ปฏิกิริยา Electrophilic substitution ของ m-Xylene MO Memoir : Saturday 31 December 2565

ในเรื่องการแทนที่อะตอม H ตัวที่ 2 ของวงแหวนเบนซีนนั้น ตำราเคมีอินทรีย์ต่างกล่าวไว้ว่า ถ้าหมู่แรกที่เข้ามาแทนที่เป็นหมู่ที่สามารถจ่ายอิเล็กตรอนให้กับวงแหวน การแทนที่ครั้งที่ 2 จะเกิดที่ตำแหน่ง ortho (o-) หรือ para (p-) เป็นหลัก ส่วนที่ว่าการแทนที่ครั้งที่สองจะเกิดได้ง่ายกว่าหรือยากกว่า (เมื่อเทียบกับการแทนที่อะตอม H ตัวแรก) ก็ขึ้นอยู่กับว่าผลของการดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวนและจ่ายอิเล็กตรอนให้กับวงแหวนของหมู่แรก ผลอันไหนแรงกว่ากัน เช่นหมู่ -NH₂ และ -OH ที่อะตอม N และ O ต่างมีค่า electronegativity สูงกว่าของอะตอม C แต่ผลของการจ่ายอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวนั้นแรงกว่า จึงทำให้มันต่างเป็นหมู่ที่ทำให้การแทนที่ครั้งถัดไปเกิดได้ง่ายขึ้น (เป็น ring activating group) แต่ถ้าเป็นธาตุฮาโลเจนเช่น Cl และ Br ผลของการดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวนนั้นจะแรงกว่า จึงทำให้การแทนที่ครั้งถัดไปเกิดได้ยากขึ้น (เป็น ring deactivating group) ในกรณีของหมู่ alkyl นั้น มันไม่มีความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวน แต่สามารถจ่ายอิเล็กตรอนให้กับวงแหวนได้ มันจึงเป็น ring activating group ที่ทำให้การแทนที่ครั้งที่สองเกิดที่ตำแหน่ง o- และ p- เป็นหลัก

ส่วนการแทนที่ครั้งที่สองจะเกิดที่ตำแหน่ง o- หรือ p- มากกว่ากันนั้น ขึ้นอยู่กับขนาดและรูปร่างของหมู่แรกที่เข้ามาแทนที่และหมู่ที่สองที่จะเติมเข้ามา ถ้าทั้งสองหมู่มีขนาดเล็ก การแทนที่ครั้งที่สองจะเกิดที่ตำแหน่ง o- มากกว่า p- (เพราะตำแหน่ง o- มี 2 ตำแหน่ง) แต่ถ้าทั้งสองหมู่มีขนาดใหญ่และ/หรือมีกิ่งก้าน (โดยเฉพาะตรงอะตอมที่เกาะเข้ากับวงแหวน) การแทนที่ครั้งที่สองอาจเกิดที่ตำแหน่ง p- อย่างเดียวโดยไม่เกิดที่ตำแหน่ง o- เลยก็ได้ เพราะหมู่ที่สองจะไม่สามารถเข้าไปหาอะตอม C ของวงแหวนตัวที่อยู่เคียงข้างอะตอม C ตัวที่มีหมู่แรกเกาะอยู่ (เรียกว่า steric hindrance effect)

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยา nitration (แถวบน) และ sulphonation ของ m-xylene ทั้งสองปฏิกิริยานี้จะได้ 1,2,3 isomer และ 1,3,4 isomer เป็นหลัก โดยแทบจะไม่เกิด 1,2,5 isomer เลย (อะตอม C ตัวที่ 1 คือตัวด้านบนที่มีหมู่ -CH₂ เกาะอยู่ ตัวถัดไปนับในทิศทางตามเข็มนาฬิกา)

ถ้าเป็นการแทนที่ตำแหน่งที่ 3 ความว่องไวในการแทนที่ (เมื่อเทียบกับครั้งที่สอง) และตำแหน่งที่จะเข้าแทนที่จะขึ้นอยู่กับสองหมู่แรกที่มาเกาะนั้นส่งผลอย่างไร ถ้าส่งผลในทิศทางเดียวกันการพิจารณาก็จะง่ายหน่อย แต่ถ้าส่งผลในทิศทางหักล้างกัน ก็ต้องไปดูว่าหมู่ไหนมีความแรงมากกว่ากัน ในกรณีของ m-xylene (หรือ 1,3-dimethylbenzene) หมู่ -CH₃ เป็น ring activating group จึงทำให้การแทนที่ครั้งที่สามเกิดได้ง่ายขึ้น เวลาทำปฏิกิริยา nitration หรือ sulphonation ผลิตภัณฑ์ที่ได้จึงเป็น 1,2,3 isomer และ 1,3,4 isomer โดยไม่มี 1,3,5 isomer

