Food science, food industrial technology on blog

เคมีอินทรีย์ เป็นหนึ่งในวิชาโปรดของผมไม่แพ้คณิตศาสตร์ แม้ว่าทั้งสองวิชานี้จะมีเนื้อหาที่แตกต่างกันสุดขั้ว แต่ในมุมมองของผมนั้น มันกลับมีสิิ่งที่เหมือนกันอยู่อย่างนึงก็คือ ทั้งสองวิชานี้พยายามที่จะอธิบายไปถึงรากฐานในการก่อกำเนิดธรรมชาติของปฏิกิริยาที่เราสนใจ จากที่ผมอธิบายมาตอนต้นๆนี้ หลายคนก็อาจจะงงว่าผมเปรยมาทำไม แต่เชื่อว่าเถอะครับว่าหลังจากจบบทความนี้ ผู้ที่อ่านตามก็น่าจะได้ไอเดียในการแก้ปัญหาหรือแก้โจทย์ โดยย้อนกลับไปดูยังรากฐาน และกลไกการเกิดปฏิกิริยา ซึ่งก็ไม่พลิกแพลงมากเท่าไหร่ครับ แต่ต้องใช้เวลาในการอ่าน และสำหรับบทความนี้แรงจูงใจในการเขียนบทความก็มาจากคำถามใน Forum ของเราครับ ที่มีสมาชิกท่านนึงถามถึงเกี่ยวกับความเป็นกรดด่าง กับปฏิกิริยาเมลลาร์ด

ก่อนอื่นต้องอธิบายก่อนว่าสารประกอบคาร์บอนิลที่เกี่ยวกับอาหารที่เราน่าจะรู้จักกันดีก็คือ น้ำตาลอัลโดส และน้ำตาลคีโตส ส่วนกลไกการทำปฏิกิริยาต่างๆที่เกี่ยวข้องจะมีอะไรบ้างนั้น ก็หวังว่าบทความนี้น่าจะช่วยตอบปัญหาอะไรได้หลายอย่างเลยละครับ

ปูพื้นกันสักหน่อย

ก่อนอื่นก็ต้องทำการทบทวน ในเรื่องของรูปแบบปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นกับองค์ประกอบอาหาร บรรดาอินทรียสาร การเกิดปฏิกิริยาก็มักเข้าทำที่หมู่ฟังก์ชันแนลก่อน อันเป็นจุดแตกต่างไปจากปฏิกิริยาที่เกิดกับสารอนินทรีย์ ในบทความนี้ผมจะเน้นในเรื่องของกลไกการเกิด ดังนั้นก่อนที่จะงงกันไปใหญ่ เราควรจะรู้กับสารมัธยันตร์ (Intermediate) เหล่านี้กันก่อนนะครับ

โปรตอนที่เกิดขึ้นนี้มักเกิดภายใต้สภาวะที่เป็นกรด โดยในสภาวะที่มีไฮโดรเนียมอิออนสูงจะให้โปรตอนกับคาร์บอน จึงทำให้เกิดสารมัธยันตร์ที่มีขั้วบวก ด้วยสภาพที่มันขาดอิเล็กตรอนอยู่ คาร์โบแคทอิออนจึงชอบที่จะรับนิวคลีโอไฟล์เข้ามาหักล้างกับโปรตอนตัวที่เกินมา

ตัวนี้จะตรงกันข้ามกับคาร์โบแคทอิออน เพราะในเข้าทำปฏิกิริยาจะมีแอนอิออน หรือ ประจุลบอยู่ โดยในสภาวะที่เป็นเบส หรือในระบบสารละลายที่มีความเป็นขั้วสูงนั้น โปรตอนจะถูกดึงออกไปโดยไฮดรอกไซด์อิออน(OH^-) หรือสารประกอบตัวอื่นที่อยู่ในรูปแอนอิออน (-) ที่มีสภาพขั้วสูงๆตัวอื่นก็ได้ครับ แล้วด้วยความที่ในสภาพทรานซิชันตัวมันเอง ก็ดันมีอิเล็กตรอนเกินมา คาร์แบนอิออนจึงชอบที่จะทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไฟล์จากภายนอก เพื่อหักล้างสภาพขั้วที่เป็นลบของมัน

