การยับยั้งปฏิกิริยาด้วยการขัดขวางการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยา MO Memoir : Tuesday 24 November 2563

ในการเกิดปฏิกิริยาเคมีนั้น จำเป็นที่สารตั้งต้นต้องมีอุณหภูมิสูงระดับหนึ่งก่อนเพื่อที่จะได้มีพลังงานมากพอที่จะเอาชนะพลังงานกระตุ้น และวิธีการเพิ่มพลังงานให้กับสารตั้งต้นที่ใช้กันทั่วไปก็คือการเพิ่มอุณหภูมิ

ทีนี้เมื่อปฏิกิริยาเคมีเริ่มเกิดแล้ว ก็จะมีการคายพลังงานออกมา ถ้าพลังงานที่คายออกมานั้น "น้อยกว่า" พลังงานที่ต้องใส่เข้าไปเพื่อเอาชนะพลังงานกระตุ้น ปฏิกิริยาเคมีนั้นก็จะเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน (Endothermic reaction) ดังนั้นจำเป็นต้องใส่พลังงานเข้าไปอย่างต่อเนื่องเพื่อให้ปฏิกิริยาสามารถดำเนินต่อไปข้างหน้าได้ด้วยตนเอง

แต่ถ้าพลังงานที่คายออกมานั้น "มากกว่า" พลังงานที่ต้องใส่เข้าไปเพื่อเอาชนะพลังงานกระตุ้น ปฏิกิริยาเคมีนั้นก็จะเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน (Exothermic reaction) ความร้อนที่คายออกมานั้นส่วนหนึ่งสามารถป้อนกลับไปยังสารตั้งต้นเพื่อให้มันมีพลังงานมากพอที่จะเอาชนะพลังงานกระตุ้นได้ แต่ก็ยังมีความร้อนอีกส่วนหนึ่งหลงเหลืออยู่ที่จำเป็นต้องหาทางระบายออก เพื่อไม่ให้เกิดการสะสมในระบบ

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีนั้นเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่สูงขึ้น (ไม่สนด้วยว่าเป็นปฏิกิริยาดูดหรือคายความร้อน) ในกรณีของปฏิกิริยาดูดความร้อนนั้นถ้าเราหยุดการป้อนความร้อนให้กับระบบ ปฏิกิริยาก็จะหยุดตัวเอง เพราะเมื่อปฏิกิริยาเกิดขึ้นจะทำให้อุณหภูมิของระบบลดต่ำลง อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็ลดต่ำลงตาม แต่ในกรณีของปฏิกิริยาคายความร้อนนั้นมันตรงข้ามกัน ถ้าเราไม่สามารถดึงความร้อนออกจากระบบได้ทันเวลา ความร้อนที่สะสมในระบบจะทำให้อุณหภูมิของระบบเพิ่มสูงขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็จะยิ่งเพิ่มสูงขึ้นเร็วมาก และอาจนำไปสู่การเกิดอันตรายเนื่องจากอุณหภูมิที่สูงมากเกินไปได้

ในกรณีของปฏิกิริยาที่มีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา เทคนิคหนึ่งที่มีการนำมาใช้เพื่อการหยุดปฏิกิริยาหรือหน่วงการเกิดปฏิกิริยาเมื่อปฏิกิริยามีแนวโน้มที่จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วนอกเหนือการควบคุมก็คือการทำลายตัวเร่งปฏิกิริยา แต่ถ้าใช้วิธีการนี้ก็ต้องเตรียมใจว่าอาจต้องเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งหมดในเครื่องปฏิกรณ์ โดยเฉพาะในกรณีของเครื่องปฏิกรณ์แบบเบดนิ่ง (Fixed-bed reactor) ถ้าหากสารที่ป้อนเข้าไปเพื่อหยุดปฏิกิริยานั้นสามารถทำลายตัวเร่งปฏิกิริยาได้อย่างถาวร แต่ถ้าเป็นการทำปฏิกิริยาที่มีการป้อนตัวเร่งปฏิกิริยาเข้าระบบอย่างต่อเนื่อง เช่นในปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาตระกูล Ziegler-Natta มันก็ไม่เป็นไร ตัวอย่างกรณีหลังนี้เคยเล่าไว้ในเรื่อง "การทำลายตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อหยุดปฏิกิริยา" ใน Memoir เมื่อวันพุธที่ ๑๒ สิงหาคม ๒๕๖๓