ในปฏิกิริยา nitration นั้น สารที่เข้าทำปฏิกิริยาคือ nitronium ion [NO₂]⁺ ที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่าง H₂SO₄ เข้มข้นกับ HNO₃ เข้มข้น ส่วนปฏิกิริยา sulphonation นั้น สารที่เข้าทำปฏิกิริยาคือ SO₃ ที่อาจเป็นแก๊ส SO₃ ละลายอยู่ในกรดกำมะถันเข้มข้น (สารละลายนี้เรียกว่า oleum หรือ H₂SO₄.SO₃) หรือ SO₃ ที่เกิดจากการสลายตัวของกรดกำมะถันเมื่ออุณหภูมิสูงพอ ปรกติอะตอม N ก็มีค่า electronegativity สูงกว่าอะตอม C อยู่แล้ว พอมีอะตอม O มาเกาะอีก 2 อะตอมก็เลยทำให้มันมีความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนแรงขึ้นไปอีก ส่วนอะตอม S มีค่า electronegativity สูงกว่าอะตอม C ไม่มาก แต่ด้วยการที่มันมีอะตอม O มาเกาะถึง 3 อะตอม ก็เลยทำให้มันมีความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนสูงพอที่จะไปดึง pi electron ของวงแหวนเบนซีนมาสร้างพันธะได้

รูปที่ ๒ ผลการทดลองจากวารสาร Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 46, No. 4 หน้า 728 ปีค.ศ. 1954

ในกรณีของปฏิกิริยา nitration และ sulphonation ของ m-xylene นั้น พบว่าการแทนที่ครั้งที่ 3 จะเข้าที่ตำแหน่ง 2 (เกิดเป็น 1,2,3 isomer) หรือตำแหน่ง 4 (เกิดเป็น 1,2,4 isomer) โดยไม่เกิดการแทนที่ที่ตำแหน่ง 5 (ที่ทำให้เกิด 1,3,5 isomer) (รูปที่ ๑-๓) หรือเกิดน้อยมาก (รูปที่ ๔) โดยตำแหน่ง 2 นั้นเป็นตำแหน่ง o- เมื่อเทียบกับหมู่ -CH₃ ทั้งสอง ส่วนตำแหน่ง 4 นั้นเป็นตำแหน่ง o- เมื่อเทียบกับหมู่ -CH₃ ที่ตำแหน่ง 1 และตำแหน่ง p- เมื่อเทียบกับหมู่ -CH₃ ที่ตำแหน่ง 4 ซึ่งเห็นได้ว่าไม่มีความขัดแย้งเรื่องตำแหน่งที่เข้าแทนที่ 

รูปที่ ๓ ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ aromatic monosulfonic acid จะเห็นว่าในกรณีของ m-xylene นั้นไม่เกิด 1,3,5 isomer (คือเกิดเฉพาะ 1,3-xylene-2-sulfonic acid และ 1,3-xylene-4-sulfonic acid) ในที่นี้ 1,2-xylene คือ o-xylene, 1,3-xylene คือ m-xylene และ 1,4-xylene คือ p-xylene

รูปที่ ๔ บทความนี้เป็นปฏิกิริยา sulfonation ของ m-xylene ด้วยกรดกำมะถัน มีการตรวจพบการเกิด 1,3,5 isomer เล็กน้อย ซึ่งในทางปฏิบัตินั้นก็มึความเป็นไปได้ ถ้าหากอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาสูงเพียงพอ

ปฏิกิริยา alkylation หรือการเติมหมู่ alkyl ไปที่วงแหวนเบนซีนนั้นจะยุ่งยากกว่า เพราะต้องหาทางทำให้อะตอม C ของหมู่ alkyl ที่จะไปเกาะกับวงแหวนนั้นมีความเป็น (+) มากพอที่จะไปดึงอิเล็กตรอนของวงแหวนมาสร้างพันธะได้

โดยปรกติอะตอม C ที่มีอะตอมฮาโลเจน (เช่น Cl) เกาะอยู่ 1 อะตอม ก็มีความเป็น (+) มากพอที่จะไปดึงอิเล็กตรอนจากหมู่ที่มีอิเล็กตรอนมากได้หลายหมู่ (เช่นพันธะคู่ C=C) แต่ความเป็น (+) ก็ยังไม่แรงพอที่จะไปดึง pi electron ของวงแหวนเบนซีน แต่ถ้าทำให้เกิดเป็น carbocation ได้ (เช่นโดยการดึงอะตอมฮาโลเจนออกมาในรูปของ X^- หรือหมู่ -OH ออกมาในรูปของ OH^- หรือด้วยการเติม H⁺ เข้าไปที่พันธะคู่ C=C) carbocation ที่เกิดขึ้นก็สามารถไปดึงเอา pi electron ของวงแหวนเบนซีนมาสร้างพันธะได้

รูปที่ ๕ ตัวอย่างบทความที่กล่าวถึงการเข้าแทนที่ที่ตำแหน่งที่ไม่ปรกติ (คือเป็นตำแหน่ง m- เมื่อเทียบกับหมู่ -CH₃ ทั้งสองหมู่ของ m-xylene)

แต่ที่แปลกก็คือ ในกรณีของปฏิกิริยา alkylation นั้น มีการตรวจพบการเกิด 1,3,5 isomer มาก (คือหมู่ alkyl เข้าแทนที่ที่ตำแหน่ง m- เมื่อเทียบกับหมู่ -CH₃ ที่เกาะอยู่ก่อนหน้า) หรือในบางกรณีนั้นพบว่าผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่ที่เกิดจะเป็น 1,3,5 isomer แทนที่จะเป็น 1,2,3 isomer หรือ 1,3,4 isomer (ดังตัวอย่างที่นำมาแสดงในรูปที่ ๕) คำอธิบายหนึ่งที่มีการนำมาอธิบายคือ steric hindrance effect ที่เกิดจากรูปร่างโมเลกุลของหมู่ alkyl แต่คำอธิบายนี้ก็ไม่ตอบคำถามว่าทำไมหมู่ alkyl เดียวกัน จึงเข้าที่ตำแหน่งแตกต่างกันได้ ด้วยการปรับแต่งส่วนผสมตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้

สิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาที่นำมาแสดงในรูปที่ ๖ ให้ข้อมูลที่น่าสนใจ ในเอกสารนี้เป็นปฏิกิริยาการเติมโพรพิลีน (H₃C-CH=CH₂ หรือโพรพีน) ให้กับ m-xylene โดยใช้ AlCl₃ เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (AlCl₃ เป็น Lewis acid ที่แรงตัวหนึ่ง สภาพปรกติจะเป็นของแข็งที่ละลายน้ำได้) ที่น่าสนใจก็คือเอกสารนี้รายงานว่า ในกรณีที่ใช้ AlCl₃ ที่เป็นของแข็ง ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะเป็น 1,3,5 isomer เกือบทั้งหมด (ตรง Test No. 1 ของ Table I ในรูปที่ ๖) ซึ่งเป็นตำแหน่ง m- ซึ่งเป็นตำแหน่งที่ขัดแย้งเมื่อเทียบหมู่ -CH₃ ทั้งสองหมู่ที่มีอยู่เดิม แต่พอมีการเติมน้ำเข้าไปมากขึ้น การเกิด 1,3,5 isomer จะลดลง และเกิด 1,3,4 isomer เป็นหลักแทน ซึ่งเป็นการแทนที่ที่ไม่ขัดแย้งกับตำแหน่งหมู่ -CH₃ ทั้งสองหมู่ที่มีอยู่เดิม สาเหตุหนึ่งที่น่าจะเป็นไปได้ที่ทำให้ได้ผลออกมาแตกต่างกันคือรูปร่างของ carbocation ที่เกิดขึ้นนั้นไม่เหมือนกัน

รูปที่ ๖ สิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเกี่ยวกับปฏิกิริยาการเติมหมู่ isopropyl ให้กับ m-xylene การทำปฏิกิริยาใช้การปั่นกวน m-xylene กับ AlCl₃ ก่อน (โดยอาจมีน้ำร่วม) จากนั้นถึงค่อยเติมโพรพิลีนลงไป ในเอกสารนี้นับอะตอม C ตัวที่มีหมู่ isopropyl เกาะเป็นตัวที่ 1 ดังนั้นถ้าเรียกชื่อแบบเดียวกับเอกสารในรูปที่ ๔ สาร 1,2,4-isopropyl xylene ในเอกสารนี้ก็จะเป็น 1,3-xylene-4-isopropyl ตามการเรียกชื่อของเอกสารในรูปที่ ๔)

ในสภาวะที่ไม่มีน้ำนั้น โพรพิลีนควรจะเกิดเป็น isopropyl carbocation ที่เกาะ (หรือถูกดูดซับ) อยู่บนผิว AlCl₃ ที่เป็นของแข็ง แต่ในสภาวะที่มีน้ำนั้น โพรพิลีนจะเกิดเป็น isopropyl carbocation อิสระ (H₃C-CH⁺-CH₃) ก่อนเข้าทำปฏิกิริยากับ m-xylene โดย isopropyl carbocation ที่เกาะบนพื้นผิวของแข็งจะมีข้อจำกัดในการเข้าถึงมากกว่า เพราะมีพื้นผิวของแข็งบดบังไว้ด้านหนึ่ง (รูปที่ ๗)

รูปที่ ๗ isopropyl carbocation (ซ้าย) เมื่อเกาะบน AlCl₃ และ (ขวา) เมื่ออยู่อย่างอิสระในสารละลาย

การระเบิดหลังการเปิดใบพัดกวน (Sulphonation reaction) MO Memoir : Saturday 10 December 2565

ถึงแม้ว่าพันธะระหว่างอะตอม C ของวงแหวนเบนซีนจะมีอิเล็กตรอนอยู่หนาแน่นมากกว่าพันธะเดี่ยว C-C ทั่วไป แต่ด้วยการที่มันเกิด resonance จึงทำให้มันมีเสถียรภาพมากเป็นพิเศษ การเข้าแทนที่อะตอม H ที่เกาะอยู่กับอะตอม C ที่เป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างวงแหวนจึงทำได้ยาก ต้องใช้ electrophile (สารที่ชอบอิเล็กตรอน) ที่มีความแรงมากพอควร ตัวอย่างของ electrophile ที่สามารถเข้าแทนที่อะตอม H ของวงแหวนเบนซีนได้ง่ายได้แก่ SO₃ (ในปฏิกิริยา sulphonation และ ⁺NO₂ (ในปฏิกิริยา nitration)