สำหรับเรื่องกลไกปฏิกิริยาทางเคมีแล้วนะครับ ในการจำแนกสารตัวเข้าทำ ทฤษฎีกรดเบสของลิวอีสสามารถนำมาใช้ในเรื่องพวกนี้ได้ดีมาก โดยนิวคลีโอไฟล์็จะถือว่าเป็นเบสของลิวอีส เพราะสามารถให้คู่อิเล็กตรอนกับสิ่งแวดล้อมได้ และอิเล็กโทรโฟล์ก็จะจัดให้เป็นกรดของลิวอีสด้วย เพราะเหตุผลที่ว่าตัวมันเองพร้อมที่จะรับคู่้อิเล็กตรอนจากสารอื่นๆได้

สารมัธยันตร์ในรูปอนุมูลอิสระ จะเกิดได้ในสภาวะทีีมีแสง, ความร้อน เร่งปฏิกิริยาการแตกตัว ซึ่งในสภาวะของอาหารมักจะเกิดสารมัธยันตร์ในรูปคาร์โบแคทอิออน หรือ คาร์แบนอิออนมากกว่า

จากความรู้พื้นฐานข้างต้นนี้ สิ่งที่เราควรจะทราบอีกอย่างก็คือ น้ำตาลรีดิวซิงที่เป็นสารตั้งต้นในปฏิกิริยาเมลลาร์ดนั้น มันจะต้องมีหมู่คาร์บอนิลอิสระที่ว่างงานในตัวด้วย ก็เลยมีทำปฏิกิริยากับอะไรต่อมิอะไรได้อีกเยอะแยะ ผมมีหลักฐานตัวอย่างที่จะนำมาแสดงต่อสาธารณะครับท่านประธานที่เคารพ ตัวอย่างน้ำตาลกลูโคสที่เป็นน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวที่พบมากในธรรมชาติ มีหมู่คาร์บอนิลอิสระในองค์ประกอบ

ในกระบวนการเปลี่ยนแปลงเป็นสีน้ำตาลแบบเมลลาร์ดนั้นนะครับ จะมีในบางพาธเวย์ที่ได้มีการกล่าวถึงคำว่า อีนอล (Enol) เอาไว้ด้วย ซึ่งเจ้าอีนอลเนี่ยนะครับ มันก็คือ สารประกอบที่เป็นเทาโทเมอร์กับสารประกอบคาร์บอนีล หรือจะเรียกว่าเป็นไอโซเมอร์ในเรื่องสูตรโมเลกุลกันก็ได้

สำหรับอีนอลกับคาร์บอนีลนั้นจะเป็นเทาโทเมอร์กันในลักษณะ Proton-tautomerism เพราะมีการเคลื่อนที่ของโปรตอน แต่โดยปกติแล้วนะครับถ้าเป็นสารประกอบที่มีน้ำหนักโมเลกุลเท่ากัน สารประกอบคาร์บอนีลจะเสถียรกว่าอีนอล

มีคนถามว่าทำไมปฏิกิริยาเมลลาร์ดถึงเกิดขึ้นได้เร็วกว่าในสภาวะที่เป็นเบส และ คำตอบที่ผมจะตอบก็คือสภาวะที่เป็นกลางหรือเบส มันช่วยส่งเสริมให้หมู่นิวคลีโอไฟล์เข้าทำปฏิกิริยาได้ดี

แต่ว่าในสภาวะเป็นกรดเช่นในอาหาร นิวคลีโอไฟล์ก็สามารถเข้าแทนที่ได้เช่นเดียวกันครับ กลไกจะแตกต่างกันเล็กน้อย โดยนิวคลีโอไฟล์จะเข้าหลังจากที่โปรตอนเข้ามาจับกับออกซิเจนที่อยู่ในหมู่คาร์บอนีลก่อน จากนั้นถึงจะตามเ้ข้ามาจับกับโปรตอน แล้วจะมีการเรโซแนนซ์ไฮบริดในสภาวะทรานซิชัน ณ แขนรอบคาร์บอน แล้วท้ายที่สุดก็จะได้สารประกอบที่มีโครงสร้าง เหมือนการเติมนิวคลีไฟล์ในสภาวะกลางจนถึงเบส

