทรีย์ต่างกล่าวไว้ว่า ถ้าหมู่แรกที่เข้ามาแทนที่เป็นหมู่ที่สามารถจ่ายอิเล็กตรอนให้กับวงแหวน การแทนที่ครั้งที่ 2 จะเกิดที่ตำแหน่ง ortho (o-) หรือ para (p-) เป็นหลัก ส่วนที่ว่าการแทนที่ครั้งที่สองจะเกิดได้ง่ายกว่าหรือยากกว่า (เมื่อเทียบกับการแทนที่อะตอม H ตัวแรก) ก็ขึ้นอยู่กับว่าผลของการดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวนและจ่ายอิเล็กตรอนให้กับวงแหวนของหมู่แรก ผลอันไหนแรงกว่ากัน เช่นหมู่ -NH₂ และ -OH ที่อะตอม N และ O ต่างมีค่า electronegativity สูงกว่าของอะตอม C แต่ผลของการจ่ายอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวนั้นแรงกว่า จึงทำให้มันต่างเป็นหมู่ที่ทำให้การแทนที่ครั้งถัดไปเกิดได้ง่ายขึ้น (เป็น ring activating group) แต่ถ้าเป็นธาตุฮาโลเจนเช่น Cl และ Br ผลของการดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวนนั้นจะแรงกว่า จึงทำให้การแทนที่ครั้งถัดไปเกิดได้ยากขึ้น (เป็น ring deactivating group) ในกรณีของหมู่ alkyl นั้น มันไม่มีความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวน แต่สามารถจ่ายอิเล็กตรอนให้กับวงแหวนได้ มันจึงเป็น ring activating group ที่ทำให้การแทนที่ครั้งที่สองเกิดที่ตำแหน่ง o- และ p- เป็นหลัก

ส่วนการแทนที่ครั้งที่สองจะเกิดที่ตำแหน่ง o- หรือ p- มากกว่ากันนั้น ขึ้นอยู่กับขนาดและรูปร่างของหมู่แรกที่เข้ามาแทนที่และหมู่ที่สองที่จะเติมเข้ามา ถ้าทั้งสองหมู่มีขนาดเล็ก การแทนที่ครั้งที่สองจะเกิดที่ตำแหน่ง o- มากกว่า p- (เพราะตำแหน่ง o- มี 2 ตำแหน่ง) แต่ถ้าทั้งสองหมู่มีขนาดใหญ่และ/หรือมีกิ่งก้าน (โดยเฉพาะตรงอะตอมที่เกาะเข้ากับวงแหวน) การแทนที่ครั้งที่สองอาจเกิดที่ตำแหน่ง p- อย่างเดียวโดยไม่เกิดที่ตำแหน่ง o- เลยก็ได้ เพราะหมู่ที่สองจะไม่สามารถเข้าไปหาอะตอม C ของวงแหวนตัวที่อยู่เคียงข้างอะตอม C ตัวที่มีหมู่แรกเกาะอยู่ (เรียกว่า steric hindrance effect)

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยา nitration (แถวบน) และ sulphonation ของ m-xylene ทั้งสองปฏิกิริยานี้จะได้ 1,2,3 isomer และ 1,3,4 isomer เป็นหลัก โดยแทบจะไม่เกิด 1,2,5 isomer เลย (อะตอม C ตัวที่ 1 คือตัวด้านบนที่มีหมู่ -CH₂ เกาะอยู่ ตัวถัดไปนับในทิศทางตามเข็มนาฬิกา)

ถ้าเป็นการแทนที่ตำแหน่งที่ 3 ความว่องไวในการแทนที่ (เมื่อเทียบกับครั้งที่สอง) และตำแหน่งที่จะเข้าแทนที่จะขึ้นอยู่กับสองหมู่แรกที่มาเกาะนั้นส่งผลอย่างไร ถ้าส่งผลในทิศทางเดียวกันการพิจารณาก็จะง่ายหน่อย แต่ถ้าส่งผลในทิศทางหักล้างกัน ก็ต้องไปดูว่าหมู่ไหนมีความแรงมากกว่ากัน ในกรณีของ m-xylene (หรือ 1,3-dimethylbenzene) หมู่ -CH₃ เป็น ring activating group จึงทำให้การแทนที่ครั้งที่สามเกิดได้ง่ายขึ้น เวลาทำปฏิกิริยา nitration หรือ sulphonation ผลิตภัณฑ์ที่ได้จึงเป็น 1,2,3 isomer และ 1,3,4 isomer โดยไม่มี 1,3,5 isomer

ในปฏิกิริยา nitration นั้น สารที่เข้าทำปฏิกิริยาคือ nitronium ion [NO₂]⁺ ที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่าง H₂SO₄ เข้มข้นกับ HNO₃ เข้มข้น ส่วนปฏิกิริยา sulphonation นั้น สารที่เข้าทำปฏิกิริยาคือ SO₃ ที่อาจเป็นแก๊ส SO₃ ละลายอยู่ในกรดกำมะถันเข้มข้น (สารละลายนี้เรียกว่า oleum หรือ H₂SO₄.SO₃) หรือ SO₃ ที่เกิดจากการสลายตัวของกรดกำมะถันเมื่ออุณหภูมิสูงพอ ปรกติอะตอม N ก็มีค่า electronegativity สูงกว่าอะตอม C อยู่แล้ว พอมีอะตอม O มาเกาะอีก 2 อะตอมก็เลยทำให้มันมีความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนแรงขึ้นไปอีก ส่วนอะตอม S มีค่า electronegativity สูงกว่าอะตอม C ไม่มาก แต่ด้วยการที่มันมีอะตอม O มาเกาะถึง 3 อะตอม ก็เลยทำให้มันมีความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนสูงพอที่จะไปดึง pi electron ของวงแหวนเบนซีนมาสร้างพันธะได้

รูปที่ ๒ ผลการทดลองจากวารสาร Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 46, No. 4 หน้า 728 ปีค.ศ. 1954

ในกรณีของปฏิกิริยา nitration และ sulphonation ของ m-xylene นั้น พบว่าการแทนที่ครั้งที่ 3 จะเข้าที่ตำแหน่ง 2 (เกิดเป็น 1,2,3 isomer) หรือตำแหน่ง 4 (เกิดเป็น 1,2,4 isomer) โดยไม่เกิดการแทนที่ที่ตำแหน่ง 5 (ที่ทำให้เกิด 1,3,5 isomer) (รูปที่ ๑-๓) หรือเกิดน้อยมาก (รูปที่ ๔) โดยตำแหน่ง 2 นั้นเป็นตำแหน่ง o- เมื่อเทียบกับหมู่ -CH₃ ทั้งสอง ส่วนตำแหน่ง 4 นั้นเป็นตำแหน่ง o- เมื่อเทียบกับหมู่ -CH₃ ที่ตำแหน่ง 1 และตำแหน่ง p- เมื่อเทียบกับหมู่ -CH₃ ที่ตำแหน่ง 4 ซึ่งเห็นได้ว่าไม่มีความขัดแย้งเรื่องตำแหน่งที่เข้าแทนที่ 

รูปที่ ๓ ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ aromatic monosulfonic acid จะเห็นว่าในกรณีของ m-xylene นั้นไม่เกิด 1,3,5 isomer (คือเกิดเฉพาะ 1,3-xylene-2-sulfonic acid และ 1,3-xylene-4-sulfonic acid) ในที่นี้ 1,2-xylene คือ o-xylene, 1,3-xylene คือ m-xylene และ 1,4-xylene คือ p-xylene

รูปที่ ๔ บทความนี้เป็นปฏิกิริยา sulfonation ของ m-xylene ด้วยกรดกำมะถัน มีการตรวจพบการเกิด 1,3,5 isomer เล็กน้อย ซึ่งในทางปฏิบัตินั้นก็มึความเป็นไปได้ ถ้าหากอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาสูงเพียงพอ

ปฏิกิริยา alkylation หรือการเติมหมู่ alkyl ไปที่วงแหวนเบนซีนนั้นจะยุ่งยากกว่า เพราะต้องหาทางทำให้อะตอม C ของหมู่ alkyl ที่จะไปเกาะกับวงแหวนนั้นมีความเป็น (+) มากพอที่จะไปดึงอิเล็กตรอนของวงแหวนมาสร้างพันธะได้