ปฏิกิริยาการออกซิไดซ์แบบบางส่วน (partial oxidation) หรือการออกซิไดซ์แบบเลือกเกิด (selective oxidation) เป็นปฏิกิริยาที่ใช้ในการเปลี่ยนสารตั้งต้น (ที่อาจเป็นไฮโดรคาร์บอน) ไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีสัดส่วนอะตอม O ในโมเลกุลสูงขึ้น ตัวออกซิไดซ์ที่นิยมใช้กันในอุตสาหกรรมก็คืออากาศหรือออกซิเจน ด้วยเหตุผลที่ว่ามันมีอยู่ทั่วไปและไม่ก่อปัญหาเรื่องของเสีย แต่มันก็มีข้อเสียคือค่อนข้างเฉื่อยและต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยทำปฏิกิริยา ในกรณีที่ผลิตภัณฑ์มีความเฉื่อยต่อการถูกออกซิไดซ์มากกว่าสารตั้งต้น การทำปฏิกิริยานี้ก็จะไม่มีปัญหาอะไร แต่ถ้าผลิตภัณฑ์นั้นมีความว่องไวต่อการถูกออกซิไดซ์สูงกว่าสารตั้งต้น จะมีโอกาสสูงที่จะสูญเสียผลิตภัณฑ์ที่ต้องการไปเป็นสารอื่น (เช่น CO₂) ดังนั้นจึงต้องหาวิธีการป้องกันไม่ให้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการนั้นสลายตัวต่อ เช่นใช้การควบคุมปริมาณออกซิเจนให้มีพอเพียงแค่การออกซิไดซ์สารตั้งต้นไปเป็นผลิตภัณฑ์ โดยไม่ให้มีเหลือสำหรับการทำให้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการนั้นสลายตัว อีกวิธีการหนึ่งก็คือหาทางหยุดการเกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ และวิธีการหนึ่งที่มีการนำมาใช้ก็คือการเพิ่มสารที่หน่วงหรือยับยั้งการเกิดปฏิกิริยาของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ โดยต้องไม่หน่วงหรือยับยั้งการเกิดปฏิกิริยาของสารตั้งต้น และสารตระกูลหนึ่งที่มีการนำมาใช้กันก็คือสารประกอบในตระกูล alkyl halide

 รูปที่ ๑ สารที่สามารถนำมาใช้ลดการเกิด CO₂ ในระหว่างการออกซิไดซ์ ethylene ไปเป็น ethylene oxide (จากสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 2,279,469

สารประกอบ alkyl halide ขนาดเล็ก (พวก C1 หรือ C2) มีการนำมาใช้เป็นสารทำความเย็น (refrigerant) และสารดับเพลิง (fire extinguisher) อีกชื่อเรียกของสารตระกูลนี้คือฮาลอน (Halon) เมื่อเทียบกับ CO₂ แล้วฮาลอนมีความสามารถในการดับเพลิงที่สูงกว่า (คือใช้ปริมาณที่น้อยกว่าในการดับเพลิงไหม้ที่มีความรุนแรงเท่ากัน) สาเหตุที่ทำให้ฮาลอนทำงานได้ดีกว่า CO₂ เชื่อกันว่าเป็นเพราะนอกจากการเข้าไปเจือจางออกซิเจนแบบเดียวกับที่ CO₂ ทำแล้ว โมเลกุลฮาลอนยังมีการแตกตัวเมื่อได้รับความร้อน และอนุมูลที่เกิดจากการแตกตัวนี้เข้าไปยับยั้งปฏิกิริยาลูกโซ่ของการเผาไหม้ (สิ่งที่โมเลกุล CO₂ ทำไม่ได้) ด้วยเหตุนี้จึงทำให้ฮาลอนมีความสามารถในการดับเพลิงที่ดีกว่า

