รู้ทันนักวิจัย (๒๓) การแตกพันธะอีเทอร์ (Ether cleavage) ของสายโซ่เซลลูโลส MO Memoir : Monday 18 November 2562

ปฏิกิริยาการกำจัดน้ำ (dehydration) ของหมู่ -OH (hydroxyl) ที่มีกรดแก่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยานั้นเกิดได้สองรูปแบบด้วยกัน รูปแบบแรกนั้นเป็นการกำจัดน้ำออกจากโมเลกุลเดียวกัน ทำให้เกิดพันธะ C=C รูปแบบที่สองนั้นเกิดระหว่างหมู่ -OH สองหมู่ด้วยกัน ทำให้เกิดพันธะอีเทอร์ (ether R-O-R') (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยา dehydration ของหมู่ -OH

การเปลี่ยนพันธะ C=C ให้กลับมาเป็นหมู่ -OH นั้นทำได้ไม่ยากด้วยการเติม H₂O เข้าไป แต่การแตกพันธะ R-O-R' ให้กลายเป็นหมู่ -OH สองหมู่นั้นทำได้ยากกว่ามาก จำเป็นต้องมีกรดหรือเบสที่แก่มากเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (รูปที่ ๒) ด้วยเหตุนี้พันธะอีเทอร์จึงค่อนข้างเฉื่อย ประกอบกับการที่สารประกอบอีเทอร์โมเลกุลเล็กมีจุดเดือดที่ไม่สูง จึงทำให้มีการนำเอาอีเทอร์มาใช้เป็นตัวทำละลายในการสกัดสารกันอย่างแพร่หลาย

รูปที่ ๒ (บน) ปฏิกิริยา ether cleavage (กลาง) กลไกการเกิดแบบ S_N1 และ (ล่าง) กลไกการเกิดแบบ S_N2 อักษร S หมายถึงปฏิกิริยา substitution อักษร N หมายถึง Nucleophilic ดังนั้น S_N หมายถึง Nucleophilic substitution หรือปฏิกิริยาการแทนที่ด้วย nucleophile ส่วนเลข 1 หรือ 2 หมายถึงเป็นปฏิกิริยาอันดับ 1 หรืออันดับ 2 (รูปจาก en.wikipedia.org)

แป้งและเซลลูโลสต่างก็ประกอบด้วยหน่วยย่อยคือน้ำตาลกลูโคส (glucose) ที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะอีเทอร์ที่เรียกว่า glycosidic linkage ความแตกต่างระหว่างสายโซ่แป้งและกลูโคสอยู่ตรงตำแหน่งของหมู่ -OH ที่แม้ว่าจะอยู่ที่อะตอม C ตัวเดียวกัน แต่การที่มันอยู่บนหรือใต้ระนาบวงแหวนของโครงสร้างโมเลกุลกลูโคสเลยทำให้พันธะอีเทอร์ที่แตกต่างกัน ในกรณีของแป้งนั้นจะเป็นแบบ α ส่วนกรณีของเซลลูโลสนั้นจะเป็นแบบ β (รูปที่ ๓) 
  

รูปที่ ๓ โครงสร้างโมเลกุลของ (ซ้าย) amylose และ (ขวา) cellulose (รูปจาก en.wikipedia.org)

โมเลกุลกลูโคสที่ต่อกันด้วยพันธะ α-glycosidic linkage (เช่นแป้งและข้าวที่ใช้เป็นอาหาร) นั้นสัตว์สามารถใช้เอนไซม์ย่อยออกเป็นโมเลกุลน้ำตาลเพื่อนำไปใช้เป็นแหล่งพลังงานได้ง่าย ในขณะที่โมเลกุลกลูโคสที่ต่อกันด้วยพันธะ β-glycosidic linkage นั้น (เช่นเซลลูโลส) สัตว์ไม่สามารถย่อยสลายได้ (เว้นแต่สิ่งมีชีวิตบางชนิด) เมื่อกินเข้าไปก็จะถูกขับถ่ายออกมาเป็นใยอาหาร ดังนั้นถ้าดูจากพืชต่าง ๆ ที่ขึ้นกันอยู่ทั่วไปแล้วก็จะเห็นว่า โมเลกุลน้ำตาลกลูโคสส่วนใหญ่อยู่ในรูปของเซลลูโลส หรือแม้แต่ตัวพืชที่เรานำเอาบางส่วนของต้นนั้นมาเป็นอาหารเอง น้ำตาลกลูโคสส่วนใหญ่ก็อยู่ในรูปเซลลูโลส
    

ความต้องการเอทานอลที่เพิ่มสูงขึ้นเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงเหลวนำไปสู่ความต้องการกลูโคสที่มากขึ้น กระบวนการหลักที่ใช้ในการผลิตเอทานอลเพื่อนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงนั้นยังคงเป็นกระบวนการหมัก ปัญหาสำคัญก็คือจะนำเอากลูโคสจากไหนมาใช้เพื่อผลิตเป็นเอทานอล สิ่งสำคัญก็คือวัตถุดิบนั้นควรจะต้อง (ก) "มีราคาถูก" (ข) "ไม่ควรมาจากสิ่งใช้เป็นอาหารได้" และ (ค) "ไม่ควรเป็นพืชที่ปลูกในพื้นที่ที่ไม่สามารถปลูกพืชที่ใช้เป็นอาหารได้"
  