ปฏิกิริยา sulphonation (หรือ sulfonation) หรือการเติมหมู่ -SO₃H เข้าไปที่วงแหวนเบนซีนทำได้ด้วยการทำปฏิกิริยากับกรดกำมะถันเข้มข้น (H₂SO₄) ที่อุณหภูมิสูงพอ โดยกรดกำมะถันเข้มข้นจะมีการสลายตัวให้ SO₃ ออกมา หรือใช้แก๊ส SO₃ ที่ละลายอยู่ในกรดกำมะถันที่อุตสาหกรรมเรียกกรดชนิดนี้ว่า Oleum หรือ Fuming sulphuric acid (สัญญลักษณ์ทางเคมีคือ H₂SO₄.SO₃) หรือถ้าเป็นแก๊ส SO₃ ละลายอยู่ใน sulphonic acid (หรือ sulfonic acid) ก็จะเรียกกรดนั้นว่า fuming sulphonic acid แต่ในปัจจุบันโรงงานที่ต้องการใช้ SO₃ ในปริมาณมากก็สามารถผลิตแก๊ส SO₃ ขึ้นเองด้วยการเผากำมะถันกับอากาศเพื่อให้ได้ SO₂ ก่อน จากนั้นจึงค่อยทำการออกซิไดซ์ SO₂ ที่ได้กับออกซิเจนในอากาศโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย ก็จะได้แก๊ส SO₃ ที่สามารถส่งไปทำปฏิกิริยาต่อได้เลย

เรื่องที่นำมาเล่าวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Explosion on restarting agitation during the sulfonation reaction of toluene" (ดาวน์โหลดได้ที่ http://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1000104.html) เป็นเหตุการณ์ที่เกิดที่ประเทศญี่ปุ่นเมื่อวันที่ ๓๐ สิงหาคม ค.ศ. ๑๙๗๐ (พ.ศ. ๒๕๑๓) ในโรงงานที่ทำการผลิต m-benzenesulphonic acid และ p-toluenesulphonic acid ด้วยปฏิกิริยา sulphonation กับกรดกำมะถันและ fuming sulphonic acid (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้อง

เนื่องจากโทลูอีน (toluene หรือ methyl benzene C₆H₅-CH₃) มีหมู่ methyl (-CH₃) ที่เป็น ring activating group เกาะอยู่ที่วงแหวน จึงทำให้โทลูอีนมีความว่องไวในการทำปฏิกิริยา sulphonation มากกว่าเบนซีน ดังนั้นการออกแบบกระบวนการจึงออกแบบให้เบนซีนทำปฏิกิริยาก่อน (รูปที่ ๒) ด้วยการค่อย ๆ เติมเบนซีนลงไปในกรดกำมะถันเข้มข้นที่อุณหภูมิสูงก่อน (กรดกำมะถันเข้มข้นมีอุณหภูมิจุดเดือดที่ประมาณ 330ºC) และเนื่องจากหมู่ -SO₃H เป็น ring deactivating group ดังนั้นหลังจากที่แทนที่อะตอม H ที่วงแหวนด้วยหมู่ -SO₃H หมู่แรกแล้ว การเข้าแทนที่หมู่ที่สองจะเกิดยากขึ้นอีก จึงจำเป็นต้องใช้อุณหภูมิที่สูงเพื่อให้ปฏิกิริยาการแทนที่ครั้งที่สองนั้นเกิดขึ้นได้

รูปที่ ๒ ่ แผนผังกระบวนการผลิต จะเห็นว่าจะเริ่มจากการทำปฏิกิริยาของเบนซีนก่อน ทั้งนี้เป็นเพราะเบนซีนนั้นมีความว่องไวในการทำปฏิกิริยาต่ำกว่าโทลูอีน (โทลูอีนมีหมู่ -CH₃ ที่เป็น ring activating group เกาะอยู่กับวงแหวน) ทำให้ต้องใช้อุณหภูมิที่สูงกว่าในการทำปฏิกิริยา

คำบรรยายเหตุการณ์ในรูปที่ ๓ กล่าวไว้ว่า การเติมหมู่ -SO₃ หมู่ที่สองให้กับ benzene sulphonic acid ทำด้วยการใข้ "sulphuric anhydride" สารตัวนี้คือ SO₃ (sulphur trioxide) ที่มีจุดหลอมเหลวที่อุณหภูมิประมาณ 17ºC และอุณหภูมิจุดเดือดที่ประมาณ 45ºC หลังจากเสร็จปฏิกิริยา sulphonation ของเบนซีนแล้ว ก็จะลดอุณหภูมิระบบให้ต่ำลงมาอยู่ที่ระดับที่โทลูอีนสามารถเกิดปฏิกิริยาได้ (110ºC) โดยที่อุณหภูมินี้เบนซีนไม่ควรเกิดปฏิกิริยาอีก แล้วจึงค่อยทำปฏิกิริยา sulphonation ของโทลูอีน

รูปที่ ๓ คำบรรยายเหตุการณ์ที่เกิด

อุณหภูมิจุดเดือดของเบนซีนอยู่ประมาณที่ 80ºC ในขณะที่ของโทลูอีนอยู่ที่ประมาณ 110ºC จากรูปที่ ๒ จะเห็นว่าอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาในขั้นแรกนั้นจะสูงกว่าอุณหภูมิจุดเดือดของเบนซีน และอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาในขั้นที่สองจะอยู่ที่ประมาณอุณหภูมิจุดเดิอดของโทลูอีน ดังนั้นความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมา (จะว่าไปปฏิกิริยานี้ก็คายความร้อนมากอยู่แล้ว) จะสามารถทำให้โทลูเดือดกลายเป็นไอได้ง่าย

