การวัดปริมาณตำแหน่งที่เป็นกรด-เบสบนพื้นผิวของแข็งด้วย GC (๓) MO Memoir : Saturday 12 May 2561

เอกสารฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน ไม่นำเนื้อหาลง blog
 

เนื้อหาในเอกสารฉบับนี้เกี่ยวกับ การแก้ปัญหาการวัดปริมาณตำแหน่งที่เป็นเบสบนพื้นผิวด้วยเทคนิคการดูดซับมาเลอิกแอนไฮดราย (Maleic anhydride) ในช่วงวันพฤหัสบดีและวันเช้าวันศุกร์ที่ผ่านมา

เอา maleic anhydride ไปทำอะไรดี MO Memoir : Thusday 8 June 2560

มาเลอิกแอนไฮดราย (meleic anhtdide) เป็นสารมัธยันต์ตัวหนึ่งที่มีการผลิตกันมากในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี เพื่อใช้ในการสังเคราะห์สารอื่นอีก เดิมนั้นสารตั้งต้นหลักที่ใช้ในการผลิตคือเบนซีน (benzene) แต่เนื่องความเป็นพิษในฐานะที่เป็นสารก่อมะเร็งของเบนซีน จึงทำให้มีการพัฒนากระบวนการที่ใช้บิวเทน (butane) หรือบิวทีน (butene) เป็นสารตั้งต้นขึ้นมาใช้งาน (รูปที่ ๑) และทั้งสองกระบวนการก็ยังคงใช้งานกันอยู่ในปัจจุบัน

รูปที่ ๑ แผนผังเส้นทางการทำปฏิกิริยาเพื่อผลิตมาเลอิกแอนไฮดรายจากเบนซีนและบิวเทน-บิวทีน

โครงสร้างโมเลกุลของมาเลอิกแอนไฮดรายประกอบด้วยหมู่ฟังก์ชันที่ว่องไวในการทำปฏิกิริยา ๒ หมู่ด้วยกันคือแอนไฮดราย (-C(O)-O-C(O)- anhydride) และพันธะไม่อิ่มตัว C=C แอนไฮดรายเป็นโครงสร้างที่เกิดจากหมู่ -OH ของหมู่คาร์บอกซิล (-COOH carboxyl) ๒ หมู่หลอมรวมกันโดยมีการคายน้ำออกมา หมู่แอนไฮดรายนี้มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยามากกว่าหมู่คาร์บอกซิลในหลายปฏิกิริยาด้วยกัน เช่นในปฏิกิริยาการเกิดเอสเทอร์ (esterification) กับหมู่ -OH ของแอลกอฮอล์หรือฟีนอล ที่หมู่คาร์บอกซิลนั้นไม่สามารถทำปฏิกิริยากับหมู่ -OH ที่เกาะโดยตรงอยู่กับวงแหวนเบนซีนเพื่อเกิดเป็นโครงสร้างเอสเทอร์ แต่หมู่แอนไอดรายนั้นสามารถทำปฏิกิริยาได้ เช่นในการสังเคราะห์เฮโรอีน (heroin) จากมอร์ฟีน (morphine) นั้น ต้องมีการเปลี่ยนหมู่ -OH สองหมู่ของโมเลกุลมอร์ฟีนให้กลายเป็นอะซีเทตเอสเทอร์ แต่เนื่องด้วยหมู่ -OH หนึ่งหมู่นั้นเกาะอยู่กับโครงสร้างวงแหวนเบนซีนโดยตรง ทำให้การผลิตเฮโรอีนโดยใช้การทำปฏิกิริยาระหว่างมอร์ฟีนกับกรดอะซีติก (acetic acid CH₃COOH) นั้นไม่สามารถกระทำได้ ต้องใช้อะซีติกแอนไฮดราย (H₃CC(O)-O-C(O)CH₃ acetic anhydride) ในการทำปฏิกิริยา (ก็ถือว่าโชคดีไป เพราะอะซีติกแอนไฮดรายหายากซื้อได้ยากกว่ากรดอะซีติก รายละเอียดตรงนี้เคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๗๙ วันศุกร์ที่ ๒๐ พฤศจิกายน ๒๕๕๒ เรื่อง "Reactions of hydroxyl group")
 

