Photophysical and Antimicrobial Study of N,N'-Bis(salicylidene)ethylenediamine Schiff Base Metal Complexes (M = Zn(II), Ni(II), Co(II), Cr(II), Fe(III), V(IV), Cu(II), Pd(II))

सामग्री विज्ञान (materials science) की दुनिया में, शोधकर्ता अक्सर प्रेरणा के लिए प्रकृति के अपने ब्लूप्रिंट की ओर देखते हैं, ऐसी अणुओं की तलाश करते हैं जो केवल स्थिर रहने के बजाय कुछ अधिक कर सकें। ऐसे अणुओं का एक वर्ग 'शिफ बेस' (Schiff bases) के रूप में जाना जाता है। कल्पना कीजिए कि कार्बन, हाइड्रोजन, नाइट्रोजन और ऑक्सीजन से बना एक लचीला आणविक ढांचा, जिसे विशिष्ट हुक और लूप के साथ डिज़ाइन किया गया है ताकि वह धातु परमाणुओं को पकड़ सके। ये ढांचे स्थिर नहीं हैं; ये अनुकूलन योग्य मचानों (scaffolds) की तरह हैं जो जिस धातु को वे थामते हैं, उसके आधार पर अपना व्यवहार बदलते हैं। जब एक धातु आयन, जैसे कि जिंक या कॉपर, इस ढांचे के केंद्र में समा जाता है, तो पूरी संरचना का इलेक्ट्रॉनिक व्यक्तित्व बदल जाता है। यह परिवर्तन इस बात को बदल सकता है कि सामग्री प्रकाश को कैसे अवशोषित करती है, कैसे चमकती है, और यहाँ तक कि जीवित कोशिकाओं के साथ यह कैसे परस्पर क्रिया करती है। वैज्ञानिक विशेष रूप से इन परिवर्तनों में रुचि रखते हैं क्योंकि ये नए प्रकार के सेंसर, प्रकाश उत्सर्जक उपकरण, या संक्रमणों से लड़ने वाली दवाओं की ओर ले जा सकते हैं। इस विशिष्ट जांच को चलाने वाला प्रश्न सरल लेकिन गहरा है: यदि आप बिल्कुल एक ही आणविक ढांचे को लें और उसके केंद्र में धातु को बदल दें, तो सामग्री का व्यवहार कितनी नाटकीय रूप से बदल जाएगा?

संत गाडगे बाबा अमरावती विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं के एक दल ने इन धातु-युक्त ढांचों की एक श्रृंखला बनाकर इस उत्तर को खोजने का प्रयास किया। उन्होंने एक एकल, सुपरिभाषित आणविक कंकाल से शुरुआत की जिसे N,N'-बिस(सैलीसाइलिडीन)एथिलिंडायमाइन (N,N'-Bis(salicylidene)ethylenediamine) कहा जाता है। यह अणु एक टेट्राडेंटेट लिगैंड (tetradentate ligand) के रूप में कार्य करता है, जिसका अर्थ है कि इसमें चार विशिष्ट बिंदु हैं—दो नाइट्रोजन परमाणु और दो ऑक्सीजन परमाणु—जो एक धातु आयन को मजबूती से पकड़ने के लिए हाथ बढ़ाते हैं। शोधकर्ताओं ने पहले इस मूल अणु का संश्लेषण किया, और फिर, नियंत्रित प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला में, उन्होंने इसके केंद्र में आठ अलग-अलग धातु आयनों को पेश किया: जिंक, निकल, कोबाल्ट, क्रोमियम, आयरन, वैनेडियम, कॉपर और पैलेडियम। लक्ष्य यह देखना था कि प्रत्येक धातु, अपने अद्वितीय आकार और इलेक्ट्रॉनिक संरचना के साथ, अंतिम जटिल संरचना (complex) के गुणों को कैसे नया रूप देती है।

प्रक्रिया प्रयोगशाला में एक सीधी रासायनिक प्रतिक्रिया के साथ शुरू हुई। शोधकर्ताओं ने इथेनॉल के घोल में सैलीसाइलडिहाइड (salicylaldehyde), जो विंटरग्रीन ऑयल से प्राप्त एक तरल है, को एथिलिेंडायमाइन (ethylenediamine), जिसमें दो अमीन समूह होते हैं, के साथ मिलाया। जैसे ही मिश्रण को गर्म किया गया, दोनों घटकों ने मिलकर पीले रंग का क्रिस्टलीय शिफ बेस बनाया। एक बार जब इस आधार को अलग और शुद्ध कर लिया गया, तो टीम ने एक-एक करके धातु लवणों को पेश किया। उदाहरण के लिए, जब उन्होंने जिंक साल्ट मिलाया, तो हल्का पीला घोल हल्के क्रीम रंग में बदल गया, जो संकेत था कि धातु ने आणविक ढांचे में सफलतापूर्वक प्रवेश कर लिया है। अन्य धातुओं के साथ भी इसी तरह के रंग परिवर्तन देखे गए: निकल कॉम्प्लेक्स गहरे लाल-भूरे रंग में बदल गया, कोबाल्ट कॉम्प्लेक्स हरे-भूरे रंग का हो गया, और कॉपर कॉम्प्लेक्स नीले-हरे रंग में बदल गया। ये दृश्य परिवर्तन पहले संकेत थे कि धातु ने न केवल घोल में मिश्रण किया है, बल्कि जैविक ढांचे के साथ रासायनिक रूप से बंध भी गया है।

