เมื่อหมู่คาร์บอนิล (carbonyl) ทำปฏิกิริยากันเอง MO Memoir : Saturday 18 September 2564

โมเลกุลที่มีหมู่ฟังก์ชันที่มีคุณสมบัติสามารถทำปฏิกิริยากันเองได้อยู่ในโมเลกุลเดียวกัน อาจทำให้โมเลกุลนั้นสามารถทำปฏิกิริยากันเองภายในโมเลกุลหรือระหว่างโมเลกุลได้ ตัวอย่างคู่ของหมู่ฟังก์ชันที่มีคุณสมบัติสามารถทำปฏิกิริยากันเองได้แก่ carboxyl-hydroxyl, carboxyl-amine, ตำแหน่งที่มีความเป็นขั้วบวก-ตำแหน่งที่มีอิเล็กตรอนหนาแน่น

ตัวอย่างสารที่มีหมู่ฟังก์ชันที่มีคุณสมบัติสามารถทำปฏิกิริยากันเองได้อยู่ในโมเลกุลเดียวกัน จนเกิดการทำปฏิกิริยากันเองระหว่างหมู่ฟังก์ชันนั้นที่อยู่คนละตำแหน่งบนโมเลกุลเดียวกัน ได้แก่น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว C₆ ต่าง ๆ เช่น glucose, fructoseที่อะตอม C ของหมู่ carbonyl สามารถดึงเอาอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวของหมู่ -OH ที่อยู่ที่ปลายอีกข้างของสายโซ่ มาสร้างพันธะจนเกิดการปิดโครงสร้างเป็นวงได้

ในกรณีของหมู่คาร์บอนิล (carbonyl C=O) อะตอม C จะมีความเป็นขั้วบวกในขณะที่อะตอม O จะมีอิเล็กตรอนคู่โดยเดี่ยว ดังนั้นอะตอม O จึงสามารถทำปฏิกิริยากับสารที่มองหาอิเล็กตรอน (electrophile เช่น H⁺) ส่วนอะตอม C นั้นสามารถทำปฏิกิริยากับสารที่มองหาประจุบวก (nucleophile เช่นพวกที่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว) ความเป็นขั้วบวกของอะตอม C ของหมู่คาร์บอนิลนั้นขึ้นอยู่กับว่า

(ก) หมู่ข้างเคียงอีก ๒ หมู่นั้นเป็นหมู่จ่ายอิเล็กตรอนหรือไม่ เพราะถ้าเป็นหมู่จ่ายอิเล็กตรอนก็จะทำให้ความแรงของขั้วบวกนั้นลดลง แต่ถึงแม้ว่าหมู่ข้างเคียงนั้นเป็นหมู่ดึงอิเล็กตรอน ความเป็นขั้วบวกของอะตอม C ก็ไม่ได้เพิ่มขึ้น เพราะทิศทางการดึงอิเล็กตรอนจะมีการหักล้างกับอะตอม O (ดูเพิ่มเติมได้ในเรื่อง "ความเป็นขั้วบวกของอะตอม C และการทำปฏิกิริยาของอีพิคลอโรไฮดริน (epichlorohydrin)" วันพุธที่ ๒๖ กรกฎาคม ๒๕๖๐)

(ข) อะตอม O มีการรับเอาประจุบวก (เช่น H⁺) เข้ามาหรือไม่ ถ้ามีการรับเอาประจุบวกเข้ามาก็จะทำให้ความแรงของขั้วบวกนั้นเพิ่มขึ้น เพราะไปเพิ่มความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนของอะตอม O จากอะตอม C ให้มากขึ้น

ด้วยการที่อะตอม C ของ formaldehyde (HC(O)H) ถูกอะตอม O ดึงอิเล็กตรอนฝ่ายเดียว และอะตอม H ก็ไม่มีอิเล็กตรอนจ่ายมาช่วย จึงทำให้ความเป็นขั้วบอกของอะตอม C นั้นมีความแรงมากพอที่จะดึงอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวของอะตอม O ของของโมเลกุล formaldedhye อีกโมเลกุลหนึ่งมาสร้างพันธะได้ และในสภาวะที่เหมาะสม (เช่นด้วยการระเหยน้ำออกจากสารลาย formalin) โมเลกุล formaldehyde ก็จะเกิดการต่อกันเป็นสารโซ่โมเลกุลขนาดใหญ่ขึ้น (รูปที่ ๑) กลายเป็นสารประกอบที่มีชื่อว่า paraformaldehyde

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยาการเกิด paraformaldehyde จาก formaldehyde และ paraldehye จาก acetaldehyde