การค่อย ๆ เติมของเหลวชนิดที่สองลงไปผสมกับของเหลวชนิดที่หนึ่งที่ถูกปั่นกวนอยู่ในถังผสมอาจทำได้ด้วยการ (ก) หยดของเหลวชนิดที่สองลงไปเหนือผิวของเหลวชนิดที่หนึ่ง (คือให้ปลายท่อเติมของเหลวชนิดที่สองอยู่เหนือผิวของเหลวชนิดที่หนึ่ง) หรือ (ข) หยดของเหลวชนิดที่สองลงไปใต้ผิวของเหลวชนิดที่หนึ่ง (คือให้ปลายท่อเติมของเหลวชนิดที่สองจมอยู่ใต้ผิวของเหลวชนิดที่หนึ่ง) ในกรณีที่เกรงว่าจะเกิดปัญหาไฟฟ้าสถิตย์ การเติมแบบ (ข) จะดีกว่า (เพราะไม่มีการกระเด็นของของเหลวชนิดที่สอง) แต่การเติมแบบ (ข) ก็ต้องระวังให้ดีถ้าถังผสมนั้นมีความดันสูง เพราะความดันในถังอาจดันให้ของเหลวในถังไหลย้อนออกมาทางท่อที่ใช้เติมของเหลวชนิดที่สองได้ ดังนั้นการออกแบบจึงควรต้องคำนึงในเรื่องนี้ด้วย

เมื่ออุณหภูมิลดลงมาที่ระดับ 110ºC ก็จะเริ่มการเติมโทลูอีน (ปริมาณทั้งหมดที่ต้องเติมคือ 280 กิโลกรัม โดยเริ่มเติมเวลา ๑๔.๑๐ น ต่อมาเมื่อเวลา ๑๕.๓๐ น โอเปอเรเตอร์พบว่าใบพัดกวนหยุดทำงาน โดยมีการเติมโทลูอีนลงไปในถังโดยไม่มีการปั่นกวนนานประมาณ ๑ ชั่วโมง (บทความไม่ได้ให้รายละเอียดว่าตามกำหนดแล้วต้องใช้เวลานานเท่าใดในการเติมโทลูอีน 280 กิโลกรัม และนับจากเวลาที่เริ่มเติมจนกระทั่งพบว่าใบพัดกวนไม่ทำงานนั้น มีการเติมโทลูอีนไปแล้วมากน้อยเท่าใด) สาเหตุที่ทำให้ใบพัดกวนหยุดทำงานคือฟิวส์ขาด จึงได้ทำการเปลี่ยนฟิวส์และเริ่มเดินเครื่องใบพัดกวนใหม่เมื่อเวลา ๑๕.๕๕ น (บทความไม่มีการระบุว่าช่วงเวลา ๒๕ นาทีนับจากพบว่าใบพัดกวนหยุดทำงานจนเริ่มเดินเครื่องได้ใหม่นั้น ยังมีการเติมโทลูอีนเข้าระบบหรือไม่)

ทันทีที่เริ่มเดินเครื่องใบพัดกวน ก็มีไอ (น่าจะเป็นโทลูอีน) ฉีดพุ่งออกมาทางหน้าแปลน (ว่าแต่ทำไมหน้าแปลนจึงปิดไม่สนิทหรือเปิดอยู่ก็ไม่รู้) โอเปอร์เรเตอร์จึงรีบตัดไฟที่จ่ายไปยังใบพัดกวน ก่อนที่จะเกิดการระเบิดในอีก ๗ นาทีต่อมา ทำให้มีผู้เสียชีวิต ๑ รายและบาดเจ็บ ๖ ราย

เหตุการณ์ที่นำมาเล่าในวันนี้เกิดก่อนเหตุการณ์ที่เล่าไว้ในตอนที่แล้ว ๓ ปี (MOMemoir : Saturday 3 December 2565การระเบิดหลังการเปิดใบพัดกวน(o-Nitroanisole)) และสถานการณ์ที่เกิดก็เป็นแบบเดียวกัน คือปฏิกิริยาคายความร้อนสูงในถังปั่นกวนที่ใช้การค่อย ๆ เติมสารตั้งต้นตัวหนึ่งลงไปในสารตั้งต้นอีกตัวหนึ่งที่อยู่ในถังผสม ปัญหาจะไม่เกิดถ้าหากระหว่างการเติมนั้นมีการปั่นกวน เพราะสารตั้งต้นตัวที่สองที่เติมเข้าไปจะทำปฏิกิริยาทันที เป็นการเกิดความร้อนที่ละน้อย ๆ อย่างต่อเนื่อง แต่พอหยุดการปั่นกวนแต่ไม่หยุดการเติมสารตั้งต้นตัวที่สอง พอเริ่มทำการปั่นกวนใหม่จะทำให้เกิดการคายความร้อนออกมาในปริมาณมากในเวลาอันสั้น ความเสียหายรุนแรงจึงยากที่จะหลีกเลี่ยง

ดังนั้นเมื่อมีการเกิดอุบัติเหตุ และรีบทำการสอบสวนหาสาเหตุให้ได้ว่าเป็นเพราะเหตุใด (อย่าเพิ่งหาคนที่ต้องมารับผิด) และรีบเผยแพร่ออกไปให้เป็นที่ทราบทั่วไป การทำผิดแบบซ้ำเดิมโดยผู้อื่นก็คงจะลดลง

