ความเป็นขั้วบวกของอะตอม C และการทำปฏิกิริยาของอีพิคลอโรไฮดริน (epichlorohydrin) MO Memoir : Wednesday 26 July 2560

Memoir ฉบับนี้เป็นตอนต่อเนื่องจาก ๒ ฉบับก่อนหน้านี้คือ
 

ปีที่ ๑๐ ฉบับที่ ๑๔๐๘ วันพุธที่ ๑๙ กรกฎาคม ๒๕๖๐ เรื่อง "การทำปฏิกิริยาของโพรพิลีนออกไซด์ (1,2-Propyleneoxide) ตอนที่ ๑" และ

ปีที่ ๑๐ ฉบับที่ ๑๔๐๙ วันพฤหัสบดีที่ ๒๐ กรกฎาคม ๒๕๖๐ เรื่อง "การทำปฏิกิริยาของโพรพิลีนออกไซด์ (1,2-Propyleneoxide) ตอนที่ ๒"

ต้นเรื่องของบทความชุดนี้มาจากคำถามที่เกิดขึ้นระหว่างการสอบโครงร่างหัวข้อวิทยานิพนธ์นิสิตปริญญาเอก โดยคำถามนั้นเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ Bisphenol A diglycidyl ether ที่เป็นองค์ประกอบสำคัญตัวหนึ่งของเรซินอีพอกซี ด้วยการทำปฏิกิริยาระหว่างบิสฟีนอลเอ (Bisphenol A) กับอีพิคลอโรไฮดริน (epichlorohydrin) (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยาการเชื่อมต่อโมเลกุลระหว่าง epichlorohydrin กับ bisphenol A สิ่งที่มีการนำเสนอกันทั่วไปคือปฏิกิริยาจะเกิดตาม Route 1 ที่เป็นปฏิกิริยา ๒ ขั้นตอนโดยเริ่มจากอะตอม C ที่ของหมู่อีพอกไซด์เข้าเกาะกับหมู่ -OH ของวงอะโรมาติกก่อน ทำให้อะตอม O ของหมู่อีพอกไซด์กลายเป็นหมู่ -OH ก่อนที่หมู่ -OH นี้จะทำปฏิกิริยากับอะตอม Cl ปิดเป็นวงอีพอกไซด์ที่ปลายโซ่อีกครั้ง คำถามที่เกิดขึ้นก็คือทำไมจึงไม่คิดว่าปฏิกิริยาน่าจะเกิดตาม Route 2 ที่เป็นปฏิกิริยาขั้นตอนเดียวโดยอะตอม C ที่มีอะตอม Cl เกาะอยู่นั้นเป็นตัวที่เข้าเกาะกับหมู่ -OH ของวงอะโรมาติกโดยตรง (ปฏิกิริยาที่มีชื่อว่า Williamson ether synthesis)
 

อีพิคลอโรไฮดรินจะเชื่อมต่อโมเลกุลเข้ากับหมู่ -OH ของบิสฟีนอลเอ ในปฏิกิริยานี้ในสภาวะที่มีเบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา อะตอม H ของหมู่ -OH จะหลุดออก (หมู่นี้เป็นกรด) กลายเป็น -O^- ที่สามารถจับเข้ากับอะตอม C ที่มีความเป็นขั้วบวกของอีพิคลอโรไฮดริน อะตอม C ของอีพิคลอโรไฮดรินทั้งสามอะตอมนั้นมีความเป็นขั้วบวกที่แตกต่างกัน โดยในส่วนของตัวที่อยู่ในโครงสร้างวงอีพอกไซด์นั้น อะตอม C ตัวที่อยู่ตรงกลางสายโซ่คาร์บอนจะมีความเป็นขั้วบวกน้อยกว่าอีกตัวหนึ่ง ส่วนอะตอม C ของหมู่ -CH₂Cl นั้นก็มีความเป็นขั้วบวกเหมือนกันเพราะมีอะตอม Cl เกาะอยู่ คำถามก็คือดังนั้นปฏิกิริยาควรเกิด (หรือมีโอกาสเกิด) ที่อะตอม C ตัวไหนมากที่สุด
 

พิจารณาจากโครงสร้างโมเลกุลของอีพิคลอโรไฮดรินแล้ว ปฏิกิริยาไม่น่าจะเกิดที่อะตอม C ตัวที่อยู่กลางเนื่องด้วยมันมีความเป็นขั้วบวกที่ต่ำและยังอยู่ในตำแหน่งที่ถูกกีดกันจากหมู่ด้านข้างที่ใหญ่กว่า (steric effec) แถมโมเลกุลบิสฟีนอลเอก็ยังมีขนาดใหญ่ด้วย ดังนั้นจึงเหลืออะตอม C ที่ควรค่าแก่การพิจารณาเพียงแค่สองอะตอมคือตัวที่เกาะอยู่กับอะตอม O และตัวที่อยู่ที่หมู่ -CH₂Cl
 

ถ้าปฏิกิริยาเกิดที่อะตอม C ตัวที่เกาะอยู่กับอะตอม O (Route 1 ในรูปที่ ๑) วงอีพอกไซด์จะเปิดออกกลายเป็นหมู่ -OH และหมู่ -OH นี้จะหลอมรวมกับอะตอม Cl กลายเป็นวงอีพอกไซด์วงใหม่ (ย้ายตำแหน่ง) โดยคายโมเลกุล HCl ออกมา ปฏิกิริยาที่เกิดนั้นเป็นปฏิกิริยาสองขั้นตอน แต่ถ้าเกิดที่อะตอม C ของหมู่ -CH₂Cl โดยอิงกลไกการทำปฏิกิริยาแบบ Williamson ether synthesis (Route 2 ในรูปที่ ๑) ก็จะเป็นปฏิกิริยาขั้นตอนเดียว
 

