จาก Aniline ไปเป็น Methyl orange MO Memoir : Thursday 15 November 2561

หมู่ p-quinone และหมู่ azo เป็นหมู่โครโมฟอร์ (chromophore หรือหมู่ทำให้เกิดสี) ที่แรง ส่วนหมู่ฟังก์ชันที่เป็นเบสพวก -NH₂ -NHR -NR₁R₂ และหมู่ฟังก์ชันที่เป็นกรดเช่น -SO₃H ต่างก็เป็นหมู่ออกโซโครม (auxochrome หรือหมู่เร่งสี) ที่แรงที่ช่วยให้สีที่เกิดจากหมู่โครโมฟอร์นั้นเข้มขึ้น ดังนั้นสารอินทรีย์ที่มีหมู่เหล่านี้อยู่ในโมเลกุลจึงเป็นที่ต้องการในวงการสีย้อมที่เป็นสารอินทรีย์ และสารตัวหนึ่งที่มีบทบาทสำคัญในการสร้างโมเลกุลสารอินทรีย์ที่มีสีคือ Sulfanilic acid ที่ประกอบด้วยหมู่ -NH₂ และ -SO₃H ที่อยู่ในตำแหน่ง para ของวงแหวนเบนซีน (รูปที่ ๑)
 

สำหรับผู้ที่ยังไม่รู้จัก "หมู่ทำให้เกิดสี (chromophore)" และ "หมู่เร่งสี (auxochrome)" คืออะไร ขอแนะนำให้ย้อนอ่าน Memoir ปีที่ ๖ ฉบับที่ ๖๘๕ วันอาทิตย์ที่ ๒๐ ตุลาคม ๒๕๕๖ เรื่อง "หมู่ทำให้เกิดสี (chromophore) และหมู่เร่งสี (auxochrome)" เพื่อเป็นการปูความรู้พื้นฐานเบื้องต้น

รูปที่ ๑ ตัวอย่างหมู่ทำให้เกิดสี (chromophore) และหมู่เร่งสี (auxochrome)

หมู่ -NH₂ เป็น ring activating group ที่แรงตัวหนึ่ง (และยังเป็นหมู่ ortho และ para directing group ด้วย) ทำให้วงแหวนเบนซีนมีความว่องไวในการแทนที่ครั้งที่สองมากขึ้น แต่ด้วยความที่หมู่ -NH₂ มีฤทธิ์เป็นเบส ด้วยเหตุนี้ในปฏิกิริยาที่มีกรดเข้าร่วมด้วยนั้น เช่นปฏิกิริยา sulphonation และ nitration กรดจะเข้าไปเกาะที่หมู่ -NH₂ ก่อน ทำให้มันกลายเป็นหมู่ -NH₃⁺ ที่เป็นหมู่ดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวน ทำให้วงแหวนมีความว่องไวต่ำลงและยังเกิดการแทนที่ครั้งที่สองที่ตำแหน่ง meta แทน

รูปที่ ๒ บทความการทำปฏิกิริยา sulphonation ของ aniline ที่เผยแพร่ในวารสาร J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2, 1977,0, 1008-1010
 

กรดไนตริก HNO₃ เข้มข้นมีความเข้มข้นประมาณ 70% ในขณะที่กรดกำมะถัน H₂SO₄ เข้มข้นมีความเข้มข้น 98% และถ้าละลาย SO₃ ลงไปในกรดกำมะถันเข้มข้นก็จะได้สารละลายที่เรียกว่า "Fuming sulphuric acid" หรือ "Oleum" ที่บางทีก็เขียนด้วยสูตรเคมีว่า H₂SO₄.SO₃ หรือ H₂S₂O₇ กรดกำมะถันที่ระดับความเข้มข้นสูงนี้มันไม่มีการแตกตัวให้ H⁺ เพราะมันไม่มีโมเลกุลอื่น (เช่น H₂O) มารับโปรตอน มันก็เลยบรรจุในถังเหล็กได้โดยไม่กัดกร่อน
 