โดยปรกติอะตอม C ที่มีอะตอมฮาโลเจน (เช่น Cl) เกาะอยู่ 1 อะตอม ก็มีความเป็น (+) มากพอที่จะไปดึงอิเล็กตรอนจากหมู่ที่มีอิเล็กตรอนมากได้หลายหมู่ (เช่นพันธะคู่ C=C) แต่ความเป็น (+) ก็ยังไม่แรงพอที่จะไปดึง pi electron ของวงแหวนเบนซีน แต่ถ้าทำให้เกิดเป็น carbocation ได้ (เช่นโดยการดึงอะตอมฮาโลเจนออกมาในรูปของ X^- หรือหมู่ -OH ออกมาในรูปของ OH^- หรือด้วยการเติม H⁺ เข้าไปที่พันธะคู่ C=C) carbocation ที่เกิดขึ้นก็สามารถไปดึงเอา pi electron ของวงแหวนเบนซีนมาสร้างพันธะได้

รูปที่ ๕ ตัวอย่างบทความที่กล่าวถึงการเข้าแทนที่ที่ตำแหน่งที่ไม่ปรกติ (คือเป็นตำแหน่ง m- เมื่อเทียบกับหมู่ -CH₃ ทั้งสองหมู่ของ m-xylene)

แต่ที่แปลกก็คือ ในกรณีของปฏิกิริยา alkylation นั้น มีการตรวจพบการเกิด 1,3,5 isomer มาก (คือหมู่ alkyl เข้าแทนที่ที่ตำแหน่ง m- เมื่อเทียบกับหมู่ -CH₃ ที่เกาะอยู่ก่อนหน้า) หรือในบางกรณีนั้นพบว่าผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่ที่เกิดจะเป็น 1,3,5 isomer แทนที่จะเป็น 1,2,3 isomer หรือ 1,3,4 isomer (ดังตัวอย่างที่นำมาแสดงในรูปที่ ๕) คำอธิบายหนึ่งที่มีการนำมาอธิบายคือ steric hindrance effect ที่เกิดจากรูปร่างโมเลกุลของหมู่ alkyl แต่คำอธิบายนี้ก็ไม่ตอบคำถามว่าทำไมหมู่ alkyl เดียวกัน จึงเข้าที่ตำแหน่งแตกต่างกันได้ ด้วยการปรับแต่งส่วนผสมตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้

สิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาที่นำมาแสดงในรูปที่ ๖ ให้ข้อมูลที่น่าสนใจ ในเอกสารนี้เป็นปฏิกิริยาการเติมโพรพิลีน (H₃C-CH=CH₂ หรือโพรพีน) ให้กับ m-xylene โดยใช้ AlCl₃ เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (AlCl₃ เป็น Lewis acid ที่แรงตัวหนึ่ง สภาพปรกติจะเป็นของแข็งที่ละลายน้ำได้) ที่น่าสนใจก็คือเอกสารนี้รายงานว่า ในกรณีที่ใช้ AlCl₃ ที่เป็นของแข็ง ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะเป็น 1,3,5 isomer เกือบทั้งหมด (ตรง Test No. 1 ของ Table I ในรูปที่ ๖) ซึ่งเป็นตำแหน่ง m- ซึ่งเป็นตำแหน่งที่ขัดแย้งเมื่อเทียบหมู่ -CH₃ ทั้งสองหมู่ที่มีอยู่เดิม แต่พอมีการเติมน้ำเข้าไปมากขึ้น การเกิด 1,3,5 isomer จะลดลง และเกิด 1,3,4 isomer เป็นหลักแทน ซึ่งเป็นการแทนที่ที่ไม่ขัดแย้งกับตำแหน่งหมู่ -CH₃ ทั้งสองหมู่ที่มีอยู่เดิม สาเหตุหนึ่งที่น่าจะเป็นไปได้ที่ทำให้ได้ผลออกมาแตกต่างกันคือรูปร่างของ carbocation ที่เกิดขึ้นนั้นไม่เหมือนกัน

รูปที่ ๖ สิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเกี่ยวกับปฏิกิริยาการเติมหมู่ isopropyl ให้กับ m-xylene การทำปฏิกิริยาใช้การปั่นกวน m-xylene กับ AlCl₃ ก่อน (โดยอาจมีน้ำร่วม) จากนั้นถึงค่อยเติมโพรพิลีนลงไป ในเอกสารนี้นับอะตอม C ตัวที่มีหมู่ isopropyl เกาะเป็นตัวที่ 1 ดังนั้นถ้าเรียกชื่อแบบเดียวกับเอกสารในรูปที่ ๔ สาร 1,2,4-isopropyl xylene ในเอกสารนี้ก็จะเป็น 1,3-xylene-4-isopropyl ตามการเรียกชื่อของเอกสารในรูปที่ ๔)

ในสภาวะที่ไม่มีน้ำนั้น โพรพิลีนควรจะเกิดเป็น isopropyl carbocation ที่เกาะ (หรือถูกดูดซับ) อยู่บนผิว AlCl₃ ที่เป็นของแข็ง แต่ในสภาวะที่มีน้ำนั้น โพรพิลีนจะเกิดเป็น isopropyl carbocation อิสระ (H₃C-CH⁺-CH₃) ก่อนเข้าทำปฏิกิริยากับ m-xylene โดย isopropyl carbocation ที่เกาะบนพื้นผิวของแข็งจะมีข้อจำกัดในการเข้าถึงมากกว่า เพราะมีพื้นผิวของแข็งบดบังไว้ด้านหนึ่ง (รูปที่ ๗)

รูปที่ ๗ isopropyl carbocation (ซ้าย) เมื่อเกาะบน AlCl₃ และ (ขวา) เมื่ออยู่อย่างอิสระในสารละลาย

การระเบิดหลังการเปิดใบพัดกวน (o-Nitroanisole) MO Memoir : Saturday 3 December 2565

ปฏิกิริยาคายความร้อนเป็นปฏิกิริยาที่เร่งตนเองได้ เพราะความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมาจะไปทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มสูงขึ้น ทำให้อัตราการปลดปล่อยความร้อนเพิ่มขึ้นตาม ดังนั้นถ้าไม่มีการจัดการกับความร้อนที่ปฏิกิริยาปลดปล่อยออกมาให้ดี ก็อาจะเกิดการระเบิดได้

โดยหลักการ การจัดการกับความร้อนที่ปฏิกิริยาปลดปล่อยออกมาทำได้โดยการไม่ให้มีการเกิดปฏิกิริยาที่มากเกินไป (คือให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นอย่างช้า ๆ หรือเกิดขึ้นเร็วแต่ในปริมาณน้อย ๆ) ซึ่งมีอยู่ด้วยกันหลายวิธี เช่นการใช้อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาที่สูงเพียงแค่ให้ปฏิกิริยาเกิดในระดับที่ยังสามารถควบคุมการปลดปล่อยความร้อนได้ ตัวอย่างของกรณีนี้ได้แก่ปฏิกิริยาการเกิดไฮโดรเจนให้กับอะเซทิลีน (acetylene C₂H₂) เพื่อเปลี่ยนอะเซทิลีนให้กลายเป็นเอทิลีน (ethylene C₂H₄) ที่เรียกว่าปฏิกิริยา acetylene hydrogenation ที่ต้องการอุณหภูมิที่สูงเพียงพอที่จะทำให้ปฏิกิริยาเกิดได้ แต่ต้องไม่สูงจนทำให้เอทิลีนเกิดปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจนร่วมหรือสลายตัว

การให้ปฏิกิริยาเกิดในตัวทำละลายก็เป็นอีกแนวทางหนึ่ง ในกรณีนี้สารตั้งต้นจะถูกเจือจาง และตัวทำละลายจะทำหน้าที่เป็นแหล่งรับความร้อนทำให้อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาไม่เพิ่มมากเกินไป ตัวอย่างหนึ่งของการทำปฏิกิริยาแบบนี้ได้แก่การพอลิเมอร์ไรซ์เอทิลีนหรือโพรพิลีนในสเลอรรี่เฟส (slurry phase) ที่ใช้ไฮโดรคาร์บอนเฉื่อยเป็นตัวทำละลายและแหล่งรับความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมา

อีกแนวทางหนึ่งคือการจำกัดปริมาณสารตั้งต้นตัวหนึ่งให้มีในปริมาณที่น้อยเมื่อเทียบกับอีกตัวหนึ่ง เช่นการค่อย ๆ เติมสารตั้งต้นตัวที่สองทีละน้อย ๆ เข้าไปในระบบที่มีสารตั้งต้นตัวแรกรออยู่ ถ้าพบว่าอุณหภูมิของระบบมีแนวโน้มที่จะเพิ่มมากเกินไปก็จะลดหรือหยุดการเติมสารตั้งต้นตัวที่สอง

 