แต่ดูเหมือนว่าการเกิดปฏิกิริยาตาม Route 1 (ในรูปที่ ๑) นั้นเป็นกลไกที่ยอมรับกันทั่วไป แม้แต่สิทธิบัตรที่เกี่ยวข้อกับการสังเคราะห์ Bisphenol A diglycidyl ether หลายฉบับก็กล่าวถึงการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์ฮาโลไฮดรินอีเทอร์ (halohydrin ether) ขึ้นมาก่อนในขั้นตอนแรก จากนั้นจึงค่อยเปลี่ยนโครงสร้างฮาโลไฮดรินนี้ให้กลายเป็นวงอีพอกไซด์ในขั้นตอนที่สอง โดยทั้งสองขั้นตอนต่างใช้เบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา แต่การที่ปฏิกิริยาชอบที่จะเกิดที่อะตอม C ของวงอีพอกไซด์ก่อนนั้นคงเป็นเพราะความเป็นขั้วบวกของอะตอม C ตัวนี้ที่สูงกว่า และการเปลี่ยนหมู่ฮาโลไฮดรินให้กลายเป็นวงอีพอกไซด์ (ปฏิกิริยา elimination) นั้นจำเป็นต้องใช้เบสและภาวะการทำปฏิกิริยาที่แรงกว่า (คล้าย ๆ กับปฏิกิริยา dehydration ของเอทานอลด้วยกรดกำมะถัน ซึ่งถ้าใช้อุณหภูมิต่ำจะได้อีเทอร์ (ปฏิกิริยาระหว่างสองโมเลกุล) แต่ถ้าใช้อุณหภูมิสูงจะได้เอทิลีน)

รูปที่ ๒ ค่า dipole mement (หน่วย debye หรือ D) ของสารประกอบอินทรีย์บางตัวที่มีการแทนที่อะตอม H ด้วย Cl

(ก) Formyl chloride เป็นสารประกอบที่ไม่เสถียร ค่า dipole moment นำมาจากหนังสือ Molecular Spectroscopy โดย R. F. Barrow, D. A. Long, J. Sheridan หน้า ๑๗ รายละเอียดเพิ่มเติมอ่านได้ในรูปที่ ๓

(ข) ค่า dipole moment ของ Propylene oxide และ Epichlorohydrin นำมาจากเว็บ http://microkat.gr (ใช้ google ค้นหาโดยใส่คำ mircokat.gr และตามด้วยชื่อสารต่อท้าย จะเข้าไปยังหน้าเว็บของแต่ละสาร)

(ค) ค่า dipole moment ของสารที่เหลือนำมาจากหน้าเว็บ https://en.wikipedia.org ของสารแต่ละตัว
 

จริงอยู่ที่อะตอม Cl นั้นมีทำให้อะตอม C ของหมู่ -CH₂Cl ที่มันเกาะเกาะอยู่นั้นมีความเป็นขั้วบวกได้ แต่อะตอม C ตัวที่เป็นโครงสร้างของวงอีพอกไซด์และเกาะเข้ากับหมู่ -CH₂Cl นั้นก็มีความเป็นขั้วบวกเหมือนกัน (ผลจากอะตอม O) มันจึงสามารถส่งผลในการดึงอิเล็กตรอนจากอะตอม C ของหมู่ -CH₂Cl ได้เช่นกัน แต่ในทิศทางที่หักล้างกับทิศทางการดึงของอะตอม Cl เพื่อให้มองเห็นภาพนี้ได้ชัดเจนขึ้น เราลองพิจารณาค่า dipole moment (ค่าที่ใช้บอกความเป็นขั้วของโมเลกุล) ที่ยกมาเป็นตัวอย่างในรูปที่ ๒ ดูสักหน่อยดีกว่า
 

ความมีขั้วของพันธะระหว่างอะตอมเกิดจากการที่แต่ละอะตอมมีความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนจากอะตอมอื่นเข้าหาตัวเองที่แรงไม่เท่ากัน ค่าความสามารถนี้คือค่า Electronegativity หรือค่า En อะตอมที่มีความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนจากอะตอมที่มันสร้างพันธะด้วยได้มากกว่า จะทำให้อิเล็กตรอนย้ายมาหนาแน่นที่ตัวมันเองเป็นพิเศษ อะตอมนั้นก็จะมีความเป็นขั้วลบ ในขณะที่อะตอมที่สูญเสียอิเล็กตรอนจะมีความเป็นขั้วบวก ตัวอย่างเช่นโมเลกุล CO ที่ด้านอะตอม C จะมีความเป็นขั้วบวก ในขณะที่ด้านอะตอม C มีความเป็นขั้วลบ ดังนั้นโมเลกุล CO จะเป็นโมเลกุลที่มีความเป็นขั้วอยู่เล็กน้อย อะตอม C จะเป็นอะตอมที่มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยากับอะตอมที่มีอิเล็กตรอนหนาแน่นของโมเลกุลอื่น
 

แต่ในกรณีของโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมตั้งแต่สามอะตอมขึ้นไป จะมีเรื่องของรูปร่างโมเลกุลเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย ดังเช่นในกรณีของโมเลกุล CO₂ หรือถ้าจะให้เห็นภาพก็คงต้องเขียนเป็น O=C=O ที่มีโครงสร้างเป็นเส้นตรง โดยอะตอม C ที่อยู่ตรงกลางจะถูกอะตอม O ทั้งสองตัวดึงเอาอิเล็กตรอนออก แต่เนื่องจากทิศทางการดึงนั้นอยู่ตรงข้ามกันพอดีและมีขนาดเท่ากัน จึงทำให้อะตอม C นั้นไม่มีความเป็นขั้วบวกที่แรงเหมือนกรณีโมเลกุล CO แต่ถ้าพันธะระหว่างอะตอม C กับอะตอมแต่ละตัวที่ดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอม C นั้นไม่ได้ทำมุมที่หักล้างกัน เช่นในกรณีของหมู่คาร์บอนิล R₁-C(O)-R₂ ที่มีโครงสร้างแบนราบ อะตอม C ของหมู่คาร์บอกซิลก็ยังมีความเป็นขั้วบวกอยู่ แต่ทั้งนี้ก็ต้องพิจารณาทิศทางการดึงประกอบด้วย เช่นกรณีของฟอร์มัลดีไฮด์ (formaldehyde) ที่อะตอม C มีความเป็นขั้วบวกที่แรงมาก แต่พอเป็นฟอร์มิลคลอไรด์ (formyl chloride) กลับมีค่า dipole moment ที่ลดลง เพราะทิศทางการดึงอิเล็กตรอนของอะตอม O และ Cl นั้นมีการหักล้างกัน และพอเป็นฟอสจีน (phosgene) ก็มีค่า dipole moment ที่ลดลงไปอีก
 