วัตถุดิบเพื่อการผลิตเอทานอลหลักในบ้านเราเห็นจะได้แก่กากน้ำตาลและแป้งมันสำปะหลัง กากน้ำตาลนั้นเป็นของเหลือจากกระบวนการผลิตน้ำตาลทราย เป็นส่วนที่ไม่มีการนำเอามาบริโภค ส่วนมันสำปะหลังนั้นแม้ว่าจะมีราคาต่ำ (ในบางช่วงเวลา) แต่ก็สามารถใช้เป็นแหล่งอาหารสำหรับคนและสัตว์ได้ ดังนั้นถ้ามองในแง่ของการนำเอาสิ่งของที่กินได้มาเผาเป็นเชื้อเพลิงแล้ว ก็เรียกได้ว่าไม่เหมาะสมนัก เว้นแต่จะเป็นพืชที่ปลูกในบริเวณพื้นดินที่ปนเปื้อนสารพิษ ที่ใช้พืชนั้นดูดซับสารพิษออกจากดิน
  

ด้วยเหตุนี้จึงมีความพยายามนำเอาเซลลูโลสมาย่อยสลายเป็นน้ำตาลกลูโคสด้วยกระบวนการที่เรียกว่า hydrolysis โดยแหล่งที่มาของเซลลูโลสที่จะนำไปผลิตกลูโคสนั้นควรเป็นส่วนที่ไม่มีการนำเอาไปใช้เป็นอาหาร (เช่นลำต้น) หรือจากพืชที่ไม่มีการนำไปใช้เป็นอาหาร (เช่นหญ้า ผักตบชวา) และควรเป็นพืชที่ขึ้นในพื้นที่ที่ไม่เหมาะกับการปลูกพืชเพื่อใช้เป็นอาหารด้วย (เช่นพืชที่ขึ้นในแหล่งน้ำเสีย หรือในดินที่ปนเปื้อนสารพิษ เพื่อนำกลูโคสที่ได้ไปเปลี่ยนเป็นเชื้อเพลิงเอทานอล)

  

รูปที่ ๔ ตัวอย่างสิทธิบัตรการเปลี่ยนเซลลูโลสเป็นกลูโคสด้วยการใช้กรด
  

แม้ว่ากระบวนการ hydrolysis โมเลกุลเซลลูโลสให้กลายเป็นน้ำตาลกลูโคสจะมีการทำกันมานานแล้ว แต่ในทางปฏิบัติก็ยังประสบกับปัญหาด้านการผลิตอยู่ ทำให้ยังไม่สามารถเข้ามาแทนที่น้ำตาลกลูโคสที่ได้จากผลิตผลทางการเกษตรส่วนที่สามารถนำมาใช้เป็นอาหารได้
   

การ hydrolysis ด้วยสารละลายกรดเจือจางนั้น แม้ว่าจะใช้เวลาในการทำปฏิกิริยาที่สั้น (ระดับนาที) ไม่จำเป็นต้องแยกกรดออกมาใช้ซ้ำ แต่ก็ต้องใช้อุณหภูมิที่สูง (อย่างต่ำ 180ºC) และความดันช่วย (10 bar) และมีผลได้ (yield) ที่ต่ำ ในขณะที่กระบวนการที่ใช้กรดเข้มข้นนั้นจะใช้อุณหภูมิและความดันที่ต่ำกว่าและมีผลได้ที่สูงกว่า แต่ก็มีปัญหาเรื่องระยะเวลาทำปฏิกิริยาที่ยาวนาน (ระดับหลายชั่วโมง) และการแยกกรดเพื่อนำมาใช้ซ้ำและออกจากผลิตภัณฑ์
  

งานวิจัยต่าง ๆ ที่อ้างว่าจะใช้ประโยชน์จากกลูโคสที่ได้มาจากเซลลูโลสหรือส่วนที่เป็นลำต้นของพืชนั้น ก็ควรที่จะเริ่มทำการทดลองด้วยกลูโคสที่ได้มาจากเซลลูโลส ไม่ใช่ด้วยกลูโคสที่ได้มาจากแป้งหรือผลิตภัณฑ์ทางการเกษตรส่วนที่ใช้เป็นอาหาร จริงอยู่แม้ว่าผลการทดลองจะออกมาเหมือนกัน (เพราะปฏิกิริยามันไม่สนว่ากลูโคสนั้นมาจากไหน) แต่เมื่อใช้คำกล่าวอ้างว่าเป็นแนวทางที่ยั่งยืนและใช้ประโยชน์จากพืชได้อย่างคุ้มค่าเป็นขออ้างในการขอทุนวิจัย ก็ควรที่จะแสดงให้เห็นด้วยการใช้กลูโคสที่ได้มาจากเซลลูโลส เพราะมันจะเป็นตัวที่สะท้อนว่าในความเป็นจริงนั้นวัตถุดิบนั้นมีจริงหรือไม่ และมีในราคาที่คุ้มค่าหรือไม่

  

รูปที่ ๕ อีกตัวอย่างของสิทธิบัตรการเปลี่ยนเซลลูโลสเป็นกลูโคสด้วยการใช้กรด

อีเทอร์กับการเกิดสารประกอบเปอร์ออกไซด์ MO Memoir : Friday 27 March 2558

ตอนที่กลับมาทำงานใหม่ด้วยการรับหน้าที่ดูแลห้องปฏิบัติการเคมีพื้นฐานที่ใช้สอนนิสิตปี ๒ นั้น งานแรกที่กระทำคือจัดการกับสารเคมีต่าง ๆ ที่ไม่มีการใช้งาน และจัดระเบียบการเก็บสารเคมี และสารตระกูลหนึ่งที่มีการพิจารณาการใช้งานเป็นพิเศษคือสารตระกูล "อีเทอร์ - Ether"
  