นิวคลีโอไฟล์ คือ อะตอม, โมเลกุลใดๆ หรือ อิออนลบ ที่มีความสามารถให้อิเลกตรอนคู่กับอะตอม, โมเลกุล หรืออิออนบวกอื่นๆที่ขาดคู่อิเล็กตรอนได้ หรืออีกนัยจะใช้คำว่า นิวคลีโอไฟล์คือเบสตามทฤษฎีของลิวอิส

ในสภาวะที่เป็นกลางจนถึงเบส นิวคลีโอไฟล์จะีมีกลไกในการเติมลงในคาร์บอนิลตามลำดับดังนี้

ส่วนในสภาวะกรด หรืออุดมไปด้วยโปรตอน ลำดับของกลไกก็จะมีความแตกต่างจากไปจากข้างต้นเล็กน้อยครับ รวมไปถึงสารมัธยันตร์ด้วย นอกจากนั้นอัตราเร็วของปฏิกิริยาจะช้ากว่าการเติมนิวคลีโอไฟล์ในภาวะกลางไปถึงเบส

ในปฏิกิริยาการเติมนิวคลีโอไฟล์ลงในสารประกอบคาร์บอนิลทั่วๆไป สารอนุพันธ์ของแอมโมเนียซึ่งก็รวมไปถึงกรดอะมิโนไปด้วย จะมีหน้าที่เป็นนิวคลีโอไฟล์ เนื่องจากภายในโครงสร้างก็จะมีคู่อิเล็กตรอนว่างงานอยู่นะครับที่อะตอมไนโตรเจน ซึ่งไม่เกี่ยวกับสมบัติความเป็นกรดเบสของกรดอะมิโนเลย...

โดยลักษณะกลไกของการเติมหมู่อะมิโนลงในหมู่คาร์บอนิล จะเป็นสองขั้นตอนนะครับ คือ จะเติมเข้าไปก่อนแล้วจึงขจัดน้ำออกไปจากโมเลกุล ซึ่งจะทำให้ได้สารประกอบพวกอีมีน(imine) หรือที่เราชอบเรียกกันว่า Schiff base นั่นแหละ แต่ถ้าใช้เอมีนตติยภูมิเข้าเป็นนิวคลีโอไฟล์ เราก็อาจจะได้เอนามีน(enamine) แทน

ในช่วงแรกๆของปฏิกิริยาเมลลาร์ดจะมีการทำปฏิกิริยาระหว่างน้ำตาลรีดิวซ์กับกรดอะมิโนด้วย

ผมยกตัวอย่างให้ดูตัวนึงครับเป็นปฏิกิริยาระหว่างกลูโคสทำกับอะลานีน

การเกิดสารประกอบอะซีตัล และอะซีตัล ก็ืถือว่าเป็นหนึ่งในปฏิกิริยาการเติมด้วยหมู่นิวคลีโอไฟล์เช่นเดียวกัน โดยจะเป็นการเติมสารประกอบแอลกอฮอล์เข้าไปในสารประกบคาร์บอนิล เมื่อนิวคลีโอไฟล์ในที่นี้คือสารประกอบแอลกอฮอล์ที่มีหมู่ไฮดรอกซิลนั่นเองครับ

ปฏิกิริยาการเกิดอะซีตัล และคีทัลจะมีสองขั้นตอนด้วยกันนะครับ ผมจะอธิบายตามลำดับตามนี้

ขั้นแรกจะเป็นการเติมด้วยนิวคลีโอไฟล์ลงก่อน ก็จะได้เฮมิอะซีตาล หรือเฮมิคีทัล ซึ่งก็แล้วแต่ว่าเรามีสารตั้งต้นหรือมีน้ำตาลเป็นอัลโดสหรือว่าคีโตส โดยที่ว่าตัวเฮมิอะซีตัล และเฮมิคีทัลจะยังไม่เสถียรนัก เพราะว่าในหมู่ไฮดรอกซิลจะยังมีอิเล็กตรอนว่างอยู่