ย่อหน้าข้างบนนั้นเป็นการพิจารณาโครงสร้างสองมิติ พอมาเป็นโครงสร้างสามมิติ (อย่างเช่นในกรณีของสารประกอบมีเทนที่มีการแทนที่อะตอม H ด้วยอะตอม Cl แถวบนในรูปที่ ๒) ก็จะวุ่นวายขึ้นมาหน่อย สำหรับโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมตั้งแต่สามอะตอมขึ้นไป เราพอที่จะมองความเป็นขั้วของ "โมเลกุล" ทั้งโมเลกุลได้จากค่า dipole moment ที่บ่งบอกให้ทราบว่าผลรวมของการดึงอิเล็กตรอนของพันธะต่าง ๆ ในทิศทางต่าง ๆ นั้นเป็นอย่างไร ค่า dipole moment ที่เป็นศูนย์หมายความว่าผลการดึงอิเล็กตรอนนั้นหักล้างกันหมด (กลายเป็นโมเลกุลไม่มีขั้วไป) อย่างเช่นในกรณีของ CH₄ หรือ CCl₄

รูปที่ ๓ รายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับ formyl chloride ที่ปรากฏจากการค้นโดย google book

คลอโรมีเทน (คำ chloromethane นี้ถ้ากล่าวขึ้นมาลอย ๆ ปรกติมักจะหมายถึง monochloromethane โดยถ้ามีการแทนที่อะตอม H ด้วยอะตอม Cl ตั้งแต่สองขึ้นไป ก็มักจะระบุจำนวน) มีอะตอม Cl เพียงอะตอมเดียว ดังนั้นการดึงอิเล็กตรอนจากอะตอม C จึงเกิดขึ้นในทิศทางเดียว แต่พอเป็นไดคลอโรมีเทน (dichloromethane) ที่มีอะตอม Cl สองอะตอม แต่ดึงอิเล็กตรอนจากอะตอม C ในทิศทางที่แตกต่างกัน แม้ว่าอะตอม Cl จะมีความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนจากอะตอม C ได้มาก แต่ด้วยทิศทางที่แตกต่างกันจึงไม่ได้ทำให้ผลรวมของการดึงอิเล็กตรอนนั้นเสริมกัน กลับมีการหักล้างกันเล็กน้อย ทำให้ค่า dipole moment ของโมเลกุลไดคลอโรมีเทนต่ำกว่าของคลอโรมีเทนอยู่เล็กน้อย และพอเป็นไตรคลอโรมีเทนกลับพบว่าค่า dipole moment กลับลดต่ำลงไปอีก

รูปที่ ๔ (บน) แบบจำลองการเกิดปฏิกิริยา และ (ล่าง) ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยาระหว่าง aniline (C₆H₅-NH₂) กับอีพิคลอโรไฮดรินและโพรพิลีนออกไซด์ โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็ง (บทความใช้ชื่อย่อ MOF เข้าใจว่าเป็นสารประกอบออกไซด์ที่เป็นกรดตรงตำแหน่งไอออน Zr) ในกรณีนี้ในกรณีของอีพิคลอโรไฮดริน aniline เข้าเกาะที่ตำแหน่งอะตอม C ตัวกลางเป็นหลัก (ผลจากการเปิดวงอีพอกไซด์) ดังนั้นโอกาสที่หมู่ -OH และ -Cl ที่อยู่ที่ปลายสายโซ่คนละด้านจะหลอมรวมเข้าด้วยกันกลายเป็นหมู่ -O- จึงยาก (จากบทความเรื่อง "Nucleophilic addition of amines, alcohols, and thophenol with epoxide/olefin using highly efficient zirconia metal organic framework heterogeneous catalyst" โดย Poonma Rani และ Rajendra Srivastave ใน RSC Adv., 2015, 5, 28780)
 

มุมระหว่างพันธะส่งผลต่อผลรวมของแรงดึงในทิศทางนั้น เช่นในกรณีของ O=C=O ที่ค่ามุมระหว่างพันธะคือ 180º ผลรวมของแรงดึงจึงหักล้างกันหมด ในทำนองเดียวกันในกรณีของไดคลอโรมีเทนและไตรคลอโรมีเทนนั้น มุมระหว่างพันธะ Cl-C-Cl ที่กว้างก็จะส่งผลให้ผลลัพธ์ของแรงดึงลดลงด้วย ด้วยการที่อะตอม Cl มีขนาดใหญ่ เมื่อมีจำนวนอะตอม Cl เพิ่มขึ้นจากหนึ่งเป็นสองและเป็นสาม มุมระหว่างพันธะนี้ก็เพิ่มขึ้นตามไปด้วย ส่งผลให้ความเป็นขั้วของอะตอม C นั้นลดต่ำลง
 

ทีนี้เราลองย้อนกลับมาดูกรณีของอีพิคลอโรไฮดรินดูบ้าง อะตอม C ของหมู่ -CH₂Cl นั้นไม่ได้ถูกดึงอิเล็กตรอนออกด้วยอะตอม Cl เท่านั้น แต่ยังถูกดึงออกด้วยอะตอม C (ที่เกาะอยู่กับอะตอม O ของวงแหวนอีพอกไซด์) ที่อยู่เคียงข้างด้วย (ลองมองภาพเปรียบเทียบกับ CH₂Cl₂ โดยที่อะตอม Cl ตัวหนึ่งถูกแทนที่ด้วยหมู่ -(CH(O)CH₂) ส่วนอะตอม C ตัวที่อยู่ที่มุมวงแหวนอีพอกไซด์นั้นมุม O-C-C เป็นมุมที่แคบกว่า (ประมาณ 60º เท่านั้นเอง) จึงทำให้อะตอม C ที่ตำแหน่งนี้มีความว่องไวสูงกว่า และด้วยการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาและสภาวะการทำปฏิกิริยาที่ไม่รุนแรงไป การเกิดปฏิกิริยาก็จะเกิดที่อะตอม C ตัวนี้เป็นหลักมากกว่าที่จะเกิดที่อะตอม C ของหมู่ -CH₂Cl

รูปที่ ๔ เป็นแบบจำลองและรายงานผลการทำปฏิกิริยาระหว่าง โพพิลีนออกไซด์/อีพิคลอโรไฮดริน กับอะนิลีน ที่มีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย (บทความไม่ได้ให้รายละเอียดตัวเร่งปฏิกิริยาชัดเจน แต่คาดว่าน่าจะเป็นของแข็งที่มีฤทธิ์เป็นกรด) ในกรณีนี้ผู้วิจัยค้นพบว่าผลิตภัณฑ์ส่วนเกือบทั้งหมดที่เกิดขึ้นนั้นเป็นผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการเข้าเกาะที่อะตอม C ตัวที่อยู่ตรงกลางสายโซ่ ซึ่งน่าจะเป็นผลจากการที่ตัวเร่งปฏิกิริยาไปทำให้วงอีพอกไซด์เปิดออกเป็น 2º carbocation (ดู Memoir ฉบับวันพฤหัสบดีที่ ๒๐ กรกฎาคม ๒๕๖๐ ที่กล่าวถึงในตอนต้น) ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นว่าการเข้าทำปฏิกิริยาที่อะตอม C ตัวไหนนั้นยังขึ้นอยู่กับชนิดตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ด้วย