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้อง

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจาก http://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1000106.html ในหัวข้อเรื่อง "Explosion due to delayed start of agitation at the start-up of reaction of o-nitrochlorobenzene" ที่เป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นที่เมือง Wakayama ประเทศญี่ปุ่นเมื่อวันที่ ๑๘ กรกฎาคม ปีค.ศ. ๑๙๗๓ (พ.ศ. ๒๕๑๖) ซึ่งเกี่ยวข้องกับการควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยารูปแบบสุดท้าย

o-nitroanisole เตรียมได้จากการเปลี่ยนอะตอม Cl ของ o-nitrochlorobenzene ให้กลายเป็นหมู่ -OCH₃ ด้วยการทำปฏิกิริยากับเมทานอล (CH₃OH) และโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) (รูปที่ ๑) ทั้ง o-nitrochlorobenzene และ o-nitroanisole เป็นสารที่ไม่ละลายน้ำและมีความหนาแน่นสูงกว่าน้ำ ในขณะที่เมทานอลและโซเดียมไฮดรอกไซด์นั้นเป็นเฟสมีขั้ว กระบวนการผลิต (รูปที่ ๒) เริ่มจากการละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ในเมทานอลก่อน จากนั้นจึงส่งสารละลายที่ได้เข้าสู่ถังปฏิกิริยา แล้วจึงค่อย ๆ เติม o-nitrochlorobenzene ลงไป เนื่องจากสารตั้งต้นทั้งสองชนิดไม่ละลายเป็นเนื้อเดียวกัน จึงจำเป็นต้องมีการปั่นกวนเพื่อให้ o-nitrochlorobenzene กระจายตัวเป็นหยดเล็ก ๆ ซึ่งเป็นการเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างเฟส (ปฏิกิริยาจะเกิดตรงพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างเฟส)

 

รูปที่ ๒ แผนผังกระบวนการผลิต

ตรงนี้ขอแทรกเกร็ดความรู้เคมีอินทรีย์นิดนึง (เผื่อจะมีใครเอาไปใช้เป็นข้อสอบ) o-nitrochlorobenzene เตรียมได้จากการนำเบนซีน (benzene C₆H₆) มาทำปฏิกิริยา chlorination ให้เป็น chlorobenzene (C₆H₅Cl) ก่อน จากนั้นจึงนำ chlorobenzene มาทำปฏิกิริยา nitration กับกรดไนตริก (HNO₃) เพื่อให้ได้ nitrochlorobenzene ซึ่งจะมีอยู่ด้วยกัน 2 ไอโซเมอร์คือ ortho- และ para- เนื่องจากตัวอะตอม Cl เองเป็น ring deactivating group และหมู่ -NO₂ ที่เข้าไปทีหลังก็เป็น deactivating group ที่แรง ดังนั้นโอกาสที่หมู่ -NO₂ หมู่ที่สองจะเข้าไปแทนที่จึงเกิดได้ยาก

อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวของอะตอมฮาโลเจนนั้นสามารถเกิด resonance กับ pi-electron ของวงแหวน จะทำให้การแทนที่อะตอมฮาโลเจนบนวงแหวนเบนซีนด้วยหมู่อื่นนั้นเกิดได้ยากเมื่อเทียบกับสารประกอบอัลคิลเฮไลด์ (คืออะตอมฮาโลเจนเกาะกับอะตอม C ที่ไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างวงแหวนเบนซีน) แต่ถ้ามีหมู่ดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวนที่แรง (หมู่ -NO₂ ก็มีคุณสมบัติเช่นนี้) อยู่ที่ตำแหน่ง ortho- หรือ para- หมู่เหล่านี้จะไปทำลายความเป็น resonance จะทำให้การแทนที่อะตอมฮาโลเจนทำได้ง่ายขึ้น อย่างเช่นในกระบวนการนี้ (เส้นทาง (1) ในรูปที่ ๓) เบสที่แรงจะเข้าไปดึง H⁺ ออกจากเมทานอลเกิดหมู่ methoxide H₃CO^- ที่จะเข้าไปแทนที่ Cl^- ก็จะได้ o-nitroanisole ออกมา

ในทางทฤษฎียังสามารถเตรียม o-nitroanisole ผ่านเส้นทางฟีนอล (phenol C₆H₅-OH) คือเริ่มจากนำเบนซีนไปผลิตเป็นฟีนอลก่อน (กระบวนการหลักในปัจจุบันคือ cumene process) (เส้นทาง (2) ในรูปที่ ๓) จากนั้นจึง (เส้นทาง (2.1)) เปลี่ยนอะตอม H ที่หมู่ -OH ให้กลายเป็น -CH₃ (ปฏิกิริยา Williamson's ether synthesis) แล้วจึงค่อยทำปฏิกิริยา nitration หรือ (เส้นทาง (2.2)) เอาฟีนอลมาทำปฏิกิริยา nitration ก่อนให้ได้ o-nitrophenol แล้วจึงค่อยเปลี่ยนอะตอม H ที่หมู่ -OH ให้กลายเป็น -CH₃ (ด้วยปฏิกิริยา Williamson's ether synthesis เช่นกัน) ซึ่งถ้าเทียบกับเส้นทาง (1) แล้ว จะเห็นว่าจำนวนครั้งที่ต้องทำปฏิกิริยานั้นเท่ากัน (คิดเริ่มต้นจากเบนซีน) แต่เขาไม่ยักใช้เส้นทาง (2)

ปัญหาของเส้นทาง (2) ก็คือ ทั้ง -OH และ -OCH₃ ต่างเป็น ring activating group ที่แรง ดังนั้นตอนทำปฏิกิริยา nitration แทนที่จะมีหมู่ -NO₂ เข้าแทนที่เพียงแค่หมู่เดียว (โดยอาจเป็นที่ตำแหน่ง ortho หรือ para) ก็จะการเกิดการแทนที่ถึง 3 ตำแหน่งแทน (ortho 2 ตำแหน่งและ para 1 ตำแหน่ง)

รูปที่ ๓ แนวทางการสังเคราะห์ o-nitroanisole โดยเริ่มจากเบนซีน

ทีนี้เรากลับมาดูเรื่องราวของเราว่าในวันที่เกิดเหตุนั้น มีเหตุการณ์อะไรเกิดขึ้นบ้าง ตรงนี้ขอแปลลำดับเวลาเหตุการณ์ตามบทความต้นฉบับ

01:00 ล้างถังปฏิกรณ์ เติมเมทานอลเข้าถัง

02:00 เติมโซเดียมไฮดรอกไซด์เข้าไปในถัง

02:15 เดินเครื่องใบพัดกวน (เพื่อละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์) และเริ่มเปิดน้ำหล่อเย็นเข้าระบบ (ความร้อนจากการละลายของโซเดียมไฮดรอกไซด์)

06:00 ใบพัดกวนหยุดทำงาน ปิดน้ำหล่อเย็น พบว่ามอเตอร์ใบพัดกวนเสีย จึงเริ่มการทำงานเพื่อเปลี่ยนมอเตอร์

07:30 การถอดมอเตอร์ที่เสียเสร็จสมบูรณ์

08:00 เปลี่ยนกะทำงาน (คนทำงานชุดใหม่เข้ามา)

08:40-08:50 เติม o-nitrochlorobenzene เข้าถังปฏิกรณ์

09:30-10:00 ทำการติดตั้งมอเตอร์ตัวใหม่ให้กับใบพัดกวน

10:00 เริ่มเดินเครื่องใบพัดกวนใหม่

10:20 ป้อนไอน้ำเพื่อเพิ่มอุณหภูมิระบบ

10:40 พบอุณหภูมิสูงเกิน หยุดการป้อนไอน้ำ แต่อุณหภูมิระบบยังเพิ่มไม่หยุด

11:00 เริ่มการหล่อเย็น แต่อุณหภูมิระบบยังเพิ่มไม่หยุดเช่นเดิม

11:05 เกิดการพุ่งของสารในถังปฏิกรณ์ออกทางวาล์วระบายความดันและ manhole ที่เปิดอยู่ ตามด้วยการเกิดเพลิงไหม้และการระเบิด

ในการทำงานตามปรกตินั้น ในขณะที่ทำการปั่นกวนอยู่ o-nitrochlorobenzene ที่ค่อย ๆ เติมเข้าไปจะถูกตีกระจายเป็นหยดของเหลวเล็ก ๆ แขวนลอยในเมทานอล และเกิดปฏิกิริยาจนหมดไป (คือในถังปฏิกรณ์ไม่ได้มี o-nitrochlorobenzene สะสมอยู่ในปริมาณมาก) แต่ในเหตุการณ์นี้ มีการเติม o-nitrochlorobenzene เข้าไปในถังปฏิกรณ์ในขณะที่ยังทำการซ่อมแซมใบพัดกวนอยู่ ดังนั้น o-nitrochlorobenzene ที่เติมเข้าไปจะจมลงไปรวมตัวกันทางด้านล่างของถังปฏิกรณ์ ในถังจึงมีสารละลายแยกเฟสกันอยู่สองชั้น