ส่วนใหญ่ของมาเลอิกแอนไฮดรายที่ผลิตขึ้นถูกนำไปใช้ผลิตเป็นเรซินพอลิเอสเทอร์ไม่อิ่มตัว (unsaturated polyester resin) พันธะคู่ -C=C- ที่เหลืออยู่ในโครงสร้างโมเลกุลของมาเลอิกแอนไฮดรายสามารถทำการเชื่อมโยงแบบขวาง (cross link) เพื่อเชื่อมต่อสายโซ่พอลิเมอร์เข้าด้วยกันได้ และถ้ามีการเสริมเส้นใยแก้วเข้าไปด้วยก็จะได้พอลิเมอร์ที่เราเรียกว่า Fiberglass Reinforced Plastic หรือ FRP นั่นเอง เรซิ่นเคลือบรูปที่ใช้ในการทำกรอบรูปที่เราเรียกกรอบวิทยาศาสตร์ก็เป็นพวกเรซินพอลิเอสเทอร์ไม่อิ่มตัวเช่นกัน

รูปที่ ๒ เส้นทางการเปลี่ยนมาเลอิกแอนไฮดรายไปเป็น 1,2,4-บิวเทนไตรออลไตรไนเทรต

ปฏิกิริยาระหว่างมาเลอิกแอนไฮดรายกับน้ำจะทำให้โครงสร้างแอนไฮดรายแตกออกเป็นหมู่คาร์บอกซิล ๒ หมู่ กลายเป็นกรดมาเลอิก (maleic) ที่มีโครงสร้างแบบ cis และถ้าทำการเติมน้ำเข้าไปที่ตำแหน่ง -C=C- ของกรดมาเลอิกก็จะได้กรดมาลิก (malic) กรดมาลิกนี้จะมีอะตอม C ที่เป็น chiral centre อยู่ ๑ อะตอม (ตัวสีแดงในรูปที่ ๒) ดังนั้นโมเลกุลของมันจะเป็น stereoisomer

รูปที่ ๓ ตัวอย่างสิทธิบัตรการผลิตกรดมาลิก (malic acid) จากมาเลอิกแอนไฮดราย

วิชาเคมีอินทรีย์บอกให้เราทราบว่าเราสามารถออกซิไดซ์หมู่ -OH ของแอลกอฮอล์ได้ ถ้าเป็นกรณีของแอลกอฮอล์ปฐมภูมิ (primary alcohol หรือที่มีหมู่ -OH อยู่ที่ปลายโซ่) มันจะถูกออกซิไดซ์เป็นหมู่อัลดีไฮด์ (-C(O)H) ที่สามารถถูกออกซิไดซ์ต่อไปได้ง่ายกลายเป็นหมู่คาร์บอกซิล (-COOH) แต่ถ้าเป็นกรณีของแอลกอฮอล์ทุติยภูมิ (secondary alcohol) มันจะถูกออกซิไดซ์ต่อไปเป็นสารประกอบคีโตน (-C(O)-) ซึ่งทนต่อการถูกออกซิไดซ์มากกว่าอัลดีไฮด์ แต่ถ้าออกซิไดซ์หมู่คีโตนด้วยสารออกซิไดซ์ที่แรงพอ จะทำให้โมเลกุลแตกออกตรงตำแหน่งนี้ กลายเป็นหมู่คาร์บอกซิลสองหมู่

รูปที่ ๔ ตัวอย่างสิทธิบัตรการผลิต 1,2,4-บิวเทนไตรออล จะเห็นว่าใช้อุณหภูมิและความดันที่สูงในการรีดิวซ์หมู่คาร์บอกซิล

การออกซิไดซ์หมู่ -OH ให้กลายเป็นหมู่ -COOH นั้นทำได้ง่าย (อันนี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน) แต่การรีดิวซ์หมู่ -COOH กลับเป็นหมู่อัลดีไฮด์หรือหมู่ -OH นั้นทำได้ยากกว่ามาก (อันนี้เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน) อันที่จริงแม้ว่าอะตอม C ของหมู่คาร์บอกซิลจะมีความเป็นบวก แต่ด้วยการที่มันเกิด resonance ได้ จึงทำให้มันมีเสภียรภาพค่อนข้างสูง ดังนั้นถ้าไม่ใช้สภาวะการทำปฏิกิริยาที่รุนแรงพอ หรือใช้ตัวรีดิวซ์ที่แรงมากพอ ปฏิกิริยาก็ยากที่จะเกิด