เมื่อพิจารณาจากจำนวนอะตอม C H และ O ที่มีอยู่ในโมเลกุล สามารถจัดได้ว่าอีเทอร์ R-O-R' เป็นไอโซเมอร์กับแอลกอฮอล์ R-OH จึงไม่แปลกที่ตำราเคมีอินทรีย์หลายเล่มจะรวมเรื่องของอีเทอร์ไว้กับหัวข้อแอลกอฮอล์ ทั้ง ๆ ที่สารทั้งสองมีพฤติกรรมการทำปฏิกิริยาเคมีที่แตกต่างกัน (ค่อนข้างจะมากซะด้วย)
  

อีเทอร์จัดว่าเป็นสารประกอบที่ค่อนข้างเฉื่อย (ทำนองเดียวกับอัลเคน) แต่เนื่องด้วยโครงสร้างโมเลกุลอีเทอร์มีทั้งส่วนที่ไม่มีขั้ว (หมู่ R และ R') และส่วนที่มีขั้วอยู่เล็กน้อย (ตรงอะตอม O) ทำให้สารอินทรีย์จำนวนมากสามารถละลายได้ในอีเทอร์ จึงทำให้นิยมใช้อีเทอร์ในการสกัดสารอินทรีย์ และประกอบกับการที่อีเทอร์มีจุดเดือดต่ำ ทำให้สามารถแยกอีเทอร์ออกจากสารอินทรีย์ที่มันสกัดออกมาได้โดยไม่ต้องใช้อุณหภูมิสูง (ซึ่งอาจทำให้สารอินทรีย์ที่สกัดออกมานั้นเสื่อมสภาพได้) เพียงแค่ใช้อุณหภูมิไม่มากกับสุญญากาศช่วย ก็สามารถแยกอีเทอร์ออกจากสารที่สกัดออกมาได้ง่าย
  

แต่ถึงกระนั้นก็ตามอีเทอร์ในสภาพที่เก็บรักษาเอาไว้ในขวดนั้น สามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศ (ซึ่งมักจะเริ่มการสัมผัสเมื่อเปิดขวดใช้ครั้งแรก) ได้อย่างช้า ๆ เกิดเป็นสารประกอบไฮโดรเปอร์ออกไซด์ (hydroperoxide - ดูรูปที่ ๑ ข้างล่าง) ซึ่งสารประกอบไฮโดรเปอร์ออกไซด์นี้สามารถเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรซ์เป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นของสารประกอบเปอร์ออกไซด์ (peroxide)

รูปที่ ๑ การเกิดสารประกอบเปอร์ออกไซด์ของไดเอทิลอีเทอร์ (Diethyl ether H₃C-CH₂-O-CH₂-CH₃)

สารประกอบเปอร์ออกไซด์ของอีเทอร์ตัวนี้แหละที่เป็นปัญหา เพราะมันเป็นสารประกอบที่ไม่เสถียรและไวต่อการเสียดสี ในกรณีของอีเทอร์ที่บรรจุขวดมานั้น บริเวณที่มีการสัมผัสกันระหว่างอีเทอร์กับออกซิเจนในอากาศก็คือบริเวณฝาขวดที่จะเริ่มมีการสัมผัสกันครั้งแรกเมื่อมีการเปิดขวดอีเทอร์ขวดนั้นครั้งแรก ดังนั้นบริเวณนี้จะเป็นที่สะสมของสารประกอบเปอร์ออกไซด์ที่เกิดขึ้น แรงเสียดสีที่เกิดขึ้นเมื่อทำการเปิดฝาขวดนั้นมากเพียงพอที่จะทำให้สารประกอบเปอร์ออกไซด์ที่สะสมอยู่นั้นสลายตัวและเกิดการระเบิดขึ้นมาได้
  

ด้วยเหตุนี้สำหรับผู้ที่ต้องใช้อีเทอร์ในการทำการทดลองนั้น จึงควรที่จะต้องทำการบันทึกเอาไว้ว่าขวดอีเทอร์ที่ใฃ้นั้นมีการเปิดใช้ครั้งแรกเมื่อใด และถ้าหากใช้ไม่หมดภายใน ๖ เดือนก็ต้องทำการกำจัดเปอร์ออกไซด์ที่เกิดขึ้น (ถ้ายังต้องการเก็บอีเทอร์ขวดนั้นไว้ใช้ต่อ) หรือกำจัดอีเทอร์ขวดนั้นทิ้งไป (ถ้าไม่ต้องการใช้อีเทอร์ขวดนั้นอีกแล้ว) แต่การระเบิดนั้นก็ไม่จำเป็นต้องเกิดขณะเปิดฝาขวด แม้ว่าจะเก็บขวดอีเทอร์ดังกล่าวไว้ในตู้เย็น ก็ยังสามารถเกิดการระเบิดขึ้นมาได้ (ดูรูปที่ ๒ ข้างล่าง)
  

รูปที่ ๒ ภาพตู้เย็นเก็บสารเคมี (ตัวซ้าย) เสียหายจากการระเบิดของอีเทอร์อันเนื่องมาจากการเกิดสารประกอบเปอร์ออกไซด์ (จากหนังสือ A Short Course in Organic Chemistry โดย Edward E. Burgoyne พิมพ์ครั้งที่ 3 ปีค.ศ. 1985)