เมื่อเริ่มทำการเดินเครื่องใบพัดกวนใหม่ การปั่นกวนจะทำให้ o-nitrochlorobenzene กระจายตัวเป็นหยดของเหลวเล็ก ๆ แขวนลอยในเมทานอลเต็มไปหมด (คือในถังปฏิกรณ์มี o-nitrochlorobenzene สะสมอยู่ในปริมาณมาก) และเมื่อป้อนไอน้ำเพื่อเพิ่มอุณหภูมิให้สูงพอที่ปฏิกิริยาจะเกิด ปฏิกิริยาจึงเกิดขึ้นมาก ความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมามากเกินกว่าความสามารถของระบบหล่อเย็น ทำให้เกิดการเดือดของเมทานอล (ที่ทำให้ความดันในถังเพิ่มสูงขึ้นจนวาล์วระบายความดันเปิดออก และมีบางส่วนฉีดพุ่งออกมาจากทาง manhole - ว่าแต่ทำไมถึงมีการเปิด manhole ทิ้งไว้ก็ไม่รู้เหมือนกัน)

หลังเหตุการณ์นี้มีหลายคำแนะนำเกิดเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดเหตุการณ์ทำนองเดียวกันนี้อีก เช่น

- ติดตั้งระบบ interlock ที่จะทำให้ไม่สามารถป้อน o-nitrochlorobenzene เข้าถังปฏิกรณ์ได้ ถ้าหาก "ใบพัดกวน" หยุดทำงาน

- ติดตั้ง blow down vessel ขนาดใหญ่พอที่จะรองรับสารในถังได้ เพื่อเจือจางและลดอุณหภูมิสารในถังเพื่อหยุดปฏิกิริยา (คือติดตั้งถังขนาดใหญ่ ถ้าพบว่าความดันเพิ่มสูงเกินที่จะควบคุมได้ ก็เปิดวาล์วระบายของเหลวในถังปฏิกรณ์ลงสู่ blow down vessel ใบนี้ โดยในตัว blow down vessel เองก็อาจมีตัวทำละลายอยู่ภายใน ที่ทำหน้าที่เป็นแหล่งรับความร้อนจากปฏิกิริยาที่เกิด)

ที่ไฮไลท์ "ใบพัดกวน" ข้างบนก็เพราะเห็นว่ามันมีประเด็นที่ต้องพิจารณาเพิ่มเติมอยู่ การแยกเฟสมันจะเกิดขึ้นถ้าไม่มีการปั่นกวน แล้วเราจะรู้ได้อย่างไรว่าก่อนที่จะทำการเติม o-nitrochlorobenzene นั้นในถังมีการปั่นกวนอยู่หรือไม่ ตรงนี้สามารถดูได้จาก "ปริมาณกระแสไฟฟ้า" ที่ไหลเข้ามอเตอร์ ถ้าหากไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลเข้ามอเตอร์เลย ก็แสดงว่ามอเตอร์หยุดทำงาน แต่การที่มีกระแสไฟฟ้าไหลเข้ามอเตอร์ ก็ไม่ได้ว่าจะมีการปั่นกวนเกิดขึ้นเสมอไป เพราะถ้าหากใบพัดกวนนั้นหลุดจากเพลา มอเตอร์จะยังคงหมุนอยู่ แต่ไม่มีการปั่นกวนเกิดขึ้น (เพราะใบพัดหลุดไปแล้ว) แต่ "ปริมาณ" กระแสที่ไหลเข้ามอเตอร์จะลดลง (มอเตอร์หมุนตัวเปล่า ไม่มีแรงต้านทานการหมุนมากเหมือนตอนมีใบพัดกวน) ดังนั้นการพิจารณาว่ามีการปั่นกวนเกิดขึ้นหรือไม่ด้วยการดูเพียงแค่ว่ามีหรือไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลเข้ามอเตอร์จึงไม่น่าจะเพียงพอ จึงควรต้องดูปริมาณกระแสประกอบด้วย

Electrophilic substitution ตำแหน่งที่ 2 บนวงแหวนเบนซีน ตอน ผลของอุณหภูมิการทำปฏิกิริยา MO Memoir : Thursday 21 January 2564

ปฏิกิริยา electrophilic substitution ตำแหน่งที่ 2 บนวงแหวนเบนซีนนั้นมีเรื่องเข้ามาเกี่ยวข้อง 2 เรื่องด้วยกัน เรื่องแรกคือการแทนที่ครั้งที่สองนี้จะเกิดได้ง่ายกว่าหรือยากกว่าเมื่อเทียบกับการแทนที่ครั้งแรกของวงแหวนเบนซีน และเรื่องที่สองก็คือตำแหน่งที่จะเกิดการแทนที่ครั้งที่สองว่าจะอยู่ที่ตำแหน่งไหนเมื่อเทียบกับตำแหน่งการแทนที่ครั้งแรก

สิ่งที่เราเห็นกันในตำราอินทรีย์เคมีนั้นก็คือ ถ้าหมู่ที่มาเกาะหมู่แรกนั้นเป็นหมู่ที่สามารถจ่ายอิเล็กตรอนให้กับวงแหวนเบนซีนได้ การแทนที่ครั้งที่สองชอบที่จะเกิดที่ตำแหน่ง ortho (หรือ 1,2-) หรือ para (หรือ 1,4-) มากกว่าที่ตำแหน่ง meta (หรือ 1,3-) ด้วยเหตุผลที่ว่าประจุ + ของ carbocation ที่เป็นสารมัธยันต์ (intermediate) ระหว่างการเกิดปฏิกิริยานั้นสามารถถูกสะเทิน (ได้บางส่วน) จากการจ่ายอิเล็กตรอนของหมู่แรกที่มาเกาะก่อน (รูปที่ ๑) ทำให้สารมัธยันต์ตัวนี้มี "เสถียรภาพ" สูงกว่ากรณีของการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta ที่หมู่ที่สามารถจ่ายอิเล็กตรอนนั้นไม่มีโอกาสที่จะจ่ายอิเล็กตรอนเพื่อลดทอนความเป็น + ของ carbocation

แต่ถ้าหมู่แรกที่มาเกาะนั้นเป็นหมู่ที่ดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวน การแทนที่ครั้งที่สองชอบที่จะเกิดที่ตำแหน่ง meta มากกว่า เพราะประจุ + ของ carbocation นั้นจะไม่เคลื่อนย้ายไปตรงกับอะตอม C ที่มีหมู่ดึงอิเล็กตรอนเกาะอยู่ (รูปที่ ๒) จึงไม่เกิดการผลักกันของอะตอมที่มีประจุ +

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยาการแทนที่ด้วย electrophile (สารที่ชอบอิเล็กตรอน) บนวงแหวนเบนซีนของโทลูอีน การแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho- หรือ para- ทำให้ตำแหน่งที่เป็นประจุบวกของ carbocation ที่เกิดขึ้นเคลื่อนย้ายไปตรงตำแหน่งอะตอม C ที่มีหมู่ -CH₃ เกาะอยู่ ทำให้หมู่ -CH₃ สามารถจ่ายอิเล็กตรอนชดเชยความเป็นบวก carbocation จึงมีเสถียรภาพสูงกว่า (หรือมีพลังงานต่ำกว่า) กรณีการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta ที่หมู่ -CH₃ ไม่สามารถจ่ายอิเล็กตรอนชดเชยความเป็นบวก

รูปที่ ๒ ปฏิกิริยาการแทนที่ด้วย electrophile บนวงแหวนเบนซีนของไนโตรเบนซีน การแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho- หรือ para- ทำให้ตำแหน่งที่เป็นประจุบวกของ carbocation ที่เกิดขึ้นเคลื่อนย้ายไปตรงตำแหน่งอะตอม C ที่มีหมู่ -NO₂ เกาะอยู่ แต่ด้วยการที่อะตอม N ของหมู่ -NO₂ นั้นมีความเป็น + อยู่แล้ว จะทำให้เกิดการผลักกันระหว่างอะตอมที่มีความเป็น + สองอะตอม carbocation จึงมีเสถียรภาพต่ำกว่า (หรือมีพลังงานสูงกว่า) กรณีการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta ที่ไม่เกิดการผลักกันของอะตอมที่มีความเป็น + สองอะตอม