รูปที่ ๕ ตัวอย่างสิทธิบัตรการผลิตไนเทรตเอสเทอร์ของสารประกอบอะลิฟาติกพอลิออล (พวกที่มีหมู่ -OH หลายหมู่อยู่ในโครงสร้างโมเลกุล)
 

ถ้าเราเปลี่ยนหมู่ -OH ของหมู่คารบอกซิลให้กลายเป็นหมู่อื่น ก็จะทำให้ความว่องไวในการทำปฏิกิริยานั้นเปลี่ยนไปด้วย เช่นถ้าเปลี่ยนจาก -OH เป็นเฮไลด์เช่น -Cl ก็จะได้สารประกอบที่เรียกว่า acid halide ที่มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยาสูงขึ้น (ผลการดึงอิเล็กตรอนของอะตอมเฮไลด์ออกจากอะตอม C สูงกว่าการที่อะตอม C ดึงคู่อิเล็กตรอนของอะตอมเฮไลด์กลับ) แต่ถ้าเปลี่ยนเป็นหมู่เอสเทอร์ -OR ก็จะได้ความว่องไวในการทำปฏิกิริยาประมาณเดิม
 

บางครั้ง การเปลี่ยนโครงสร้างโมเลกุลจากหมู่คาร์บอกซิลให้กลายเป็นหมู่เอสเทอร์นั้นก็เป็นสิ่งจำเป็น อย่างเช่นกรณีของกรดฟาทาลิก (phthalic acid) ที่ใช้ในการผลิตพอลิเอทิลีนเทอฟาทาเลต ที่ต้องการกรดที่มีความบริสุทธิ์สูง แต่เดิมนั้นในช่วงที่ยังไม่สามารถผลิตกรดฟาทาลิกที่มีความบริสุทธิ์สูงเพียงพอได้ ก็จะใช้วิธีการเปลี่ยนกรดฟาทาลิกให้กลายเป็นเมทิลเอสเทอร์เสียก่อน (ที่สามารถทำให้มีความบริสุทธิ์สูงได้) แล้วจึงค่อยเอาเมทิลเอสเทอร์นั้นมาทำปฏิกิริยา
 

แต่ในกรณีของการรีดิวซ์กรดมาลิกให้กลายเป็น 1,2,4-บิวเทนไตรออล (1,2,4-butanetriol) นี้ผมเองก็ยังไม่แน่ใจในเหตุผลของเขา จากการลองค้นสิทธิบัตรดูพบว่าเขาไม่ทำการรีดิวซ์กรดมาลิกโดยตรง แต่จะทำการรีดิวซ์เอสเทอร์ของกรดมาลิกแทน จะว่าหมู่เอสเทอร์นั้นมีความว่องไวสูงกว่าหมู่คาร์บอกซิลก็ไม่น่าจะใช้ หรือว่ามันเป็นขั้นตอนที่จำเป็นในการผลิตกรดมาลิกที่มีความบริสุทธิ์ (ตรงนี้ผมยังหาหลักฐานรองรับไม่ได้) ที่พอจะเดาได้น่าจะเป็นเพราะต้องการลดการกัดกร่อนของกรดมาลิก (ที่เป็นกรดที่แรงกว่ากรดอะซีติกอีก) โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องทำปฏิกิริยาการรีดิวซ์ที่อุณหภูมิและความดันสูง (สิทธิบัตรที่ยกตัวอย่างมาให้ดูในรูปที่ ๔ ใช้ความดันไฮโดรเจนในช่วง 100-300 bar ที่อุณหภูมิ 130-190ºC แถมยังต้องมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยอีก)
 

ถ้าเราเอา 1,2,4-บิวเทนไตรออลไปทำปฏิกิริยา esterification กับกรดไนตริก (HNO₃) เราสามารถแทนที่อะตอม H ของหมู่ -OH ทั้งสามหมู่ด้วยหมู่ -NO₂ ได้สารประกอบที่มีชื่อว่า 1,2,4-บิวเทนไตรออลไตรไนเทรต (1,2,4-butanetriol trinitrate หรือย่อว่า BTTN) ที่เป็นของเหลวที่เป็นวัตถุระเบิดตัวหนึ่ง ทำนองเดียวกับไนโตรกลีเซอรีน
 