คำอธิบายต่าง ๆ นั้นมันสามารถใช้ความรู้พื้นฐานที่มีอยู่เดิมและเรียนกันในระดับปริญญาตรีนั้นมาอธิบายได้ การที่สามารถดึงเอาความรู้พื้นฐานที่มีอยู่นั้นมาใช้อธิบายหรือทำนายผลการทดลองได้ นั่นแสดงว่าผู้ที่ทำวิจัยนั้นมีความรู้พื้นฐานในเรื่องที่ทำวิจัยนั้นดี การอธิบายด้วยการใช้อิงคำอธิบายจากบทความอื่นแบบว่าที่เราได้อย่างนี้ก็เป็นแบบเดียวกับที่คน ๆ นั้นเขาได้แบบนี้ กลับจะเป็นการแสดงให้เห็นเลยว่าผู้ทำวิจัยนั้นตัวเองไม่ได้มีความรู้พื้นฐานในการทำวิจัยที่ดีพอ กลับใช้วิธีการพอได้ผลการทดลองมาอย่างไรก็ใช้วิธีการค้นหาว่าเคยมีบทความที่ทำการทดลองแบบเดียวกันหรือคล้ายกันนั้นเขาอธิบายเอาไว้อย่างไร แล้วก็ลอกคำอธิบายนั้นมา
 

ที่น่าเศร้าใจก็คือ พักหลัง ๆ เจอบ่อยครั้งแล้วที่ คำอธิบายที่ผู้นำเสนอผลงานสามารถใช้ทฤษฎีที่เรียนกันอยู่นั้นมาอธิบายได้ กลับไม่เป็นที่ยอมรับของผู้ทรงคุณวุฒิที่ทำหน้าที่ประเมินผลงาน โดยกลับบอกว่าให้ไปหา paper มาอ้างอิงว่าถ้าทำแบบนี้แล้วต้องได้อย่างนี้
 

ถ้าเชื่อคำอธิบายใน paper มากกว่าในตำราที่เรียนกัน แล้วเราจะเรียนทฤษฎีพื้นฐานไปทำไม หรือว่าผู้ทรงคุณวุฒิเหล่านั้นไม่มีความรู้พื้นฐานที่ดีพอ ไม่สามารถเข้าใจได้ว่าทฤษฎีที่เรียนกันอยู่นั้นมันก็สามารถอธิบายผลการทดลองได้แล้ว ไม่จำเป็นต้องไปหา paper อะไรมาอ้างอิง

การทำปฏิกิริยาของโพรพิลีนออกไซด์ (1,2-Propylene oxide) ตอนที่ ๒ MO Memoir : Thursday 20 July 2560

ในสภาวะที่มีกรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยานั้น หมู่ไฮดรอกซิล (hydroxyl -OH) สามารถเกิดปฏิกิริยา dehydration หรือการกำจัดน้ำได้สองรูปแบบ แบบแรกเป็นการเกิดขึ้นในตัวโมเลกุลของมันเองกับอะตอม H ของอะตอม C ที่อยู่เคียงข้างที่นำไปสู่การเกิดพันธะ C=C แบบที่สองเป็นการเกิดขึ้นระหว่างหมู่ -OH อีกหมู่หนึ่ง (ที่อาจเป็นของอีกโมเลกุลหนึ่งหรืออยู่ในโมเลกุลเดียวกัน) ที่นำไปสู่โครงสร้างอีเทอร์ -O- ส่วนจะเกิดในรูปแบบไหนนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการทำปฏิกิริยา ดังเช่นในกรณีของเอทานอลที่ใช้กรดกำมะถันเป็นตัวเร่งปฏิกิริยานั้น ที่อุณหภูมิต่ำนั้นจะเน้นไปทางการเกิดโครงสร้าง -O- เป็นหลัก (เกิดเป็นไดเมทิลอีเทอร์ H₅C₂-O-C₂H₅) แต่เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นจะเน้นไปทางการเกิดพันธะ C=C ขึ้นแทน (เกิดเป็นเอทิลีน H₂C=CH₂) ในกรณีนี้หมู่ -OH ตรงอะตอม O จะทำหน้าที่เป็นเบสลิวอิส (มีอิเล็กตรอนคู่โดยเดี่ยว) ที่รับเอา H⁺ เข้ามา
 

ที่ต้องเกริ่นเรื่องนึ้ขึ้นมาก่อนก็เพราะในกรณีของปฏิกิริยาระหว่างโพรพิลีนออกไซด์กับเอทานอล (ที่ยกมาเป็นตัวอย่างในรูปที่ ๒ ของ Memoir ฉบับเมื่อวาน) ที่ใช้เป็นกรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยานั้น จะคาดหวังไม่ได้ว่าจะมีเฉพาะปฏิกิริยาระหว่างโพรพิลีนออกไซด์กับเอทานอลเท่านั้นที่เกิดขึ้น เพราะกรดที่ใส่เข้าไปก็สามารถเร่งปฏิกิริยา dehydration ของโมเลกุลแอลกอฮอล์ได้ด้วย และยังสามารถไปกระตุ้นการทำปฏิกิริยาระหว่างเอทิลีนออกไซด์ด้วยกันเองด้วย ดังจะเห็นได้จากตัวอย่างในรูปที่ ๒ ที่ยกมาที่เมื่อใช้กรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา จะมีสัดส่วนการเกิดสารประกอบอีเทอร์ (ปฏิกิริยาระหว่างแอลกอฮอล์ด้วยกันเอง) และไกลคอล (ปฏิกิริยาระหว่างโพรพิลีนออกไซด์ด้วยกันเอง) ในปริมาณที่สูง (ประมาณ 1 ใน 5) ในขณะที่เมื่อใช้เบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาจะเกิดสารประกอบข้างต้นนั้นน้อยกว่ามาก
 

อีกเรื่องหนึ่งที่น่าสนใจคือ ทำไมเมื่อใช้กรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (ไม่ว่าจะเป็น H₂SO₄ หรือกรดลิวอิส BF₃) จึงเกิดสารประกอบที่เกิดจากการแทนที่ตรงตำแหน่งอะตอม C ตัวกลางของโพรพิลีนออกไซด์ (คือ 2-Ethoxy-1-propanol) เพิ่มมากขึ้นกว่าเมื่อไม่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา หรือเมื่อใช้เบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และดูเหมือนว่าจะเกิดมากขึ้นตามความเข้มข้นของกรด H₂SO₄ ที่ใช้ด้วย