เวลาที่เจอคำว่า "เสถียรภาพ" (หรือ stability) ในตำราอินทรีย์เคมี มักจะหมายถึงเสถียรภาพในสภาพแวดล้อมที่มี "พลังงานต่ำ" โครงสร้างที่ตำราอินทรีย์เคมีบอกว่ามีเสถียรภาพสูงนั้น สามารถทำให้กลายเป็นโครงสร้างที่มีเสถียรภาพต่ำได้ถ้าหากสภาพแวดล้อมนั้นมีพลังงานสูง ซึ่งทำให้โครงสร้างที่มีเสถียรภาพต่ำที่ตำราอินทรีย์เคมีบอกไว้กลายเป็นโครงสร้างที่มีเสถียรภาพสูงแทน ที่เห็นได้ชัดในอุตสาหกรรมคือการสังเคราะห์พอลิเอทิลีนความหนาแน่นต่ำที่กลไกการเกิดปฏิกิริยาเป็นแบบอนุมูลอิสระ (free radical polymerisation) ในตำราอินทรีย์เคมีนั้นจะบอกว่าอนุมูลอิสระชนิด tertiary จะมีเสถียรภาพสูงสุดในขณะที่อนุมูลอิสระแบบ primary มีเสถียรภาพต่ำสุด แต่ด้วยการใฃ้สภาวะการทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิและความดันที่สูง ทำให้อนุมูลอิสระชนิด primary เป็นตัวที่มีเสถียรภาพสูงแทน จึงสามารถเกิดปฏิกิริยาต่อสายโซ่โมเลกุลได้

เมื่อนำปฏิกิริยาจากตำราอินทรีย์เคมีมาใช้เพื่อการผลิตในระดับภาคอุตสาหกรรม มักจะมีการเปลี่ยนแปลงรูปแบบการทำปฏิกิริยาหลายอย่าง เช่นการใช้อุณหภูมิที่สูงขึ้นเพื่อเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา การทำปฏิกิริยาในเฟสแก๊ส ซึ่งไม่เพียงแต่ช่วยแก้ปัญหาเรื่องการผสมกันถ้าหากสารตั้งต้นประกอบด้วยโมเลกุลมีขั้วกับไม่มีขั้วที่จะไม่ผสมเข้าด้วยกันในเฟสของเหลว และการใช้กรดที่เป็นของแข็งแทนการใช้กรดที่เป็นของเหลว ทั้งนี้เพื่อลดปัญหาการกัดกร่อนอุปกรณ์และเพิ่มความสะดวกในการแยกออกจากผลิตภัณฑ์

ด้วยเหตุนี้เมื่อปฏิกิริยาเกิดขึ้นจริง จึงดูเหมือนว่าสิ่งที่พบนั้นแตกต่างไปจากที่กล่าวเอาไว้ในตำรา แต่ถ้าจะพิจาณากันจริง ๆ แล้วมันก็ยังใช้ความรู้ที่ปรากฏในตำรา เพียงแต่เวลาที่เราจะสรุปนั้น เราพึงต้องมองให้เห็นว่าข้อสรุปที่ปรากฏในตำรานั้นขึ้นอยู่บนข้อสมมุติอะไรที่ไม่ได้มีการกล่าวไว้ ตรงนี้เรามาลองดูตัวอย่างปฏิกิริยา alkylation ของโทลูอีนด้วยเมทานอล (รูปที่ ๓) และปฏิกิริยา nitration ของ chlorobenzene (รูปที่ ๔) ที่มีการรายงานไว้ในบทความวิชาการ อยากให้ลองพิจารณาผลของอุณหภูมิที่มีต่อการเกิดการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta

รูปที่ ๓ ปฏิกิริยา alkylation โทลูอีนด้วยเมทานอล จากบทความเรื่อง "Alkyation of toluene with methanol over alkali exchanged ZSM-5" โดย H. Vinek, M. Derewinski, G. Mirth และ J.A Lercher, Applied Catalysis, 68(1991) 277-284

ทั้ง -CH₃ และ -Cl ต่างเป็น ortho และ para directing group ต่างกันที่ -CH₃ เป็น ring activating group ในขณะที่ -Cl เป็น ring deactivating group ผลของอุณหภูมิที่มีต่อการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta ในปฏิกิริยา nitration ในรูปที่ ๔ นั้นเห็นไม่ชัดเจนเท่าใดนัก เพราะปฏิกิริยาเกิดในเฟสของเหลวและช่วงอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาไม่ได้แตกต่างกันมาก แต่ก็พอสังเกตได้อย่างหนึ่งว่าเมื่ออุณหภูมิการทำปฏิกิริยาสูงขึ้น การเกิดการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta มีการเพิ่มขึ้นเล็กน้อย

ผลการทดลองที่รายงานไว้ในรูปที่ ๓ ที่เป็นปฏิกิริยาเกิดในเฟสแก๊สและมีช่วงอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาที่แตกต่างกันมากจะเห็นการเปลี่ยนแปลงสัดส่วนการเกิดการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta อย่างชัดเจน นั่นเป็นเพราะในสภาพแวดล้อมที่มีพลังงานสูงนั้น ปฏิกิริยาที่ต้องการพลังงานกระตุ้นที่สูงจะเกิดได้ดีขึ้น สัดส่วนโมเลกุล (สารมัธยันต์) ที่มีพลังงานในตัวสูงจะเพิ่มมากขึ้น ทำให้ปฏิกิริยาที่ไม่เห็นการเกิดที่อุณหภูมิต่ำนั้นมาปรากฏให้เห็นได้ที่อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาที่สูง

 

รูปที่ ๔ ปฏิกิริยา nitration ของ chlorobenzene จากบทความเรื่อง "Effect of process conditions on formation of isomers in nitration of chlorobenzene" โดย Harold H. Bieber และ W. Fred Schurig, Industrial and Engineering Chemistry, vol 49 no. 5 May 1957, 832-837.

ปฏิกิริยา alkylation ของโทลูอีนด้วยเมทานอลโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งที่มีรูพรุนขนาดเล็กเช่น molecular sieve บางชนิดนั้นอาจแตกต่างไปจากตัวอย่างที่นำมาให้ดูนี้ได้ นั่นเป็นเพราะว่าปฏิกิริยาที่เกิดนั้นเป็นปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ แต่ผลิตภัณฑ์ที่จะแพร่ออกจากรูพรุนขนาดเล็กระดับโมเลกุลได้นั้นจำเป็นต้องมีรูปร่างโมเลกุลที่เหมาะสมด้วย โมเลกุลที่มีรูปร่างยาวดังเช่นโครงสร้างแบบ para นั้นสามารถแพร่ผ่านรูพรุนขนาดเล็กได้ดีกว่าโมเลกุลที่มีรูปร่างกลมกว่า (เช่นพวกโครงสร้างแบบ ortho หรือ meta) จึงทำให้เห็นค่าการเลือกเกิดผลิตภัณฑ์ที่มีโครงสร้างแบบ para นั้นอยู่ที่ระดับสูงได้แม้ว่าจะมีการเพิ่มอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาให้สูงขึ้นมากก็ตาม

สิ่งที่เรียกว่าการค้นพบใหม่หรือองค์ความรู้ใหม่นั้น อาจจะเป็นเพียงแค่ตัวอย่างใหม่ของการประยุกต์ใช้งานองค์ความรู้พื้นฐานที่มีอยู่เดิมแค่นั้นเอง ขึ้นอยู่กับว่าเรามีความเข้าใจองค์ความรู้พื้นฐานนั้นดีแค่ไหนเท่านั้นเอง

Electrophilic substitution ตำแหน่งที่ 3 บนวงแหวนเบนซีน ตอน การสังเคราะห์ 2,4-Dinitrophenol MO Memoir : Sunday 8 November 2563

ในวิชาเคมีอินทรีย์ในเรื่องการทำปฏิกิริยาของวงแหวนเบนซีนนั้นอาจแบ่งได้เป็น การแทนที่อะตอม H ครั้งแรก และการเข้าแทนที่และตำแหน่งที่เข้าแทนที่อะตอม H ตัวที่สอง ซึ่งความยากง่ายในการเข้าแทนที่ครั้งที่สองนั้นขึ้นอยู่กับว่าหมู่แรกที่เข้ามาแทนที่นั้นเป็นหมู่ดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวนหรือสามารถจ่ายอิเล็กตรอนให้กับวงแหวน ถ้าหมู่แรกที่เป็นหมู่ที่เน้นไปที่การดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวน การแทนที่ครั้งที่สองก็จะเกิดยากกว่าการแทนที่ครั้งแรก ถ้าหมู่แรกนี้ไม่สามารถจ่ายอิเล็กตรอนให้กับวงแหวนได้เลย การแทนที่ครั้งที่สองจะเน้นไปที่ตำแหน่ง meta (m-) เป็นหลัก