จาก Aniline ไปเป็น Methyl orange MO Memoir : Thursday 15 November 2561

หมู่ p-quinone และหมู่ azo เป็นหมู่โครโมฟอร์ (chromophore หรือหมู่ทำให้เกิดสี) ที่แรง ส่วนหมู่ฟังก์ชันที่เป็นเบสพวก -NH₂ -NHR -NR₁R₂ และหมู่ฟังก์ชันที่เป็นกรดเช่น -SO₃H ต่างก็เป็นหมู่ออกโซโครม (auxochrome หรือหมู่เร่งสี) ที่แรงที่ช่วยให้สีที่เกิดจากหมู่โครโมฟอร์นั้นเข้มขึ้น ดังนั้นสารอินทรีย์ที่มีหมู่เหล่านี้อยู่ในโมเลกุลจึงเป็นที่ต้องการในวงการสีย้อมที่เป็นสารอินทรีย์ และสารตัวหนึ่งที่มีบทบาทสำคัญในการสร้างโมเลกุลสารอินทรีย์ที่มีสีคือ Sulfanilic acid ที่ประกอบด้วยหมู่ -NH₂ และ -SO₃H ที่อยู่ในตำแหน่ง para ของวงแหวนเบนซีน (รูปที่ ๑)
 

สำหรับผู้ที่ยังไม่รู้จัก "หมู่ทำให้เกิดสี (chromophore)" และ "หมู่เร่งสี (auxochrome)" คืออะไร ขอแนะนำให้ย้อนอ่าน Memoir ปีที่ ๖ ฉบับที่ ๖๘๕ วันอาทิตย์ที่ ๒๐ ตุลาคม ๒๕๕๖ เรื่อง "หมู่ทำให้เกิดสี (chromophore) และหมู่เร่งสี (auxochrome)" เพื่อเป็นการปูความรู้พื้นฐานเบื้องต้น

รูปที่ ๑ ตัวอย่างหมู่ทำให้เกิดสี (chromophore) และหมู่เร่งสี (auxochrome)

หมู่ -NH₂ เป็น ring activating group ที่แรงตัวหนึ่ง (และยังเป็นหมู่ ortho และ para directing group ด้วย) ทำให้วงแหวนเบนซีนมีความว่องไวในการแทนที่ครั้งที่สองมากขึ้น แต่ด้วยความที่หมู่ -NH₂ มีฤทธิ์เป็นเบส ด้วยเหตุนี้ในปฏิกิริยาที่มีกรดเข้าร่วมด้วยนั้น เช่นปฏิกิริยา sulphonation และ nitration กรดจะเข้าไปเกาะที่หมู่ -NH₂ ก่อน ทำให้มันกลายเป็นหมู่ -NH₃⁺ ที่เป็นหมู่ดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวน ทำให้วงแหวนมีความว่องไวต่ำลงและยังเกิดการแทนที่ครั้งที่สองที่ตำแหน่ง meta แทน

รูปที่ ๒ บทความการทำปฏิกิริยา sulphonation ของ aniline ที่เผยแพร่ในวารสาร J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2, 1977,0, 1008-1010
 

กรดไนตริก HNO₃ เข้มข้นมีความเข้มข้นประมาณ 70% ในขณะที่กรดกำมะถัน H₂SO₄ เข้มข้นมีความเข้มข้น 98% และถ้าละลาย SO₃ ลงไปในกรดกำมะถันเข้มข้นก็จะได้สารละลายที่เรียกว่า "Fuming sulphuric acid" หรือ "Oleum" ที่บางทีก็เขียนด้วยสูตรเคมีว่า H₂SO₄.SO₃ หรือ H₂S₂O₇ กรดกำมะถันที่ระดับความเข้มข้นสูงนี้มันไม่มีการแตกตัวให้ H⁺ เพราะมันไม่มีโมเลกุลอื่น (เช่น H₂O) มารับโปรตอน มันก็เลยบรรจุในถังเหล็กได้โดยไม่กัดกร่อน
 

บทความที่นำมาแสดงในรูปที่ ๒ และ ๓ เป็นการทดลองการทำปฏิกิริยา sulfonation ของ aniline ด้วยสารละลายกรดกำมะถันเข้มข้น การทำปฏิกิริยาทำทั้งในกรดกำมะถันเข้มข้นและตัวทำลาย "aprotic solvent" (พวกที่ไม่มีอะตอม H ที่มีฤทธิ์เป็นกรด ดังนั้นจึงไม่การสร้างพันธะไฮโดรเจน) โดยในกรณีของการทำปฏิกิริยาใน aprotic solvent ที่อุณหภูมิห้องพบว่าผลิตภัณฑ์หลักเกิดจากปฏิกิริยา N-sulphonation (กรดเข้าไปทำปฏิกิริยาที่อะตอม N ของหมู่ -NH₂) แต่เมื่ออุณหภูมิการทำปฏิกิริยาสูงขึ้นจะได้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho และ para
 

แต่พอเป็นการทำปฏิกิริยาด้วยกรดกำมะถัน oleum ที่อุณหภูมิ 25ºC พบว่าผลิตภัณฑ์หลักที่ได้เกิดจากการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta โดยมีผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแทนที่ที่ตำแหน่ง para ในปริมาณที่ต่ำกว่าเล็กน้อย (Table 2 ในรูปที่ ๓) แต่พอเปลี่ยนเป็นการทำปฏิกิริยาด้วยกรดกำมะถันเข้มข้นที่อุณหภูมิสูงกลับพบว่าผลิตภัณฑ์หลักที่ได้เป็นผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแทนที่ที่ตำแหน่ง para (ซึ่งก็คือ sulfanilic acid) เป็นหลัก โดยมีสัดส่วนผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho ในปริมาณที่ต่ำกว่ามาก (Table 3 ในรูปที่ ๓)