รูปที่ ๒ สัดส่วนการกระจายตัวของผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างโพรพิลีนออกไซด์กับเอทานอล เมื่อไม่มีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นกรด (ที่ความเข้มข้นต่างกัน) และตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเบส อุณหภูมิการทำปฏิกิริยา 245ºC (จากบทความเรื่อง The reaction of propylene oxide with alcohols โดย H.C. Chitwood และ B.T. Freure ตีพิมพ์ในวารสาร J. Am. Chem. Soc., 1946, 68 (4), หน้า 680–683 (นำมาจากบทความฉบับเมื่อวาน นำมาลงซ้ำใหม่)
 

อะตอม O ของวงอีพอกไซด์ก็มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวอยู่ ทำให้มันมีคุณสมบัติเป็นเบสลิวอิส (Lewis base) ที่อาจรับโปรตอนเข้ามา หรือจับเข้ากับไอออนบวก (ที่เป็นเสมือนกรดลิวอิสหรือ Lewis acid) จากทฤษฎีพื้นฐานที่มีอยู่ ถ้าหากอะตอม O ของโพรพิลีนออกไซด์รับเอา H⁺ เข้าไป สิ่งที่เราสามารถตั้งสมมุติฐานได้ว่าจะเกิดขึ้นกับโมเลกุลโพรพิลีนออกไซด์น่าจะเป็นดังแสดงในรูปที่ ๗ ข้างล่างคือ

รูปที่ ๗ สิ่งที่อาจเกิดขึ้นได้เมื่อโพรพิลีนออกไซด์รับ H⁺ เข้ามา

(ก) พันธะระหว่างอะตอม O กับอะตอม C ทั้งสองอะตอมนั้นยังคงอยู่เหมือนเดิม แต่ความเป็นขั้วจะรุนแรงขึ้น เนื่องจากประจุบวกที่เข้ามาเกาะกับอะตอม O ทำให้ความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนของอะตอม O จากอะตอม C ทั้งสองที่มันเกาะอยู่นั้นเพิ่มขึ้น ในกรณีนี้จะทำให้เกิดการเข้าทำปฏิกิริยาได้ทั้งอะตอม C ที่อยู่ปลายสายโซ่และตรงกลาง แต่เนื่องจากอะตอม C ตัวที่อยู่ที่ปลายสายโซ่นั้นมีความเป็นขั้วที่แรงกว่าและเข้าถึงได้ง่ายกว่า (เพราะไม่มีหมู่ -CH₃ จ่ายอิเล็กตรอนเข้ามาชดเชยและกีดขวางการเข้าถึง) ดังนั้นผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการเข้าทำปฏิกิริยาที่อะตอม C ที่อยู่ที่ปลายโซ่จะมีสัดส่วนที่สูงกว่าผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการเข้าทำปฏิกิริยาที่อะตอม C ที่อยู่ที่กลางสายโซ่
 

(ข) มีการแตกพันธะ C-O กับอะตอม C ตัวที่อยู่ตรงกลาง เกิดเป็น 2º carbocation ในกรณีนี้จะเกิดเฉพาะผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการเข้าทำปฏิกิริยาที่อะตอม C ที่อยู่ที่กลางสายโซ่
 

(ค) มีการแตกพันธะ C-O กับอะตอม C ตัวที่อยู่ที่ปลายสายโซ่ เกิดเป็น 1º carbocation ในกรณีนี้จะเกิดเฉพาะผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการเข้าทำปฏิกิริยาที่อะตอม C ที่อยู่ที่ปลายสายโซ่ 
  

แต่เนื่องจาก 1º carbocation มีเสถียรภาพต่ำกว่า (หรือมีพลังงานในตัวสูงกว่า) 2º carbocation ดังนั้นถ้าสภาวะการทำปฏิกิริยาไม่ได้รุนแรง โอกาสที่จะเกิด 1º carbocation (ตามข้อ (ค)) ก็จะต่ำกว่าการเกิด 2º carbocation (ตามข้อ (ข)) ดังนั้นถ้าจะว่ากันตามนี้ ถ้าเป็นสถาวะการทำปฏิกิริยาที่ไม่รุนแรง เมื่อโมเลกุลโพรพิลีนออกไซด์รับเอา H⁺ เข้าไป จะเกิดสารมัธยันต์ตามรูปแบบ (ก) เป็นส่วนใหญ่ ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการเข้าทำปฏิกิริยาที่อะตอม C ที่อยู่ที่ปลายสายโซ่มากกว่า แต่ถ้าเป็นสภาวะการทำปฏิกิริยาที่รุนแรง โอกาสที่พันธะ C-O จะแตกออกก็จะเพิ่มขึ้น และโครงสร้างแบบแรกที่เกิดจากการแตกพันธะ C-O ก็ควรจะเป็นตามรูปแบบ (ข) ทำให้การเข้าทำปฏิกิริยาที่อะตอม C ตัวที่อยูตรงกลางเพิ่มมากขึ้น ซึ่งผลการทดลองที่อุณหภูมิสูง (245ºC) ในรูปที่ ๒ แสดงให้เห็นว่า เมื่อเพิ่มความเข้มข้นกรดกำมะถันจาก 0.83% เป็น 1.2% พบว่าเกิดผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการเข้าทำปฏิกิริยาที่ตำแหน่งอะตอม C ตัวกลาง (คือ 2-Ethoxy-1-propanol) สูงกว่าผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการเข้าทำปฏิกิริยาที่ตำแหน่งอะตอม C ตัวที่อยู่ปลายสายโซ่ (คือ 1-Ethoxy-2-propanol)

ประเด็นเรื่องสภาวะการทำปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน อาจเป็นจุดหนึ่งที่ทำให้แต่ละบทความให้ข้อสรุปที่แตกต่างกันเมื่อนำโพรพิลีนออกไซด์มาทำปฏิกิริยาการเติมด้วยกรด HA เช่นในกรณีของแบบจำลองในรูปที่ ๘ ที่ชื่อบทความมีการใช้คำว่า "Textbook error" นั้น มาจากการทดลองที่คาดว่าน่าจะเป็นอุณหภูมิห้อง (ในบทความไม่ได้กล่าวไว้ บอกแต่เพียงว่าในการทำปฏิกิริยานั้นอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเองจนอยู่ในช่วง 50-70ºC อันเป็นผลจากความร้อนที่คายออกมาจากปฏิกิริยา) ด้วยการหยดโพรพิลีนออกไซด์ลงในสารละลายกรด HCl เข้มข้น และแบบจำลองในรูปที่ ๙ นั้นมาจากการใช้โพรพิลีนออกไซด์เป็นตัวกำจัดกรดที่เกิดขึ้นในระหว่างการเกิดเจล (ที่ไม่ได้เกิดปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูง) ที่ต่างกล่าวว่าไอออนลบ A^- เกือบทั้งหมดจะเข้าเกาะที่อะตอม C ที่อยู่ที่ปลายโซ่