แต่ไม่ได้หมายความนะว่าสารประกอบอีเทอร์ทุกตัวจะมีปัญหาเรื่องการเกิดสารประกอบเปอร์ออกไซด์ อีเทอร์บางตัวก็ไม่ค่อยมีปัญหาดังกล่าว (เรียกได้ว่าเป็นข้อยกเว้น) เมทิลเทอร์เชียรีบิวทิลอีเทอร์ (Methyl tertiary butyl ether - MTBE) ที่ใช้เป็นสารเพิ่มเลขออกเทนในน้ำมันเบนซิน (มีผสมอยู่ในน้ำมันเบนซิน 10%) ที่มีการผลิตใช้กันมากในอุตสาหกรรมจากปฏิกิริยาระหว่างไอโซบิวทิลีนกับเมทานอล (รูปที่ ๓) ก็สามารถนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงได้อย่างปลอดภัย ไดเมทิลอีเทอร์ (Dimethyl ether H₃C-O-CH₃) ที่มีความพยายามคิดจะนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงแทนแก๊สหุงต้มหรือน้ำมันดีเซลก็เป็นอีกตัวหนึ่งที่ทนต่อการเกิดสารประกอบเปอร์ออกไซด์
  

รูปที่ ๓ ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ Methyl tertiary butyl ether หรือ MTBE ที่ใช้เป็นสารเพิ่มเลขออกเทนหลักในน้ำมันเบนซินจากปฏิกิริยาระหว่างไอโซบิวทิลีนกับเมทานอล

ส่วนไดเอทิลอีเทอร์ (Diethyl ether H₃C-CH₂-O-CH₂-CH₃) หรือไดไอโซโพพิลอีเทอร์ (Diisopropyl ether (H₃C)₂-CH-O-CH-(CH₃)₂) จะมีปัญหาการเกิดเปอร์ออกไซด์ที่สูงกว่า และมักจะได้รับการกล่าวถึงอยู่เสมอ

รูปที่ ๔-๖ เป็นภาพข่าวที่ค้นมาให้ดูเป็นตัวอย่าง เป็นกรณีของอุบัติเหตุที่เกิดจากการระเบิดของสารประกอบเปอร์ออกไซด์ที่เกิดจากการทำปฏิกิริยาระหว่างสารที่ต้องการใช้ (ไดเอทิลอีเทอร์ในรูปที่ ๔ และเททระไฮโดรฟูรานในรูปที่ ๕ และ ๖) กับออกซิเจนในอากาศ ซึ่งปฏิกิริยาดังกล่าวเกิดขึ้นหลังจากที่มีการเปิดขวดสารเคมีใช้ ตัวอย่างที่ยกมานี้มีผู้ได้รับบาดเจ็บทั้งสิ้น และดูเหมือนว่าผู้ที่ได้รับบาดเจ็บนั้นไม่ใช่อาจารย์ แต่เป็น "นิสิต" ผู้ทำการทดลอง ในทั้งสองกรณีนั้นการระเบิดไม่ได้เกิดขึ้นในขณะพยายามเปิดขวด แต่เป็นในระหว่างที่มีการนำสารเคมีดังกล่าวนั้นมาใช้งาน อุบัติเหตุทั้งสองกรณีมีรูปแบบการเกิดที่เหมือนกันคือใช้ตัวทำละลายที่มีเปอร์ออกไซด์ปนเปื้อนอยู่ และเมื่อระเหยตัวทำละลายออกไป ความเข้มข้นของเปอร์ออกไซด์ในสารละลายที่เหลือก็เพิ่มสูงขึ้น ประกอบกับอุณหภูมิที่ใช้ในการระเหย (ดูแล้วไม่น่าจะมากเท่าใด) ก็เลยทำให้เกิดการระเบิดของสารประกอบเปอร์ออกไซด์นั้น
  

รูปที่ ๔ ข่าวการระเบิดที่การสอบสวนคาดว่าน่าจะเกิดจากการใช้ไดเอทิลอีเทอร์ที่มีสารประกอบเปอร์ออกไซด์ปนเปื้อนอยู่ (จาก http://www.ab.ust.hk/hseo/Lesson/Diethyl%20ether%20explosion.htm)
  

รูปที่ ๕ ข่าวการระเบิดจากการเกิดเปอร์ออกไซด์ของเททระไฮโดรฟูราน (tetra hydrofuran)

รูปที่ ๖ จดหมายข่าวเหตุการณ์ระเบิดในรูปที่ ๕

(รูปที่ ๕ นำมาจาก https://www.ehs.uci.edu/salerts/Lesson%20Learned_Peroxide.pdf)

(รูปที่ ๖ นำมาจาก http://www2.lbl.gov/msd/assets/docs/safety/Mat_Safety_january07.pdf)

อันที่จริงการระเบิดที่ (เชื่อว่าน่าจะเกิดจาก) สารประกอบเปอร์ออกไซด์ก็เคยเกิดขึ้นในห้องแลปที่กลุ่มของเราทำการทดลองร่วมกับกลุ่มอื่น ซึ่งเคยเล่าเอาไว้เมื่อกว่า ๔ ปีที่แล้วใน Memoir ๒ ฉบับก่อนหน้านี้คือ

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๐๕ วันจันทร์ที่ ๒๐ กันยายน ๒๕๕๓ เรื่อง "เมื่อขวดทิ้งสารระเบิด" (ฉบับนี้มีภาพประกอบ) และ

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๓๒ วันอังคารที่ ๑๔ ธันวาคม ๒๕๕๓ เรื่อง "ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์และคีโตน"