แล้วสารตัวนี้ใช้ทำอะไรหรือครับ ข้อมูลจาก https://en.wikipedia.org/wiki/1,2,4-Butanetriol_trinitrate กล่าวไว้ว่าใช้เป็นเชื้อเพลิงในการขับเคลื่อนจรวดชนิด single-state (จรวดขั้นตอนเดียว เช่นจรวดยิงจากพื้นสู่อากาศ อากาศสู่พื้น อากาศสู่อากาศ) แต่คงไม่ได้ใช้ในรูปของสารบริสุทธิ์เนื่องด้วยมันเป็นของเหลว คงมีการนำไปผสมกับสารอื่นอีกเพื่อขึ้นรูปเป็นเชื้อเพลิงแข็งที่เหมาะสมสำหรับการใช้งาน

รูปที่ ๖ บางส่วนของข้อความจากสิทธิบัตร US 4,689,097 เรื่อง Co-oxidizers in solid crosslinked bouble base propellants

รู้ทันนักวิจัย (๔) คาร์บอนหายไปไหน MO Memoir : Wednesday 3 May 2560

มาเลอิกแอนไฮดราย (Maleic anhydride) เป็นสารตั้งต้นตัวหนึ่งในอุตสาหกรรมพอลิเมอร์ ส่วนใหญ่ที่ผลิตขึ้นมานั้นถูกนำไปใช้ในการผลิตเรซินพอลิเอสเทอร์ไม่อิ่มตัว (unsaturated polyester resin) ในอุตสาหกรรมผลิตสารตัวนี้ด้วยกระบวนการ gas phase partial oxidation สารประกอบไฮโดรคาร์บอนด้วยอากาศใน catalytic reactor สารตั้งต้นหลักที่ใช้ในการผลิตนับจากอดีตจนถึงปัจจุบันได้แก่เบนซีน (Benzene C₆H₆) แต่เนื่องด้วยความกังวลในเรื่องความเป็นสารก่อมะเร็งของเบนซีนในบางประเทศ ทำให้มีการพัฒนากระบวนการผลิตที่ใช้บิวเทน (Butane C₄H₁₀) และบิวทีน (Butene C₄H₈) ขึ้นมาทดแทน (กล่าวคือถ้ายังอยากผลิตมาเลอิกแอนไฮดรายในประเทศนั้น ก็ต้องเปลี่ยนกระบวนการผลิต หรือไม่ก็ทำอีกวิธีคือ ย้ายโรงงานไปตั้งที่ประเทศอื่นที่ไม่เข้มงวดเรื่องความเป็นสารก่อมะเร็งของเบนซีน) แผนผังปฏิกิริยาที่เกิดระหว่างการสังเคราะห์มาเลอิกแอนไฮดรายสรุปเอาไว้ในรูปที่ ๑

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยาการสังเคราะห์มาเลอิกแอนไฮดราย

ฟาทาลิกแอนไฮดราย (Phthalic anhydride) ก็เป็นสารประกอบตัวหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับอุตสาหกรรมการผลิตเรซิน ส่วนใหญ่ที่ผลิตขึ้นมานั้นถูกนำไปใช้ในการผลิตสารเติมแต่งสำหรับพลาสติก PVC เพื่อให้ PVC มีคุณสมบัติที่เหนียวนุ่มมากขึ้น กลายเป็นหนังเทียม ในอุตสาหกรรมผลิตสารตัวนี้ด้วยกระบวนการ gas phase partial oxidation สารประกอบไฮโดรคาร์บอนด้วยอากาศใน catalytic reactor เช่นกัน เดิมทีนั้นจะใช้แนฟทาลีน (Naphthalene C₁₀H₈) ที่ได้มาจากอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับถ่านหินเป็นสารตั้งต้นในการผลิต แต่เมื่ออุตสาหกรรมถ่านหินซบเซา (แนฟทาลีนเป็นผลพลอยได้จากการผลิตถ่าน coke ที่นำไปใช้ในการถลุงเหล็ก คือในการผลิตถ่าน coke จะได้ coal tar ซึ่งเมื่อนำ coal tar ไปกลั่นแยกก็จะได้แนฟทาลีนออกมา) ประกอบกับมีการพัฒนากระบวนการผลิตไซลีนจากน้ำมันดิบ ทำให้อาจกล่าวได้ว่าเกือบทั้งหมดที่ผลิตในปัจจุบันได้มาจากการใช้ออโธไซลีน (C₆H₅(CH₃)₂ o-Xylene) เป็นสารตั้งต้น แผนผังปฏิกิริยาที่เกิดระหว่างการสังเคราะห์ฟาทาลิกแอนไฮดรายสรุปเอาไว้ในรูปที่ ๒ (อันที่จริงมีการพบการเกิดมาลาอิกแอนไฮดรายด้วย)
 