หมู่ -CH₃ ของ acetaldehyde สามารถจ่ายอิเล็กตรอนให้กับอะตอม C ของหมู่ carbonyl ได้ ทำให้ความเป็นขั้วบวกของอะตอม C ของหมู่ carbonyl นั้นไม่แรงเหมือนของ formaldehyde ดังนั้นถ้าจะให้อะตอม C ของหมู่ carbonyl ของ acetaldehyde สามารถดึงอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวของอะตอม O ของหมู่ carbonyl ของอีกโมเลกุลหนึ่งมาสร้างพันธะก็จำเป็นต้องมีตัวช่วย ซึ่งได้แก่โปรตอน (H⁺) ของกรดแก่ (เช่น H₂SO₄, HNO₃) โดยถ้ามีกรดแก่ปริมาณ "น้อย ๆ" (ในเว็บ https://www.britannica.com/science/paraldehyde ใช้คำว่า trace amount) H⁺ จากกรดแก่จะเข้าไปเกาะที่อะตอม O ของหมู่ carbonyl ซึ่งเป็นการไปเพิ่มความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอม C ของอะตอม O จึงทำให้เกิดการเชื่อมต่อโมเลกุลเข้าด้วยกันได้ แต่ในกรณีของ acetaldehyde ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะเกิดจากการที่โมเลกุล acetaldehyde 3 โมเลกุลต่อเข้าด้วยกันกลายเป็นโครงสร้างที่เป็นวงที่มีชื่อว่า paraldehyde (รูปที่ ๑) โมเลกุลรูปวงแหวนนี้มีไอโซเมอร์แบบ cis- และ trans- (อ่านรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ https://en.wikipedia.org/wiki/Paraldehyde)

นอกจากการใช้กรดแก่แล้วก็ยังสามารถใช้ anion exchange resin (เรซินที่สามารถแลกเปลี่ยนไอออนลบ โดยที่ผิวเรซินจะเป็นประจุบวก) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ (ดูตัวอย่างได้ในสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกา US2779767A เรื่อง "Process for production of paraldehyde")

โมเลกุลของ aldehyde และ ketone นั้นสามารถเกิดไอโซเมอร์แบบที่เรียกว่า tautomer ได้ ไอโซเมอร์แบบ tautomer นี้คือการที่โครงสร้างโมเลกุลมีการเปลี่ยนกลับไป-มา ซึ่งในกรณีของ aldehyde และ ketone จะเกี่ยวข้องกับการย้ายตำแหน่งอะตอม H จากอะตอม C ที่เกาะอยู่กับอะตอม C ของหมู่ carbonyl (คือตัวที่เรียกว่า alpha-carbon) ทำให้โครงสร้างมีการเปลี่ยนกลับไปมาระหว่าง keto กับ enol form (โครงสร้าง enol คือโครงสร้างที่หมู่ -OH เกาะอยู่บนอะตอม C ที่มีพันธะ C=C)

H⁺ ที่เข้าไปเกาะที่อะตอม O ของหมู่ carbonyl -ของ acetaldehyde ทำให้ acetaldehyde กลายเป็น protonated aldehyde ที่อะตอม C ของหมู่ carbonyl จะมีความเป็นขั้วบวกที่แรงมากขึ้น ในขณะเดียวกันถ้าหากมีสารที่สามารถรับโปรตอนได้ร่วมอยู่ด้วย หมู่ -CH₃ ของก็จะจ่ายโปรตอนออก ทำให้เกิดเป็นสารประกอบ enol ได้ง่ายขึ้น (ดูเรื่อง "ความเป็นกรดของอัลฟาไฮโดรเจนอะตอม (alpha-Hydrogen atoms)" วันอาทิตย์ที่ ๒๔ กันยายน ๒๕๖๐ ประกอบ) และถ้าอะตอม C ของ protonated aldehyde พบกับพันธะ C=C ของโมเลกุล enol ก็จะเกิดการต่อโมเลกุลเข้าด้วยกันตามปฏิกิริยาที่รู้จักกันในชื่อ aldol condensation (รูปที่ ๒)

รูปที่ ๒ กรดก็สามารถทำให้อัลดีไฮด์เกิดปฏิกิริยา aldol condensation ได้เช่นกัน

ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นว่า สารตั้งต้นตัวเดียวกัน ตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดเดียวกัน แต่ปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน ก็สามารถทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันได้

Aldol condensation ระหว่าง Benzaldehyde กับ Acetone MO Memoir : Tuesday 26 September 2560

แขกผู้มาเยือน ๒ รายที่แวะมาเยี่ยมผมเมื่อบ่ายวันศุกร์ที่ผ่านมานั้น มาพร้อมกับคำถามที่ว่าเขามีสารประกอบโลหะไฮดรอกไซด์/ออกไซด์ผสมที่มีฤทธิ์เป็นเบสที่หน่วยงานของเขาสังเคราะห์ขึ้นได้ จะสามารถนำไปใช้ประโยชน์อะไรได้บ้าง ในแง่การใช้เป็นตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยา (ที่เรียกว่า catalyst support) หรือใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา 
  