กรณีที่เกิดขึ้นในห้องแลปเรานั้นเป็นกรณีของการเกิดสารประกอบเปอร์ออกไซด์จากการผสมสารเคมีสองชนิดที่ไม่ควรนำมาผสมกัน (หรือต้องกระทำด้วยความระมัดระวังถ้าต้องการผสมกันจริง และต้องรู้ด้วยว่ากำลังเล่นกับอะไรอยู่) แต่มีการนำมาผสมเข้าด้วยกันอย่างตั้งใจโดยที่ "ไม่รู้" ว่ามันมีสิทธิเกิดปฏิกิริยาอะไรขึ้นมาบ้าง
  

ที่เขียนเรื่องนี้ก็ไม่ใช่อะไรหรอก ใครทำแลปอยู่ก็ควรลองชำเลืองดูรอบข้างหน่อยด้วย ว่ามีใครใช้สารอะไรกันบ้าง เพราะเวลาที่มันเกิดเรื่องแต่ละที คนที่ไม่รู้อิโหน่อิเหน่ที่อยู่รอบข้างจะเจ็บตัวไปด้วย

เอาแป้งมันไปทำอะไรดี MO Memoir : Saturday 26 May 2555

ในช่วงที่ผ่านมานั้นในบ้านเราได้นำผลิตผลทางการเกษตรได้แก่อ้อยและแป้งมันสำปะหลังไปเข้ากระบวนการหมักเพื่อผลิตเป็นสารละลายเอทานอล จากนั้นจึงนำสารละลายเอทานอลที่ได้ไปกลั่นแยกให้ได้เอทานอลความบริสุทธิ์สูงเพื่อนำไปผลิตเป็นน้ำมันแก๊สโซฮอล์ แต่ก็เป็นที่ทราบกันว่าต้นทุนแอลกอฮอล์ที่ได้จากวิธีการนี้มีราคาสูงแม้ว่าจะใช้ผลิตผลทางการเกษตรที่มีราคาถูกคือแป้งมันสำปะหลัง เมื่อโดนบังคับให้ต้องขายเอทานอลในราคาที่ถูกกว่าการขายในรูปของแป้งมันสำปะหลังจึงทำให้หลายโรงงานไม่ประสงค์ที่จะผลิตเอทานอล

ผมก็เลยลองคิดเล่น ๆ ว่าถ้ามีแป้งมันสำปะหลังอยู่ในมือ จะเอาไปทำอะไรดีที่ไม่ใช่เอทานอล ก็เลยลองคิดโครงการเล่น ๆ ที่ยังไม่รู้ว่าจะทำได้จริงหรือเปล่า คิดว่าถ้ามีเวลาว่างและ (สำคัญมากคือ) มีคนให้ทุนทำวิจัย ผมก็อยากจะลองทำดูเหมือนกัน

๑. จากแป้งเป็นน้ำตาลกลูโคส

โมเลกุลแป้งประกอบด้วยน้ำตาลกลูโคสหลายโมเลกุลมาต่อเข้าด้วยกันเป็นสารโซ่ ซึ่งสามารถแยกออกเป็นโมเลกุลกลูโคสเดี่ยว ๆ ได้ด้วยปฏิกิริยา hydrolysis

เนื่องจากโมเลกุลกลูโคสประกอบด้วยหมู่ไฮดรอกซิล (hydroxyl -OH) ดังนั้นอาจอาศัยการทำปฏิกิริยาของหมู่ -OH นี้กับหมู่ฟังก์ชันอื่น ปฏิกิริยาหนึ่งของหมู่ -OH ที่เป็นที่รู้จักกันทั่วไปคือปฏิกิริยา Esterification กับหมู่ carboxyl (-COOH) ของกรดอินทรีย์กลายเป็นโครงสร้าง ester (R-O-CO-R') หรือทำปฏิกิริยา dehydration กับหมู่ -OH ของอีกโมเลกุลหนึ่งกลายเป็นโครงสร้างอีเทอร์ R-O-R'

ตัวอย่างหนึ่งของการทำปฏิกิริยาระหว่างหมู่ -OH ของน้ำตาลกับกรดอินทรีย์คือการเปลี่ยนน้ำตาลทราย (ชื่อทางเคมีของน้ำตาลทรายคือซูโครส (sucrose) ซึ่งเกิดจากโมเลกุล glucose รวมกับโมเลกุล fructose) ให้กลายเป็นสารทดแทนไขมันที่เรียกว่า "Olestra" ดังรูปที่ ๑

เมื่อ H อะตอมของหมู่ -OH ถูกแทนที่ด้วยหมู่ -CO-R ซึ่งเป็นหมู่ไม่มีขั้ว จีงทำให้ Olestra มีคุณสมบัติเป็นสารไม่มีขั้วเช่นเดียวกับไขมันหรือน้ำมันที่ใช้ปรุงอาหาร Olestra จึงถูกนำมาใช้ในการปรุงอาหารเพื่อลดปริมาณไขมันในอาหาร

รูปที่ ๑ (ซ้าย) โมเลกุลน้ำตาลกลูโคส (กลาง) โมเลกุลน้ำตาลกลูโคสที่หมู่ -OH บางหมู่ทำปฏิกิริยา esterification กับกรดไขมัน (หมู่ R) ทำให้ได้โมเลกุลที่มีส่วนไม่มีขั้ว (หมู่ R ของกรดไขมัน) กับส่วนที่มีขั้ว (หมู่ -OH ที่หลงเหลืออยู่) (ขวา) รูปร่างโมเลกุล Olestra ซึ่งได้จากการนำเอาน้ำตาลซูโครส (sucrose ซึ่งเป็น disaccharide ระหว่าง glucose กับ fructose) มาทำปฏิกิริยา esterification กับกรดไขมันจนหมู่ -OH ทุกหมู่ทำปฏิกิริยาหมด