รูปที่ ๒ ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ฟาทาลิกแอนไฮดราย 

ปฏิกิริยา partial oxidation สารประกอบไฮโดรคาร์บอนเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ยิ่งมีการทำปฏิกิริยากับออกซิเจนหลายครั้งก็ยิ่งมีการคายความร้อนมากขึ้น นอกจากนี้ในระหว่างการเกิดปฏิกิริยานั้นยังมีปฏิกิริยาข้างเคียงที่สำคัญคือการสูญเสียสารตั้งต้นและ/หรือผลิตภัณฑ์ไปเป็น CO₂ และ CO ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่คายความร้อนออกมามาก 

ปฏิกิริยาที่เกิดนั้นเป็นปฏิกิริยาหลายขั้นตอน ในกรณีของสารตั้งต้นที่มีจำนวนอะตอม C เท่ากับจำนวนอะตอม C ในผลิตภัณฑ์ (เช่นจาก C4 ไปเป็นมาเลอิกแอนไฮดราย หรือออโธไซลีนไปเป็นฟาทาลิกแอนไฮดราย) เส้นทางหลักจะเป็นการดึงอะตอม H ออกในรูปของโมเลกุล H₂O และแทรกอะตอม O เข้าไปแทน แต่ถ้าเป็นกรณีที่สารตั้งต้นมีอะตอม C มากกว่าจำนวนอะตอม C ในผลิตภัณฑ์ (เช่นจากเบนซีนไปเป็นมาเลอิกแอนไฮดราย หรือแนฟทาลีนไปเป็นฟาทาลิกแอนไฮดราย) นอกจากมีการดึงอะตอม H ออกแล้วยังมีการดึงอะตอม C ออกในรูป CO₂ หรือ CO ด้วย แต่ไม่ว่าจะเป็นแบบไหน สารมัธยันต์ (intermediate) ที่เกิดขึ้นก่อนจะกลายเป็นสารประกอบแอนไฮดรายนั้น มักจะมีจุดเดือดที่ต่ำกว่าตัวแอนไฮดรายเอง
 

ปริมาณของ CO₂ และ CO ที่เกิด และสัดส่วนระหว่าง CO₂/CO ที่เกิด ส่งผลต่อปริมาณความร้อนที่คายออกมา ยิ่งค่าดังกล่าวมีค่าสูงขึ้น ปริมาณความร้อนที่คายออกมาก็มากขึ้นตามไปด้วยอย่างมีนัยสำคัญ
 

เพนเทน (Pentane C₅H₁₂) เป็นไฮโดรคาร์บอนเบาตัวหนึ่งที่มีปัญหาในการนำไปใช้ประโยชน์เป็นเชื้อเพลิง ด้วยความที่ว่าจุดเดือดของมันนั้นสูงเกินกว่าจะใช้เป็นแก๊สหุงต้มและต่ำเกินไปสำหรับการใช้เป็นเชื้อเพลิงเหลว (มีเลขออกเทนต่ำด้วย) เรื่องนี้เคยเล่าไว้ครั้งหนึ่งเมื่อเกือบ ๕ ปีที่แล้วในเรื่อง "เอา pentane ไปทำอะไรดี" (Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๐๕ วันเสาร์ที่ ๑๕ กันยายน ๒๕๕๕) ด้วยเหตุนี้จึงมีการหาทางเอาเพนเทนไปใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีแทน และปฏิกิริยาหนึ่งที่ได้รับความสนใจมากก็คือการออกซิไดซ์เพนเทนไปเป็นมาเลอิกแอนไฮดราย ซึ่งในการนี้จำเป็นต้องมีการตัดอะตอม C ทิ้งไป ๑ ตัว แต่ที่เห็นจะแปลกกว่ากรณีที่เล่ามาก่อนหน้าก็คือ มีการพบผลิตภัณฑ์ที่มีจำนวนอะตอม C มากกว่าของสารตั้งต้นในจำนวนที่มากอย่างมีนัยสำคัญ ผลิตภัณฑ์ดังกล่าวก็คือฟาทาลิกแอนไฮดราย

