ความเป็นขั้วบวกของอะตอม C และการทำปฏิกิริยาของอีพิคลอโรไฮดริน (epichlorohydrin) MO Memoir : Wednesday 26 July 2560

Memoir ฉบับนี้เป็นตอนต่อเนื่องจาก ๒ ฉบับก่อนหน้านี้คือ
 

ปีที่ ๑๐ ฉบับที่ ๑๔๐๘ วันพุธที่ ๑๙ กรกฎาคม ๒๕๖๐ เรื่อง "การทำปฏิกิริยาของโพรพิลีนออกไซด์ (1,2-Propyleneoxide) ตอนที่ ๑" และ

ปีที่ ๑๐ ฉบับที่ ๑๔๐๙ วันพฤหัสบดีที่ ๒๐ กรกฎาคม ๒๕๖๐ เรื่อง "การทำปฏิกิริยาของโพรพิลีนออกไซด์ (1,2-Propyleneoxide) ตอนที่ ๒"

ต้นเรื่องของบทความชุดนี้มาจากคำถามที่เกิดขึ้นระหว่างการสอบโครงร่างหัวข้อวิทยานิพนธ์นิสิตปริญญาเอก โดยคำถามนั้นเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ Bisphenol A diglycidyl ether ที่เป็นองค์ประกอบสำคัญตัวหนึ่งของเรซินอีพอกซี ด้วยการทำปฏิกิริยาระหว่างบิสฟีนอลเอ (Bisphenol A) กับอีพิคลอโรไฮดริน (epichlorohydrin) (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยาการเชื่อมต่อโมเลกุลระหว่าง epichlorohydrin กับ bisphenol A สิ่งที่มีการนำเสนอกันทั่วไปคือปฏิกิริยาจะเกิดตาม Route 1 ที่เป็นปฏิกิริยา ๒ ขั้นตอนโดยเริ่มจากอะตอม C ที่ของหมู่อีพอกไซด์เข้าเกาะกับหมู่ -OH ของวงอะโรมาติกก่อน ทำให้อะตอม O ของหมู่อีพอกไซด์กลายเป็นหมู่ -OH ก่อนที่หมู่ -OH นี้จะทำปฏิกิริยากับอะตอม Cl ปิดเป็นวงอีพอกไซด์ที่ปลายโซ่อีกครั้ง คำถามที่เกิดขึ้นก็คือทำไมจึงไม่คิดว่าปฏิกิริยาน่าจะเกิดตาม Route 2 ที่เป็นปฏิกิริยาขั้นตอนเดียวโดยอะตอม C ที่มีอะตอม Cl เกาะอยู่นั้นเป็นตัวที่เข้าเกาะกับหมู่ -OH ของวงอะโรมาติกโดยตรง (ปฏิกิริยาที่มีชื่อว่า Williamson ether synthesis)
 

อีพิคลอโรไฮดรินจะเชื่อมต่อโมเลกุลเข้ากับหมู่ -OH ของบิสฟีนอลเอ ในปฏิกิริยานี้ในสภาวะที่มีเบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา อะตอม H ของหมู่ -OH จะหลุดออก (หมู่นี้เป็นกรด) กลายเป็น -O^- ที่สามารถจับเข้ากับอะตอม C ที่มีความเป็นขั้วบวกของอีพิคลอโรไฮดริน อะตอม C ของอีพิคลอโรไฮดรินทั้งสามอะตอมนั้นมีความเป็นขั้วบวกที่แตกต่างกัน โดยในส่วนของตัวที่อยู่ในโครงสร้างวงอีพอกไซด์นั้น อะตอม C ตัวที่อยู่ตรงกลางสายโซ่คาร์บอนจะมีความเป็นขั้วบวกน้อยกว่าอีกตัวหนึ่ง ส่วนอะตอม C ของหมู่ -CH₂Cl นั้นก็มีความเป็นขั้วบวกเหมือนกันเพราะมีอะตอม Cl เกาะอยู่ คำถามก็คือดังนั้นปฏิกิริยาควรเกิด (หรือมีโอกาสเกิด) ที่อะตอม C ตัวไหนมากที่สุด
 