เอทิลีนออกไซด์ (Ethylene oxide C₂H₄O) สังเคราะห์ได้จากการออกซิไดซ์เอทิลีน (Ethylene H₂C=CH₂) ด้วยโมเลกุลออกซิเจน โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยา Ag หรือ Au ช่วย แต่เนื่องจากเอทิลีนออกไซด์เป็นสารที่มีความว่องไวสูงตัวหนึ่ง ดังนั้นเอทิลีนออกไซด์ที่เกิดขึ้นจึงสามารถเข้าแย่งทำปฏิกิริยากับออกซิเจนและสลายตัวเป็น CO₂ และน้ำได้ และเพื่อป้องกันการสลายตัวดังกล่าวจึงต้องใช้ออกซิเจนในปริมาณที่จำกัด เพื่อให้ออกซิเจนที่หลงเหลือจากการเปลี่ยนเอทิลีนไปเป็นเอทิลีนออกไซด์แล้ว เหลืออยู่ในปริมาณไม่มาก โอกาสที่มันจะทำปฏิกิริยาต่อกับเอทิลีนออกไซด์ก็จะลดคง (อันที่จริงการที่ต้องใช้ออกซิเจนในปริมาณที่จำกัดยังมีอีกเหตุผลหนึ่งคือ การต้องควบคุมส่วนผสมของแก๊สไม่ให้อยู่ในช่วง Explosive limit)

รูปที่ ๒ สิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 7,803,957 B2 ที่มีการเอาสารพวก alkyl halide มาใช้ในการหน่วงการเกิด CO₂ ในระหว่างการออกซิไดซ์ ethylene ไปเป็น ethylene oxide

อีกแนวทางหนึ่งในการป้องกันการสูญเสียเอทิลีนออกไซด์คือการหาทางยับยั้งการเกิดปฏิกิริยาต่อเนื่อง และวิธีการหนึ่งที่มีการนำมาใช้กันก็คือการผสมสารบางชนิดในปริมาณเล็กน้อย (ระดับ ppm) เข้าไปในสายป้อนเข้าเครื่องปฏิกรณ์ (รูปที่ ๑) และสารตระกูลหนึ่งที่นิยมผสมเข้าไปคือสารประกอบ alkyl halide ตระกูล chlorinated compound เช่น ethylene dichloride (หรืออีกชื่อคือ 1,2-dichloroethane ClH₂C-CH₂Cl) (หมายเหตุ : สารตัวนี้ก็มีโอกาสที่จะสลายตัวในเครื่องปฏิกรณ์กลายเป็น vinyl chloride (H₂C=CHCl) ที่อาจเกิดการพอลิเมอร์ไรซ์และเกาะติดบนผิวตัวเร่งปฏิกิริยาและผนังด้านในของท่อปฏิกรณ์โดยเฉพาะในช่วงท้าย ๆ และด้วยการที่ vinyl chloride มีฤทธิ์ในการยับยั้งการสลายตัวของเอทิลีนออกไซด์ต่ำกว่า ethylene dichloride จึงทำให้ปฏิกิริยาการสลายตัวยังมีโอกาสเกิดได้อยู่ในช่วงตอนท้ายของท่อปฏิกรณ์ - รูปที่ ๓)

รูปที่ ๓ ในกรอบสีแดงคือผลข้างเคียงที่เกิดจากการเติม dichloroethane เป็น moderator เพื่อลดการสลายตัวของเอทิลีนออกไซด์ (จากสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 4,055,579)