ในทางกลับกันถ้าหมู่แรกที่เข้าไปแทนที่นั้นเป็นหมู่ที่เน้นไปที่การจ่ายอิเล็กตรอนให้วงแหวนได้ การแทนที่ครั้งที่สองจะเกิดได้ง่ายกว่าการแทนที่ครั้งแรก และถ้าหมู่ที่สองนี้จ่ายคู่อิเล็กตรอนให้กับวงแหวนได้ การแทนที่ครั้งที่สองจะเกิดที่ตำแหน่ง ortho (o-) หรือ para (p-) เป็นหลัก ส่วนที่ว่าจะเกิดที่ ortho หรือ para มากกว่ากันนั้นต้องนำเรื่องขนาดของหมู่แรกและหมู่ที่สองมาพิจารณาด้วย เพราะถ้าหมู่แรกมีขนาดใหญ่และ/หรือหมู่ที่สองมีขนาดใหญ่ การเข้าแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho ก็จะเกิดได้ยากกว่าที่ตำแหน่ง para

ตรงนี้ขออธิบายเพิ่มเติมนิดนึงคือ

(๑) ถ้าอะตอมที่เกาะกับวงแหวนเบนซีนของหมู่แรกที่เข้ามาแทนที่นั้นไม่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวและมีความเป็นขั้วบวกอยู่ (เช่น -COOH, -NO₂, -SO₂OH, -CN) หมู่นั้นจะเป็นหมู่ดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวนเพียงอย่างเดียว

(๒) ถ้าอะตอมที่เกาะกับวงแหวนเบนซีนของหมู่แรกที่เข้ามาแทนที่นั้นไม่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวและไม่ดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวน (ได้แก่พวกหมู่ alkyl ต่าง ๆ เช่น -CH₃, -C₂H₅, -C(CH₃)₂H) หมู่เหล่านี้จะจ่ายอิเล็กตรอนให้กับวงแหวนเท่านั้น และ

(๓) ถ้าอะตอมที่เกาะกับวงแหวนของหมู่แรกที่เข้ามาแทนที่นั้นมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว และมีค่า electronegativity สูงกว่าอะตอม C ต้องพิจารณาผลของการดึงอิเล็กตรอนออกและการจ่ายคู่อิเล็กตรอนให้ร่วมกัน ถ้าอะตอมนั้นเป็นอะตอม N หรือ O (เช่น -NH₂, -NHR OH, -O-R เมื่อ R คือหมู่อัลคิล) ผลของการจ่ายคู่อิเล็กตรอนให้จะแรงกว่าผลของการดึงอิเล็กตรอนออก ทำให้การแทนที่ครั้งที่สองเกิดง่ายกว่าการแทนที่ครั้งแรกและจะเกิดที่ตำแหน่ง ortho หรือ para เป็นหลัก แต่ถ้าอะตอมนั้นเป็นพวกฮาโลเจน (เช่น -Cl, -Br) ผลของการดึงอิเล็กตรอนออกจะแรงกว่าผลของการจ่ายคู่อิเล็กตรอนให้ การแทนที่ครั้งที่สองจะเกิดยากกว่าการแทนที่ครั้งแรก แต่ยังเกิดการแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho หรือ para เป็นหลักเช่นกัน

รูปที่ ๑ ทั้ง -CH₃ และ -Cl ต่างเป็น o- และ p- directing group แต่ -CH₃ เป็น ring activating group ในขณะที่ -Cl เป็น ring deactivating group จึงทำให้การพิจารณาความยากง่ายในการแทนที่และตำแหน่งแทนที่ตำแหน่งที่ 3 จะยุ่งยากกว่าเพราะทั้งสองหมู่ให้ผลที่ขัดแย้งกันอยู่

การพิจารณาความยากง่ายในการแทนที่และตำแหน่งแทนที่ตำแหน่งที่ 3 จะยุ่งยากกว่า เพราะอาจะมีเรื่องที่หมู่ที่แทนที่ก่อนหน้าสองหมู่นั้นให้ผลที่ขัดแย้งกันในเรื่องการเพิ่มหรือลดความว่องไวในการแทนที่ และยังมีเรื่องของตำแหน่งแทนที่ตำแหน่งที่ 3 ที่อาจสอดคล้องกับหมู่หนึ่งแต่ขัดแยังกับอีกหมู่หนึ่ง ตัวอย่างเช่นกรณีของ Chlorotoluene ในรูปที่ ๑ ที่ทั้ง -CH₃ และ -Cl ต่างเป็น o- และ p- directing group

ในกรณีของ o-Chlorotoluene นั้นตำแหน่ง (1) และ (3) จะเป็นตำแหน่ง o- และ p- กับหมู่ -Cl แต่เป็นตำแหน่ง m- ของหมู่ -CH₃ ในขณะที่ตำแหน่ง (4) และ (2) เป็นตำแหน่ง o- และ p- กับหมู่ -CH₃ แต่เป็นตำแหน่ง m- ของหมู่ -Cl การที่หมู่ที่ 3 จะเข้าแทนที่ที่ตำแหน่งไหนนั้นจึงขึ้นอยู่กับว่าสองหมู่ที่เข้ามาเกาะก่อนหน้านั้นหมู่ไหนแรงกว่ากัน ในขณะที่ในกรณีของ m-Chlorotoluene ตำแหน่ง (1) (2) และ (3) เป็นตำแหน่ง o- ไม่ก็ p- กับหมู่ -CH₃ หรือ -Cl ในขณะที่ตำแหน่ง (4) นั้นเป็นตำแหน่ง m- เมื่อเทียบกับทั้งสองหมู่ ดังนั้นการเข้าแทนที่ ณ ตำแหน่ง (4) นั้นจึงไม่น่าเกิดขึ้น

รูปที่ ๒ ตัวอย่างเส้นทางการสังเคราะห์ 2,4-Dinitrophenol จากปฏิกิริยา nitration สารประกอบฟีนอล

ทีนี้มาลองพิจารณากรณีการสังเคราะห์ 2,4-Dinitrophenol ที่หมู่ nitro (-NO₂) นั้นอยู่ที่ตำแหน่ง o- และ p- เมื่อเทียบกับหมู่ -OH เนื่องจากหมู่ -OH เป็น ring activating group และ o-, p- directing group ดังนั้นผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยา nitration ของฟีนอลจึงมีได้ทั้ง o-Nitrophenol และ p-Nitrophenol (รูปที่ ๒)

Nitrophenol นั้นมีหมู่ -OH ที่เป็น ring activating group และ -NO₂ ที่เป็น ring deactivating group ดังนั้นการแทนที่ครั้งที่ 3 ยังเกิดได้ง่ายหรือยากก็ขึ้นอยู่กับว่าหมู่ใดเด่นกว่ากัน ถ้าหากผลของหมู่ -NO₂ นั้นเด่นกว่า การแทนที่ตำแหน่งที่ 3 ก็จะเกิดได้ยากขึ้นกว่าเดิม ปฏิกิริยาก็จะมีแนวโน้มหยุดที่การแทนที่ครั้งแรก เว้นแต่ว่าจะใช้สภาวะการทำปฏิกิริยาที่แรงขึ้นเพื่อให้เกิดการแทนที่ของตำแหน่งที่ 3 แต่ถ้าผลของหมู่ -OH ยังคงเด่นกว่า การแทนที่ตำแหน่งที่ 3 ก็ยังคงเกิดได้ง่ายอยู่ ปฏิกิริยาก็มีแนวโน้มที่จะเกิดการแทนที่ตำแหน่งที่ 3 (และอาจมีตำแหน่งที่ 4 ตามมาอีก)

ในกรณีของฟีนอลนั้นเนื่องจากหมู่ -OH เป็น ring activating group ที่แรง การทำปฏิกิริยา nitration ด้วยกรดที่เข้มข้นจะทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีหมู่ -NO₂ เข้าไปแทนที่ถึง 3 ตำแหน่งได้เลย (คือ2,4,6-Trinitrophenol หรือ Picric acid) ดังนั้นถ้าต้องการให้มีการแทนที่ด้วยหมู่ -NO₂ เพียงแค่หมู่เดียว การทำปฏิกิริยาก็ต้องใช้ฟีนอลในสัดส่วนที่สูงกว่ากรดมาก เช่นการค่อย ๆ เติมกรดเจือจางลงไปในฟีนอล พร้อมทั้งทำการปั่นกวนเพื่อลดโอกาสที่ Nitrophenol ที่เกิดขึ้นจะเกิดปฏิกิริยา nitration ซ้ำอีกครั้ง แต่วิธีการนี้ก็จะทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการนั้นมีความเข้มข้นต่ำในสารตั้งต้นที่มีความเข้มข้นสูง

