เคมีอินทรีย์ของ พอลิเมอร์ ได้รวบรวมเนื้อหาเกี่ยวกับปฏิกิริยาการพอลิเมอไรเซชันแบบต่างๆ และงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง โดยแบ่งเนื้อหาออกเป็น 7 บท บทที่ 1 จะกล่าวถึงบทนำที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชัน ส่วนบทที่ 2 มีเนื้อหาเกี่ยวกับปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบขั้น โดยจะเน้นปฏิกิริยาการสังเคราะห์พอลิเมอร์ประเภทต่างๆ และได้แทรกเนื้อหาจลนศาสตร์ของปฏิกิริยานี้ ซึ่งจะทำให้เข้าใจว่าทำไมพอลิเมอร์ที่เตรียมด้วยวิธีนี้จึงมีการเพิ่มน้ำหนักโมเลกุลอย่างช้าๆ ในช่วงแรกของปฏิกิริยาและจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงท้ายของปฏิกิริยา รวมถึงทฤษฎีการเกิดเป็นตาข่ายพอลิเมอร์ ในบทที่ 3 เป็นปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบลูกโซ่อนุมูลอิสระ
พอลิเมอร์
โดยได้มีการแทรกเนื้อหาเกี่ยวกับจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาเพื่อแสดงให้เห็นความสัมพันธ์ของปริมาณของสารริเริ่มปฏิกิริยาและปริมาณของมอนอเมอร์ที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาและต่อน้ำหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์ นอกจากนี้ยังมีเนื้อหาเกี่ยวกับปฏิกิริยาโคพอลิเมอไรเซชันด้วย ส่วนเนื้อหาในบทที่ 4 บทที่ 5 และบทที่ 6 จะกล่าวถึงปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบไอออนิก แบบโคออร์ดิเนชันและแบบเปิดวง ตามลำดับ โดยเน้นรายละเอียดของกลไกการเกิดปฏิกิริยาพร้อมทั้งยกตัวอย่าง พอลิเมอร์ที่สำคัญที่สังเคราะห์ด้วยปฏิกิริยาเหล่านี้ ในบทที่ 7 จะเป็นการประยุกต์ใช้ปฏิกิริยาทางเคมีอินทรีย์เพื่อเพิ่มและดัดแปรหมู่ฟังก์ชันในโซ่พอลิเมอร์ รวมทั้งเทคนิคการสังเคราะห์พอลิเมอร์แบบกลุ่มและพอลิเมอร์แบบต่อกิ่งและมีเนื้อหาเกี่ยวกับปฏิกิริยาทางเคมีอินทรีย์ที่ใช้ในการเชื่อมต่อสารชีวโมเลกุลบนโซ่พอลิเมอร์ นอกจากนี้ยังได้แทรกบทความจากงานวิจัยที่น่าสนใจและที่เกี่ยวข้องกับเนื้อหาในแต่ละส่วนด้วย
1. บทนำเกี่ยวกับพอลิเมอร์
ในปัจจุบันมนุษย์มีการใช้วัสดุประเภทต่าง ๆ เพื่อการดำรงชีวิตเพิ่มมากขึ้น ทั้งนี้ เพื่อตอบสนองความต้องการขั้นพื้นฐานและเพื่ออำนวยความสะดวกในการดำรงชีวิต รวมทั้งเพื่อเป็นส่วนประกอบร่วมในการรักษาโรคและการดูแลสุขภาพ ซึ่งวัสดุที่มีการนำมาใช้มากที่สุด คือ พลาสติก โดยประชากรของโลกหนึ่งคน มีการใช้พลาสติกส่วนใหญ่ในรูปแบบวัสดุบรรจุภัณฑ์และอุปกรณ์เครื่องใช้ในครัวเรือนมากถึง 35 กิโลกรัมต่อปี [1] ทั้งนี้เนื่องจากพลาสติกเป็นวัสดุที่มีสมบัติหลากหลาย สามารถนำมาประยุกต์ใช้ให้เกิดประโยชน์ที่ตอบสนองต่อความต้องการของมนุษย์ได้ เช่น สมบัติที่แข็งแรง สมบัติการยืดหด สมบัติด้านความขุ่นและความใส