(อันที่จริงผมก็ยังไม่มั่นใจว่าสารประกอบที่เขามีนั้นมีฤทธิ์เป็น "เบส" เสมอไปหรือไม่ เพราะเท่าที่ฟังจากองค์ประกอบไอออนโลหะที่เขามี ตัวหนึ่งนั้นมีฤทธิ์เป็นเบสแน่ ๆ แต่อีกตัวหนึ่งนั้นคิดว่ามันเป็น "amphoteric" คือในสภาวะที่เป็นกรดมันจะแสดงฤทธิ์เป็นเบส และในสภาวะที่เป็นเบสมันจะแสดงฤทธิ์ที่เป็นกรด)
 

การจะนำเอาสิ่งที่เขามีอยู่ในมือนั้นไปใช้เป็นตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยา คงต้องมีการทดลองกันอีกยาวไกล แต่สิ่งที่น่าจะทำได้เร็วกว่าคือการหาทางนำเอามันไปใช้ในรูปของตัวเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นคำถามที่เกิดขึ้นตามมาก็คือมีปฏิกิริยาเคมีอินทรีย์ไหนบ้างที่ใช้เบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ นอกเหนือไปจากปฏิกิริยา trans-esterification ที่ใช้ในการผลิตไบโอดีเซลในปัจจุบัน ที่แม้ว่าการใช้ NaOH จะมีปัญหาอยู่บ้างในแง่ของกระบวนการผลิต แต่เมื่อพิจารณาจากค่าใช้จ่ายรวมทั้งหมดแล้วก็ยังจัดว่าคุ้มค่าอยู่ และปฏิกิริยาหนึ่งที่มีการเอ่ยถึงขึ้นมาก็คือ "Aldol condensation"
 

Aldol condensation เป็นปฏิกิริยาระหว่างหมู่คาร์บอนิล (-C(O)-) ของโมเลกุลอัลดีไฮด์หรือคีโตนโมเลกุลหนึ่ง กับอัลฟาคาร์บอนอะตอม (α-carbon atom) ของโมเลกุลอัลดีไฮด์หรือคีโตนโมเลกุลอีกหนึ่ง (คู่ของสารที่เข้าทำปฏิกิริยากันไม่จำเป็นต้องมีอัลฟาคาร์บอนอะตอมทั้งคู่) ปฏิกิริยานี้ใช้เบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะเป็นเบต้าไฮดรอกซีอัลดีไฮด์ (β-hydroxyaldehyde) หรือเบต้าไฮดรอกซีคีโตน (β-hydroxyketone) โดยอะตอมออกซิเจนของหมู่คาร์บอนนิลที่อัลฟาคาร์บอนอะตอมเข้าไปสร้างพันธะด้วยนั้นจะกลายเป็นหมู่ไฮดรอกซี (-OH) ที่สามารถเกิดปฏิกิริยาคายน้ำ (dehydration) ต่อเนื่องกลายเป็นพันธะคู่ C=C ได้

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยา aldol condensation ระหว่าง benzaldehye 2 โมเลกุลกับ acetone 1 โมเลกุล เพื่อสังเคราะห์สารประกอบ dibenalacetone (หรือ dibenzilidenacetone) ที่สามารถใช้เป็นสารป้องกันแสงอาทิตย์ (sunscreen) ได้ (พึงสังเกตโครงสร้างโมเลกุลที่ประกอบด้วยพันธะคู่และพันธะเดี่ยวสลับกับ ที่ทำให้อิเล็กตรอนมีการเคลื่อนย้ายได้ตลอดทั้งโมเลกุล)
 

Dibenzalacetone เป็นสารเคมีตัวหนึ่งที่เตรียมได้จากปฏิกิริยา aldol condensation ระหว่าง acetone (ที่มีอัลฟาคาร์บอนอะตอมถึง 6 ตัว) และ benzaldehyde (ที่ไม่มีอัลฟาคาร์บอนอะตอม) โดยใช้ NaOH เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (รูปที่ ๑) อุณหภูมิการทำปฏิกิริยานั้นจะอยู่ที่ราว 20-25ºC เท่านั้นเอง การทำปฏิกิริยาดูเผิน ๆ ก็ไม่น่ามีอะไร แต่อันที่จริงพอจะต้องลงมือปฏิบัติมันก็มีอะไรให้พิจารณาอีกตั้งหลายอย่าง เช่น

๑. NaOH เป็นของแข็งที่ละลายน้ำได้ดี แต่ละลายใน acetone ได้ดีแค่ไหนก็ไม่รู้เหมือนกัน acetone ก็ละลายน้ำได้ดี benzaldehyde นั้นละลายใน acetone ได้ แต่ละลายน้ำได้น้อยมาก ดังนั้นจะทำอย่างไรจึงจะทำให้ทั้งสามสารอยู่ร่วมกันได้เพื่อที่จะทำให้ปฏิกิริยาเกิดได้ จำเป็นต้องใช้ตัวกลาง (ที่เฉื่อย) ช่วยในการประสานเฟสไหม และถ้ามีการใช้ตัวกลาง จะแยกผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นที่เหลืออยู่ (รวมทั้งตัวเร่งปฏิกิริยา) ออกจากกันได้อย่างไร