บทความที่นำมาแสดงในรูปที่ ๒ และ ๓ เป็นการทดลองการทำปฏิกิริยา sulfonation ของ aniline ด้วยสารละลายกรดกำมะถันเข้มข้น การทำปฏิกิริยาทำทั้งในกรดกำมะถันเข้มข้นและตัวทำลาย "aprotic solvent" (พวกที่ไม่มีอะตอม H ที่มีฤทธิ์เป็นกรด ดังนั้นจึงไม่การสร้างพันธะไฮโดรเจน) โดยในกรณีของการทำปฏิกิริยาใน aprotic solvent ที่อุณหภูมิห้องพบว่าผลิตภัณฑ์หลักเกิดจากปฏิกิริยา N-sulphonation (กรดเข้าไปทำปฏิกิริยาที่อะตอม N ของหมู่ -NH₂) แต่เมื่ออุณหภูมิการทำปฏิกิริยาสูงขึ้นจะได้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho และ para
 

แต่พอเป็นการทำปฏิกิริยาด้วยกรดกำมะถัน oleum ที่อุณหภูมิ 25ºC พบว่าผลิตภัณฑ์หลักที่ได้เกิดจากการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta โดยมีผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแทนที่ที่ตำแหน่ง para ในปริมาณที่ต่ำกว่าเล็กน้อย (Table 2 ในรูปที่ ๓) แต่พอเปลี่ยนเป็นการทำปฏิกิริยาด้วยกรดกำมะถันเข้มข้นที่อุณหภูมิสูงกลับพบว่าผลิตภัณฑ์หลักที่ได้เป็นผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแทนที่ที่ตำแหน่ง para (ซึ่งก็คือ sulfanilic acid) เป็นหลัก โดยมีสัดส่วนผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho ในปริมาณที่ต่ำกว่ามาก (Table 3 ในรูปที่ ๓)

รูปที่ ๓ ผลการทดลองที่รายงานไว้ในบทความที่นำมาแสดงในรูปที่ ๒ จะเห็นว่าการกระจายตัวของผลิตภัณฑ์ที่ได้ ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของกรด H₂SO₄ ที่ใช้และอุณหภูมิที่ใช้ในการทำปฏิกิริยา Table 2 เป็นการทำปฏิกิริยาด้วย oleum (เห็นได้จากความเข้มข้นของกรดสูงเกินกว่า 100%) ส่วน Table 3 เป็นการทำปฏิกิริยาด้วยกรดกำมะถันเข้มข้น

Sulfanilic acid เป็นกรดที่เป็นสารตั้งต้นที่สำคัญตัวหนึ่งในการสังเคราะห์สีอินทรีย์ และยังนำไปใช้ในการผลิตสารที่ทำให้เกิดการเรืองแสงสีขาว (ที่นำไปใช้กับกระดาษและสิ่งทอเพื่อให้ดูขาวขึ้น) ด้วยเหตุนี้จึงมีความพยายามที่จะหาทางทำปฏิกิริยา sulphonation ของ aniline เพื่อให้ได้ sulfanilic acid ในสัดส่วนที่มากที่สุด (หรือทำให้เกิดการแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho และ meta ให้ต่ำทึ่สุด) ตัวอย่างเช่นสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ US 4,808,342 ชื่อ Production of Sulfonated Amines ได้นำเสนอวิธีการสังเคราะห์ sulfanilic acid ทั้งในระดับห้องปฏิบัติการและระดับโรงงาน เช่นตัวอย่างในรูปที่ ๔ ที่แสดงวิธีการสังเคราะห์ sulfanilic acid ด้วยกระบวนการแบบต่อเนื่องในระดับห้องปฏิบัติการ แต่สิ่งหนึ่งที่บทความที่นำมาแสดงในรูปที่ ๒ และ ๓ และสิทธิบัตร US 4,808,342 มีความเหมือนกันก็คือใช้กรดกำมะถันในสัดส่วนที่สูงกว่า aniline ในการทำปฏิกิริยา