การหยุดการทำปฏิกิริยาของเอทิลีนออกไซด์ไปเป็น CO₂ ยังช่วยป้องกันปัญหาอุณหภูมิสูงเกินในเครื่องปฏิกรณ์ด้วย ปฏิกิริยาการออกซิไดซ์เอทิลีนไปเป็นเอทิลีนออกไซด์นั้นคายความร้อนออกมาประมาณ 105 kJ/mol (คิดจาก enthalpy of formationที่ 25ºC) ในขณะที่การออกซิไดซ์เอทิลีนออกไซด์ไปเป็น CO₂ นั้นคายความร้อนมากถึงประมาณ 1306 kJ/mol หรือสูงกว่าประมาณ 13 เท่า ปฏิกิริยาที่มีการคายความร้อนสูงเช่นนี้มักจะใช้เครื่องปฏิกรณ์ชนิด multi tubular reactor ซึ่งเปรียบเสมือนกับ shell and tube heat exchanger ที่วางตั้ง โดยในส่วน tube จะบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาและทำหน้าที่เป็น tubular reactor ขนาดเล็กหลายตัววางเรียงขนานกัน ส่วน shell นั้นก็มี cooling medium ไหลผ่านเพื่อระบายความร้อน

รูปที่ ๔ ตัวอย่างหนึ่งของ multi tubular reactor ที่แก๊สไหลจากบนลงล่าง (จากสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 3,566,961)

อันที่จริงเอทิลีนเองก็สามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนไปเป็น CO₂ ได้โดยตรงโดยไม่ผ่านการเกิดเป็นเอทิลีนออกไซด์ก่อน การหาว่า CO₂ ที่เห็นนั้นมาจากไหนทำได้ด้วยการทดสอบโดยใช้เอทิลีนออกไซด์เป็นสารตั้งต้น (คือไม่มีการป้อนเอทิลีน) ถ้าพบว่ามี CO₂ เกิดขึ้นก็แสดงว่าเอทิลีนออกไซด์สามารถถูกออกซิไดซ์ไปเป็น CO₂ ได้ (แต่ถ้าตรวจไม่พบ CO₂ ก็แสดงว่า CO₂ นั้นเกิดจากเส้นทางอื่นที่ไม่ผ่านเอทิลีนออกไซด์) จากนั้นทำการทดลองใหม่ด้วยการใช้เอทิลีนเป็นสารตั้งต้นโดยให้มี contact time ระหว่างสารตั้งต้นกับตัวเร่งปฏิกิริยาสั้น ๆ (ทำการทดลองที่ค่า conversion ต่ำ) แล้วดูว่ามีการเกิด CO₂ (หรือสารอินทรีย์ตัวอื่นที่ไม่ใช่เอทิลีนออกไซด์) พร้อมกับการเกิดเอทิลีนออกไซด์หรือไม่ ถ้าพบเห็น CO₂ เกิดขึ้นพร้อมกับเอทิลีนออกไซด์ก็แสดงว่าเอทิลีนสามารถกลายไปเป็น CO₂ ได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนเป็นเอทิลีนออกไซด์ก่อน (แต่ไม่ได้ตัดความเป็นไปได้ว่าเอทิลีนออกไซด์สามารถทำปฏิกิริยาต่อไปเป็น CO₂ ได้) แต่ถ้าตรวจพบแต่เอทิลีนออกไซด์โดยไม่พบ CO₂ ก็แสดงว่าการเกิด CO₂ จำเป็นต้องเกิดเอทิลีนออกไซด์ก่อน

จาก Toluene และ m-Xylene ไปเป็นยาชา MO Memoir : Wednesday 21 November 2561

กระบวนการผลิตในระดับอุตสาหกรรมนั้นไม่ได้มองเพียงแค่ผลิตภัณฑ์ที่จะได้ แต่ยังมองครอบคลุมไปยังผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่จะเกิดขึ้น และการจัดการกับผลิตภัณฑ์ข้างเคียงเหล่านั้นด้วย ดังนั้นสารตั้งต้นบางตัวที่ทำปฏิกิริยาได้ง่ายและเป็นที่นิยมใช้กันในระดับห้องปฏิบัติการ อาจไม่มีความเหมาะสมที่จะนำมาใช้เป็นสารตั้งต้นในระดับอุตสาหกรรม ถ้าหากมันทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่ก่อให้เกิดปัญหาในการจัดการ (เช่นการทำลายทิ้งหรือการกำจัด)
 