สมบัติการนำไฟฟ้า สมบัติการดูดซับน้ำ สมบัติด้านความร้อนและการขยายตัว เป็นต้น [2] โดยพลาสติกเป็นส่วนหนึ่งของสารในกลุ่ม พอลิเมอร์ ซึ่งมีทั้งพอลิเมอร์ ที่ได้จากธรรมชาติและพอลิเมอร์ที่ได้จากการสังเคราะห์ทางเคมี ตัวอย่างพอลิเมอร์ที่ได้จากธรรมชาติ เช่น พอลิแซ็กคาไรด์ ยางธรรมชาติ เป็นต้น พอลิเมอร์ที่ได้จากการสังเคราะห์ทางเคมี เช่น พอลิเมอร์เพื่อการใช้งานในโรงงานอุตสาหกรรมที่ต้องทนการกัดกร่อนและทนต่อสารเคมี พอลิเมอร์เพื่อใช้ในทางการแพทย์ที่สามารถขึ้นรูปได้ตามต้องการและต้องทนต่ออุณหภูมิสูงได้เพื่อทำการฆ่าเชื้อ [3] ดังนั้น การเข้าใจเกี่ยวกับเคมีอินทรีย์ของพอลิเมอร์จะทำให้เราทราบได้ว่า พอลิเมอร์ที่อยู่รอบตัวเราเกิดขึ้นได้อย่างไร เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมีอินทรีย์ประเภทใด และมีสมบัติแบบใด รวมทั้งการนำไปประยุกต์ใช้ที่แตกต่างกัน
พอลิเมอร์
พอลิเมอร์และมอนอเมอร์แตกต่างกันอย่างไร
พอลิเมอร์และมอนอเมอร์แตกต่างกันอย่างไร โดยทั่วไปนิยามของ พอลิเมอร์ คือ โมเลกุลขนาดใหญ่ที่เกิดจากโมเลกุลขนาดเล็กต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์แบบซ้ำ ๆ จนเกิดเป็นโซ่พอลิเมอร์ โดยโมเลกุลขนาดเล็กที่เกิดปฏิกิริยาต่อกันเป็นโซ่นี้เรียกว่า มอนอเมอร์ การเขียนสูตรทั่วไปของพอลิเมอร์สามารถเขียนได้โดยการเขียนหน่วยซ้ำในวงเล็บ โดยส่วนใหญ่แล้วการอ่านชื่อพอลิเมอร์จะมีคำว่าพอลิ นำหน้าชื่อของมอนอเมอร์ ตาราง 1.1 แสดงตัวอย่างการอ่านชื่อและโครงสร้างทางเคมีของพอลิเมอร์ที่มีความสำคัญในเชิงพาณิชย์
2. ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบขั้น
ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบขั้น คือ ปฏิกิริยาที่มีการขยายโซ่และเพิ่มน้ำหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์เป็นแบบขั้นบันได เกิดจากการเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ของมอนอเมอร์ ที่มีฟังก์ชันมากกว่าหนึ่งหมู่ขึ้นไป และจะทำให้ได้พอลิเมอร์ที่มีหมู่ฟังก์ชันใหม่ขึ้น ในกรณีที่ปฏิกิริยา มีการใช้มอนอเมอร์แบบสองฟังก์ชัน (difunctional monomer) เท่านั้น จะได้ผลิตภัณฑ์เป็น พอลิเมอร์แบบโซ่ตรง ในกรณีที่มีมอนอเมอร์แบบหลายฟังก์ชัน (multifunctional molecule) ผสมอยู่ในปฏิกิริยาด้วย จะได้ผลิตภัณฑ์เป็นพอลิเมอร์ที่มีโครงสร้างเป็นกิ่งหรือตาข่ายเกิดขึ้น
3. ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบลูกโซ่อนุมูลอิสระ
ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบลูกโซ่จัดเป็นปฏิกิริยาการเพิ่ม โดยกลไกการเกิดปฏิกิริยานี้ มีหลายประเภทซึ่งขึ้นอยู่กับชนิดของโมเลกุลว่องไว เช่น อนุมูลอิสระ แคทไอออน แอนไอออน และโคออร์ดิเนชัน เป็นต้น โดยในกรณีที่ปฏิกิริยาใช้มอนอเมอร์ชนิดมอนอเมอร์ไวนิล จะสามารถทำนายแนวโน้มของกลไกการเกิดปฏิกิริยาโดยการพิจารณาหมู่แทนที่ว่ามีสมบัติการเป็นหมู่ ให้อิเล็กตรอนหรือหมู่ดึงอิเล็กตรอน ซึ่งจะมีผลต่อความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่หมู่ไวนิล ของมอนอเมอร์ดังแสดงในตาราง 3.1 [4-5]
4. ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบลูกโซ่ไอออนิก
ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบลูกโซ่ไอออนิก เป็นปฏิกิริยาที่มีพอลิเมอร์ว่องไวเป็นประจุลบหรือประจุบวกอยู่ที่ปลายโซ่ดังรูป 4.1 ดังนั้นปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบลูกโซ่ไอออนิก แบ่งเป็น 2 ประเภทตามชนิดของประจุที่ปลายโซ่ ดังนี้
5. ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบลูกโซ่โคออร์ดิเนชัน
ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบลูกโซ่โคออร์ดิเนชัน เป็นปฏิกิริยาที่มีตัวเร่งปฏิกิริยา เป็นโลหะทรานซิชันที่สามารถเกิดสารประกอบเชิงซ้อนกับไพอิเล็กตรอนของมอนอเมอร์ จุดเด่นของปฏิกิริยานี้คือเป็นปฏิกิริยาที่สามารถควบคุมการจัดเรียงโครงสร้างสามมิติ (stereoregularity) ของพอลิเมอร์ได้ ขณะที่ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบอนุมูลอิสระและแบบไอออนิกไม่สามารถควบคุมการจัดเรียงโครงสร้างสามมิติของพอลิเมอร์ได้ แต่ข้อด้อยของปฏิกิริยาแบบลูกโซ่โคออร์ดิเนชัน คือ พอลิเมอร์ที่สังเคราะห์ได้จะมีค่า PDI อยู่ในช่วง 4-40 [6-7] ซึ่งแสดงถึงการกระจายของน้ำหนักโมเลกุลที่กว้างมากเมื่อเปรียบเทียบกับพอลิเมอร์ที่สังเคราะห์ได้จากปฏิกิริยาแบบอนุมูลอิสระและแบบไอออนิก นอกจากนี้พอลิเมอร์ที่เตรียมด้วยปฏิกิริยาแบบโคออร์ดิเนชัน ยังอาจมีโลหะทรานซิชันที่ปนเปื้อน ในผลิตภัณฑ์ จึงอาจไม่เหมาะในการนำพอลิเมอร์ที่สังเคราะห์ได้จากปฏิกิริยานี้ไปใช้ในงานที่เกี่ยวข้องกับสุขอนามัย เช่น วัสดุบรรจุอาหารหรือวัสดุที่เกี่ยวข้องกับทางการแพทย์ การสังเคราะห์พอลิเมอร์ด้วยปฏิกิริยาแบบลูกโซ่โคออร์ดิเนชันมีหลายประเภท ซึ่งใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน
6. ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบเปิดวง
ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบเปิดวง จัดเป็นปฏิกิริยาแบบลูกโซ่โดยการใช้มอนอเมอร์วงเป็นสารตั้งต้นและใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาการเปิดวง ซึ่งแตกต่างจากปฏิกิริยา แบบลูกโซ่ทั่วไปที่เป็นปฏิกิริยาการเพิ่มของมอนอเมอร์ไวนิล กลไกการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบเปิดวงอาจเป็นได้ทั้งแบบแอนไอออนิก แคทไอออนิกหรือโคออร์ดิเนชัน ปัจจัยที่ทำให้มอนอเมอร์เกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบเปิดวง ได้แก่ [8]