๒. acetone เองก็สามารถทำปฏิกิริยา aldol condensation กับพวกเดียวกันเองได้ กลายเป็นสารประกอบ diacetone alcohol (รูปที่ ๒) ดังนั้นเราควรทำอย่างไรเพื่อที่จะให้มั่นใจว่า acetone ที่เติมเข้าไปนั้นทำปฏิกิริยาเฉพาะกับ benzaldehyde เท่านั้น โดยไม่ทำปฏิกิริยากับ acetone ด้วยกันเอง

วิธีการหนึ่งก็คือการใส่ benzaldehyde และทุกอย่างเข้าไปในระบบก่อน ปรับสภาวะระบบให้เหมาะสมกับการทำปฏิกิริยา จากนั้นจึงค่อย ๆ เติม acetone ลงไปทีละช้า ๆ พร้อมทั้งทำการปั่นกวนให้ acetone กระจายตัวไปอย่างรวดเร็ว แต่ก็เกิดคำถามตามขึ้นมาก็คือ จะทำอย่างไรกับ NaOH ที่ไม่ละลายใน benzaldehyde และจำเป็นไหมที่เบสที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาจะต้องอยู่ในสภาพไอออนในสารละลาย อยู่ในสภาพที่เป็นของแข็งได้ไหม ถ้าไม่ได้ ก็แสดงว่าต้องมีการใช้ตัวกลางที่ละลายได้ทั้ง NaOH และ benzaldehyde

รูปที่ ๒ ปฏิกิริยา aldol condensation ระหว่าง acetone 2 โมเลกุลเพื่อการสังเคราะห์สารประกอบ mesityl oxide (หรือ isobutenyl methyl ketone)

๓. aldol product ที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่าง acetone กับ benzaldehyde ในขั้นตอนแรกนั้นก็มีอัลฟาคาร์บอนอะตอมเช่นกัน มีความเป็นไปได้มากน้อยเท่าใดที่ aldol product นี้จะทำปฏิกิริยาด้วยกันเอง

๔. ผลิตภัณฑ์ที่ได้จาก aldol condensation ในช่วงแรกเป็นสารประกอบเบต้าไฮดรอกซีคีโตน ที่อุณหภูมิสูงมากพอในสภาวะที่มีเบสที่แรงมากพอ หมู่ไฮดรอกซิลจะเกิดปฏิกิริยา base catalyzed dehydration (ปฏิกิริยาคายน้ำ) กับอัลฟาไฮโดรเจนอะตอม กลายเป็นพันธะ C=C ดังนั้นก่อนที่จะเกิดปฏิกิริยา dehydration ตัว aldol product จะมีอัลฟาไฮโดรเจนอยู่ทั้งสองฝั่งของหมู่คาร์บอนิล (-C(O)-) ในสภาวะที่ทำปฏิกิริยานั้นเรามีความมั่นใจมากแค่ไหนว่า ปฏิกิริยา dehydration นั้นเป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นต่อเนื่องอย่างรวดเร็วจนโมเลกุล acetone ไม่มีโอกาสที่จะทำปฏิกิริยาที่อัลฟาไฮโดรเจนอะตอมที่อยู่ระหว่างหมู่ไฮดรอกซิลและหมู่คาร์บอนนิล หรือโครงสร้างโมเลกุลของ aldol product นั้นทำให้ยากที่โมเลกุล acetone จะเข้าทำปฏิกิริยาที่ตำแหน่งดังกล่าว (ที่เรียกว่า steric effect)
 

๕. สารละลาย NaOH เป็นสารละลายที่มีฤทธิ์กัดกร่อน ในขณะที่ acetone เอง (อาจรวมถึงสารตัวกลางที่ใช้ในการประสานเฟสด้วย) ก็เป็นตัวทำละลายอินทรีย์ตัวหนึ่ง ถ้าจะทำการขยายขนาดให้ใหญ่ขึ้น ตัวอุปกรณ์ควรจะต้องทำจากวัสดุชนิดใด จึงจะสามารถทนได้ทั้งด่างและตัวทำละลายอินทรีย์

๖. จำเป็นไหมที่ปฏิกิริยาต้องเกิดในเฟสของเหลว เกิดในเฟสแก๊สได้ไหม โดยให้สารตั้งต้นไหลผ่านเบดตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเบส ถ้าเกิดในเฟสแก๊สได้ก็จะมีข้อดีตรงที่หมดปัญหาเรื่องการผสมกันระหว่าง fluid phase แต่ต้องไปพิจารณาประเด็นเรื่องค่าใช้จ่ายในการทำให้สารตั้งต้นเป็นไอระเหย