รูปที่ ๘ แบบจำลองการเติม HCl ไปยังโมเลกุลโพรพิลีนออกไซด์ ที่พบว่าผลิตภัณฑ์หลักที่เกิดคือ Cl เข้าทำปฏิกิริยาที่อะตอม C ที่อยู่ที่ปลายโซ่เป็นหลัก (เส้นทาง a) แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างตามรูปซ้ายน่าจะเป็นโครงสร้างหลักในขณะเกิดปฏิกิริยา (จากบทความเรื่อง Propylene oxide addition to hydrochloric acid : A textbook error โดย Rebecca E. Phillips และ Robert L. Soulen ในวารสาร Journal of Chemical Education vol. 72 no. 7 July 1995)

รูปที่ ๙ แบบจำลองการทำปฏิกิริยาระหว่างโพรพิลีนออกไซด์กับกรด HA ที่อธิบายว่าทำไปไอออน A^- จึงเข้าไปเกาะที่อะตอม C ตัวที่อยู่ปลายสายโซ่เป็นหลัก แบบจำลองนี้เหมือนกับแบบจำลองในรูปที่ ๗ (จากบทความเรื่อง Synthesis of aerogels : from molecular routes to 3-dimensional nanoparticle assembly โดย Felix Rechberger และ Markus Niederberger ในวารสาร Nanoscale Horiz., 2017, vol 2, 6-30.)
 

จากบทความที่นำมาแสดงในรูปที่ ๘ นั้นโดยส่วนตัวแล้วผมมองว่าการที่บทความดังกล่าวชี้ว่าเนื้อหาในตำรามีความขัดแย้งกันนั้น อาจเป็นเพราะบทความดังกล่าวไม่ได้มีการพิจารณาสภาวะการทำปฏิกิริยาเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย โดยเฉพาะกับหมู่ฟังก์ชันที่สามารถเกิดปฏิกิริยาได้หลายรูปแบบ ขึ้นอยู่กับสภาวะการทำปฏิกิริยาและตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้

หมายเหตุ : ปรกติเวลาเราผสมน้ำเข้ากับกรดเข้มข้น เราจะเติมกรดลงไปในน้ำ เพื่อป้องกันอันตรายที่เกิดจากความร้อนที่คายออกมาจนทำให้ของเหลวนั้นเดือดกระเด็นขึ้นมา (คือเมื่อหยดกรดเข้มข้นลงน้ำ น้ำช่วยในการระบายความร้อนที่เกิดขึ้นจากการละลาย และถ้าการทำปฏิกิริยานั้นทำให้น้ำกระเด็นขึ้นมา ก็ยังถือว่าปลอดภัยกว่าการที่กรดเข้มข้นกระเด็นขึ้นมาถ้าเราใช้การเติมน้ำลงไปในกรดเข้มข้น) แต่ในกรณีของโพรพิลีนออกไซด์นี้จะทำกลับกันเพราะโพรพิลีนออกไซด์ไม่เสถียร ความร้อนที่เกิดขึ้นสามารถทำให้โพรพิลีนออกไซด์สลายตัว (วงอีพอกซีแตกออก) เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ต่อเนื่อง และคายพลังงานออกมาได้สูง ดังนั้นบทความที่นำมาแสดงในรูปที ๘ จึงมีการกล่าวย้ำว่า ในการทำปฏิกิริยานั้นต้องเติมโพรพิลีนออกไซด์ลงไปในสารละลายกรดเข้มข้นแทน ห้ามทำสลับกัน

เรื่องนี้ยังไม่จบ ยังมีตอนที่ ๓ (ซึ่งคิดว่าจะเป็นตอนสุดท้าย) ต่ออีกหนึ่งตอน ที่จะมีการกล่าวถึงการเกิดปฏิกิริยาของ อีพิคลอโรไฮดริน (epichlorohydrin) ที่เป็นต้นเรื่องของบทความชุดนี้ และขอปิดท้ายที่ว่างของหน้ากระดาษด้วยรูปบรรยากาศเมื่อ ๙ โมงเศษที่ผ่านมาที่ถ่ายจากหน้าต่างห้องที่นั่งพิมพ์บทความนี้

การทำปฏิกิริยาของโพรพิลีนออกไซด์ (1,2-Propylene oxide) ตอนที่ ๑ MO Memoir : Wednesday 19 July 2560

ถ้ามีใครสักคนเอ่ยคำว่าโพรพิลีนออกไซด์ (Propylene oxide) ก็มักจะหมายความถึงสารประกอบ 1,2-Propylene oxide แม้ว่าในความเป็นจริงนั้นยังมีอีกไอโซเมอร์หนึ่งคือ 1,3-Propylene oxide (หรือ Oxetane) แต่ตัวหลังนี้มีการใช้งานน้อยกว่าตัวแรกมาก (รูปที่ ๑) และในบทความนี้คำว่า Propylene oxide จะจำกัดอยู่ที่ 1,2-Propylene oxide เท่านั้น

รูปที่ ๑ รูปซ้ายคือโครงสร้างโมเลกุลของ 1,2-Propylene oxide ที่เวลาใครต่อใครเรียกเพียงว่า Propylene oxide จะหมายถึงสารตัวนี้ ส่วนรูปขวาคือ 1,3-Propylene oxide หรือ Oxetane ที่เป็นอีกไอโซเมอร์หนึ่ง (มีการใช้งานน้อยกว่า)

โครงสร้างโมเลกุลของโพรพิลีนออกไซด์นั้น อะตอม O สร้างพันธะเดี่ยวกับอะตอม C สองอะตอมที่อยู่เคียงข้างกันกลายเป็นโครงสร้างวงสามเหลี่ยมที่มีชื่อว่าอีพอกไซด์ (epoxide) หรือ cyclic ether พันธะ C-O ของโครงสร้างนี้มีพลังงานสูง สามารถแตกได้ง่าย นอกจากนี้การที่อะตอม O มีค่า electronegativity ที่สูงกว่าอะตอม C จึงทำให้อะตอม C ที่มีอะตอม O เกาะอยู่นั้นมีความเป็นขั้วบวก ด้วยเหตุนี้จึงทำโพรพิลีนออกไซด์สามารถทำปฏิกิริยากับพวกนิวคลีโอไฟล์ (nucleophile ที่แปลตรงตัวว่าพวกที่ชอบนิวเคลียส ซึ่งในที่นี้คือพวกที่มีประจุลบหรือมีอิเล็กตรอนหนาแน่น จึงชอบที่จะมองหาประจุบวกหรือตำแหน่งที่เป็นขั้วบวกของโมเลกุล)
 

