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