รูปที่ ๓ ปฏิกิริยาที่เกิดระหว่างการออกซิไดซ์เพนเทนไปเป็นมาเลอิกแอนไฮดราย 
 

การเกิดผลิตภัณฑ์ข้างเคียงปนเปื้อนอยู่ในผลิตภัณฑ์หลักใช่ว่าเป็นสิ่งที่ต้องการ เพราะมันก่อให้เกิดความสิ้นเปลืองในการทำให้ผลิตภัณฑ์หลักมีความบริสุทธิ์ ถ้าผลิตภัณฑ์ข้างเคียงนั้นเกิดในปริมาณมากพอที่เมื่อแยกออกมาแล้วสามารถขายได้ ก็พอจะถอนทุนคืนได้บ้าง แต่ถ้ามันเกิดขึ้นน้อย ก็จะก่อให้เกิดปัญหาในการกำจัดอีก
 

ในทางวิศวกรรมเคมีนั้น ค่า conversion คือสัดส่วนของสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยาไปต่อปริมาณสารตั้งต้นทั้งหมดที่ป้อนเข้าระบบ ในปฏิกิริยา gas phase partial oxidation สารไฮโดรคาร์บอนนั้น การทำปฏิกิริยาจะทำในสภาวะที่มีออกซิเจนมากเกินพอ (เพื่อให้สัดส่วนการผสมอยู่นอกช่วง explosive limit) ดังนั้นเวลาที่คิดค่า conversion ก็จะดูจากปริมาณไฮโดรคาร์บอนที่หลงเหลืออยู่เป็นหลัก
 

ค่า selectivity คือสัดส่วนระหว่างปริมาณผลิตภัณฑ์แต่ละชนิดที่เกิดขึ้นต่อปริมาณสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยาไป การคำนวณค่านี้ไม่ยุ่งยากอะไรถ้าจำนวนอะตอม C ในผลิตภัณฑ์นั้นเท่ากับจำนวนอะตอม C ของสารตั้งต้น แต่จะวุ่นวายมากกว่าถ้าหากจำนวนอะตอม C ในผลิตภัณฑ์ไม่เท่ากับจำนวนอะตอม C ของสารตั้งต้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่มีการตัดสารตั้งต้นออกเป็นโมเลกุลเล็ก ๆ มากกว่าหนึ่งโมเลกุล เช่นการออกซิไดซ์เบนซีน (C₆) ไปเป็นมาเลอิกแอนไฮดราย (C₄) หรือการออกซิไซด์แนฟทาลีน (C₁₀) ไปเป็นฟาทาลิกแอนไฮดราย (C₈) ที่มีการเกิด CO₂ (หรือ CO) ขึ้น ๒ โมเลกุล กล่าวคือจะคิดปริมาณโดยอิงจากอะไร เช่น จะคิดเป็นโมล หรือจำนวนอะตอม C

รูปที่ ๔ ค่า conversion และค่า selectivity ของมาเลอิกแอนไฮดราย (MA) ฟาทาลิกแอนไฮดราย (PA) และ CO₂ ของการออกซิไดซ์นอร์มัลเพนเทนโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา ๕ ชนิด

รูปที่ ๔ เป็นภาพที่ถ่ายจากโปสเตอร์ที่มีผู้นำมาจัดแสดง งานวิจัยนี้เป็นการออกซิไดซ์นอร์มัลเพนเทนไปเป็นมาเลอิกแอนไฮดราย โดยมีการเกิดฟาทาลิกแอนไฮดรายเป็นผลิตภัณฑ์ข้างเคียง ที่ผมติดใจคือค่าการเลือกเกิดกล่าวคือ

๑. ในกรณีนี้ ค่า selectivity ของทุกผลิตภัณฑ์รวมกัน ถ้าอิงจากจำนวนอะตอม C ที่ไปอยู่ในผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ควรมีค่าเป็น 100% เว้นแต่ว่าจะมีการตรวจไม่พบผลิตภัณฑ์บางตัว (เช่นเกิดการควบแน่นค้างในระบบท่อ ทำให้มันมาไม่ถึงจุดเก็บแก๊สตัวอย่าง) ค่า selectivity ที่แสดงในรูปข้างบนนั้นไม่มีรายละเอียดว่าใช้เกณฑ์ใดในการคำนวณ แต่นั่นก็ยังไม่สำคัญเท่ากับการที่ว่าค่าผลรวมที่ได้นั้นต่ำมาก มากจนเหมือนกับว่าผลิตภัณฑ์ที่นำมาแสดงนั้นเป็นเพียงส่วนน้อยเท่านั้น