(รูป olestra นำมาจาก http://www.scientificpsychic.com/fitness/fattyacids1.html)

ในกรณีของกลูโคสนั้นเนื่องจากมีหมู่ -OH อยู่มาก จึงทำให้กลูโคสละลายน้ำได้ดีมาก แต่ถ้าให้หมู่ -OH ทำปฏิกิริยากับสารอื่นเช่นกรดอินทรีย์ดังแสดงในรูปข้างบนจนหมู่ -OH หายไปหมด จะได้สารประกอบที่มีคุณสมบัติแบบไขมัน (ในทำนองเดียวกันกับ Olestra)

ประเด็นที่น่าสนใจคือถ้าทำการแทนที่หมู่ -OH เพียงส่วนหนึ่งด้วยสายโซ่ไฮโดรคาร์บอน (อาจทำโดยใช้ปฏิกิริยา esterification) ก็จะทำให้ได้โมเลกุลที่มีทั้งส่วนที่มีขั้วและไม่มีขั้วอยู่ในโมเลกุลเดียวกัน โมเลกุลที่มีโครงสร้างดังกล่าวสามารถทำหน้าที่เป็นสารลดแรงตึงผิว (surfactant) หรือสารช่วยในการประสานเฟสระหว่างโมเลกุลมีขั้วและโมเลกุลไม่มีขั้วได้ ซึ่งถ้าสังเคราะห์โมเลกุลดังกล่าวได้ก็คงต้องหาทางใช้ประโยชน์กันต่อไป

ปัญหาหนึ่งของการบำบัดน้ำเสียคือระยะเวลาที่แบคทีเรียต้องใช้ในการกำจัดสารอินทรีย์ ถ้าหากน้ำเสียมีสารอินทรีย์ที่แบคทีเรียกำจัดได้รวดเร็ว ระบบบำบัดน้ำเสียก็จะทำงานได้มีประสิทธิภาพมากขึ้น

สาร surfactant ที่เราใช้กันมากในปัจจุบันคือ linear alkyl benzene sulfonate ที่ใช้กันในผงซักฟอก น้ำยาล้างจาน โฟมล้างหน้า สบู่เหลว แชมพู ฯลฯ นั้นประกอบด้วยโครงสร้างที่เป็น วงแหวน หมู่อัลคิล และหมู่ฟังก์ชันที่มีกำมะถันเป็นองค์ประกอบ โครงสร้างโมเลกุลนี้จะมีปัญหาตรงที่แบคทีเรียไม่ค่อยอยากจะย่อยสลายส่วนที่เป็นวงแหวน (ส่วนที่เป็นโซ่ตรงไม่ค่อยมีปัญหา) และการย่อยสลายกำมะถันยังทำให้เกิดแก๊ส H₂S ที่มีกลิ่นไม่พึงประสงค์

สาร surfactant ที่ไม่มีโครงสร้างวงแหวนเบนซีนในโมเลกุล จะมีข้อดีตรงที่แบคทีเรียสามารถย่อยสลายได้สมบูรณ์มากกว่า และการที่ไม่มี S เป็นองค์ประกอบในโมเลกุลทำให้ไม่เกิดแก๊ส H₂S ในระหว่างการย่อยสลาย ซึ่งเป็นแก๊สที่ทำให้เกิดกลิ่นเหม็น

เท่าที่จำได้งานวิจัยทำนองคล้าย ๆ กันนี้ดูเหมือนจะมีอาจารย์ทางสงขลานครินทร์ทำวิจัยเรื่องการเปลี่ยนน้ำมันพืชให้กลายเป็น surfactant เพื่อใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร คือแทนที่จะนำน้ำมันพื้นมาทำเป็นไบโอดีเซลด้วยการแยกโมเลกุลกรดไขมันออกจนหมดจนได้เป็นเมทิลเอสเทอร์กับกลีเซอรีน ก็ทำการแยกโมเลกุลกรดไขมันออกจากโมเลกุลกลีเซอรีนเพียง ๑ หรือ ๒ โมเลกุลเท่านั้น ตำแหน่งหมู่เอสเทอร์ที่ถูกแยกโมเลกุลกรดไขมันออกมาก็จะกลายเป็นหมู่ -OH ที่มีขั้ว ในขณะที่ส่วนของกรดไขมันที่ไม่ถูกแยกออกมาก็ยังคงเป็นส่วนที่ไม่มีขั้ว ทำให้ผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นสามารถทำหน้าที่เป็นตัวประสานระหว่างเฟสมีขั้วและเฟสไม่มีขั้วได้

๒. Acetone-Butanol-Ethanol

กระบวนการหมักนั้นแม้ว่าจะใช้สารอาหารเดียวกัน แต่ถ้าเปลี่ยนชนิดเชื้อที่ใช้ในการหมักก็สามารถทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันออกไปได้

การหมักแป้งให้กลายเป็นสารผสมระหว่าง acetone, 1-butanol และ ethanol เป็นที่รู้จักกันมานานตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ ๒๐ มีการพัฒนาอย่างเป็นล่ำเป็นสันในอังกฤษในช่วงสงครามโลกครั้งที่ ๑ (ตอนแรกเรียก Great War แล้วค่อยมาเรียกเป็น World War I กันภายหลัง) เพื่อผลิต acetone ไปใช้ในอุตสาหกรรมผลิต cordite ของกองทัพอังกฤษ

ดังนั้นแทนที่จะเน้นไปที่การผลิตเอทานอลก็อาจเปลี่ยนแนวทางเป็นการงผลิต 1-butanol (H₃C-CH₂-CH₂-CH₂-OH) แทน และหาทางใช้ประโยขน์จาก 1-butanol ที่เป็นสารโมเลกุลใหญ่