อะตอม C ตัวที่มีหมู่เมทิล (-CH₃) เกาะอยู่นั้น (ตัวที่ 2 ในรูปที่ ๑) จะมีความเป็นขั้วบวกที่ต่ำกว่าอะตอม C ตัวที่ 1 เพราะหมู่เมทิลนั้นเป็นหมู่จ่ายอิเล็กตรอนที่จ่ายอิเล็กตรอนเข้ามาชดเชยให้กับอะตอม C ตัวที่ 2 ได้ นอกจากนี้อะตอม C ตัวที่ 2 ยังมีหมู่เมทิลที่มีขนาดใหญ่กว่าอะตอม H เกาะอยู่ ซึ่งน่าจะส่งผลต่อการกีดขวางการเข้าทำปฏิกิริยาของนิวคลีโอไฟล์ ดังนั้นถ้าว่ากันตามนี้ถ้าเราเอาโพรพิลีนออกไซด์มาทำปฏิกิริยากับนิวคลีโอไฟล์ นิวคลีโอไฟล์ก็ควรที่จะเข้าทำปฏิกิริยากับอะตอม C ตัวที่ 1 ที่อยู่ที่ปลายสายโซ่เป็นหลัก แต่ในความเป็นจริงกลับพบว่านิวคลีโอไฟล์จะเข้าเกาะที่อะตอม C ตัวไหนนั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการด้วยกัน 
  

บทความเรื่อง The reaction of propylene oxide with alcohols โดย H.C. Chitwood และ B.T. Freure ที่ตีพิมพ์ในเดือนเมษายน ปีค.ศ. ๑๙๔๖ (พ.ศ. ๒๔๘๙) ได้รายงานผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการทำปฏิกิริยาระหว่างโพรพิลีนออกไซด์กับเอทานอล ในสภาวะที่ ไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นกรด (ที่มีความเข้มข้นต่างกัน) และตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเบส พบว่าตำแหน่งอะตอม C ที่โมเลกุลเอทานอลเข้าทำปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับทั้งชนิดและความเข้มข้นของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ โดยในกรณีของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเบสนั้นพบว่าการเข้าทำปฏิกิริยาส่วนใหญ่เกิดที่ตำแหน่งอะตอม C ตัวที่อยู่ที่ปลายโซ่ ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ 1-Ethoxy-2-propanol ในขณะที่ถ้าใช้กรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา จะมีการเข้าทำปฏิกิริยาทั้งอะตอม C ที่อยู่ที่ปลายโซ่และตัวที่อยู่ตรงกลาง ผลิตภัณฑ์ที่ได้มีทั้ง 2-Ethoxy-1-propanol และ 1-Ethoxy-2-propanol (รูปที่ ๒ และรูปที่ ๓) และยังมีการเกิดปฏิกิริยาข้างเคียงที่เกิดจากเอทานอลทำปฏิกิริยากันเองและโพรพิลีนออกไซด์ทำปฏิกิริยากันเอง 

รูปที่ ๒ สัดส่วนการกระจายตัวของผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างโพรพิลีนออกไซด์กับเอทานอล เมื่อไม่มีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นกรด (ที่ความเข้มข้นต่างกัน) และตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเบส อุณหภูมิการทำปฏิกิริยา 245ºC (จากบทความเรื่อง The reaction of propylene oxide with alcohols โดย H.C. Chitwood และ B.T. Freure ตีพิมพ์ในวารสาร J. Am. Chem. Soc., 1946, 68 (4), หน้า 680–683

ตรงนี้ต้องขอเพิ่มเติมเรื่องการทำปฏิกิริยานิดนึง สมมุติว่าคุณต้องการทำปฏิกิริยาระหว่างสาร A กับสาร B โดยที่สาร A นั้นสามารถทำปฏิกิริยากับพวกเดียวกันเองได้ (เช่นเอทานอลสองโมเลกุลรวมกันกลายเป็นไดเอทิลอีเทอร์) ถ้าคุณทำปฏิกิริยาโดยการผสมสาร A กับ B เข้าเป็นเนื้อเดียวกันก่อนที่จะเริ่มทำปฏิกิริยา (เช่นด้วยการเพิ่มอุณหภูมิหรือเติมตัวเร่งปฏิกิริยา) โอกาสที่ A จะทำปฏิกิริยากับพวกเดียวกันเองจะสูง แต่ถ้าใช้วิธีการค่อย ๆ เติมสาร A อย่างช้า ๆ เข้าไปในสาร B ที่อยู่ที่สภาวะที่พร้อมจะทำปฏิกิริยาและมีการทำให้สาร A ที่เติมลงไปนั้นกระจายตัวอย่างรวดเร็วในสาร B โอกาสที่ A จะทำปฏิกิริยากันเองนั้นจะลดต่ำลง นอกจากนี้ในบางกรณีตัวทำละลายที่ใช้ในการทำปฏิกิริยายังอาจเข้ามามีส่วนร่วมในการเกิดปฏิกิริยาด้วย (เช่นน้ำอาจทำปฏิกิริยากับโพรพิลีนออกไซด์เกิดเป็นโพรพิลีนไกลคอลแทน) ดังนั้นในการอ่านผลการทดลองที่ได้จึงอาจต้องไปดูด้วยว่าเขาทำปฏิกิริยาอย่างไร เพราะมันส่งผลต่อชนิดและการกระจายตัวของผลิตภัณฑ์ที่เกิด