รูปที่ ๓ ผลการทดลองที่รายงานไว้ในบทความที่นำมาแสดงในรูปที่ ๒ จะเห็นว่าการกระจายตัวของผลิตภัณฑ์ที่ได้ ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของกรด H₂SO₄ ที่ใช้และอุณหภูมิที่ใช้ในการทำปฏิกิริยา Table 2 เป็นการทำปฏิกิริยาด้วย oleum (เห็นได้จากความเข้มข้นของกรดสูงเกินกว่า 100%) ส่วน Table 3 เป็นการทำปฏิกิริยาด้วยกรดกำมะถันเข้มข้น

Sulfanilic acid เป็นกรดที่เป็นสารตั้งต้นที่สำคัญตัวหนึ่งในการสังเคราะห์สีอินทรีย์ และยังนำไปใช้ในการผลิตสารที่ทำให้เกิดการเรืองแสงสีขาว (ที่นำไปใช้กับกระดาษและสิ่งทอเพื่อให้ดูขาวขึ้น) ด้วยเหตุนี้จึงมีความพยายามที่จะหาทางทำปฏิกิริยา sulphonation ของ aniline เพื่อให้ได้ sulfanilic acid ในสัดส่วนที่มากที่สุด (หรือทำให้เกิดการแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho และ meta ให้ต่ำทึ่สุด) ตัวอย่างเช่นสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ US 4,808,342 ชื่อ Production of Sulfonated Amines ได้นำเสนอวิธีการสังเคราะห์ sulfanilic acid ทั้งในระดับห้องปฏิบัติการและระดับโรงงาน เช่นตัวอย่างในรูปที่ ๔ ที่แสดงวิธีการสังเคราะห์ sulfanilic acid ด้วยกระบวนการแบบต่อเนื่องในระดับห้องปฏิบัติการ แต่สิ่งหนึ่งที่บทความที่นำมาแสดงในรูปที่ ๒ และ ๓ และสิทธิบัตร US 4,808,342 มีความเหมือนกันก็คือใช้กรดกำมะถันในสัดส่วนที่สูงกว่า aniline ในการทำปฏิกิริยา

รูปที่ ๔ ตัวอย่างอุปกรณ์สำหรับการทำปฏิกิริยา sulphonation ของ aniline อย่างต่อเนื่อง ที่เผยแพร่ในเอกสารสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ US 4,808,342 Production of Sulfonated Amines เมื่อ ๒๘ กุมภาพันธ์ ปีค.ศ. ๑๙๘๙

กลไกการเกิด sulfanilic acid ที่มีการนำเสนอกันคือ H₂SO₄ เข้าเกาะที่หมู่ -NH₂ ของ aniline ก่อน จากนั้นเมื่อได้รับความร้อนจึงเกิดการ "rearrangement" โดยหมู่ H₂SO₄ ย้ายมาเกาะที่ตำแหน่ง para (เมื่อเทียบกับหมู่ -NH₂) พร้อมกับคายน้ำออก (รูปที่ ๕) คำว่า "rearrangement" หมายถึงการที่หมู่ใดหมู่หนึ่งมีการเคลื่อนย้ายตำแหน่งจากตำแหน่งเดิมในโมเลกุลไปยังอีกตำแหน่งหนึ่ง หรือมีการจัดการเรียงตัวรูปแบบใหม่ทำให้โครงสร้างเปลี่ยนแปลงไปจากเดิม แต่ถ้าว่าการตามแบบจำลองนี้มันก็มีคำถามตามมาว่าการย้ายตำแหน่งนี้มันไม่ใช่การย้ายไปยังอะตอม C ข้าง ๆ (คือที่ตำแหน่ง ortho) ซึ่งเมื่อโมเลกุล H₂SO₄ หลุดออกมาก็จะได้หมู่ -NH₂ ซึ่งเป็น ortho directing group กลับคืนมา และในช่วงที่โมเลกุล H₂SO₄ ย้ายตำแหน่งนั้น มันไม่มีโมเลกุล H₂SO₄ อีกหนึ่งเข้ามาเกาะที่หมู่ -NH₂ ที่ว่างลงหรือ

รูปที่ ๕ กลไกการเกิดปฏิกิริยาที่มีการนำเสนอกันและสิทธิบัตร US 4,808,342 นำมากล่าวเอาไว้ ในกลไกนี้กล่าวถึงการเกิดการ rearrangement ของ H₂SO₄ ที่เดิมเกาะอยู่กับหมู่ -NH₂ ว่ามีการย้ายมาเกิดปฏิกิริยายังตำแหน่ง para เมื่อทำการให้ความร้อนเพื่อไล่น้ำ (ขั้นตอน II) ซึ่งสิทธิบัตร US 4,808,342 กล่าวว่าปฏิกิริยาไม่น่าจะเกิด พึงสังเกตว่าการทำปฏิกิริยานี้กระทำในตัวกลางที่เฉื่อย มีจุดเดือดสูง และไม่ผสมรวมเข้ากับน้ำได้
 