อะตอม N ของ NH₃ มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวอยู่ ดังนั้นอะตอมใดก็ตามที่มีความเป็นบวกที่แรงพอก็จะสามารถเข้ามาสร้างพันธะกับอะตอม N และแทนที่อะตอม H ของ NH₃ ได้ อย่างเช่นในกรณีของการผลิต ethylamine ที่ต้องการแทนที่อะตอม H ด้วยหมู่เอทิล -CH₂-CH₃ ในระดับห้องปฏิบัติการอาจใช้การทำปฏิกิริยาระหว่างเอทิลคลอไรด์ Cl-CH₂-CH₃ กับ NH₃ โดยมีเบสแก่เช่น KOH ช่วย แต่ก็จะทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ข้างเคียงคือ KCl ซึ่งในระดับห้องปฏิบัติการก็คงไม่มีปัญหากในการจัดการเพราะเกิดขึ้นไม่มากและมีผู้รับช่วงไปกำจัดต่อ แต่ถ้าเป็นระดับอุตสาหกรรมที่ต้องจัดการกับผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่เกิดขึ้นเอง ปริมาณ KCl ที่เกิดขึ้นก็คงจะไม่น้อย ทำให้การใช้เอทิลคลอไรด์เป็นสารตั้งต้นคงไม่เหมาะสมเท่าใดนัก
 

อะตอม C ตัวที่มีหมู่ -OH เกาะอยู่ของเอทานอล HO-CH₂-CH₃ ก็มีความเป็นบวกเช่นกัน แต่ไม่ได้แรงมากเหมือนอะตอม C ที่มีอะตอม Cl เกาะอยู่ของเอทิลคลอไรด์ ดังนั้นถ้าจะใช้เอทานอลมาเป็นสารตั้งต้นแทนเอทิลคลอไรด์ก็ต้องหาทางทำให้อะตอม C ตัวที่มีหมู่ -OH เกาะนั้นมีความเป็นบวกที่แรงขึ้น และวิธีการหนึ่งที่ทำได้คือการใช้ไอออนบวกของโลหะ (เช่น Al³⁺ ในสารประกอบ Al₂O₃) ที่มีความเป็นกรดลิวอิสที่แรงพอ มาดึงอิเล็กตรอนจากอะตอม O ของหมู่ -OH ซึ่งจะทำให้ อะตอม C ตัวที่มีหมู่ -OH เกาะนั้นมีความเป็นบวกที่แรงขึ้นไปอีก หรือกลายเป็น ethyl carbocation ที่แรงพอที่จะเข้าไปสร้างพันธะแทนที่อะตอม H ของ NH₃ ได้ ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือเอทิลเอมีน (ethylamine) ถ้ามีการแทนที่เพียงครั้งเดียวก็จะได้ผลิตภัณฑ์ monoethylamine แทนที่สองครั้งก็จะได้ diethylamine และถ้าแทนที่สามครั้งก็จะได้ triethylamine

รูปที่ ๑ การสังเคราะห์ diethylamine จากปฏิกิริยาระหว่างเอทานอลกับ NH₃ โดยมี Al₂O₃ เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งอันที่จริงจะเกิดปฏิกิริยาการแทนที่ได้ตั้งแต่ 1 ครั้งไปจนถึง 3 ขึ้นอยู่กับสัดส่วนของเอทานอลต่อ NH₃ กล่าวคือถ้าใช้ NH₃ มากเมื่อเทียบกับเอทานอล ผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่ก็จะเกิดจากการแทนที่เพียงครั้งเดียว (คือได้ monethylamine เป็นหลัก) แต่ถ้าใช้เอทานอลในปริมาณมากเมื่อเทียบกับ NH₃ ก็จะได้ผลิตภัณฑ์ที่มีการแทนที่สองและสามครั้งเป็นหลัก และถ้านำ diethylamine นี้ไปทำปฏิกิริยากับ ethylene oxide ต่อก็จะได้สารประกอบ diethylethanolamine