รูปที่ ๓ ตัวอย่างสิทธิบัตรปฏิกิริยา aldol condensation ของคีโตน

ปฏิกิริยา base catalyzed dehydration ที่ดึงหมู่ -OH ของ aldol product ออกทำให้เกิดพันธะ C=C นั้น ใช่ว่าจะเป็นปฏิกิริยาที่เกิดได้ทันทีเสมอ ตรงนี้ขึ้นอยู่กับสารตั้งต้นด้วย อย่างเช่นในกรณีของ acetone ที่เกิดเป็น diacetone alcohol ก่อน มีการพบว่าเบสที่แรงพอที่ทำให้โมเลกุล acetone เกิดการควบแน่นเป็น aldol product ได้นั้น ใช่ว่าจะสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยา base catalyzed dehydration ได้เสมอไป (ดังเช่นสิทธิบัตรที่นำมาแสดงในรูปที่ ๓) หรืออย่างเช่นกรณีของการสังเคราะห์ pentaerythritol จากปฏิกิริยาระหว่าง acetaldehyde กับ formaldehyde นั้นพบว่าสามารถรักษาหมู่ -OH ทั้ง 4 หมู่ที่เกิดขึ้นได้โดยไม่ถูกเปลี่ยนไปเป็นพันธะ C=C (ดู Memoir ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๐๖๐ วันศุกร์ที่ ๙ ตุลาคม ๒๕๕๘ เรื่อง "Aldol condensation กับ Cannizzro reaction")
 

ประเด็นเรื่องผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียงก็เป็นเรื่องสำคัญที่ต้องพิจารณาเช่นกันในการขยายขนาด (ที่เรียกว่า scale up) ในระดับห้องปฏิบัติการนั้นของเสียที่เกิดขึ้นจากการทดลองในห้องปฏิบัติการมักจะถูกส่งไปกำจัดยังหน่วยงานอื่นที่รับทำหน้าที่นี้ แต่ถ้าเป็นระดับโรงงานอุตสาหกรรมเอง ตัวโรงงานผู้ผลิตมักจะต้องเป็นผู้รับทำหน้าที่ดังกล่าวเอง สิ่งที่เรามักจะเห็นกันก็คือเวลามีคนนำเสนอวิธีการสังเคราะห์สารที่ให้ค่าผลได้ (yield) ที่สูง เขามักจะไม่ให้รายละเอียดใด ๆ กับผลิตภัณพ์ข้างเคียงที่เกิดขึ้น (ส่วนปริมาณมันคำนวณได้จากสารตั้งต้นที่หายไป)

รูปที่ ๔ ตัวอย่างวิธีการเตรียม dibenzalacetone จากปฏิกิริยาระหว่าง acetone กับ benzaldehyde ในห้องปฏิบัติการ บทความนี้พูดถึงผลได้ (yield) ที่ได้จากวิธีการที่นำเสนอ แต่ไม่ได้ให้รายละเอียดใด ๆ เกี่ยวกับผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่เกิดขึ้น ซึ่งถ้าจะนำวิธีการนี้ไปขยายขนาด จำเป็นที่ต้องรู้ว่าผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่เกิดขึ้นนั้นประกอบด้วยสารใดบ้าง ในสัดส่วนเท่าใด เพื่อที่จะได้สามารถวางแผนการจัดการกับผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่เกิดขึ้นนั้นได้

วันนั้นผมก็บอกแขกทั้งสองรายนั้นไปว่า มาคุยกับผลคงไม่ได้ไอเดียอะไรเอาไปผลิตของขายหรอก แต่หวังว่าคงจะได้มุมมองใหม่ ๆ ในการมองปัญหาและตั้งคำถาม ที่พวกเขาอาจจะสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับงานของพวกเขาได้เท่านั้นเอง

Aldol condensation กับ Cannizzaro reaction MO Memoir : Friday 9 October 2558

หมู่คาร์บอนิล (carbonyl C=O) มีความเป็นขั้วที่สูง โดยเฉพาะอะตอม C ของหมู่คาร์บอนิลที่มีอะตอมออกซิเจนเกาะอยู่จะมีความเป็นขั้วบวกที่สูง ทำให้อะตอม C นี้มันไปดึงอิเล็กตรอนจากอะตอม C ที่ถัดไป (เรียกตำแหน่งอะตอม C ที่อยู่ติดกับอะตอม C ของหมู่ C=O นี้ว่าตำแหน่ง alpha และตัวถัดไปอีกจะเรียกว่า beta) ส่งผลให้อะตอม H ของพันธะ C-H ของอะตอม C ที่ตำแหน่ง alpha นั้นมีความเป็นกรดที่แรงขึ้น และสามารถจ่าย H+ ให้กับเบส OH- ได้ และพอ H+ หลุดออกไป อะตอม C ของหมู่ C=O ของอัลดีไฮด์หรือคีโตนอีกโมเลกุลหนึ่งก็จะมาสร้างพันธะกับอะตอม C ที่ตำแหน่ง alpha นั้นได้ เกิดการเชื่อมต่อโมเลกุลเข้าด้วยกันเป็นโมเลกุลใหญ่ขึ้น ปฏิกิริยานี้มีชื่อว่า "Aldol condensation" ส่วนผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นจะมีหมู่ -OH ที่อะตอม C ที่อยู่ที่ตำแหน่ง alpha เมื่อเทียบกับหมู่คาร์บอนิล เรียกว่า beta-hydroxyaldehyde หรือ ketone (ขึ้นอยู่กับว่าสารตั้งต้นเป็นอัลดีไฮด์หรือคีโตน 