พิจารณาจากโครงสร้างโมเลกุลของอีพิคลอโรไฮดรินแล้ว ปฏิกิริยาไม่น่าจะเกิดที่อะตอม C ตัวที่อยู่กลางเนื่องด้วยมันมีความเป็นขั้วบวกที่ต่ำและยังอยู่ในตำแหน่งที่ถูกกีดกันจากหมู่ด้านข้างที่ใหญ่กว่า (steric effec) แถมโมเลกุลบิสฟีนอลเอก็ยังมีขนาดใหญ่ด้วย ดังนั้นจึงเหลืออะตอม C ที่ควรค่าแก่การพิจารณาเพียงแค่สองอะตอมคือตัวที่เกาะอยู่กับอะตอม O และตัวที่อยู่ที่หมู่ -CH₂Cl
 

ถ้าปฏิกิริยาเกิดที่อะตอม C ตัวที่เกาะอยู่กับอะตอม O (Route 1 ในรูปที่ ๑) วงอีพอกไซด์จะเปิดออกกลายเป็นหมู่ -OH และหมู่ -OH นี้จะหลอมรวมกับอะตอม Cl กลายเป็นวงอีพอกไซด์วงใหม่ (ย้ายตำแหน่ง) โดยคายโมเลกุล HCl ออกมา ปฏิกิริยาที่เกิดนั้นเป็นปฏิกิริยาสองขั้นตอน แต่ถ้าเกิดที่อะตอม C ของหมู่ -CH₂Cl โดยอิงกลไกการทำปฏิกิริยาแบบ Williamson ether synthesis (Route 2 ในรูปที่ ๑) ก็จะเป็นปฏิกิริยาขั้นตอนเดียว
 

แต่ดูเหมือนว่าการเกิดปฏิกิริยาตาม Route 1 (ในรูปที่ ๑) นั้นเป็นกลไกที่ยอมรับกันทั่วไป แม้แต่สิทธิบัตรที่เกี่ยวข้อกับการสังเคราะห์ Bisphenol A diglycidyl ether หลายฉบับก็กล่าวถึงการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์ฮาโลไฮดรินอีเทอร์ (halohydrin ether) ขึ้นมาก่อนในขั้นตอนแรก จากนั้นจึงค่อยเปลี่ยนโครงสร้างฮาโลไฮดรินนี้ให้กลายเป็นวงอีพอกไซด์ในขั้นตอนที่สอง โดยทั้งสองขั้นตอนต่างใช้เบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา แต่การที่ปฏิกิริยาชอบที่จะเกิดที่อะตอม C ของวงอีพอกไซด์ก่อนนั้นคงเป็นเพราะความเป็นขั้วบวกของอะตอม C ตัวนี้ที่สูงกว่า และการเปลี่ยนหมู่ฮาโลไฮดรินให้กลายเป็นวงอีพอกไซด์ (ปฏิกิริยา elimination) นั้นจำเป็นต้องใช้เบสและภาวะการทำปฏิกิริยาที่แรงกว่า (คล้าย ๆ กับปฏิกิริยา dehydration ของเอทานอลด้วยกรดกำมะถัน ซึ่งถ้าใช้อุณหภูมิต่ำจะได้อีเทอร์ (ปฏิกิริยาระหว่างสองโมเลกุล) แต่ถ้าใช้อุณหภูมิสูงจะได้เอทิลีน)

รูปที่ ๒ ค่า dipole mement (หน่วย debye หรือ D) ของสารประกอบอินทรีย์บางตัวที่มีการแทนที่อะตอม H ด้วย Cl

(ก) Formyl chloride เป็นสารประกอบที่ไม่เสถียร ค่า dipole moment นำมาจากหนังสือ Molecular Spectroscopy โดย R. F. Barrow, D. A. Long, J. Sheridan หน้า ๑๗ รายละเอียดเพิ่มเติมอ่านได้ในรูปที่ ๓

(ข) ค่า dipole moment ของ Propylene oxide และ Epichlorohydrin นำมาจากเว็บ http://microkat.gr (ใช้ google ค้นหาโดยใส่คำ mircokat.gr และตามด้วยชื่อสารต่อท้าย จะเข้าไปยังหน้าเว็บของแต่ละสาร)

(ค) ค่า dipole moment ของสารที่เหลือนำมาจากหน้าเว็บ https://en.wikipedia.org ของสารแต่ละตัว
 