เอทิลีนออกไซด์ (ethylene oxide C₂H₄O) เป็นสารเคมีตัวหนึ่งที่มีความว่องไวสูงอันเป็นผลจากความเครียดที่สูงของวงอีพอกไซด์ที่มีรูปร่างสามเหลี่ยม และอะตอม C ก็ยังมีความเป็นบวกที่สูงด้วย ดังนั้นถ้าเรานำเอา ethylene oxide มาทำปฏิกิริยากับ diethylamine ก็จะเกิดการแทนที่อะตอม H ตัวสุดท้ายที่เกาะอยู่กับอะตอม N ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือไดเอทิลเอทานอลเอมีน (diethylethanolamine)
 

โทลูอีน (toluene C₆H₅-CH₃)) สามารถเกิดปฏิกิริยา nitration (โดยมีกรด H₂SO₄ เข้มข้นเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา) กลายเป็นสารประกอบ 2-Nitrotoluene และ 4-Nitrotoluene ถ้าเรานำเอา 4-Nitrotoluene ไปทำการออกซิไดซ์ หมู่ -CH₃ ที่เกาะอยู่กับวงแหวน (ที่ถูกออกซิไดซ์ได้ง่ายกว่าวงแหวน) ก็จะถูกเปลี่ยนไปเป็นหมู่คาร์บอกซิล (carboxyl -COOH) กลายเป็นสารประกอบ p-nitrobenzoic acid ซึ่งถ้าให้หมู่ -COOH ทำปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชัน (esterification) กับเอทานอล (ซึ่งใช้กรดแก่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา) ก็จะได้สารประกอบเอทิลเอสเทอร์ของกรด p-nitrobenzoic acid
 

ปฏิกิริยาทรานเอสเทอริฟิเคชัน (transesterification) คือการเอาหมู่ -OH ของแอลกอฮอล์อีกตัวหนึ่ง (หรือของอีกสารหนึ่ง) เข้าไปแทนที่แอลกอฮอล์ตัวที่อยู่ในสารประกอบเอสเทอร์ ปฏิกิริยานี้ทำได้โดยสามารถใช้กรดแก่หรือเบสแก่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ในกรณีของ diethylethanolamine ที่อะตอม N มีฤทธิ์เป็นเบสนั้น ถ้าใช้กรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาก็คงจะวุ่น เพราะแทนที่กรดที่ใส่เข้าไปจะไปทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา มันจะถูกสะเทินด้วยอะตอม N เสียเอง ดังนั้นการใช้เบสแก่เช่นโซเดียมอีทอกไซด์ (sodium ethoxide NaOC₂H₅) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาจึงมีความเหมาะสมมากกว่า โดยแขนที่มีหมู่ -OH ของ diethylethanolamine จะเข้าไปแทนที่หมู่ -OC₂H₅ ที่มาจากเอทานอล

พึงสังเกตว่าเราไม่ได้เอา p-nitrobenzoic acid ทำปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันโดยตรงกับ diethylethanolamine ทั้งนี้เป็นเพราะการทำปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันระหว่างหมู่ -COOH กับหมู่ -OH นั้นใช้ "กรด" เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา แต่ diethylethanolamine มีอะตอม N ที่มีฤทธิ์เป็นเบสที่สามารถสะเทินกรดที่ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ ดังนั้นการเปลี่ยนกรด p-nitrobenzoic acid ไปเป็นเอสเทอร์ก่อน แล้วจึงค่อยใช้ปฏิกิริยาทรานเอสเทอริฟิเคชันที่สามารถใช้ "เบส" เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้จึงมีความเหมาะสมมากกว่า

ถ้านำผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยาทรานเอสเทอริฟิเคชันไปทำการรีดิวซ์หมู่ไนโตร -NO₂ ให้กลายเป็นหมู่เอมีน -NH₂ (รูปที่ ๒) ก็จะได้สารประกอบที่มีชื่อ IUPAC ว่า 2-(diethylamino)ethyl 4-aminobenzoate หรือที่เป็นที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อ "Procaine" ที่สังเคราะห์ขึ้นครั้งแรกในปี ค.ศ. ๑๙๐๕

