Phenol, Ether และ Dioxin MO Memoir : Saturday 7 September 2556

ผมมักจะบอกคนที่เรียนอินทรีย์เคมีเสมอว่า ในการทำความเข้าใจปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับสารต่าง ๆ นั้น อย่าไปมองว่าเป็นการทำสังเคราะห์ "สาร" ใด หรือเป็นการทำปฏิกิริยาของ "สาร" ใด แต่ให้มองว่าเป็นการสังเคราะห์ "หมู่ฟังก์ชัน" (functional group) ใด หรือเป็นการทำปฏิกิริยาของ "หมู่ฟังก์ชัน" ใด

  

การมองเป็น "หมู่ฟังก์ชัน" แทนการมองเป็น "สาร" มันช่วยให้เข้าใจอะไรได้ง่ายขึ้นเยอะ โดยเฉพาะการทำปฏิกิริยาของโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ซับซ้อนมากขึ้น และมีหมู่ฟังก์ชันหลายหมู่
  

เพื่อให้เห็นภาพ เราลองมาดูปฏิกิริยาตัวอย่างกัน

๑. Chlorination of benzene

ปฏิกิริยาระหว่างธาตุฮาโลเจนกับไฮโดรคาร์บอนนั้นมีกล่าวกันอยู่ทั่วไปในตำราอินทรีย์เคมี การแทนที่อะตอม H ที่เกาะอยู่กับอะตอม C อิ่มตัวด้วยการทำปฏิกิริยากับ Cl₂ หรือ Br₂ นั้นไม่ใช่เรื่องยาก แต่การแทนที่อะตอม H ที่เกาะอยู่กับอะตอม C ที่เป็นส่วนหนึ่งของวงแหวนอะโรมาติกนั้นเป็นเรื่องที่ยากกว่ามาก และในกรณีหลังนี้จำเป็นต้องใช้ภาวะการทำปฏิกิริยาที่รุนแรงกว่าโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย

  

ตัวอย่างเช่นในกรณีของปฏิกิริยาระหว่างเบนซีน (C₆H₆) กับ Cl₂ ภายใต้ภาวะการทำปฏิกิริยาที่เหมาะสมและมีตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสม (มักเป็นพวก Lewis acid ที่แรงเช่น FeCl₃) อะตอม Cl จะสามารถเข้าไปแทนที่อะตอม H ที่เกาะอยู่กับวงแหวนได้ กลายเป็นสารประกอบ chlorobenzene 

   

แต่ข้อเสียของปฏิกิริยานี้คือผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นมักจะเป็นผลิตภัณฑ์ผสมของ chlorobenzene ที่มีการแทนที่หลากหลายตำแหน่ง กล่าวอีกนัยหนึ่งคือเป็นไปได้ที่จะได้ผลิตภัณฑ์ที่มีการแทนที่ตั้งแต่ 1-6 ตำแหน่ง ทำให้ต้องมีการแยกผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นออกเป็นสารต่าง ๆ อีกครั้ง chlorobenzene ที่มีการแทนที่หลายตำแหน่งเช่น 1,2,4-trichlorobenzene และ 1,2,4,5-tetrachlorobenzene ก็เตรียมได้จากกระบวนการผลิตเช่นนี้

รูปที่ ๑ (ซ้าย) 1,2,4-trichlorobenzene (ขวา) 1,2,4,5-tetrachlorobenzene

๒. Nucleophilic aromatic substitution ของ aryl halide

สารประกอบ organic halide โดยเฉพาะพวก aklyl halide ต่าง ๆ นั้นปรากฏอยู่ทั่วไปในตำราอินทรีย์เคมี เพราะเราสามารถแทนอะตอม halide ด้วยหมู่ฟังก์ชันหมู่อื่นได้ ดังนั้นสารประกอบ alkyl halide จึงมักถูกใช้เป็นตัวกลางในการ เตรียมสารประกอบอื่น (ในห้องปฏิบัติการคงใช่ แต่ในระดับอุตสาหกรรมนั้นไม่ค่อยชอบการเตรียมผ่าน alkyl halide นัก)

แต่ในกรณีของ aryl halide นั้นเหตุการณ์กลับตรงข้ามกัน เพราะการแทนที่อะตอมฮาโลเจนที่เกาะอยู่กับวงแหวนอะโรมาติกของ aryl halide ทำได้ยากกว่ามาก จำเป็นต้องใช้การทำปฏิกิริยาที่รุนแรง (โดยอาจต้องมีตัวเร่งปฏิกิริยาร่วมด้วย) ปฏิกิริยานี้เรียกว่า Nucleophilic aromatic substitution

ตัวอย่างของปฏิกิริยานี้ได้แก่ปฏิกิริยา hydrolysis ของ chlorobenzene ด้วยเบส (OH^-) หรือไอน้ำ หมู่ -OH จะเข้าไปแทนที่อะตอม -Cl ที่เกาะอยู่กับวงแหวนได้ดังปฏิกิริยา