การสังเคราะห์สารประกอบ Dinitrophenol จากปฏิกิริยา nitration ของฟีนอลโดยตรงจะมีความยุ่งยากมากกว่า เพราะถ้าใช้กรดเข้มข้นต่ำเกินไปก็จะได้ผลิตภัณฑ์เป็น Nitrophenol เป็นหลัก แต่ถ้าใช้ความเข้มข้นสูงเกินไปก็จะทำให้ได้ Trinitrophenol แทน และการทำปฏิกิริยา nitration ไม่ว่าจะเป็น o-Nitrophenol หรือ p-Nitrophenol โดยตรง ก็มีสิทธิที่จะได้ Dinitrophenol 2 ตัวด้วยกัน

รูปที่ ๓ ตัวอย่างเส้นทางการสังเคราะห์ 2,4-Dinitrophenol จากปฏิกิริยา nitration สารประกอบ chlorobenzene ตามด้วยปฏิกิริยา nucleophilic substitution อะตอม -Cl ด้วยหมู่ -OH

อีกเส้นทางหนึ่งในการสังเคราะห์ 2,4-Dinitrophenol เริ่มจากการสังเคราะห์ Chlorbenzene ก่อน (Chlorication ของวงแหวนเบนซีนมันเกิดยากอยู่แล้ว แถม Cl ยังเป็น ring deativating group อีก จึงไม่ต้องกังวลเรื่องการที่อะตอม Cl จะเข้าไปแทนที่มากกว่า 1 หมู่มากนัก) จากนั้นจึงนำเอา Chlorobenzene ที่ได้มาทำปฏิกิริยา nitration ซึ่งจะได้ผลิตภัณฑ์สองตัวคือ 4-Nitrochlorobenzene (ที่เป็นผลิตภัณฑ์หลัก) และ 2-Nitrochlorobenzene (ที่เป็นผลิตภัณฑ์รอง) และเนื่องจากทั้งหมู่ -Cl และ -NO₂ ต่างเป็น ring deactivating group ทั้งคู่ การแทนที่หมู่ -NO₂ หมู่ที่สองจึงทำได้ยากขึ้นเว้นแต่จะใช้สภาวะการทำปฏิกิริยาที่รุนแรงขึ้น จากนั้นจึงค่อยแยกเอา 4-Nitrochlorbenzene มาทำปฏิกิริยา nitration ต่อ ซึ่งตอนนี้ตำแหน่งที่หมู่ -NO₂ หมู่ที่สองจะเข้าไปแทนที่คือที่ตำแหน่งข้างอะตอม -Cl เพราะเป็นตำแหน่ง o- เมื่อเทียบกับอะตอม -Cl (ที่เป็น o- และ p- directing group) และ m- เมื่อเทียบกับหมู่ -NO₂ หมู่แรก (ที่เป็น m- directing group) ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ 2,4-Dinitrochlorobenzene

ปรกติการแทนที่อะตอมเฮไลด์ที่เกาะกับวงแหวนเบนซีนจะทำได้ยาก เว้นแต่มีหมู่ดึงอิเล็กตรอน (e^- withdrawing group) เกาะที่ตำแหน่ง o- และ/หรือ p- เมื่อเทียบกับอะตอมเฮไลด์ ในกรณีของ 2,4-Dinitrochlorobenzene นี้มีหมู่ -NO₂ ที่เป็นหมู่ดึงอิเล็กตรอนที่แรงเกาะอยู่ที่ตำแหน่ง o- และ p- เมื่อเทียบกับอะตอม -Cl จึงสามารถแทนที่อะตอม -Cl ด้วยหมู่ -OH ได้ง่ายขึ้นเพื่อเปลี่ยนเป็นสารประกอบ 2,4-Dinitrophenol

ใน wikipedia กล่าวถึงการใช้งาน 2,4-Dinitrophenol ไว้อย่างหลากหลาย ไม่ว่าจะเป็นส่วนผสมของวัตถุระเบิดที่ใช้ในทางทหาร ยาฆ่าเชื้อโรค ยาปราบวัชพืช ยาลดน้ำหนัก (เพราะไปเร่งการเผาผลาญไขมันในร่างกาย) แต่ในขณะเดียวกันก็มีความเป็นพิษที่ค่อนข้างสูง

เอา maleic anhydride ไปทำอะไรดี MO Memoir : Thusday 8 June 2560

มาเลอิกแอนไฮดราย (meleic anhtdide) เป็นสารมัธยันต์ตัวหนึ่งที่มีการผลิตกันมากในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี เพื่อใช้ในการสังเคราะห์สารอื่นอีก เดิมนั้นสารตั้งต้นหลักที่ใช้ในการผลิตคือเบนซีน (benzene) แต่เนื่องความเป็นพิษในฐานะที่เป็นสารก่อมะเร็งของเบนซีน จึงทำให้มีการพัฒนากระบวนการที่ใช้บิวเทน (butane) หรือบิวทีน (butene) เป็นสารตั้งต้นขึ้นมาใช้งาน (รูปที่ ๑) และทั้งสองกระบวนการก็ยังคงใช้งานกันอยู่ในปัจจุบัน

รูปที่ ๑ แผนผังเส้นทางการทำปฏิกิริยาเพื่อผลิตมาเลอิกแอนไฮดรายจากเบนซีนและบิวเทน-บิวทีน

โครงสร้างโมเลกุลของมาเลอิกแอนไฮดรายประกอบด้วยหมู่ฟังก์ชันที่ว่องไวในการทำปฏิกิริยา ๒ หมู่ด้วยกันคือแอนไฮดราย (-C(O)-O-C(O)- anhydride) และพันธะไม่อิ่มตัว C=C แอนไฮดรายเป็นโครงสร้างที่เกิดจากหมู่ -OH ของหมู่คาร์บอกซิล (-COOH carboxyl) ๒ หมู่หลอมรวมกันโดยมีการคายน้ำออกมา หมู่แอนไฮดรายนี้มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยามากกว่าหมู่คาร์บอกซิลในหลายปฏิกิริยาด้วยกัน เช่นในปฏิกิริยาการเกิดเอสเทอร์ (esterification) กับหมู่ -OH ของแอลกอฮอล์หรือฟีนอล ที่หมู่คาร์บอกซิลนั้นไม่สามารถทำปฏิกิริยากับหมู่ -OH ที่เกาะโดยตรงอยู่กับวงแหวนเบนซีนเพื่อเกิดเป็นโครงสร้างเอสเทอร์ แต่หมู่แอนไอดรายนั้นสามารถทำปฏิกิริยาได้ เช่นในการสังเคราะห์เฮโรอีน (heroin) จากมอร์ฟีน (morphine) นั้น ต้องมีการเปลี่ยนหมู่ -OH สองหมู่ของโมเลกุลมอร์ฟีนให้กลายเป็นอะซีเทตเอสเทอร์ แต่เนื่องด้วยหมู่ -OH หนึ่งหมู่นั้นเกาะอยู่กับโครงสร้างวงแหวนเบนซีนโดยตรง ทำให้การผลิตเฮโรอีนโดยใช้การทำปฏิกิริยาระหว่างมอร์ฟีนกับกรดอะซีติก (acetic acid CH₃COOH) นั้นไม่สามารถกระทำได้ ต้องใช้อะซีติกแอนไฮดราย (H₃CC(O)-O-C(O)CH₃ acetic anhydride) ในการทำปฏิกิริยา (ก็ถือว่าโชคดีไป เพราะอะซีติกแอนไฮดรายหายากซื้อได้ยากกว่ากรดอะซีติก รายละเอียดตรงนี้เคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๗๙ วันศุกร์ที่ ๒๐ พฤศจิกายน ๒๕๕๒ เรื่อง "Reactions of hydroxyl group")
 

ส่วนใหญ่ของมาเลอิกแอนไฮดรายที่ผลิตขึ้นถูกนำไปใช้ผลิตเป็นเรซินพอลิเอสเทอร์ไม่อิ่มตัว (unsaturated polyester resin) พันธะคู่ -C=C- ที่เหลืออยู่ในโครงสร้างโมเลกุลของมาเลอิกแอนไฮดรายสามารถทำการเชื่อมโยงแบบขวาง (cross link) เพื่อเชื่อมต่อสายโซ่พอลิเมอร์เข้าด้วยกันได้ และถ้ามีการเสริมเส้นใยแก้วเข้าไปด้วยก็จะได้พอลิเมอร์ที่เราเรียกว่า Fiberglass Reinforced Plastic หรือ FRP นั่นเอง เรซิ่นเคลือบรูปที่ใช้ในการทำกรอบรูปที่เราเรียกกรอบวิทยาศาสตร์ก็เป็นพวกเรซินพอลิเอสเทอร์ไม่อิ่มตัวเช่นกัน