รูปที่ ๒ ตัวอย่างเส้นทางการสังเคราะห์ 'Procaine" จะว่าไปแล้วในขั้นตอนการรีดิวซ์ตอนสุดท้ายนั้น โครงสร้างที่สามารถถูกรีดิวซ์ได้นั้นมีด้วยกัน ๓ โครงสร้างคือหมู่ไนโตร -NO₂ หมู่คาร์บอนิล -C(O)- และส่วนที่เป็นวงแหวนเบนซีน ด้วยการใช้ตัวรีดิวซ์ที่เหมาะสมและไม่แรงเกินไป หมู่ที่ถูกรีดิวซ์ง่ายกว่า (ในที่นี้คือหมู่ -NO₂) ก็จะถูกรีดิวซ์เพียงหมู่เดียว โดยโครงสร้างส่วนอื่นไม่ถูกรีดิวซ์ตามไปด้วย

รูปที่ ๓ ตัวอย่างสิทธิบัตรการสังเคราะห์ Procaine (CN104341314A CN Application A synthetic method of procaine hydrochloride)

ใน wikipedia กล่าวว่า Procaine เคยเป็นยาชาที่นิยมใช้กันในแวดวงทันตกรรม แต่ปัจจุบันได้รับความนิยมลดลงก็เพราะมียาตัวใหม่ที่มีประสิทธิผลมากกว่าและมีผลข้างเคียงต่ำกว่านั่นก็คือ Lidocaine ดังนั้นเราจะมาลองดูกันหน่อยว่าการสังเคราะห์ Lidocaine นั้นมันพอจะมาจากเส้นทางไหนได้บ้าง

ถ้าเรานำกรดอะซีติก (acetic acid CH₃COOH) มาทำปฏิกิริยา chlorination กับคลอรีน (Cl₂) อะตอม Cl จะเข้าไปแทนที่อะตอม H ที่หมู่ -CH₃ (ซึ่งมันมีสิทธิเข้าแทนที่ได้ทั้ง 3 อะตอม) ในกรณีที่มีการแทนที่อะตอม H เพียงอะตอมเดียวผลิตภัณฑ์ที่ได้ก็จะเป็นกรดคลอโรอะซีติก (chloroacetic acid CH₂ClCOOH) และถ้านำเอา chloroacetic acid ไปทำปฏิกิริยากับไธโอนิลคลอไรด์ (thionyl chloride SOCl₂) ก็จะได้สารประกอบ acyl derivative คือคลอโรอะเซทิลคลอไรด์ (chloroacetyl chloride CH₂ClCOClH) (รูปที่ ๔) อะตอม C ทั้งสองอะตอมของ chloroacetyl chloride จะมีความเป็นบวกและสามารถทำปฎิกิริยากับ nucleophile หรือพวกที่มีความเป็นประจุลบได้

รูปที่ ๔ การสังเคราะห์ chloroacetyl chloride โดยเริ่มจาก acetic acid

ที่มาหลักของไซลีน (xylene C₆H₄(CH₃)₂) ในภาคอุตสาหกรรมในปัจจุบันเห็นจะได้แก่การทำปฏิกิริยา reforming ของไฮโดรคาร์บอนโซ่ตรง C₆-C₈ โดย C₆ จะกลายไปเป็นเบนซีน C₇ จะกลายไปเป็นโทลูอีน และ C₈ จะกลายไปเป็นไซลีน (สารผสม 3 ไอโซเมอร์รวมกันคือ ortho- meta- และ para-) โดยอาจมีเอทิลเบนซีน (ethyl benzene C₆H₅-C₂H₅) เกิดร่วมด้วยเล็กน้อย ในบรรดาไอโซเมอร์ทั้ง 3 ของไซลีนอาจกล่าวได้ว่าเมทาไซลีน (m-xylene หรือ 1,3-dimethyl benzene) เป็นไอโซเมอร์ที่มีความต้องการในการนำไปใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตสารอื่นน้อยที่สุดก็ได้ (หรือจะเรียกว่าทิ้งห่างจากอีกสองไอโซเมอร์เลยก็ได้) ถ้าเรานำเอา m-xylene ไปทำปฏิกิริยา nitration กับกรด HNO₃ เข้มข้น (โดยมีกรด H₂SO₄ เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา) และด้วยการที่หมู่ -CH₃ เป็น ortho-, para- directing group ดั้งนั้นตำแหน่งที่หมู่ -NO₂ จะเข้าไปแทนที่อะตอม H จึงอาจเป็นตำแหน่งที่อยู่ระหว่างหมู่ -CH₃ ทั้งสอง ซึ่งเป็นตำแหน่ง ortho เมื่อเทียบกับหมู่ -CH₃ ทั้งสอง ผลิตภัณฑ์ที่ได้ก็จะเป็น 1,3-dimethyl-2-nitrobenzene หรือเข้าไปแทนที่อะตอม H ในตำแหน่งที่อยู่เคียงข้างหมู่ -CH₃ หมู่หนึ่ง (คือเป็นตำแหน่ง ortho เมื่อเทียบกับหมู่นี้) และอยู่ตรงข้ามกับหมู่ -CH₃ อีกหมู่หนึ่ง (คือเป็นตำแหน่ง para เมื่อเทียบกับหมู่นี้) ผลิตภัณฑ์ที่ได้ก็จะเป็น 1,3-dimethyl-4-nitrobenzene
 