ด้วยเหตุนี้จึงมีการมองกันว่าในเมื่อปฏิกิริยาเกิดในสารละลายกรดเข้มข้มที่มีกรดมากเกินพอ มันไม่ง่ายกว่าหรือถ้าจะมองว่ามี H₂SO₄ อีกโมเลกุลที่หนึ่งเข้าเกาะที่ตำแหน่ง para แล้วค่อยปล่อยโมเลกุล H₂SO₄ ที่เกาะที่ -NH₂ ออกไป
 

แบบจำลองในรูปที่ ๖ นั้นโมเลกุล H₂SO₄ จะเข้าเกาะที่หมู่ -NH₂ ก่อนกลายเป็น phenylsulfamic acid (ขั้นตอน III และ IV) พึงสังเกตว่าอะตอม N ของ phenylsulfamic acid นี้ยังคงมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวอยู่ ดังนั้นยังคงคุณสมบัติเป็น ortho และ para direction group อยู่ แต่ความเป็นเบสของอะตอม N ลดลงเนื่องจากมีหมู่ -SO₃H ดึงอิเล็กตรอนออก จากนั้นโมเลกุล H₂SO₄ อีกโมเลกุลหนึ่งจึงเข้ามาเกาะกับวงแหวนที่ตำแหน่ง para (ขั้นตอน V) ตามด้วยการคายหมู่ H₂SO₄ ที่เกาะกับหมู่ -NH₂ ออกไป ก็จะได้ sulfanilic acid เป็นผลิตภัณฑ์ (ขั้นตอน VI)

รูปที่ ๖ กลไกที่สิทธิบัตร US 4,808,342 กล่าวว่าน่าจะเกิดมากกว่าคือมีโมเลกุล H₂SO₄ อีกโมเลกุลหนึ่ง (คนละตัวกับที่เกาะอยู่กับหมู่ -NH₂) ที่เข้าไปทำปฏิกิริยาที่ตำแหน่ง para

อันที่จริงการเปลี่ยนจาก phenylsulfamic acid ไปเป็น sulfanilic acid ได้อย่างไรนั้นก็เป็นหัวข้อที่ได้ครับความสนใจมานานแล้ว ดังเช่นบทความที่นำมาแสดงในรูปที่ ๗ ที่เป็นผลการศึกษาเอาไว้เมื่อกว่า ๖๐ ปีที่แล้วที่กล่าวว่าการจัดเรียงตัวใหม่ของ phenylsulfamic acid ไปเป็น sulfanilic acid นั้นมีทั้งเป็นไปได้และเป็นไปไม่ได้ ซึ่งตรงนี้ดูเหมือนว่าชนิดของตัวทำละลายที่ใช้และอุณหภูมิที่ใช้ในการทำปฏิกิริยาต่างมีบทบาทสำคัญทั้งคู่

รูปที่ ๗ บทความที่ได้ทำการศึกษาความเป็นไปได้ที่ phenylsulfamic acid จะเกิดการเรียงตัวใหม่กลายเป็น sulfanilic acid (G. Illuminati, J. Am. Chem. Soc., 78, 2603-2606 (1956))
 

จากบทคัดย่อในรูปที่ ๗ นั้น รายงานกล่าวว่าการทดลองที่กระทำโดยใช้ "glacial acetic acid" ที่เย็นเป็นตัวทำละลายนั้นนั้นไม่แสดงให้เห็นถึงการเกิดการจัดเรียงตัวใหม่ของ phenylsulfamic acid แต่การทดลองที่ใช้ "dioxane" ที่แห้ง (คือปราศจากน้ำ) ที่ 100ºC กลับพบว่าผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาคือ sulfanilic acid เป็นตัวหลัก สองการทดลองนี้ต่างกันตรงที่ glacial acetic acid (กรดอะซีติกที่ไม่มีน้ำ) เป็นตัวทำละลายชนิด "polar protic" คือมีขั้วและสร้างพันธะไฮโดรเจนได้ และตัวมันเองก็ยังสามารถแตกตัวให้โปรตอนโดยให้โมเลกุล CH₃COOH อีกโมเลกุลหนึ่งเป็นตัวรับโปรตอนได้ แต่ในกรณีของการทดลองที่สองนั้นใช้ dioxane ที่เป็นตัวทำละลายชนิด "polar aprotic" คือมีขั้วแต่ไม่สามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนได้ ดังนั้นกรด H₂SO₄ ในการทดลองที่สองนี้จึงไม่น่าจะมีการแตกตัวเหมือนในการทดลองแรก และด้วยการใช้อุณหภูมิในการทำปฏิกิริยาที่สูงกว่า ผลที่ได้จึงแตกต่างกัน
 

รูปที่ ๘ เป็นปฏิกิริยาการสังเคราะห์ methyl orange ที่ใช้เป็นอินดิเคเตอร์ตัวหนึ่งในการไทเทรต โดยเตรียมจากปฏิกิริยาระหว่าง sulfanilic acid กับ N,N-Dimethylaniline การเตรียมเริ่มด้วยการที่ sulfanilic acid ทำปฏิกิริยากับกรด HNO₂ ก่อน เกิดเป็น diazonium ion ซึ่งจะทำปฏิกิริยา coupling กับ N,N-Dimethylaniline อีกที

รูปที่ ๘ ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ methyl orange