รูปที่ ๒ ปฏิกิริยา Nucleophilic aromatic substitution อะตอม -Cl ด้วยหมู่ -OH

๓. Williamson ether synthesis

เราสามารถสังเคราะห์อีเทอร์ (R₁-O-R₂) ได้จากปฏิกิริยา dehydration ของแอลกอฮอล์ แต่ต้องใช้ภาวะที่เหมาะสม ไม่เช่นนั้นหมู่ -OH ของแอลกอฮอล์จะเปลี่ยนไปเป็นพันธะ C=C แทนการหลอมรวมกันของหมู่ -OH สองหมู่ วิธีการนี้ใช้ได้ดีในกรณีที่ต้องการอีเทอร์ที่มีหมู่ R₁ และ R₂ ที่เหมือนกัน (คือมีแอลกอฮอล์เพียงชนิดเดียวเป็นสารตั้งต้น) 

 

แต่การเตรียมด้วยปฏิกิริยา dehydration นี้จะมีปัญหาถ้าเราต้องการอีเทอร์ที่มีหมู่ R₁ และ R₂ ที่แตกต่างกัน เพราะเราต้องผสมแอลกอฮอล์สองชนิดเข้าด้วยกัน (R₁-OH และ R₂-OH) ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะประกอบด้วยอีเทอร์ 3 ชนิดด้วยกันคือ R₁-O-R₁ R₂-O-R₂ และ R₁-O-R₂ 

  

Williamson ether synthesis เป็นวิธีการที่เหมาะสมกว่าสำหรับเตรียมอีเทอร์ที่มีหมู่สองข้างของอะตอม O ที่แตกต่างกัน ปฏิกิริยานี้เป็นการทำปฏิกิริยากันระหว่างหมู่ -OH ของแอลกอฮอล์ (ของฟีนอลด้วย) กับสารประกอบ organic halide ดังปฏิกิริยาที่แสดงในรูปที่ ๓ ข้างล่าง
  

รูปที่ ๓ (บน) ปฏิกิริยาระหว่าง 2,4,5-trichlorophenol กับ chloroacetic acid จะได้ 2,4,5-trichlorophenoxy acetic acid (ล่าง) ปฏิกิริยาระหว่าง 2,4-dichlorophenol กับ chloroacetic acid จะได้ 2,4-dichlorophenoxy acetic acid

  

ในระหว่างการทำปฏิกิริยาดังกล่าว โมเลกุล 2,4,5-trichlorophenol อาจทำปฏิกิริยากันเอง เชื่อมต่อเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นดังรูปที่ ๔ ข้างล่าง เกิดเป็นสารประกอบ 2,3,7,8-tetrachlorodibenzoparadioxin ในภาวะการทำปฏิกิริยาปรกตินั้นจะเกิดสาร dioxin ดังกล่าวน้อยมาก (ในปริมาณที่เรียกว่า trace amount) แต่ถ้าอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาสูงมากเกินไป จะทำให้เกิด dioxin ได้ในมากขึ้น

รูปที่ ๔ การเกิด 2,3,7,8-tetrachlorodibenzoparadioxin จากปฏิกิริยาการหลอมรวมกันของ 2,4,5-trichlorophenol สองโมเลกุล

dioxin ตัวนี้จัดว่าติด ๑ ใน ๓ สารที่เป็นพิษรุนแรงที่สุดที่มนุษย์รู้จัก การทดสอบในสัตว์ทดลองพบว่าปริมาณเพียงแค่ 10^-9 เท่าของน้ำหนักตัว (หนึ่งในพันล้านของน้ำหนักตัวสัตว์ทดลองบางชนิด) ก็สามารถทำให้เสียชีวิตได้ นอกจากนี้ยังสามารถทำให้เกิดโรคมะเร็งและความผิวปรกติทางพันธุกรรมได้

สารผสมระหว่าง 2,4,5-trichlorophenoxy acetic acid (50%) กับ 2,4-dichlorophenoxy acetic acid (50%) ถูกนำมาใช้เป็นสาร defoliant (สารทำให้ใบไม้ร่วง) โดยกองทัพสหรัฐในสงครามเวียดนาม ทั้งนี้เพื่อให้กองทัพสหรัฐสามารถตรวจจับการเคลื่อนพลทางบกของกองทัพเวียดนามเหนือจากทางอากาศได้ สารดังกล่าวเป็นที่รู้จักในนาม "Agent orange" หรือที่คนไทยเรียก "ฝนเหลือง" ประมาณว่าจากปริมาณสาร defoliant ดังกล่าวที่กองทัพสหรัฐใช้ในสงคราม มีสาร dioxin ดังกล่าวประมาณ 170 กิโลกรัมที่ถูกโปรยลงไป

ที่เขียนมานี้เป็นการปูพื้นฐานให้กับเรื่องถัดไปที่มีผู้ขอมา คือการรั่วไหลของสารประกอบ dioxin ที่โรงงานของบริษัท Icmesa Chemical Companyที่เมือง Seveso ประเทศอิตาลี ในเช้าวันเสาร์ที่ ๑๐ กรกฎาคม ปีค.ศ. ๑๙๗๖ (พ.ศ. ๒๕๑๙) ที่ได้กลายเป็นกรณีศึกษาที่สำคัญกรณีหนึ่งในสาขาวิศวกรรมเคมี

อันที่จริงเรื่องนี้ผมก็สอนไว้ในวิชาเคมีอินทรีย์ ไม่รู้ว่าคนที่เคยเรียนวิชานี้กับจะยังจำเรื่องนี้ได้หรือเปล่า รุ่นสุดท้ายที่ได้เรียนก็คือพวกปี ๔ ในขณะนี้