และเมื่อถูกโปรตอนอัดเข้าไป จะเกิดการเสียน้ำหนึ่งโมเลกุล แล้วจะได้สารมัธยันตร์ในรูปคาร์โบแคทอิออนที่พร้อมจะถูกนิวคลีโอไฟล์เข้าทำปฏิกิริยาด้วย ในที่สุดก็จะได้อะซีตัลหรือ คีทัล ตามแต่ประเภทของสารประกอบคาร์บอนิลตั้งต้น

จากนั้นในขั้นตอนต่อมาจึงเกิดการพร้อมจากนั้นจะเป็นการแทนที่ด้วยหมู่นิวคลีโอไฟล์อีกทีนึง

สังเกตกันไหมครับว่าตำแหน่งที่เป็นจุดเติมด้วยแอลกอฮอล์มักจะเป็นตำแหน่งคาร์บอนที่เราเรียกว่า อาโนเมอริคคาร์บอน(Anomeric carbon) ซึ่งอาโนเนี่ยไม่ได้เกี่ยวอะไรกับคิขุอาโนเนะเลย แต่ถ้าใครยังจะพอจำหลักสเตอรีโอเคมีได้บ้าง ก็น่าจะGet นะครับ เพราะถ้าเราเขียนโครงสร้างน้ำตาลเป็นแบบฟิชเชอร์ เราจะเห็นชัดเลยว่า ในตำแหน่งดังกล่าวนี้ จะเป็นจุดที่คาร์บอนโยงใยกับออกซิเจนสองโมเลกุล ดังนั้นถ้าเราวัดการหมุนระนาบแสงค่าที่ได้ก็จะเปลี่ยนไปด้วย

สำหรับบทบาทของสารประกอบพวกอะซีตัล และคีทัล นอกจากจะทำให้เราเรียนไปงงไปแล้ว ยังเป็นกลไกในการป้องกันรักษาหมู่คาร์บอนิลด้วยนะครับ เพราะอย่างที่เราทราบกันดีอยู่แล้วว่าสารประกอบคาร์บอนิลตัวเล็กๆ สามารถออกซิไดส์และรีดักชันได้โดยไม่ยาก ดังนั้นธรรมชาติจึงได้สร้างปฏิกิริยานี้เพื่อรักษาสารประกอบคาร์บอนิลให้อยู่ในรูปอะซีตัล หรือ คีทัล ซึ่งจะไม่ถูกออกซิไดส์ หรือ รีดักชันได้โดยง่าย

ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาที่สารประกอบคาร์บอนิลทำปฏิกิริยากันเอง โดยถ้าเป็นการควบแน่นด้วยสารประกอบคาร์บอนิลหรือน้ำตาลคนละตัว เราจะเรียกว่า Crossed Condensation หรือในอีกชื่อคือ Claisen-Schmidt condensation ซึ่งเป็นการตั้งชื่อตามผู้ที่นำเสนอกลไกของปฏิกิริยานี้คือ Rainer Ludwig Claisen และ J. G. Schmidt ในปี 1880 และ1881ตามลำดับ

จากตัวอย่างข้างต้น เมื่อเราทำการขจัดน้ำออกจาก Aldol product ก็จะได้ Aldol condensation product ก็จะถือว่าสิ้นสุดปฏิกิริยา Aldol condensation

ในการที่สารประกอบคาร์บอนิลจะเกิดแอลดอลคอนเดนเซชันได้นั้น โครงสร้างโมเลกุลในตำแหน่งแอลฟ่า ที่ถัดออกมาจากหมู่คาร์บอนิลจะต้องไฮโดรเจนอย่างน้อย1อะตอม เพื่อที่จะทำให้เกิดอีนอล หรือคา์ร์แบนอิออนในระดับชั้นมัธยันตร์(ลองปรับให้อยู่ในรูปเทาโทเมอร์ดูนะครับ แล้วจะเข้าใจ) ไม่เช่นนั้นก็จะไม่เกิดปฏิกิรยาในลำดับต่อมาเลย