- ความเครียดภายในวงของมอนอเมอร์
- ความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนของหมู่เฮทเทอโรอะตอมภายในวง
7. หัวข้อพิเศษทางเคมีอินทรีย์ของพอลิเมอร์
บทนี้จะกล่าวถึงหัวข้อทางเคมีอินทรีย์ของพอลิเมอร์ที่น่าสนใจ โดยมีเนื้อหาเกี่ยวกับ การประยุกต์ใช้ปฏิกิริยาทางเคมีอินทรีย์เพื่อเพิ่มและดัดแปรหมู่ฟังก์ชันบนโซ่พอลิเมอร์ เพื่อออกแบบโครงสร้างทางเคมีของพอลิเมอร์และเพื่อเชื่อมต่อโมเลกุลที่สนใจลงบนโซ่พอลิเมอร์ ซึ่งเป็นการประยุกต์ ใช้ความรู้ทางเคมีอินทรีย์ผนวกกับความรู้ทางด้านปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันเพื่อสังเคราะห์พอลิเมอร์ ให้ได้สมบัติตามต้องการ โดยมีหัวข้อ ดังนี้
ปฏิกิริยาการเพิ่มหมู่ฟังก์ชันบนโซ่พอลิเมอร์ กล่าวถึง รายละเอียดเกี่ยวกับปฏิกิริยาเคมีเพื่อเพิ่มและดัดแปรหมู่ฟังก์ชันบนโซ่พอลิเมอร์ โดยหมู่ฟังก์ชันเหล่านี้จะมีประโยชน์ในการทำปฏิกิริยาต่อได้ เช่น ใช้ในการตรึงสารอินทรีย์หรือสารชีวโมเลกุลที่สนใจบนโซ่พอลิเมอร์ได้ หรือใช้ในปฏิกิริยาการเชื่อมโยงตาข่ายพอลิเมอร์ได้ เป็นต้น
การสังเคราะห์พอลิเมอร์ร่วมแบบกลุ่มและแบบต่อกิ่ง ซึ่งทำได้หลายแนวทางโดยแต่ละแนวทางจะมีประสิทธิภาพการสังเคราะห์ที่แตกต่างกัน
การเชื่อมต่อสารชีวโมเลกุลบนโซ่พอลิเมอร์ เป็นการเชื่อมต่อทั้งแบบพันธะโควาเลนต์ (covalent bonding) และแบบไม่ใช่พันธะโควาเลนต์ (non-covalent bonding) โดยผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการเชื่อมต่อสารชีวโมเลกุลนี้เรียกว่า ไบโอคอนจูเกต (bioconjugate)
เอกสารอ้างอิง
[1] Plastic life. (n.d.). Retrieved April 4, 2020, from https://www.plasticgarbageproject.org/en/plastic-life
[2] Polymer properties database. (n.d.). Retrieved April 4, 2020, from https://polymerdatabase.com/polymer%20classes/Polyphenylene type.html
[3] Engineered plastics for healthcare & medical applications. (n.d.). Retrieved April 4, 2020, from https://www.tss.trelleborg.com/en/healthcare/products-capabilities/materials/plastics
[4] Odian, G. (1993). Principles of Polymerization (3rd ed.). New York: John Wiley & Sons.
[5] Seymour, R.B., & Carraher, C.E. (1992). Polymer Chemistry: An Introduction (3rd ed.). New York: Marcel Dekker.
[6] Odian, G. (1993). Principles of Polymerization (3rd ed.). New York: John Wiley & Sons.
[7] Rempp, P., & Merrill, E. W. (1986). Polymer Synthesis. Heidelburg: Huthing & Wepf Verlag.
[8] Allcock, H.A., Lampe, F.W., & Mark, J.E. (2003). Contemporary polymer chemistry (3rd ed.). New York: Pearson Education, International.