จริงอยู่ที่อะตอม Cl นั้นมีทำให้อะตอม C ของหมู่ -CH₂Cl ที่มันเกาะเกาะอยู่นั้นมีความเป็นขั้วบวกได้ แต่อะตอม C ตัวที่เป็นโครงสร้างของวงอีพอกไซด์และเกาะเข้ากับหมู่ -CH₂Cl นั้นก็มีความเป็นขั้วบวกเหมือนกัน (ผลจากอะตอม O) มันจึงสามารถส่งผลในการดึงอิเล็กตรอนจากอะตอม C ของหมู่ -CH₂Cl ได้เช่นกัน แต่ในทิศทางที่หักล้างกับทิศทางการดึงของอะตอม Cl เพื่อให้มองเห็นภาพนี้ได้ชัดเจนขึ้น เราลองพิจารณาค่า dipole moment (ค่าที่ใช้บอกความเป็นขั้วของโมเลกุล) ที่ยกมาเป็นตัวอย่างในรูปที่ ๒ ดูสักหน่อยดีกว่า
 

ความมีขั้วของพันธะระหว่างอะตอมเกิดจากการที่แต่ละอะตอมมีความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนจากอะตอมอื่นเข้าหาตัวเองที่แรงไม่เท่ากัน ค่าความสามารถนี้คือค่า Electronegativity หรือค่า En อะตอมที่มีความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนจากอะตอมที่มันสร้างพันธะด้วยได้มากกว่า จะทำให้อิเล็กตรอนย้ายมาหนาแน่นที่ตัวมันเองเป็นพิเศษ อะตอมนั้นก็จะมีความเป็นขั้วลบ ในขณะที่อะตอมที่สูญเสียอิเล็กตรอนจะมีความเป็นขั้วบวก ตัวอย่างเช่นโมเลกุล CO ที่ด้านอะตอม C จะมีความเป็นขั้วบวก ในขณะที่ด้านอะตอม C มีความเป็นขั้วลบ ดังนั้นโมเลกุล CO จะเป็นโมเลกุลที่มีความเป็นขั้วอยู่เล็กน้อย อะตอม C จะเป็นอะตอมที่มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยากับอะตอมที่มีอิเล็กตรอนหนาแน่นของโมเลกุลอื่น
 

แต่ในกรณีของโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมตั้งแต่สามอะตอมขึ้นไป จะมีเรื่องของรูปร่างโมเลกุลเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย ดังเช่นในกรณีของโมเลกุล CO₂ หรือถ้าจะให้เห็นภาพก็คงต้องเขียนเป็น O=C=O ที่มีโครงสร้างเป็นเส้นตรง โดยอะตอม C ที่อยู่ตรงกลางจะถูกอะตอม O ทั้งสองตัวดึงเอาอิเล็กตรอนออก แต่เนื่องจากทิศทางการดึงนั้นอยู่ตรงข้ามกันพอดีและมีขนาดเท่ากัน จึงทำให้อะตอม C นั้นไม่มีความเป็นขั้วบวกที่แรงเหมือนกรณีโมเลกุล CO แต่ถ้าพันธะระหว่างอะตอม C กับอะตอมแต่ละตัวที่ดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอม C นั้นไม่ได้ทำมุมที่หักล้างกัน เช่นในกรณีของหมู่คาร์บอนิล R₁-C(O)-R₂ ที่มีโครงสร้างแบนราบ อะตอม C ของหมู่คาร์บอกซิลก็ยังมีความเป็นขั้วบวกอยู่ แต่ทั้งนี้ก็ต้องพิจารณาทิศทางการดึงประกอบด้วย เช่นกรณีของฟอร์มัลดีไฮด์ (formaldehyde) ที่อะตอม C มีความเป็นขั้วบวกที่แรงมาก แต่พอเป็นฟอร์มิลคลอไรด์ (formyl chloride) กลับมีค่า dipole moment ที่ลดลง เพราะทิศทางการดึงอิเล็กตรอนของอะตอม O และ Cl นั้นมีการหักล้างกัน และพอเป็นฟอสจีน (phosgene) ก็มีค่า dipole moment ที่ลดลงไปอีก
 

ย่อหน้าข้างบนนั้นเป็นการพิจารณาโครงสร้างสองมิติ พอมาเป็นโครงสร้างสามมิติ (อย่างเช่นในกรณีของสารประกอบมีเทนที่มีการแทนที่อะตอม H ด้วยอะตอม Cl แถวบนในรูปที่ ๒) ก็จะวุ่นวายขึ้นมาหน่อย สำหรับโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมตั้งแต่สามอะตอมขึ้นไป เราพอที่จะมองความเป็นขั้วของ "โมเลกุล" ทั้งโมเลกุลได้จากค่า dipole moment ที่บ่งบอกให้ทราบว่าผลรวมของการดึงอิเล็กตรอนของพันธะต่าง ๆ ในทิศทางต่าง ๆ นั้นเป็นอย่างไร ค่า dipole moment ที่เป็นศูนย์หมายความว่าผลการดึงอิเล็กตรอนนั้นหักล้างกันหมด (กลายเป็นโมเลกุลไม่มีขั้วไป) อย่างเช่นในกรณีของ CH₄ หรือ CCl₄