1-butanol เป็นแอลกอฮอล์ปฐมภูมิ (primary alcohol) คือพวกที่มีหมู่ -OH อยู่ที่ปลายโซ่ การผลิตแอลกอฮอลประเภทนี้ไม่สามารถทำได้โดยการเติมน้ำไปที่พันธะคู่ C=C ของโมเลกุลโอเลฟินส์ เพราะมันจะได้แอลกอฮอล์ทุติยภูมิ (secondary alcohol) เสมอ ถ้าอยากรู้ว่าทำไปเป็นเช่นนั้นก็ลองไปอ่านเรื่อง Markovnikov's rule เอาเองก็แล้วกัน

ถ้าเรานำ 1-butanol ไปดึงไฮโดรเจนออกตรงหมู่ C-OH (หรือออกซิไดซ์แบบเบา ๆ ไม่แรงนัก) เราก็จะได้สารประกอบอัลดีไฮด์ butanal (H₃C-CH₂-CH₂-COH) แต่ถ้าออกซิไดซ์แรงขึ้นไปอีกก็จะกลายเป็นกรดอินทรีย์ butyric acid (H₃C-CH₂-CH₂-COOH)

แต่ถ้าเรานำ 1-butanol ไปทำปฏิกิริยา dehydration ก็จะได้ 1-butene (H₃C-CH₂-CH=CH₂) หรือ dibutyl ether (H₉C₄-O-C₄H₉) ที่เป็นสารประกอบอีเทอร์ที่มีจุดเดือดสูงตัวหนึ่ง (จุดเดือด 142.4ºC) และละลายน้ำได้น้อย

ปัจจุบันมีงานวิจัยที่หาทางนำ CH₄ มาใช้ประโยชน์เป็นเชื้อเพลิงให้กับเครื่องยนต์ดีเซล สิ่งที่ทำกันอยู่ในปัจจุบันคือใช้ระบบเชื้อเพลิงผสมระหว่าง CH₄ กับน้ำมันดีเซล (ใช้น้ำมันดีเซลเป็นตัวจุดระเบิดแล้วค่อยป้อน CH₄ เข้าไปผสม) หรือไม่ก็ทำการดัดแปลงเครื่องยนต์ดีเซลให้กลายเป็นเครื่องยนต์แก๊สโซลีน

อีกแนวทางหนึ่งคือทำปฏิกิริยา oxidative coupling ของ CH₄ ให้กลายเป็น dimetyl ether (H₃C-O-CH₃) ซึ่งเป็นสารที่มีเลขซีเทน (cetane no.) ประมาณ 55 ซึ่งอยู่ในระดับน้ำมันดีเซลที่ใช้กันทั่วไป จึงสามารถนำมาผสมกับน้ำมันดีเซลและใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลได้โดยต้องทำการดัดแปลงเครื่องยนต์ดีเซลเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

แต่การเปลี่ยนมีเทนเป็น dimethyl ether เพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลผมว่ามันคงไม่น่าจะเหมาะสมเท่าไรนักด้วยเหตุผลต่อไปนี้คือ

(ก) พันธะ C-H ของมีเทนแข็งแรงมาก แข็งแรงกว่าพันธะ C-H หรือพันธะอื่นของสารอินทรีย์ การทำให้พันธะ C-H ของมีเทนแตกออกได้นั้นต้องใช้พลังงานสูงมาก ซึ่งระดับพลังงานดังกล่าวมากพอที่จะทำให้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นสลายตัวจนหมดได้ ดังนั้นถ้าต้องการให้เหลือ dimethyl ether ในการทำปฏิกิริยา ก็ต้องทำที่ค่า conversion ต่ำมาก หรือไม่ก็ไปทำปฏิกิริยาบนคอมพิวเตอร์ (ใส่เฉพาะปฏิกิริยาที่เกิด dimethyl ether และอย่าใส่ปฏิกิริยาที่ทำให้ dimetyl ether สลายตัว หรือปฏิกิริยาที่ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ข้างเคียงตัวอื่น)

(ข) dimethyl ether เป็นสารที่มีจุดเดือดต่ำ (-24ºC) ดังนั้นถ้าผสมเข้ากับน้ำมันดีเซลก็จะระเหยออกมาได้ง่าย และยิ่งบ้านเราเป็นเมืองร้อนด้วยคงจะยิ่งไม่เหมาะสมมาก แต่ที่ต่างประเทศเขาศึกษาตัวนี้ก็คงเป็นเพราะอากาศบ้านเขามันหนาว ในฤดูหนาวอุณหภูมิติดลบหลายสิบองศาเซลเซียสต่ำกว่าจุดเดือดของ dimethyl เสียอีก และอาจอาศัยข้อดีของ dimethyl ether ตรงที่มันไม่เกิดเป็นสารประกอบ peroxide ได้ง่ายเหมือนอีเทอร์ตัวอื่น

จุดที่น่าสนใจคือ dibutyl ether มี cetane no. เท่ากับ 100 ซึ่งสูงกว่า dimethyl ether และยังมีจุดเดือดที่สูงกว่า น่าจะใช้ประโยชน์เป็นสารเพิ่มเลขซีเทนให้กับน้ำมันดีเซลได้ โดยที่ไม่เพิ่มความดันไอของน้ำมันดีเซล

แต่ก็ต้องพึงระวังว่า dibutyl ether นั้นสามารถเกิดปฏิกิริยา autoxidation กับออกซิเจนในอากาศกลายเป็นสารประกอบเปอร์ออกไซด์ที่ไม่เสถียรและระเบิดได้ง่าย (ถ้ามีความบริสุทธิ์สูงในปริมาณที่มากพอ) ดังนั้นถ้าจะนำ dibutyl ether มาใช้ผสมเป็นสารเพิ่มเลขซีเทนในน้ำมันดีเซล ก็ต้องพิจารณาด้วยว่าจะหาทางป้องกัน/ลดการเกิดสารประกอบเปอร์ออกไซด์ได้อย่างไรด้วย.

