ปฏิกิริยา ammoxidation หมู่เมทิลที่เกาะอยู่กับวงแหวนเบนซีน MO Memoir : Sunday 11 June 2560

ถ้าจะกล่าวว่าหมู่ไวนิล (vinyl) H₂C=CH- คือเอทิลีนที่อะตอม H หายไปหนึ่งอะตอม ดังนั้นในทำนองเดียวกันก็อาจจะกล่าวได้ว่าหมู่อัลลิล (ally) H₂C=CH-CH₂- ก็คือโพรพิลีนที่อะตอม H (ของอะตอม C ที่ไม่ใช่พันธะคู่) หายไปหนึ่งอะตอมได้เช่นกัน ส่วนหมู่เบนซิล (benzyl) C₆H₅-CH₂- ก็จะเปรียบเสมือนโทลูอีนที่อะตอม H ของหมู่เมทิลหายไปหนึ่งอะตอม
 

พันธะ C-H ของอะตอม C ที่อยู่ถัดจากพันธะคู่ (ตัวสีแดง ซึ่งอาจเป็น H₂C=CH-CH₂- ในกรณีของหมู่อัลลิลหรือ C₆H₅-CH₂- ในกรณีของหมู่เบนซิล) มีความแข็งแรงที่อ่อนกว่าพันธะตรงตำแหน่งอื่น และมีแนวโน้มที่จะถูกออกซิไดซ์ได้ง่ายกว่า และได้มีการนำความรู้นี้มาใช้ประโยชน์ในการสังเคราะห์สารประกอบที่ต้องการแทรกโมเลกุล N เข้าไปในโครงสร้าง โดยอาศัยการออกซิไดซ์ไฮโดรคาร์บอนตัวนั้นกับแอมโมเนีย (NH₃) และออกซิเจน ในปฏิกิริยาที่มีชื่อว่า "ammoxidation"
 

สารเคมีตัวหนึ่งที่มีการสังเคราะห์ขึ้นเป็นจำนวนมาโดยอาศัยปฏิกิริยาดังกล่าวเป็นหลักเห็นจะได้แก่ อะคลิโรไนไตรล์ (acrylonitrile H₂C=CH-CN ตรงพันธะระหว่าอะตอม C กับ N เป็นพันธะสาม) ที่สังเคราะห์โดยใช้โพรพิลีนทำปฏิกิริยากับแอมโมเนียและออกซิเจนในเฟสแก๊สโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย ในทำนองเดียวกัน เบนโซไนไตรล์ (benzonitrile C₆H₅-CN) ก็สามารถเกิดได้จากปฏิกิริยาระหว่างโทลูอีนกับแอมโมเนียและออกซิเจนในเฟสแก๊สโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยเช่นเดียวกัน โดยตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสมสำหรับปฏิกิริยาดังกล่าวจะเป็นสารประกอบโลหะออกไซด์ของโลหะวาเนเดียม V หรือโมลิบดีนัม Mo เป็นหลัก
 

รูปที่ ๑ ตัวอย่างสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเกี่ยวกับการผลิต benzonitrile จากปฏิกิริยาระหว่างโทลูอีนกับแอมโมเนีย

ที่สำคัญก็คือสารประกอบโลหะออกไซด์ของโลหะ V หรือ Mo ก็เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในกระบวนการ Selective Catalytic Reduction (SCR) ที่ใช้กำจัดแก๊ส NO ในแก๊สปล่อยทิ้ง (จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล) ด้วย NH₃ ด้วย ดังนั้นในกรณีที่แก๊สปล่อยทิ้งนั้นมีไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวหรือ alkyl substituted benzene (เบนซีนที่อะตอม H ถูกแทนที่ด้วยหมู่อัลคิล) ปะปนอยู่ ก็ต้องคำนึงถึงโอกาสที่จะเกิดปฏิกิริยาข้างเคียงที่ไม่ต้องการนี้ด้วย

รูปที่ ๒ อีกตัวอย่างหนึ่งของสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาที่เกี่ยวข้องกับการผลิตเบนโซไนไตรล์โดยอาศัยปฏิกิริยา ammoxidation ระหว่างโทลูอีนกับแอมโมเนียและออกซิเจน

รูปที่ ๓ อีกตัวอย่างหนึ่งของสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาที่เกี่ยวข้องกับการผลิตเบนโซไนไตรล์โดยอาศัยปฏิกิริยา ammoxidation ระหว่างโทลูอีนกับแอมโมเนียและออกซิเจน

รูปที่ ๔ ตัวอย่างสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาที่เกี่ยวข้องกับการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาวาเนเดียมออกไซด์ (V₂O₅) บนตัวรองรับไทเทเนียมออกไซด์ (TiO₂) เพื่อใช้ในปฏิกิริยา ammoxidation