รูปที่ ๓ รายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับ formyl chloride ที่ปรากฏจากการค้นโดย google book

คลอโรมีเทน (คำ chloromethane นี้ถ้ากล่าวขึ้นมาลอย ๆ ปรกติมักจะหมายถึง monochloromethane โดยถ้ามีการแทนที่อะตอม H ด้วยอะตอม Cl ตั้งแต่สองขึ้นไป ก็มักจะระบุจำนวน) มีอะตอม Cl เพียงอะตอมเดียว ดังนั้นการดึงอิเล็กตรอนจากอะตอม C จึงเกิดขึ้นในทิศทางเดียว แต่พอเป็นไดคลอโรมีเทน (dichloromethane) ที่มีอะตอม Cl สองอะตอม แต่ดึงอิเล็กตรอนจากอะตอม C ในทิศทางที่แตกต่างกัน แม้ว่าอะตอม Cl จะมีความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนจากอะตอม C ได้มาก แต่ด้วยทิศทางที่แตกต่างกันจึงไม่ได้ทำให้ผลรวมของการดึงอิเล็กตรอนนั้นเสริมกัน กลับมีการหักล้างกันเล็กน้อย ทำให้ค่า dipole moment ของโมเลกุลไดคลอโรมีเทนต่ำกว่าของคลอโรมีเทนอยู่เล็กน้อย และพอเป็นไตรคลอโรมีเทนกลับพบว่าค่า dipole moment กลับลดต่ำลงไปอีก

รูปที่ ๔ (บน) แบบจำลองการเกิดปฏิกิริยา และ (ล่าง) ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยาระหว่าง aniline (C₆H₅-NH₂) กับอีพิคลอโรไฮดรินและโพรพิลีนออกไซด์ โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็ง (บทความใช้ชื่อย่อ MOF เข้าใจว่าเป็นสารประกอบออกไซด์ที่เป็นกรดตรงตำแหน่งไอออน Zr) ในกรณีนี้ในกรณีของอีพิคลอโรไฮดริน aniline เข้าเกาะที่ตำแหน่งอะตอม C ตัวกลางเป็นหลัก (ผลจากการเปิดวงอีพอกไซด์) ดังนั้นโอกาสที่หมู่ -OH และ -Cl ที่อยู่ที่ปลายสายโซ่คนละด้านจะหลอมรวมเข้าด้วยกันกลายเป็นหมู่ -O- จึงยาก (จากบทความเรื่อง "Nucleophilic addition of amines, alcohols, and thophenol with epoxide/olefin using highly efficient zirconia metal organic framework heterogeneous catalyst" โดย Poonma Rani และ Rajendra Srivastave ใน RSC Adv., 2015, 5, 28780)
 

มุมระหว่างพันธะส่งผลต่อผลรวมของแรงดึงในทิศทางนั้น เช่นในกรณีของ O=C=O ที่ค่ามุมระหว่างพันธะคือ 180º ผลรวมของแรงดึงจึงหักล้างกันหมด ในทำนองเดียวกันในกรณีของไดคลอโรมีเทนและไตรคลอโรมีเทนนั้น มุมระหว่างพันธะ Cl-C-Cl ที่กว้างก็จะส่งผลให้ผลลัพธ์ของแรงดึงลดลงด้วย ด้วยการที่อะตอม Cl มีขนาดใหญ่ เมื่อมีจำนวนอะตอม Cl เพิ่มขึ้นจากหนึ่งเป็นสองและเป็นสาม มุมระหว่างพันธะนี้ก็เพิ่มขึ้นตามไปด้วย ส่งผลให้ความเป็นขั้วของอะตอม C นั้นลดต่ำลง
 