๓. การนำสารละลายจากการหมักไปทำปฏิกิริยาโดยตรง

ปัญหาของการนำผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการหมักไปใช้คือผลิตภัณฑ์ที่ได้จะมีความเข้มข้นต่ำ โดยมีน้ำเป็นส่วนประกอบหลัก การแยกผลิตภัณฑ์ดังกล่าวออกมาเป็นสารบริสุทธิ์แต่ละชนิดก่อน แล้วค่อยนำสารบริสุทธิ์ที่ได้นั้นมาเปลี่ยนเป็นสารอื่น ซึ่งสิ้นเปลืองพลังงานในขั้นตอนการแยกมาก

ทางเลือกที่น่าจะดีกว่าคือการหาทางเปลี่ยนสารผสมที่เป็นสารละลายในน้ำนั้นให้กลายเป็นสารอื่นโดยไม่ต้องทำการแยกสารแต่ละชนิดออกมา ปฏิกิริยาหนึ่งที่น่าจะลองพิจารณาคือปฏิกิริยาการเปลี่ยนแอลกอฮอล์ให้กลายเป็นอีเทอร์

เช่นอาจนำสารละลายที่ได้จากการหมักที่ประกอบด้วย acetone-butanol-ethanol ละลายอยู่และของแข็งต่าง ๆ (สารอาหาร เชื้อที่ใช้หมัก ฯลฯ) ไปกรองแยกของแข็งออกก่อน จากนั้นจึงนำสารละลายที่ได้จากการกรองไปใช้เป็นสารตั้งต้นในการทำปฏิกิริยาโดยไม่จำเป็นต้องทำการแยกสารทั้งสามชนิดออกจากกันก่อน

ในกรณีของสารผสมระหว่าง 1-butanol กับ ethanol นั้น (จากข้อ ๒.) ถ้าทำให้เกิดปฏิกิริยา dehydration เพื่อผลิตอีเทอร์จะมีโอกาสได้ผลิตภัณฑ์ที่เป็นอีเทอร์ 3 ตัวด้วยกันคือ dibutyl ether, diethyl ether และ butyl ethyl ether

ปฏิกิริยาดังกล่าวควรดำเนินในเฟสของเหลว (โดยใช้การเพิ่มความดันเพื่อป้องกันไม่ให้น้ำเดือด) เพราะการทำให้น้ำที่เป็นของเหลวมีอุณหภูมิสูงขึ้นนั้นใช้พลังงานน้อยกว่าการทำให้น้ำที่เป็นของเหลวกลายเป็นไอน้ำ

dibutyl ether เป็นของเหลวที่เบากว่าน้ำและละลายน้ำได้น้อย ดังนั้นมันควรจะแยกชั้นออกมาจากน้ำได้โดยไม่ต้องไปผ่านกระบวนการกลั่น

แต่ด้วยระบบการทำปฏิกิริยาเดียวกันนี้ ถ้าเราควบคุมอุณหภูมิให้เหมาะสมก็อาจจะทำให้ 1-butanol เปลี่ยนไปเป็น 1-butene และ ethanol เปลี่ยนไปเป็น ethylene โดยไม่ต้องทำการแยกสารทั้งสองตัวออกจากสารละลายในน้ำ เพราะโอเลฟินส์ที่เป็นผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจะระเหยออกจากน้ำได้เองอยู่แล้ว และระบบนี้ก็อาจจะเหมาะสมที่จะใช้ในการผลิตเอทิลีนจากสารละลายเอทานอลที่ได้จากการหมักโดยตรง (ถ้าต้องการทำ) โดยไม่จำเป็นต้องทำการกลั่นแยกเอทานอลออกมาเป็นสารบริสุทธิ์ หรืออาจทำเพียงแค่กลั่นเพื่อให้ได้ความเข้มข้นสูงขึ้นบ้างเท่านั้นเองก็ได้

ในขณะนี้ในกลุ่มของเราก็พอจะมีประสบการณ์ทำการทดลองในเฟสของเหลว โดยใช้ autoclave ที่มีการความดันเพื่อป้องกันไม่ให้ตัวทำละลาย/สารตั้งต้นเดือดกลายเป็นไอ (ปฏิกิริยา hydroxylation) ถ้าต้องการทำการทดลองที่อุณหภูมิ/ความดันสูงขึ้นไปอีก ก็คงต้องมีการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์กันใหม่ (ปัญหาของตัวปัจจุบันที่มีอยู่ไม่ได้อยู่ที่ความแข็งแรงของโลหะที่ใช้ แต่อยู่ตรงที่ระบบป้องกันการรั่วไหลของสารในระบบ ซึ่งเราใช้ o-ring ที่เป็นยาง ทำให้ทำอุณหภูมิการทดลองถูกจำกัดด้วยอุณหภูมิสูงสุดที่ o-ring ทนได้

ที่เขียนมาข้างต้นเป็นเพียงความฝันที่ยังไม่รู้ว่าจะมีโอกาสเป็นจริงหรือเปล่า ก็ต้องคอยดูกันต่อไป :)