หมู่ -CN นี้สามารถเกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส (hydrolysis) ด้วยน้ำ โดยมีกรดหรือเบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา กลายเป็นหมู่เอไมด์ (amide -C(O)-NH₂) ที่สามารถเกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสต่อไปเป็นหมู่คาร์บอกซิล (carboxyl -COOH) ได้ถ้าไม่ได้รับการควบคุมที่ดี

รูปที่ ๕ ตัวอย่างบทความเกี่ยวกับปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสเบนโซไนไตรล์ที่ใช้กรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (บทความตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสาร J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2, ปีค.ศ. 1973 หน้า 223-227)

Memoir ฉบับนี้เขียนขึ้นเนื่องจากระหว่างทำการศึกษาปฏิกิริยา SCR ในแก๊สปล่อยทิ้งที่มีโทลูอีนประปนอยู่ ดันไปเจอเข้ากับปฏิกิริยานี้โดยบังเอิญแบบไม่ได้คาดการณ์ล่วงหน้ามาก่อน ก็เลยลองนำมาคิดดูเล่น ๆ ว่าถ้าจะเอาปฏิกิริยานี้มาใช้ประโยชน์โดยใช้โทลูอีนเป็นสารตั้งต้น มันจะไปทางไหนได้บ้าง
 

เส้นทางแรกสุด (เส้นบนในรูปที่ ๖) เริ่มจากการเปลี่ยนโทลูอีนไปเป็นเบนโซไนไตรล์ด้วยปฏิกิริยา ammoxidation ก่อน จากนั้นจึงทำการไฮโดรไลซ์เบนโซไนไตรล์ไปเป็นเบนซาไมด์ (benzamide) จากนั้นจึงนำเบนซาไมด์มาทำปฏิกิริยา nitration และเนื่องด้วยหมู่เอไมด์ -C(O)-NH₂ เป็น meta directing group ดังนั้นการแทนที่ด้วยหมู่ NO₂ จึงควรเกิดขึ้นที่ตำแหน่ง meta เป็นหลัก ได้ผลิตภัณฑ์คือ 3-Nitrobenzamide จากนั้นทำการรีดิวซ์หมู่ไนโตร -NO₂ ให้กลายเป็นหมู่อะมิโน -NH₂ ก็จะได้สารประกอบ 3-Aminobenzamide
 

อีกเส้นทางหนึ่งนั้น (เส้นล่างในรูปที่ ๖) เริ่มจากการนำโทลูอีนมาทำปฏิกิริยา hydroxylation กับ H₂O₂ โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาตระกูล TS-1 ช่วย (งานนี้ทางกลุ่มเราเคยทำเอาไว้แล้ว) ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ o-Cresol และ p-Cresol (เพราะหมู่ -CH₃ เป็น ortho และ para directing group) จากนั้นนำ o-Cresol มาทำปฏิกิริยา ammoxidation ก็จะได้สารประกอบ 2-Hydroxylbenzonitrile ที่เมื่อนำไปทำปฏิกิริยาไฮโดรไลซิลต่อก็จะได้ Salicylamide ตัว Salicylamide นี้ถ้าแทนที่อะตอม H ของหมู่ -OH ด้วยหมุ่เอทิล -CH₂CH₃ (ปฏิกิริยานี้อยู่ในเรื่องการสังเคราะห์อีเทอร์) ก็จะได้สารประกอบที่มีชื่อว่า Ethanzamide (ตรงนี้ผมยังสงสัยอยู่เหมือนกันว่า ในขั้นตอนการเปลี่ยน Salicylamide ไปเป็น Ethanzamide นั้น หมู่เอไมด์จะทำปฏิกิริยาด้วยหรือไม่ หรือควรต้องเปลี่ยนหมู่เอไมด์เป็นหมู่อื่นก่อน (เช่นหมู่คาร์บอกซิล) จากนั้นจึงเปลี่ยนหมู่ hydroxyl ไปเป็นหมู่ ethoxy แล้วจึงค่อยเปลี่ยนหมู่เอไมด์ที่ถูกเปลี่ยนไปเป็นหมู่อื่นนั้นให้กลับมาเป็นหมู่เอไมด์เหมือนเดิม)

รูปที่ ๖ แผนผังความเป็นไปได้ในการใช้ประโยชน์โทลูอีนผ่านปฏิกิริยา ammoxidation และ hydroxylation

ข้อมูลใน wikipedia บอกว่า 3-Aminobenzmide ได้รับความสนใจในฐานะสารตัวหนึ่งที่มีความเป็นไปได้ในการนำมาใช้เป็นยารักษาโรคมะเร็ง Salicylamide มีการนำมาใช้เป็นยาแก้ปวดและลดไข้ ส่วน Ethenzamide นั้นมีการนำมาใช้เป็นยาแก้ปวดและต้านการอักเสบ