รูปที่ ๔ ตัวอย่างอุปกรณ์สำหรับการทำปฏิกิริยา sulphonation ของ aniline อย่างต่อเนื่อง ที่เผยแพร่ในเอกสารสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ US 4,808,342 Production of Sulfonated Amines เมื่อ ๒๘ กุมภาพันธ์ ปีค.ศ. ๑๙๘๙

กลไกการเกิด sulfanilic acid ที่มีการนำเสนอกันคือ H₂SO₄ เข้าเกาะที่หมู่ -NH₂ ของ aniline ก่อน จากนั้นเมื่อได้รับความร้อนจึงเกิดการ "rearrangement" โดยหมู่ H₂SO₄ ย้ายมาเกาะที่ตำแหน่ง para (เมื่อเทียบกับหมู่ -NH₂) พร้อมกับคายน้ำออก (รูปที่ ๕) คำว่า "rearrangement" หมายถึงการที่หมู่ใดหมู่หนึ่งมีการเคลื่อนย้ายตำแหน่งจากตำแหน่งเดิมในโมเลกุลไปยังอีกตำแหน่งหนึ่ง หรือมีการจัดการเรียงตัวรูปแบบใหม่ทำให้โครงสร้างเปลี่ยนแปลงไปจากเดิม แต่ถ้าว่าการตามแบบจำลองนี้มันก็มีคำถามตามมาว่าการย้ายตำแหน่งนี้มันไม่ใช่การย้ายไปยังอะตอม C ข้าง ๆ (คือที่ตำแหน่ง ortho) ซึ่งเมื่อโมเลกุล H₂SO₄ หลุดออกมาก็จะได้หมู่ -NH₂ ซึ่งเป็น ortho directing group กลับคืนมา และในช่วงที่โมเลกุล H₂SO₄ ย้ายตำแหน่งนั้น มันไม่มีโมเลกุล H₂SO₄ อีกหนึ่งเข้ามาเกาะที่หมู่ -NH₂ ที่ว่างลงหรือ

รูปที่ ๕ กลไกการเกิดปฏิกิริยาที่มีการนำเสนอกันและสิทธิบัตร US 4,808,342 นำมากล่าวเอาไว้ ในกลไกนี้กล่าวถึงการเกิดการ rearrangement ของ H₂SO₄ ที่เดิมเกาะอยู่กับหมู่ -NH₂ ว่ามีการย้ายมาเกิดปฏิกิริยายังตำแหน่ง para เมื่อทำการให้ความร้อนเพื่อไล่น้ำ (ขั้นตอน II) ซึ่งสิทธิบัตร US 4,808,342 กล่าวว่าปฏิกิริยาไม่น่าจะเกิด พึงสังเกตว่าการทำปฏิกิริยานี้กระทำในตัวกลางที่เฉื่อย มีจุดเดือดสูง และไม่ผสมรวมเข้ากับน้ำได้
 

ด้วยเหตุนี้จึงมีการมองกันว่าในเมื่อปฏิกิริยาเกิดในสารละลายกรดเข้มข้มที่มีกรดมากเกินพอ มันไม่ง่ายกว่าหรือถ้าจะมองว่ามี H₂SO₄ อีกโมเลกุลที่หนึ่งเข้าเกาะที่ตำแหน่ง para แล้วค่อยปล่อยโมเลกุล H₂SO₄ ที่เกาะที่ -NH₂ ออกไป
 

แบบจำลองในรูปที่ ๖ นั้นโมเลกุล H₂SO₄ จะเข้าเกาะที่หมู่ -NH₂ ก่อนกลายเป็น phenylsulfamic acid (ขั้นตอน III และ IV) พึงสังเกตว่าอะตอม N ของ phenylsulfamic acid นี้ยังคงมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวอยู่ ดังนั้นยังคงคุณสมบัติเป็น ortho และ para direction group อยู่ แต่ความเป็นเบสของอะตอม N ลดลงเนื่องจากมีหมู่ -SO₃H ดึงอิเล็กตรอนออก จากนั้นโมเลกุล H₂SO₄ อีกโมเลกุลหนึ่งจึงเข้ามาเกาะกับวงแหวนที่ตำแหน่ง para (ขั้นตอน V) ตามด้วยการคายหมู่ H₂SO₄ ที่เกาะกับหมู่ -NH₂ ออกไป ก็จะได้ sulfanilic acid เป็นผลิตภัณฑ์ (ขั้นตอน VI)