ปฏิกิริยา aldol condensation จะเกิดได้ก็ต่อเมื่ออัลดีไฮด์หรือคีโตนที่ทำปฏิกิริยากันนั้น (อาจเป็นโมเลกุลของสารเดียวกันหรือต่างสารกันก็ได้) อย่างน้อยหนึ่งโมเลกุล อะตอม C ที่ตำแหน่ง alpha จะต้องมีอะตอม H (ดูรูปที่ ๑ ประกอบ)

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยา aldol condensation (บน) ระหว่าง acetaldehyde สองโมเลกุล ที่อะตอม C ที่ตำแหน่ง alpha ต่างมีอะตอม H เกาะอยู่ (ล่าง) ระหว่าง acetaldehyde กับ formaldehyde (ไม่มีอะตอม C ที่ตำแหน่ง alpha) 

ประโยชน์ของปฏิกิริยา aldol condensation คือใช้ในการสร้างโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นจากโมเลกุลอัลดีไฮด์หรือคีโตนขนาดเล็ก เช่นการสังเคราะห์ 2-Ethylhexane-1,3-diol (สารประกอบที่มีอะตอม C 8อะตอมที่ใช้เป็นสารไล่ยุง) ด้วยปฏิกิริยา aldol condensationจาก acetaldehyde 4 โมเลกุล (สารประกอบที่มีอะตอม C 2 อะตอม - ดูรูปที่ ๒ ประกอบ) ซึ่งประกอบด้วยการทำปฏิกิริยาระหว่าง acetaldehyde สองโมเลกุลด้วยปฏิกิริยา aldol condensation ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีจำนวนอะตอม C 4 อะตอม ตามด้วยปฏิกิริยา dehydration (การกำจัดน้ำ) ดึงหมู่ -OH ออกทำให้เกิดเป็นพันธะคู่ C=C (ขณะนี้ในโมเลกุลนี้มีเพียงหมู่นี้หมู่เดียวที่เกิดปฏิกิริยา dehydration ได้) ได้สารประกอบที่เรียกว่า crotonaldehyde (มี 2 ไอโซเมอร์คือ E กับ Z ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของหมู่ -CH₃ กับ -COH ว่าอยู่ฟากเดียวกันหรือคนละฟากของพันธะคู่ C=C) 

จากนั้นใช้ปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจน (hydrogenation) เข้าไปที่พันธะ C=C ได้เป็นอัลดีไฮด์ butanal (ตรงนี้ต้องระวังไม่ให้เกิดปฏิกิริยาที่หมู่อัลดีไฮด์ -COH) แล้วจึงใช้ปฏิกิริยา aldol condensation ต่อเชื่อมต่อโมเลกุล butanal เข้าด้วยกัน และรีดิวซ์หมู่ C=O ที่เหลืออยู่ ก็จะได้สารประกอบ 2-Ethylhexane-1,3-diol 

รูปที่ ๒ การสังเคราะห์ 2-Ethylhexane-1,3-diol (ที่ใช้เป็นสารไล่ยุง) จาก acetaldehyde 4 โมเลกุล 

สำหรับอัลดีไฮด์ที่อะตอม C ที่ตำแหน่ง alpha นั้นไม่มีอะตอม H เกาะอยู่ ภายใต้สภาวะที่เป็นเป็นเบสเข้มข้นที่แรงพอ อัลดีไฮด์ดังกล่าวก็จะสามารถเกิดปฏิกิริยา oxidation-reduction ระหว่างโมเลกุลอัลดีไฮด์สองโมเลกุลได้ โดยหมู่คาร์บอนิล C=O ของอัลดีไฮด์โมเลกุลหนึ่งจะถูกออกซิไดซ์กลายเป็นกรดอินทรีย์ -COOH และหมู่ C=O ของอีกโมเลกุลหนึ่งจะถูกรีดิวซ์กลายเป็นหมู่ไฮดรอกซิล -OH ปฏิกิริยานี้มีชื่อว่า Cannizzaro reaction (รูปที่ ๓) 

รูปที่ ๓ Cannizzaro reaction 

Pentaerythritol (C(CH₂OH)₄) เป็นสารประกอบพอลิออล (polyol คือ แอลกอฮอล์ที่มีหมู่ -OH มากกว่าหนึ่งหมู่ในโมเลกุลเดียว) สารประกอบนี้เตรียมได้จากปฏิกิริยาระหว่าง acetaldehyde 1 โมเลกุลกับ formaldehyde 4 โมเลกุล โดยใช้ปฏิกิริยา aldol condensation นำโมเลกุล formaldehyde 3 โมเลกุล เข้าแทนที่อะตอม H ทั้ง 3 อะตอมของอะตอม C ที่ตำแหน่ง alpha (ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีจำนวนอะตอม C 5 อะตอม) จากนั้นตามด้วย cannizzaro reaction ด้วยการใช้ formaldehyde 1 โมเลกุลเข้าไปรีดิวซ์หมู่ C=O ก็จะได้สารประกอบ pentaerythritol ออกมา ส่วน formaldehyde โมเลกุลสุดท้ายก็จะกลายเป็นกรดฟอร์มิก (formic) ไป (รูปที่ ๔ และ ๕) 