รูปที่ ๒ เส้นทางการเปลี่ยนมาเลอิกแอนไฮดรายไปเป็น 1,2,4-บิวเทนไตรออลไตรไนเทรต

ปฏิกิริยาระหว่างมาเลอิกแอนไฮดรายกับน้ำจะทำให้โครงสร้างแอนไฮดรายแตกออกเป็นหมู่คาร์บอกซิล ๒ หมู่ กลายเป็นกรดมาเลอิก (maleic) ที่มีโครงสร้างแบบ cis และถ้าทำการเติมน้ำเข้าไปที่ตำแหน่ง -C=C- ของกรดมาเลอิกก็จะได้กรดมาลิก (malic) กรดมาลิกนี้จะมีอะตอม C ที่เป็น chiral centre อยู่ ๑ อะตอม (ตัวสีแดงในรูปที่ ๒) ดังนั้นโมเลกุลของมันจะเป็น stereoisomer

รูปที่ ๓ ตัวอย่างสิทธิบัตรการผลิตกรดมาลิก (malic acid) จากมาเลอิกแอนไฮดราย

วิชาเคมีอินทรีย์บอกให้เราทราบว่าเราสามารถออกซิไดซ์หมู่ -OH ของแอลกอฮอล์ได้ ถ้าเป็นกรณีของแอลกอฮอล์ปฐมภูมิ (primary alcohol หรือที่มีหมู่ -OH อยู่ที่ปลายโซ่) มันจะถูกออกซิไดซ์เป็นหมู่อัลดีไฮด์ (-C(O)H) ที่สามารถถูกออกซิไดซ์ต่อไปได้ง่ายกลายเป็นหมู่คาร์บอกซิล (-COOH) แต่ถ้าเป็นกรณีของแอลกอฮอล์ทุติยภูมิ (secondary alcohol) มันจะถูกออกซิไดซ์ต่อไปเป็นสารประกอบคีโตน (-C(O)-) ซึ่งทนต่อการถูกออกซิไดซ์มากกว่าอัลดีไฮด์ แต่ถ้าออกซิไดซ์หมู่คีโตนด้วยสารออกซิไดซ์ที่แรงพอ จะทำให้โมเลกุลแตกออกตรงตำแหน่งนี้ กลายเป็นหมู่คาร์บอกซิลสองหมู่

รูปที่ ๔ ตัวอย่างสิทธิบัตรการผลิต 1,2,4-บิวเทนไตรออล จะเห็นว่าใช้อุณหภูมิและความดันที่สูงในการรีดิวซ์หมู่คาร์บอกซิล

การออกซิไดซ์หมู่ -OH ให้กลายเป็นหมู่ -COOH นั้นทำได้ง่าย (อันนี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน) แต่การรีดิวซ์หมู่ -COOH กลับเป็นหมู่อัลดีไฮด์หรือหมู่ -OH นั้นทำได้ยากกว่ามาก (อันนี้เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน) อันที่จริงแม้ว่าอะตอม C ของหมู่คาร์บอกซิลจะมีความเป็นบวก แต่ด้วยการที่มันเกิด resonance ได้ จึงทำให้มันมีเสภียรภาพค่อนข้างสูง ดังนั้นถ้าไม่ใช้สภาวะการทำปฏิกิริยาที่รุนแรงพอ หรือใช้ตัวรีดิวซ์ที่แรงมากพอ ปฏิกิริยาก็ยากที่จะเกิด

รูปที่ ๕ ตัวอย่างสิทธิบัตรการผลิตไนเทรตเอสเทอร์ของสารประกอบอะลิฟาติกพอลิออล (พวกที่มีหมู่ -OH หลายหมู่อยู่ในโครงสร้างโมเลกุล)
 

ถ้าเราเปลี่ยนหมู่ -OH ของหมู่คารบอกซิลให้กลายเป็นหมู่อื่น ก็จะทำให้ความว่องไวในการทำปฏิกิริยานั้นเปลี่ยนไปด้วย เช่นถ้าเปลี่ยนจาก -OH เป็นเฮไลด์เช่น -Cl ก็จะได้สารประกอบที่เรียกว่า acid halide ที่มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยาสูงขึ้น (ผลการดึงอิเล็กตรอนของอะตอมเฮไลด์ออกจากอะตอม C สูงกว่าการที่อะตอม C ดึงคู่อิเล็กตรอนของอะตอมเฮไลด์กลับ) แต่ถ้าเปลี่ยนเป็นหมู่เอสเทอร์ -OR ก็จะได้ความว่องไวในการทำปฏิกิริยาประมาณเดิม
 

บางครั้ง การเปลี่ยนโครงสร้างโมเลกุลจากหมู่คาร์บอกซิลให้กลายเป็นหมู่เอสเทอร์นั้นก็เป็นสิ่งจำเป็น อย่างเช่นกรณีของกรดฟาทาลิก (phthalic acid) ที่ใช้ในการผลิตพอลิเอทิลีนเทอฟาทาเลต ที่ต้องการกรดที่มีความบริสุทธิ์สูง แต่เดิมนั้นในช่วงที่ยังไม่สามารถผลิตกรดฟาทาลิกที่มีความบริสุทธิ์สูงเพียงพอได้ ก็จะใช้วิธีการเปลี่ยนกรดฟาทาลิกให้กลายเป็นเมทิลเอสเทอร์เสียก่อน (ที่สามารถทำให้มีความบริสุทธิ์สูงได้) แล้วจึงค่อยเอาเมทิลเอสเทอร์นั้นมาทำปฏิกิริยา
 

แต่ในกรณีของการรีดิวซ์กรดมาลิกให้กลายเป็น 1,2,4-บิวเทนไตรออล (1,2,4-butanetriol) นี้ผมเองก็ยังไม่แน่ใจในเหตุผลของเขา จากการลองค้นสิทธิบัตรดูพบว่าเขาไม่ทำการรีดิวซ์กรดมาลิกโดยตรง แต่จะทำการรีดิวซ์เอสเทอร์ของกรดมาลิกแทน จะว่าหมู่เอสเทอร์นั้นมีความว่องไวสูงกว่าหมู่คาร์บอกซิลก็ไม่น่าจะใช้ หรือว่ามันเป็นขั้นตอนที่จำเป็นในการผลิตกรดมาลิกที่มีความบริสุทธิ์ (ตรงนี้ผมยังหาหลักฐานรองรับไม่ได้) ที่พอจะเดาได้น่าจะเป็นเพราะต้องการลดการกัดกร่อนของกรดมาลิก (ที่เป็นกรดที่แรงกว่ากรดอะซีติกอีก) โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องทำปฏิกิริยาการรีดิวซ์ที่อุณหภูมิและความดันสูง (สิทธิบัตรที่ยกตัวอย่างมาให้ดูในรูปที่ ๔ ใช้ความดันไฮโดรเจนในช่วง 100-300 bar ที่อุณหภูมิ 130-190ºC แถมยังต้องมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยอีก)
 

ถ้าเราเอา 1,2,4-บิวเทนไตรออลไปทำปฏิกิริยา esterification กับกรดไนตริก (HNO₃) เราสามารถแทนที่อะตอม H ของหมู่ -OH ทั้งสามหมู่ด้วยหมู่ -NO₂ ได้สารประกอบที่มีชื่อว่า 1,2,4-บิวเทนไตรออลไตรไนเทรต (1,2,4-butanetriol trinitrate หรือย่อว่า BTTN) ที่เป็นของเหลวที่เป็นวัตถุระเบิดตัวหนึ่ง ทำนองเดียวกับไนโตรกลีเซอรีน
 

แล้วสารตัวนี้ใช้ทำอะไรหรือครับ ข้อมูลจาก https://en.wikipedia.org/wiki/1,2,4-Butanetriol_trinitrate กล่าวไว้ว่าใช้เป็นเชื้อเพลิงในการขับเคลื่อนจรวดชนิด single-state (จรวดขั้นตอนเดียว เช่นจรวดยิงจากพื้นสู่อากาศ อากาศสู่พื้น อากาศสู่อากาศ) แต่คงไม่ได้ใช้ในรูปของสารบริสุทธิ์เนื่องด้วยมันเป็นของเหลว คงมีการนำไปผสมกับสารอื่นอีกเพื่อขึ้นรูปเป็นเชื้อเพลิงแข็งที่เหมาะสมสำหรับการใช้งาน

รูปที่ ๖ บางส่วนของข้อความจากสิทธิบัตร US 4,689,097 เรื่อง Co-oxidizers in solid crosslinked bouble base propellants