รูปที่ ๖ กลไกที่สิทธิบัตร US 4,808,342 กล่าวว่าน่าจะเกิดมากกว่าคือมีโมเลกุล H₂SO₄ อีกโมเลกุลหนึ่ง (คนละตัวกับที่เกาะอยู่กับหมู่ -NH₂) ที่เข้าไปทำปฏิกิริยาที่ตำแหน่ง para

อันที่จริงการเปลี่ยนจาก phenylsulfamic acid ไปเป็น sulfanilic acid ได้อย่างไรนั้นก็เป็นหัวข้อที่ได้ครับความสนใจมานานแล้ว ดังเช่นบทความที่นำมาแสดงในรูปที่ ๗ ที่เป็นผลการศึกษาเอาไว้เมื่อกว่า ๖๐ ปีที่แล้วที่กล่าวว่าการจัดเรียงตัวใหม่ของ phenylsulfamic acid ไปเป็น sulfanilic acid นั้นมีทั้งเป็นไปได้และเป็นไปไม่ได้ ซึ่งตรงนี้ดูเหมือนว่าชนิดของตัวทำละลายที่ใช้และอุณหภูมิที่ใช้ในการทำปฏิกิริยาต่างมีบทบาทสำคัญทั้งคู่

รูปที่ ๗ บทความที่ได้ทำการศึกษาความเป็นไปได้ที่ phenylsulfamic acid จะเกิดการเรียงตัวใหม่กลายเป็น sulfanilic acid (G. Illuminati, J. Am. Chem. Soc., 78, 2603-2606 (1956))
 

จากบทคัดย่อในรูปที่ ๗ นั้น รายงานกล่าวว่าการทดลองที่กระทำโดยใช้ "glacial acetic acid" ที่เย็นเป็นตัวทำละลายนั้นนั้นไม่แสดงให้เห็นถึงการเกิดการจัดเรียงตัวใหม่ของ phenylsulfamic acid แต่การทดลองที่ใช้ "dioxane" ที่แห้ง (คือปราศจากน้ำ) ที่ 100ºC กลับพบว่าผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาคือ sulfanilic acid เป็นตัวหลัก สองการทดลองนี้ต่างกันตรงที่ glacial acetic acid (กรดอะซีติกที่ไม่มีน้ำ) เป็นตัวทำละลายชนิด "polar protic" คือมีขั้วและสร้างพันธะไฮโดรเจนได้ และตัวมันเองก็ยังสามารถแตกตัวให้โปรตอนโดยให้โมเลกุล CH₃COOH อีกโมเลกุลหนึ่งเป็นตัวรับโปรตอนได้ แต่ในกรณีของการทดลองที่สองนั้นใช้ dioxane ที่เป็นตัวทำละลายชนิด "polar aprotic" คือมีขั้วแต่ไม่สามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนได้ ดังนั้นกรด H₂SO₄ ในการทดลองที่สองนี้จึงไม่น่าจะมีการแตกตัวเหมือนในการทดลองแรก และด้วยการใช้อุณหภูมิในการทำปฏิกิริยาที่สูงกว่า ผลที่ได้จึงแตกต่างกัน
 

รูปที่ ๘ เป็นปฏิกิริยาการสังเคราะห์ methyl orange ที่ใช้เป็นอินดิเคเตอร์ตัวหนึ่งในการไทเทรต โดยเตรียมจากปฏิกิริยาระหว่าง sulfanilic acid กับ N,N-Dimethylaniline การเตรียมเริ่มด้วยการที่ sulfanilic acid ทำปฏิกิริยากับกรด HNO₂ ก่อน เกิดเป็น diazonium ion ซึ่งจะทำปฏิกิริยา coupling กับ N,N-Dimethylaniline อีกที

รูปที่ ๘ ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ methyl orange