เมื่อเบนซิลคลอไรด์ (Benzyl chloride) เจอกับสนิมเหล็ก MO Memoir : Monday 28 April 2568

เบนซิลคลอไรด์ (Benzyl chloride C₆H₅-CH₂Cl) เป็นสารในกลุ่มอัลคิลเฮไลด์ (Alkyl halide) เตรียมได้จากปฏิกิริยาในเฟสแก๊สระหว่างโทลูอีน (C₆H₅-CH₃) กับคลอรีน สารตัวนี้ใช้เป็นสารตั้งต้นในการเตรียมสารอื่น โดยอะตอม Cl จะถูกดึงออกในรูปของ chloride ion (Cl^-) ด้วยกรด จากนั้นโมเลกุลส่วนที่เหลือ (C₆H₅-CH₂⁺ ซึ่งมีประจุบวก) ก็จะเข้าทำปฏิกิริยากับสารอื่นในระบบ

ในสภาวะที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นกรด เช่น Lewis acid บางชนิด (Lewis acid ที่เด่นชัดคือไอออนบวกของโลหะทรานซิชัน) โมเลกุลของเบนซิลคลอไรด์สามารถที่จะต่อเข้าด้วยกันเองเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้น โดย C₆H₅-CH₂⁺ ที่เกิดขึ้นจะเข้าไปแทนที่อะตอม H บนวงแหวนเบนซีนของโมเลกุลเบนซิลคลอไรด์อีกโมเลกุลหนึ่ง ปฏิกิริยานี้สามารถเกิดต่อซ้ำไปเรื่อย ๆ พร้อมกับการเกิดแก๊ส HCl (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ การเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรซ์ของเบนซิลคลอไรด์

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Explosion in the polycondensation reaction of benzyl chloride" (จาก http://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1200068.html) เป็นเหตุการณ์เกิดที่โรงงานแห่งหนึ่งในประเทศญี่ปุ่นเมื่อวันที ่๒๙ กรกฎาคม ค.ศ. ๑๙๙๗ (พ.ศ. ๒๕๔๐) โดยเป็นการระเบิดที่ถังบรรจุเบนซิลคลอไรด์ (ที่ใช้ผลิตสารตัวกลางในการผลิตน้ำหอมและยา)

โดยก่อนหน้านั้นได้ทำการล้างถังบรรจุด้วยเมทานอลและไอน้ำ (การผลิตเป็นแบบกะ เมื่อผสมเสร็จและถ่ายของผสมออกไป ก็ต้องทำการล้างถังก่อนเริ่มการผสมใหม่) เวลาประมาณ ๑๕.๐๐ น ก็เริ่มต้นการผลิตใหม่ด้วยการเติมเบนซิลคลอไรด์ 118 ลิตรเข้าไปในถังบรรจุที่ความดันต่ำกว่าความดันบรรยากาศ (300 torrs โดยความดันบรรยากาศคือ 760 torrs และ 1 torr คือ 1 มิลลิเมตรปรอท)

หลังผ่านไปประมาณ 1 ชั่วโมง ก็พบแก๊สที่มีกลิ่นระคายเคืองรั่วไหลออกมาจากทางท่อระบายอากาศ และตรวจพบว่าถังผสมมีอุณหภูมิสูงขึ้น เจ้าหน้าที่ด้านความปลอดภัยตัดสินว่าแก๊สที่รั่วออกมานั้นคือไฮโดรเจนคลอไรด์ จึงได้พยายามปิดกั้นการรั่วไหลด้วยการให้แก๊สนั้นไหลเข้าไปในน้ำที่อยู่ในถังโลหะ แต่เมื่อแก๊สที่พ่นออกมานั้นรุนแรงมากขึ้น ทำให้ไม่สามารถใช้มือจับสายยางที่จ่ายน้ำให้กับถังโลหะได้ (บทความได้บอกว่าจากนั้นมีการทำอะไรกันต่อ) และตัวถังบรรจุก็ระเบิดเมื่อเวลาประมาณ ๑๖.๑๗ น

รูปที่ ๒ คำบรรยายเหตุกาณ์ที่เกิด

บทความไม่ได้บอกว่าทำไมต้องลดความดันในถังบรรจุให้ต่ำลงก่อนป้อนเบนซิลคลอไรด์เข้าถังบรรจุ (เบนซิลคลอไรด์มีจุดเดือด 178ºC ซึ่งนับว่าสูงอยู่) แต่ถัดมาก็บอกว่ามีแก๊สรั่วไหลออกสูงบรรยากาศภายนอกทางท่อระบายอากาศ นั่นแสดงว่าความดันในถังหลังจากเติมเบนซิลคลอไรด์แล้วน่าจะเป็นความดันบรรยากาศ ดังนั้นเหตุผลหนึ่งที่อาจเป็นไปได้ในการลดความดันในถังบรรจุก็เพื่อให้เบนซิลคลอไรด์ไหลจากถังเก็บมายังถังบรรจุได้ด้วยการใช้ผลต่างความดัน

ในการส่งของเหลวด้วยผลต่างความดันนั้น ถ้าถังต้นทางมีขนาดเล็กกว่าถังปลายทาง ก็ใช้การอัดความดันให้กับถังต้นทาง ในทางกลับกันถ้าถังปลายทางมีขนาดเล็กกว่าถังต้นทาง ก็ใช้การลดความดันในถังปลายทาง เพราะการทำให้ถังขนาดใหญ่มีความดันสูงขึ้นจะสิ้นเปลืองมากกว่า (ความหนาของถังต้องเพิ่มขึ้นตามความดันที่เพิ่มด้วย)

สาเหตุของการระเบิดเชื่อว่าเกิดจากการมีสนิมเหล็กที่อยู่ในรูปของของแข็งรูพรุน (pumice state) ไอออนบวกของเหล็ก (Fe²⁺) ทำหน้าที่เป็น Lewis acid ซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาการเชื่อมต่อโมเลกุลเบนซิลคลอไรด์เข้าด้วยกัน ปฏิกิริยานี้ก่อให้เกิดแก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์และคายความร้อนออก ความร้อนที่คายออกมานั้นทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มสูงขึ้น นอกจากนี้วงแหวนเบนซีนยังมีคุณสมบัติเป็น ring activating group อย่างอ่อน จึงทำให้การแทนที่ครั้งถัดไปเกิดขึ้นได้ง่ายกว่าเดิม

และเมื่ออัตราการเกิดแก๊สสูงกว่าความสามารถในการระบายทิ้ง ก็ทำให้ถังผสมระเบิดเนื่องจากไม่สามารถทนต่อความดันที่เกิดขึ้นภายในได้