รูปที่ ๓ อะตอม O ของเอทานอลมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว ในขณะที่อะตอม C สองอะตอมของโพรพิลีนออกไซด์ที่เป็นโครงสร้างของวงอีพอกไซด์มีความเป็นขั้วบวก การทำปฏิกิริยาจะเกิดระหว่างอะตอม O ของหมู่ -OH ของเอทานอลกับอะตอม C สองอะตอมนี้ ถ้าอะตอม O ของเอทานอลเข้าทำปฏิกิริยาที่อะตอม C ที่อยู่ที่อยู่ที่ปลายสายโซ่ ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ 1-Ethoxyl-2-propanol แต่ถ้าเข้าทำปฏิกิริยาที่อะตอม C ที่อยู่กลางสายโซ่ ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ 2-Ethoxyl-1-propanol และเนื่องจากอะตอม C ที่อยู่ที่ปลายสายโซ่นั้นมีความเป็นขั้วบวกที่แรงกว่า และเข้าถึงได้ง่ายกว่า (คือไม่มีหมู่ -CH₃ เกะกะขวางทาง) จึงทำให้โมเลกุลเอทานอลมีโอกาสเข้าถึงได้มากกว่าและมีโอกาสที่จะเกิดปฏิกิริยาในการชนแต่ละครั้งสูงกว่า จึงทำให้การทำปฏิกิริยาในกรณีที่ไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยานั้น เกิด 1-Ethoxy-2-propanol ในสัดส่วนที่สูงกว่า 
  

การเกิดปฏิกิริยาระหว่างสองโมเลกุล มีหลายเรื่องที่ต้องพิจารณา เช่น

(ก) โมเลกุลหนึ่งต้องมีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างก่อนหรือไม่ (เช่นด้วยการใช้ความร้อน หรือตัวเร่งปฏิกิริยา เพื่อให้โมเลกุลหนึ่งมีประจุ หรือโครงสร้างแตกออก) ก่อนที่จะเข้าทำปฏิกิริยากับอีกโมเลกุลหนึ่ง หรือ

(ข) เป็นการชนกันระหว่างสองโมเลกุลโดยตรง โดยแต่ละโมเลกุลไม่จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างก่อนการชนกัน

และไม่ว่าจะเป็นแบบ (ก) หรือ (ข) โอกาสที่จะเกิดปฏิกิริยาได้หรือไม่นั้นยังขึ้นอยู่ด้วยกว่า

(ค) โอกาสที่จะเข้าถึงตำแหน่งที่จะเกิดปฏิกิริยา ซึ่งขึ้นอยู่กับ

- จำนวนของตำแหน่งที่สามารถจะเกิดปฏิกิริยาได้ และ

- ความยากง่ายในการเข้าถึง อันเป็นผลจากการกีดขวางของหมู่อื่นที่อยู่ข้างเคียง (ที่เรียกว่า steric effect) ถ้าหมู่ที่อยู่เคียงข้างตำแหน่งที่จะเกิดปฏิกิริยานั้นมีขนาดใหญ่มาก และ/หรือหมู่ที่จะเข้าทำปฏิกิริยานั้นมีขนาดใหญ่ แม้ว่าตำแหน่ง/หมู่นั้นจะมีความว่องไวในการทำปฏิกิริยาที่สูง โอกาสที่จะเกิดปฏิกิริยาก็จะต่ำ

(ง) โอกาสที่จะเกิดปฏิกิริยาในการชนแต่ละครั้ง ตรงนี้อุณหภูมิจะเข้ามามีบทบาทสำคัญ ตำแหน่งที่เฉื่อยกว่าในการเกิดปฏิกิริยาต้องการการชนที่รุนแรงกว่า ถ้าการเกิดปฏิกิริยา ณ ตำแหน่งที่เฉื่อยกว่านั้นเป็นสิ่งที่ไม่ต้องการ ก็อาจใช้การควบคุมอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาโดยคุมไว้ไม่ให้สูงเกินไป เพื่อลดโอกาสการเกิดปฏิกิริยา ณ ตำแหน่งนั้น
 

ในกรณีของการใช้เบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยานั้น หมู่ -OH ของเอทานอลจะจ่ายโปรตอนให้กับเบสทำให้โมเลกุลเอทานอลกลายเป็นไอออนอีทอกไซด์ (ethoxide C₂H₅O^-) ที่มีประจุลบตรงโมเลกุล O (รูปที่ ๔) ไอออนอีทอกไซด์นี้มีความว่องไวที่สูงกว่า จึงทำให้เกิดปฏิกิริยาได้รวดเร็วกว่าและสามารถใช้อุณหภูมิที่ต่ำกว่า 
  

ตัวอย่างเช่นบทความของ Shuguang Liang และคณะ (รูปที่ ๕) ที่ทดลองทำปฏิกิริยาระหว่างโพรพิลีนไกลคอลกับเมทานอลในช่วงอุณหภูมิ 50-70ºC (อุณหภูมิที่เพิ่มเป็นผลจากการคายความร้อนของปฏิกิริยา) พบว่าเมื่อใช้เบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา จะได้ค่า selectivity ของผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแทนที่ที่ตำแหน่งปลายโซ่ (1-Methoxy-2-propanol) สูงกว่า 90% หรือในกรณีของเอกสารยื่นขอจดสิทธิบัตรสหภาพยุโรปเลขที่ EP 0 250 168 A1 ของบริษัท British Petroleum (รูปที่ ๖) ที่มีการกล่าวถึงการใช้เบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการสังเคราะห์ monoglycol ether ว่า การใช้เบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาจะได้ผลิตหลักคือ secondary alcohol monoglycol ether (ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการที่แอลกอฮอล์เข้าทำปฏิกิริยาที่อะตอม C ที่ปลายโซ่ของโพรพิลีนไกลคอล) โดยอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาอยู่ในช่วง 80-160ºC

ยังไม่จบนะครับ ยังมีตอนที่ ๒ ที่เป็นเรื่องของการใช้กรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาต่ออีก

รูปที่ ๔ ปฏิกิริยาระหว่างเอทานอลกับโพรพิลีนออกไซด์เมื่อใช้เบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาจะเกิดตามเส้นทาง 1 เป็นหลัก

รูปที่ ๕ แบบจำลองการเกิดปฏิกริยาระหว่างโพรพิลีนออกไซด์กับเมทานอล เมื่อใช้กรดหรือเบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (จากบทความเรื่อง The tetramethylguanidine-based ionic liquid-catalyzed synthesis of propylene glycol methyl ether โดย Shuguang Liang, Huizhen Liu, Yinxi Zhou, Tao Jiang และ Buxing Han ในวารสาร New J. Chem., 2010, 34, 2534-2536.

รูปที่ ๖ การสังเคราะห์ไกลคอลอีเทอร์จากปฏิกิริยาระหว่างเอทีลีนออกไซด์หรือโพรพิลีนออกไซด์กับแอลกอฮอล์ (จากเอกสารยื่นขอจดสิทธิบัตรสหภาพยุโรปเลขที่ EP 0 250 168 A1 ของบริษัท British Petroleum