ทีนี้เราลองย้อนกลับมาดูกรณีของอีพิคลอโรไฮดรินดูบ้าง อะตอม C ของหมู่ -CH₂Cl นั้นไม่ได้ถูกดึงอิเล็กตรอนออกด้วยอะตอม Cl เท่านั้น แต่ยังถูกดึงออกด้วยอะตอม C (ที่เกาะอยู่กับอะตอม O ของวงแหวนอีพอกไซด์) ที่อยู่เคียงข้างด้วย (ลองมองภาพเปรียบเทียบกับ CH₂Cl₂ โดยที่อะตอม Cl ตัวหนึ่งถูกแทนที่ด้วยหมู่ -(CH(O)CH₂) ส่วนอะตอม C ตัวที่อยู่ที่มุมวงแหวนอีพอกไซด์นั้นมุม O-C-C เป็นมุมที่แคบกว่า (ประมาณ 60º เท่านั้นเอง) จึงทำให้อะตอม C ที่ตำแหน่งนี้มีความว่องไวสูงกว่า และด้วยการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาและสภาวะการทำปฏิกิริยาที่ไม่รุนแรงไป การเกิดปฏิกิริยาก็จะเกิดที่อะตอม C ตัวนี้เป็นหลักมากกว่าที่จะเกิดที่อะตอม C ของหมู่ -CH₂Cl

รูปที่ ๔ เป็นแบบจำลองและรายงานผลการทำปฏิกิริยาระหว่าง โพพิลีนออกไซด์/อีพิคลอโรไฮดริน กับอะนิลีน ที่มีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย (บทความไม่ได้ให้รายละเอียดตัวเร่งปฏิกิริยาชัดเจน แต่คาดว่าน่าจะเป็นของแข็งที่มีฤทธิ์เป็นกรด) ในกรณีนี้ผู้วิจัยค้นพบว่าผลิตภัณฑ์ส่วนเกือบทั้งหมดที่เกิดขึ้นนั้นเป็นผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการเข้าเกาะที่อะตอม C ตัวที่อยู่ตรงกลางสายโซ่ ซึ่งน่าจะเป็นผลจากการที่ตัวเร่งปฏิกิริยาไปทำให้วงอีพอกไซด์เปิดออกเป็น 2º carbocation (ดู Memoir ฉบับวันพฤหัสบดีที่ ๒๐ กรกฎาคม ๒๕๖๐ ที่กล่าวถึงในตอนต้น) ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นว่าการเข้าทำปฏิกิริยาที่อะตอม C ตัวไหนนั้นยังขึ้นอยู่กับชนิดตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ด้วย

คำอธิบายต่าง ๆ นั้นมันสามารถใช้ความรู้พื้นฐานที่มีอยู่เดิมและเรียนกันในระดับปริญญาตรีนั้นมาอธิบายได้ การที่สามารถดึงเอาความรู้พื้นฐานที่มีอยู่นั้นมาใช้อธิบายหรือทำนายผลการทดลองได้ นั่นแสดงว่าผู้ที่ทำวิจัยนั้นมีความรู้พื้นฐานในเรื่องที่ทำวิจัยนั้นดี การอธิบายด้วยการใช้อิงคำอธิบายจากบทความอื่นแบบว่าที่เราได้อย่างนี้ก็เป็นแบบเดียวกับที่คน ๆ นั้นเขาได้แบบนี้ กลับจะเป็นการแสดงให้เห็นเลยว่าผู้ทำวิจัยนั้นตัวเองไม่ได้มีความรู้พื้นฐานในการทำวิจัยที่ดีพอ กลับใช้วิธีการพอได้ผลการทดลองมาอย่างไรก็ใช้วิธีการค้นหาว่าเคยมีบทความที่ทำการทดลองแบบเดียวกันหรือคล้ายกันนั้นเขาอธิบายเอาไว้อย่างไร แล้วก็ลอกคำอธิบายนั้นมา
 

ที่น่าเศร้าใจก็คือ พักหลัง ๆ เจอบ่อยครั้งแล้วที่ คำอธิบายที่ผู้นำเสนอผลงานสามารถใช้ทฤษฎีที่เรียนกันอยู่นั้นมาอธิบายได้ กลับไม่เป็นที่ยอมรับของผู้ทรงคุณวุฒิที่ทำหน้าที่ประเมินผลงาน โดยกลับบอกว่าให้ไปหา paper มาอ้างอิงว่าถ้าทำแบบนี้แล้วต้องได้อย่างนี้
 

ถ้าเชื่อคำอธิบายใน paper มากกว่าในตำราที่เรียนกัน แล้วเราจะเรียนทฤษฎีพื้นฐานไปทำไม หรือว่าผู้ทรงคุณวุฒิเหล่านั้นไม่มีความรู้พื้นฐานที่ดีพอ ไม่สามารถเข้าใจได้ว่าทฤษฎีที่เรียนกันอยู่นั้นมันก็สามารถอธิบายผลการทดลองได้แล้ว ไม่จำเป็นต้องไปหา paper อะไรมาอ้างอิง