ในกรณีของหมู่ที่เป็น ortho-, para- directing group ถ้าหากหมู่นั้นไม่ได้มีขนาดใหญ่ และหมู่ที่สองที่เข้ามาแทนที่ก็ไม่ได้มีขนาดใหญ่ สัดส่วนการแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho จะสูงกว่าที่ตำแหน่ง para เพราะจะสามารถสะเทินประจุบวกได้ดีกว่า) แต่ถ้าหมู่นั้นมีขนาดใหญ่และหมู่ที่สองที่เข้ามามีขนาดใหญ่ด้วย การแทนที่ครั้งที่สองก็จะอยู่ที่ตำแหน่ง para เป็นหลัก เช่นการทำปฏิกิริยา sulphonation สาร linear alkyl benzene เพื่อผลิต linear alkyl sulfonic acid ที่ใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตผงซักฟอกนั้น ด้วยการที่หมู่ linear alkyl มีขนาดใหญ่และหมู่ HOSO₂- ก็มีขนาดใหญ่ด้วย การแทนที่ครั้งที่สองจึงเกิดที่ตำแหน่ง para ทั้งหมด

ถ้าเรานำเอา 1,3-dimethyl-2-nitrobenzene มาทำการรีดิวซ์หมู่ -NO₂ (อันที่จริงส่วนที่เป็นวงแหวนเบนซีนก็ถูกรีดิวซ์ด้วยการเติมไฮโดรเจนได้ แต่มันทำได้ยากกว่า) ให้กลายเป็นหมู่ -NH₂ ผลิตภัณฑ์ที่ได้ก็จะเป็น 2,6-dimethylaniline หรืออีกชื่อคือ 2,6-xylidine (รูปที่ ๕)

รูปที่ ๕ ตัวอย่างเส้นทางการสังเคราะห์ Lidocaine โดยเริ่มจาก m-xylene

จากนั้นถ้าเรานำเอา 2,6-dimethylaniline มาทำปฏิกิริยากับ chloroacetyl chloride ด้วยการที่อะตอม C ของหมู่ acetyl มีความว่องไวสูงกว่า (คือมีความเป็นบวกมากกว่า) อะตอม C ของหมู่ -CH₂Cl ดังนั้นอะตอม C ของหมู่ acetyl จะเข้าไปสร้างพันธะกับอะตอม N (ที่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว) และคาย HCl ออกมา จากนั้นจึงนำผลิตภัณฑ์ที่ได้ไปทำปฏิกิริยากับ diethylamine (ที่มีอะตอม N ที่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวเช่นกัน) โดยคราวนี้อะตอม C ของหมู่ -CH₂Cl จะเป็นตัวเข้าไปสร้างพันธะกับอะตอม N พร้อมกับการคาย HCl ออกมา ผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่ได้ก็คือสารเคมีที่รู้จักกันในชื่อ "Lidocaine" ที่ใช้เป็นยาชาเฉพาะที่ที่เข้ามามีบทบาทสำคัญในวงการทันตกรรมแทน Procaine