แต่ในการออกแบบกระบวนการผลิตนั้นต้องไม่ลืมว่าตัวโมเลกุล acetaldehyde เองนั้นก็สามารถเกิดปฏิกิริยา aldol condensation ระหว่างโมเลกุลของมันเองได้เช่นกัน (รูปที่ ๑) ดังนั้นถ้ามองในแง่ของวิศวกรรมเคมีแล้ว ถ้าต้องการให้ปฏิกิริยาข้างเคียงที่ไม่ต้องการนี้มีโอกาสเกิดได้น้อย ในการทำปฏิกิริยาก็ต้องให้มี formaldehyde ในสัดส่วนที่มากกว่า acetaldehyde เพื่อลดโอกาสที่โมเลกุล acetaldehyde จะมาเจอกันเองและเกิดการควบแน่น ส่วนสารมัธยันต์ที่เกิดจากปฏิกิริยา aldol condensation นั้น (beta-hydroxyaldehyde) ยากที่จะเกิดปฏิกิริยาควบแน่นระหว่างโมเลกุลของมันเองหรือกับ acetaldehyde เนื่องด้วยผลจาก steric effect คือมันเองมีขนาดโมเลกุลใหญ่ จึงยากที่จะเข้าไปทำปฏิกิริยากับอะตอม C ที่ตำแหน่ง alpha เว้นแต่ formaldehyde ที่มีขนาดโมเลกุลเล็กจึงสามารถเข้าถึงได้ง่ายกว่า 

อ่านมาถึงตรงนี้คิดว่าหลายต่อหลายคนคงจะเห็นแล้วว่า สารเคมีต่าง ๆ ที่ใช้ในการเตรียมที่กล่าวมานั้น ไม่ได้เป็นสารเคมีพิเศษหายากอะไรเลย แต่เป็นสารที่สามารถหาซื้อได้ทั่วไป 

รูปที่ ๔ การสังเคราะห์ pentaerythritol ด้วยปฏิกิริยา aldol condensation ระหว่าง acetaldehye 1 โมเลกุลกับ formaldehyde 3 โมเลกุล ได้สารประกอบที่มีจำนวนอะตอม C 5 อะตอม (อะตอม H สีแดงในรูปคือตัวที่ถูกกำจัดออก) จากนั้นใช้ formaldehyde อีก 1 โมเลกุลทำการรีดิวซ์หมู่ C=O ของสารประกอบ C 5 ที่เกิดขึ้น ก็จะได้ pentaerythritol และถ้านำ pentaerythritol ไปทำปฏิกิริยา nitration กับกรด HNO₃ จนหมู่ -OH ทั้ง 4 หมู่ทำปฏิกิริยาจนหมดก็จะได้สารประกอบ Pentaerythritol tetranitrate หรือย่อว่า PETN ที่ใช้เป็นวัตถุระเบิดหลักทางทหารตัวหนึ่ง 

รูปที่ ๕ สิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเรื่องการผลิต pentaerythritol จาก formaldehyde และ acetaldehye ด้วยปฏิกิริยา aldol condensation และ cannizzaro reaction 

หมู่ -OH นี้สามารถเกิดปฏิกิริยา nitration (หรือจะเรียกว่า esterification) กับกรดอนินทรีย์ก็ได้ (ดู Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๔๘ วันเสาร์ที่ ๑๔ พฤศจิกายน ๒๕๕๒ เรื่อง "Esterification of hydroxyl group") กลายเป็นสารประกอบไนเทรตที่มีสัดส่วนอะตอม O ในโมเลกุลเพิ่มมากขึ้น และถ้าหมู่ -OH ทั้ง 4 หมู่ของ petaerythritol นี้เกิดปฏิกิริยา nitration จนหมดทั้ง 4 หมู่ ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ Pentaerythritol tetranitrate หรือที่เรียกกันย่อ ๆ ว่า PETN สารตัวนี้ใช้เป็นวัตถุระเบิดหลักตัวหนึ่งในทางทหาร (รูปที่ ๕) 

