จากกลีเซอรอล (glycerol) ไปเป็นอีพิคลอโรไฮดริน (epichlorohydrin) MO Memoir : Monday 17 July 2560

ในตำราเคมีอินทรีย์ ในบทสารประกอบแอลกอฮอล์ จะมีการกล่าวถึงการเปลี่ยนหมู่ไฮดรอกซิล (hydroxyl -OH) ไปเป็นหมู่เฮไลด์ (halide -X) ด้วยการทำปฏิกิริยากับสารประกอบ HX และในทางกลับกันในบทสารประกอบเฮไลด์ ก็จะมีการการถึงการเปลี่ยนหมู่เฮไลด์ไปเป็นหมู่ไฮดรอกซิล ด้วยการทำปฏิกิริยากับน้ำ H-OH (รูปที่ ๑)
 

รูปที่ ๑ เราสามารถที่จะเปลี่ยนหมู่ -OH ให้กลายเป็นฮาโลเจน -X (เมื่อ X คือ Cl, Br และ I) และในทางกลับกันเราก็สามารถที่จะแทนที่หมู่เฮไลด์ด้วยหมู่ -OH

แต่ถ้าเราเอาแอลกอฮอล์มาทำปฏิกิริยากับ RX ในสภาวะที่มีเบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา อะตอม X จะไม่เข้าไปแทนหมู่ -OH แต่อะตอม H ของหมู่ -OH จะหลุดออกมา และหมู่ R จะเข้าไปแทนที่อะตอม H ได้สารประกอบอีเทอร์ (R₁-O-R₂) ปฏิกิริยานี้คือปฏิกิริยาที่มีชื่อว่า Williamson ether synthesis (รูปที่ ๒)
 

รูปที่ ๒ ปฏิกิริยา Williamson ether synthesis เป็นปฏิกิริยาที่ใช้ในการสังเคราะห์สารประกอบอีเทอร์ ปฏิกิริยานี้เหมาะสำหรับการสังเคราะห์อีเทอร์ที่หมู่ด้านซ้ายและขวาของอะตอมออกซิเจนนั้นไม่เหมือนกัน

ฮาโลไฮดริน (halohydrin) คือสารประกอบที่ประกอบด้วยหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) และอะตอมฮาโลเจน (-X) โดยที่หมู่ไฮดรอกซิลและอะตอมฮาโลเจนนั้นเกาะอยู่ที่อะตอม C ที่อยู่เคียงข้างกัน (รูปที่ ๓) ถ้าอะตอม X คือ Cl ก็จะเรียกฮาโลไฮดรินนั้นว่าคลอโรไฮดริน (chlorohydrin) และในทำนองเดียวกันถ้า X คือ Br ก็จะเรียกว่าโบรโมไฮดริน (bromohydrin)
 

อีพิคลอโรไฮดริน (epichlorohydrin) แม้ชื่อจะมีคำว่าคลอโรไฮดรินอยู่ แต่มันก็ไม่ใช่สารประกอบฮาโลไฮดริน ทั้งนี้เพราะอะตอม C ที่อยู่เคียงข้างอะตอม C ที่มีอะตอม C เกาะนั้น ไม่ได้มีหมู่ -OH เกาะอยู่ แต่เป็นวงอีพอกไซด์ (epoxide) หรือโครงสร้างอีเทอร์ที่เป็นวงสามเหลี่ยม อีพิคลอโรไฮดรินนี้จะมีอะตอม C ที่เป็น chiral centre (คืออะตอม C ที่มีหมู่มาเกาะ 4 หมู่ไม่ซ้ำกันเลย) อยู่ 1 อะตอม (ตรงลูกศรสีแดงชี้ในรูปที่ ๓) เส้นทางเดิมในการเตรียมสารประกอบตัวนี้เริ่มจากการสังเคราะห์อัลลิลคลอไรด์ (ally chloride - H₂C=CH-CH₂-Cl) จากปฏิกิริยาระหว่างโพรพิลีนกับคลอรีน จากนั้นจึงค่อยเปลี่ยนอัลคิลคลอไรด์เป็นอีพิคลอโรไฮดรินอีกที
 

รูปที่ ๓ สารประกอบฮาโลไฮดรินและอีพิคลอโรไฮดริน
 

การใช้งานหลักแต่เดิมของอีพิคลอโรไฮดรินคือการนำไปสังเคราะห์อีพอกซีเรซิน (epoxy resin) ซึ่งในปัจจุบันก็ยังคงเป็นการใช้งานหลักอยู่ อีกการใช้งานหนึ่งได้แก่การนำไปสังเคราะห์เป็นกลีเซอรอล (glycerol หรือ glycerine หรือ glycerin - H₂(HO)C-CH(OH)-C(OH)H₂)
 

เดิมนั้น แหล่งที่มาหลักของกลีเซลรอลจากธรรมชาติจะได้จากกระบวนการผลิตสบู่ แต่เมื่อการผลิตไบโอดีเซล (ที่เป็นสารประกอบเมทิลเอสเทอร์ของกรดไขมันกับเมทานอล) จากน้ำมันพืชมีเพิ่มขึ้นมากอย่างรวดเร็ว ทำให้มีกลีเซอรอลที่เกิดขึ้นจากกระบวนการผลิตไบโอดีเซลจำนวนมาก แต่กลีเซอรอลตัวนี้ก็มีปัญหาในการนำไปใช้งานหน่อยตรงที่มีสิ่งปนเปื้อนมาก (เรียกว่าไม่ค่อยคุ้มถ้าจะคิดทำให้บริสุทธิ์เพื่อนำไปใช้ในอุตสาหกรรมอาหารและยา ในการนี้การใช้กลีเซอรอลที่ได้มาจากการสังเคราะห์จากอีพิคลอโรไฮดรินจะเหมาะสมกว่าเพราะมีความบริสุทธิ์ที่สูงกว่ามาก)
 