๒. ในการเปลี่ยนเพนเทนไปเป็นมาเลอิกแอนไฮดรายนั้น ต้องมีการตัดอะตอม C ทิ้ง ๑ อะตอม ดังนั้นสัดส่วนการเกิด CO₂ (หรือ CO) เทียบกับมาเลอิกแอนไฮดราย เมื่อคิดในหน่วย "โมล" แล้ว ควรมีค่า "อย่างน้อยเท่ากัน" แต่จะเห็นมากกว่าก็ไม่แปลกเพราะเป็นไปได้ที่จะเกิด CO₂ (หรือ CO) เพิ่มจากการสลายตัวของสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์
 

หรือถ้าคิดในหน่วยจำนวนอะตอม C เท่ากัน (คือให้ CO₂ (หรือ CO) ๔ โมเลกุลเทียบเท่ากับมาเลอิกแอนไฮดราย ๑ โมเลกุล) ค่า selectivity ของ CO₂ (หรือ CO) ก็ควรมีค่าอย่างน้อยเป็น ๑ ใน ๔ ของค่า selectivity ของมาเลอิกแอนไฮดราย แต่ค่าที่นำมาแสดงนั้นต่ำกว่าค่าเหล่านี้มาก (ขนาดยังไม่รวม CO₂ (หรือ CO) ที่เกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียง)

จะว่าไปแล้วฟาทาลิกแอนไฮดรายน่าจะเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีจุดเดือดสูงที่สุดที่เกิดขึ้น ดังนั้นถ้าผู้ทำการทดลองสามารถเก็บแก๊สตัวอย่างมาวิเคราะห์ (ด้วยเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟ) ได้โดยที่ไม่เกิดการควบแน่นของฟาทาลิกแอนไฮดรายในระบบท่อ แล้วทำไมเขาจึงไม่เห็นผลิตภัณฑ์ที่มีจุดเดือดที่ต่ำกว่า (ไม่ว่าจะเป็นพวกสารมัธยันต์หรือคาร์บอนออกไซด์ก็ตาม) ซึ่งถ้าว่ากันตามตัวเลขที่นำมาแสดงนั้น ถ้าการเก็บตัวอย่างแก๊สและ/หรือการทำ calibration curve ของเขาไม่ผิดพลาด ผลิตภัณฑ์ที่ไม่ได้รับการกล่าวถึงมีสิทธิ์เป็นผลิตภัณฑ์หลักของการทำปฏิกิริยาได้ (ว่าแต่ว่ามันคืออะไร)
 

ตรงนี้อาจมีคนตั้งประเด็นว่าเกิดเป็น coke ได้ไหม คำตอบก็คือเป็นไปได้ แต่กรณีนี้เป็นปฏิกิริยา "การออกซิไดซ์" ที่อุณหภูมิสูงในบรรยากาศที่มีออกซิเจนมากเกินพอหลายเท่าตัว ดังนั้นจะไม่เกิด coke ในปริมาณมากและสะสมบนตัวเร่งปฏิกิริยา เรียกได้ว่าถ้าทำดุลอะตอม C ก็จะเห็นอะตอม C ด้านขาออกประมาณได้ว่าเท่ากับด้านขาเข้า

ท้ายสุดนี้ก็ขอบันทึกการสนทนากับผู้ที่เข้ามาอ่าน blog รายหนึ่ง ผมก็บอกกับนิสิตที่ผมสอนอยู่เป็นประจำว่าสิ่งที่ผมเขียนบน blog นิสิตมักจะไม่สนใจอ่านกันเนื่องจากมันไม่เกี่ยวข้องกับวิชาที่เขาต้องสอบ แต่จะกลับมาอ่านกันอย่างเอาจริงเอาจังตอนที่ ไปฝึกงาน เตรียมสัมภาษณ์งาน หรือไม่ก็เริ่มทำงานแล้วนั่นแหละครับ อย่างรายนี้ก็เช่นกัน หลังจากจบป.ตรีไปได้สองปีแล้ว (ปล. รู้สึกดึใจที่มีคนเห็นประโยชน์ของบทความที่เขียนและนำไปใช้ประโยชน์ได้)