คุณสมบัติเด่นของ PETN คือปั้นเป็นรูปร่างต่าง ๆ ได้ (แบบดินน้ำมัน) เป็นวัตถุระเบิดในกลุ่มที่เรียกว่า "ระเบิดพลาสติก (Plastic explosive)" โดยตัวที่มีชื่อเสียงมากที่สุดเห็นจะได้แก่ตัวที่ผลิตขายภายใต้ชื่อการค้า "SEMTEX" จุดเด่นของระเบิดตัวนี้ในช่วงแรก ๆ ที่ผลิตขึ้นมาคือตรวจจับยากหรือตรวจจับไม่ได้ ด้วยเหตุนี้จึงเป็นที่นิยมของกลุ่มก่อการร้าย (ทำเป็นแผ่นแบน ๆ แทรกไว้ระหว่างผนังกระเป๋าเดินทางและผ้าบุด้านในกระเป๋าได้) และกรณีที่มีทำให้ SEMTEX นี้เป็นที่รู้จักกันไปทั่วโลกเห็นจะได้แก่กรณีของเที่ยวบิน Pan Am Flight 103 

Pan Am Flight 103 เกิดระเบิดขึ้นกลางอากาศในน่านฟ้าเหนือเมือง Lockerbie ประเทศสกอตแลนด์ ในวันพุธที่ ๒๑ ธันวาคม ปีค.ศ. ๑๙๘๘ (พ.ศ. ๒๕๓๑) ขณะมุ่งหน้าจากลอนดอนไปยังสหรัฐอเมริกา ส่งผลให้ผู้โดยสารและลูกเรือเสียชีวิตทั้งลำ และยังมีพลเรือนบนพื้นเสียชีวิตด้วยจำนวนหนึ่ง (โดนซากเครื่องบินหล่นใส่) ผลการสอบสวนพบว่าสาเหตุเกิดจากระเบิด SEMTEX ที่ซุกซ่อนมาในกระเป๋าเดินทางใบหนึ่ง ด้วยเที่ยวบินดังกล่าวมีความล่าช้า ทำให้เครื่องบินเกิดการระเบิดในขณะที่ยังบินอยู่เหนือพื้นดินแทนที่จะเกิดระเบิดขึ้นกลางทะเลตามที่ผู้วางระเบิดตั้งใจไว้ (ถ้าเกิดขณะบินอยู่เหนือทะเลก็คงยากที่จะตรวจสอบหาสาเหตุหรือไม่ก็หาสาเหตุไม่ได้) 

รูปที่ ๖ สิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเรื่องกระบวนการผลิต PETN ด้วยปฏิกิริยา nitration โมเลกุล pentaerythritol 

ผลจากเหตุการณ์ดังกล่าวจึงทำให้เกิดการผสมสารที่เป็นตัวบ่งชี้ (detection taggant) เข้าไปกับ SEMTEX ที่ผลิตขึ้นเพื่อจำหน่ายในช่วงหลัง เพื่อให้สามารถตรวจจับได้ง่ายขึ้นและระบุได้ว่าจำหน่ายให้กับใคร 

บรรณานุกรม 
Albert Zlatkis, Eberhard Breitmaier and Günther Jung, "A concise introduction to organic chemistry", McGraw Hill, 1985. 
Edward E. Burgoyne, "A short course in organic chemicsty", McGraw Hill, 1985. 
Harold Hart, Leslie E. Craine and David J. Hart, "Organic chemistry ; A short course', 10th ed., Houghton Mifflin, 1999. 
https://en.wikipedia.org/wiki/Pentaerythritol (วันศุกร์ที่ ๙ ตุลาคม ๒๕๕๘) 
https://en.wikipedia.org/wiki/Pentaerythritol_tetranitrate (วันศุกร์ที่ ๙ ตุลาคม ๒๕๕๘) 
https://en.wikipedia.org/wiki/Semtex (วันศุกร์ที่ ๙ ตุลาคม ๒๕๕๘) 
https://en.wikipedia.org/wiki/Pan_Am_Flight_103 (วันศุกร์ที่ ๙ ตุลาคม ๒๕๕๘) 

ท้ายสุดนี้ก็คงต้องขอแสดงความยินดีกับสมาชิกเพียงคนเดียวของกลุ่มที่เข้ารับพระราชทานปริญญามหาบัณฑิตเมื่อช่วงเช้าที่ผ่านมาของวันนี้ ก็ขออวยพรให้ประสบแต่ความสุขความเร็จในชีวิตครอบครัวและหน้าที่การงานตลอดไป ขอให้ดำเนินการใด ๆ อย่างมีสติ 

และเป็นธรรมเนียมปฏิบัติคือเมื่อสมาชิกคนใดของกลุ่มได้สำเร็จการศึกษาและเข้ารับพระราชทานปริญญาบัตรเป็นที่เรียบร้อยแล้ว การส่ง Memoir ฉบับ pdf ให้ทางอีเมล์ก็จะเป็นอันยุติ ดังนั้น Memoir ฉบับนี้ก็จะเป็นฉบับสุดท้ายที่ส่งทางอีเมล์ให้กับสาวน้อยผู้เพิ่งจะรับปริญญาไปในเช้าวันนี้ แต่ถ้ามีเวลาว่างก็ขอเชิญแวะมาอ่านได้ทางหน้า blog หรือ facebook ของกลุ่มได้เช่นเดิม จะได้ทราบว่าเกิดอะไรขึ้นกับน้อง ๆ รุ่นใหม่กันบ้าง