แนวทางหนึ่งในการใช้ประโยชน์จากกลีเซอรอลที่เกิดขึ้นเป็นจำนวนมากจากการผลิตไบโอดีเซลคือการนำไปเปลี่ยนเป็นอีพิคลอโรไฮดริน โดยอาศัยปฏิกิริยาระหว่างกลีเซอรอลกับไฮโดรเจนคลอไรด์ (HCl) โดยให้อะตอม Cl เข้าไปแทนที่หมู่ -OH เพียงแค่สองหมู่ (ในการนี้จะมีโมเลกุลน้ำเกิดขึ้น และต้องคอยระวังอย่าให้มีการแทนที่ทั้งสามหมู่) กลายเป็นสารประกอบไดคลอโรโพรพานอลก่อน (ส่วนจะเป็น 1,3-Dichloro-2-propanol หรือ2,3-Dichloro-1-propanol นั้นไม่สำคัญ) จากนั้นจึงดึงเอาอะตอม H ของหมู่ -OH กับอะตอม Cl ที่อยู่ที่อะตอม C ข้างเคียงออกในรูป HCl ก็จะเกิดเป็นโครงสร้างอีพอกไซด์ที่เป็นวงสามเหลี่ยม (รูปที่ ๔)
 

รูปที่ ๔ ปฏิกิริยาการเปลี่ยนกลีเซอรอลไปเป็นอีพิคลอโรไฮดริน

รูปที่ ๕ ตัวอย่างเอกสารยื่นขอจดสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเรื่องการสังเคราะห์อีพิคลอโรไฮดรินจากกลีเซอรอล ที่อาศัยการทำปฏิกิริยาระหว่างกลีเซอรอล (ที่เป็นของเหลว) กับแก๊ส HCl และเนื่องจากปฏิกิริยามีน้ำเกิดขึ้น ดังนั้นการออกแบบกระบวนการก็ต้องคำนึงถึงการแยกน้ำออกจากผลิตภัณฑ์และการกัดกร่อนที่อาจเกิดจากแก๊ส HCl ละลายน้ำด้วย
 

กระบวนการนี้มีการสังเคราะห์อยู่ ๒ ขั้นตอนด้วยกัน ขั้นตอนแรกเป็นการทำปฏิกิริยาระหว่างกลีเซอรอลและโมโนคลอโรโพรเพนไดออล (ที่แยกออกมาจากไดคลอโรโพรพานอล) เพื่อสังเคราะห์ไดคลอโรโพรพานอลก่อน ในขั้นตอนนี้ไม่ควรใช้แก๊ส HCl มากเกินไปเพราะจะมีความเสี่ยงต่อการเกิดการแทนที่หมู่ -OH ทั้งสามตำแหน่งและปัญหาเรื่องการจัดการกับแก๊ส HCl ที่ทำปฏิกิริยาไม่ทันอีก (เช่นจะกำจัดทิ้ง หรือจะหาทางนำกลับมาใช้งานใหม่) จากนั้นจึงแยกเอาไดคลอโรโพรพานอลไปทำปฏิกิริยาต่อโดยมีเบส (เช่น NaOH) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เพื่อเปลี่ยนไดคลอโรโพรพานอลไปเป็นอีพิคลอโรไฮดริลด้วยการดึงเอาโมเลกุล HCl ออก (HCl ที่เกิดขึ้นในขั้นตอนนี้จะทำปฏิกิริยากับ NaOH กลายเป็นสารละลาย NaCl)
 

HCl เป็นผลิตภัณฑ์จากการเผาแก๊สไฮโดรเจน (H₂) ด้วยคลอรีน (Cl₂) แก๊สสองตัวนี้เกิดขึ้นที่ขั้วไฟฟ้าในกระบวนการผลิตโซดาไฟ (sodium hydroxide - NaOH) ด้วยการแยกสารละลายเกลือ NaCl ด้วยกระแสไฟฟ้า ดังนั้นถ้าคิดจะตั้งโรงงานผลิตอีพิคลอโรไฮดรินโดยใช้กลีเซอรอลเป็นสารตั้งต้น ก็ควรต้องพิจารณาด้วยว่าจะหาแก๊ส HCl จากไหน (จะซื้อเป็นแก๊ส HCl ที่บรรจุในถังความดันสูงจากผู้ผลิต หรือซื้อไฮโดรเจนกับคลอรีนมาเผาเอง แต่ดูแล้วไม่น่าจะเหมาะสมสำหรับการผลิตเป็นจำนวนมาก) หรือควรตั้งโรงงานผลิตโซดาไฟด้วย (เพื่อผลิตแก๊ส HCl ใช้เอง และส่งเข้าสู่กระบวนการผลิตอีพิคลอโรไฮดรินเลย ซึ่งดูแล้วน่าจะเหมาะสมมากกว่า แต่ก็ต้องหาตลาดสำหรับสารละลายโซดาไฟที่ผลิตขึ้นมาด้วย แต่อย่างน้อยก็สามารถใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการเปลี่ยนไดคลอโรโพรพานอลไปเป็นอีพิคลอโรไฮดรินได้)

ปัจจุบันในบ้านเราก็ได้มีโรงงานที่ผลิตอีพิคลอโรไฮดรินจากกลีเซอรอลเกิดขึ้นแล้ว
 

รูปที่ ๖ ตัวอย่างสิทธิบัตรสหภาพยุโรปที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการผลิตไดคลอโรไฮดรินเพื่อนำไปผลิตเป็นอีพิคลอโรไฮดรินอีกทอดหนึ่ง