การคำนวณทฤษฎีฟังก์ชันนัลความหนาแน่นของแอลดอลคอนเดนเซชันระหว่างเฟอร์ฟิวรัลกับ 2-บิวทาโนน

Abstract

พลังงานฟอสซิลที่กำลังจะหมดไปและก่อให้เกิดปัญหาภาวะโลกร้อนเป็นปัจจัยหลักที่ทำให้มีการคิดค้นและพัฒนาพลังงานจากเชื้อเพลิงชีวภาพ (biofuel) มาทดแทน การผลิตเชื้อเพลิงเหลวที่มีมวลโมเลกุลสูงจากชีวมวลสามารถทำได้โดยการสร้างคู่พันธะคาร์บอน (C-C coupling) ของสารเคมีที่แปรรูปจากชีวมวล เช่น อะซีโตน (acetone), เฟอร์ฟิวรัล (furfural), 5-ไฮดรอกซีเมททิลเฟอร์ฟิวรัล (5-hydroxymethylfurfural) เป็นต้นด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา Chottiratanachote และ Ngamcharussrivichai ได้ศึกษาปฏิกิริยาควบแน่นแบบแอลดอล (aldol condensation) ระหว่างเฟอร์ฟิวรัลกับ 2-บิวทาโนน (2-butanone) บนตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะผสมของแมกนีเซียม-อะลูมิเนียม (Mg-Al) โดยสารประกอบแอลดอลที่เกิดขึ้นมีจำนวนคาร์บอน 9 อะตอม (C9) สองรูปแบบคือโซ่ตรง (C9S) และโซ่กิ่ง (C9B) ผลการทดลองพบว่า C9B เป็นผลิตภัณฑ์หลัก อย่างไรก็ตามงานวิจัยดังกล่าวไม่ได้อธิบายที่มาสภาพการเลือกจำเพาะของผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้น งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษากลไกและพลังงานที่เกี่ยวข้องในการเกิดปฏิกิริยาแอลดอลคอนเดนเซชันระหว่างเฟอร์ฟิวรัลกับ 2-บิวทาโนนในสภาวะแก๊สด้วยทฤษฎีฟังก์ชันนัลความหนาแน่น (Density Functional Theory, DFT) ปฏิกิริยาประกอบด้วย 3 ขั้นตอนหลัก ดังนี้ (1) การเกิดอีโนเลต (enolate) ของ 2-บิวทาโนน ซึ่งสามารถเกิดได้ 3 รูปแบบ คือ แอลฟา (alpha, α) แอลฟาไพรม์ (alpha prime, α’) และเบตา (beta, β) อีโนเลต (2) การสร้างคู่พันธะคาร์บอนระหว่างเฟอร์ฟิวรัลกับอีโนเลตของ 2-บิวทาโนน และ (3) การกำจัดน้ำเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์สุดท้าย ผลการคำนวณ DFT พบว่าพลังงานก่อกัมมันต์ของการเกิดผลิตภัณฑ์โครงสร้างโซ่ตรง (linear or C9S) ผ่าน α-อีโนเลตมีค่าน้อยกว่าผลิตภัณฑ์โครงสร้างโซ่กิ่ง (branched or C9B) ผ่าน α’-อีโนเลตและβ-อีโนเลตตามลำดับ ผลที่ได้สอดคล้องกับงานวิจัยก่อนหน้าที่ได้ศึกษาปฏิกิริยาควบแน่นแอลดอลของกรดลิวูลินิก (levulinic acid) กับ 5-ไฮดรอกซีเมททิลเฟอร์ฟิวรัลด้วย DFT ในสภาวะแก๊ส โดยเส้นทางการเกิดผลิตภัณฑ์โครงสร้างโซ่กิ่งจะมีพลังงานก่อกัมมันต์ที่สูงกว่าโครงสร้างโซ่ตรง