इन नए क्रिस्टल के भीतर क्या हुआ है, इसे समझने के लिए शोधकर्ताओं ने विभिन्न शक्तिशाली उपकरणों का उपयोग करके उनकी संरचना का अध्ययन किया। उन्होंने एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) का उपयोग किया, जो एक ऐसी तकनीक है जो सामग्री पर एक्स-रे डालती है ताकि यह पता चल सके कि उसके परमाणु कैसे व्यवस्थित हैं। परिणामों ने दिखाया कि मूल जैविक ढांचा कुछ हद तक अव्यवस्थित था, जिसमें परमाणु एक ढीले, अर्ध-क्रिस्टलीय तरीके से पैक किए गए थे। हालांकि, एक बार जब धातुएं मिला दी गईं, तो परमाणुओं ने बहुत अधिक व्यवस्थित, क्रिस्टलीय संरचनाओं में खुद को व्यवस्थित किया। इन छोटे व्यवस्थित क्षेत्रों का आकार काफी बढ़ गया, जो शुद्ध लिगैंड के लगभग 10 नैनोमीटर से बढ़कर धातु परिसरों (metal complexes) में 40 से 58 नैनोमीटर के बीच हो गया। इसने पुष्टि की कि धातु आयनों ने एंकर (anchors) के रूप में कार्य किया, जिससे लचीली आणविक श्रृंखलाएं एक अधिक कसी हुई, कठोर संरचना में बदल गईं।

शोधकर्ताओं ने एक शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे इन क्रिस्टल की सतह का भी परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि शुद्ध लिगैंड एक खुरदरा, असमान परिदृश्य जैसा दिखता था। इसके विपरीत, धातु परिसरों ने विशिष्ट आकृतियाँ प्रदर्शित कीं, जिनमें से कुछ पंखुड़ी जैसे गुच्छे बनाते थे। एलिमेंटल मैपिंग (Elemental mapping), जो एक रासायनिक मानचित्र की तरह कार्य करता है और दिखाता है कि विभिन्न परमाणु कहाँ स्थित हैं, ने पुष्टि की कि धातु परमाणु पूरी सामग्री में समान रूप से फैले हुए थे, जिससे यह सिद्ध हुआ कि जटिल संरचना (complex) केवल सतह पर नहीं बैठी थी बल्कि समान रूप से बनी थी। इन्फ्रारेड और रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (Infrared and Raman spectroscopy) का उपयोग करके, जो रासायनिक बंधों के कंपन को सुनते हैं, यह पता चला कि धातु ने वास्तव में नाइट्रोजन और ऑक्सीजन परमाणुओं को पकड़ा है। धातु को थामने वाले बंधों के कंपन मूल अणु से भिन्न थे, जो नए रासायनिक संबंध के फिंगरप्रिंट के रूप में कार्य करते हैं।

इन सामग्रियों के प्रकाश के साथ होने वाले व्यवहार के संबंध में सबसे आश्चर्यजनक खोजों में से एक थी। जब शोधकर्ताओं ने नमूनों पर एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य (wavelength) की पराबैंगनी (ultraviolet) रोशनी डाली, तो उन्होंने देखा कि सामग्रियां कैसे चमकती हैं और कितनी चमकती हैं। शुद्ध जैविक लिगैंड मध्यम तीव्रता के साथ चमका। हालांकि, जब कुछ धातुएं मिलाई गईं, तो यह चमक काफी बढ़ गई। निकल कॉम्प्लेक्स ने सबसे तीव्र प्रकाश उत्पन्न किया, जिसके ठीक बाद जिंक कॉम्प्लेक्स का स्थान रहा। यह सुझाव देता है कि धातु आयनों ने अणु को स्थिर करने में मदद की, जिससे वह ऊर्जा को प्रकाश के रूप में अधिक कुशलता से मुक्त कर सका। इसके विपरीत, आयरन कॉम्प्लेक्स सबसे कम चमका, क्योंकि संभवतः आयरन की विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक प्रकृति ऊर्जा को प्रकाश के बजाय ऊष्मा (heat) के रूप में अवशोषित करने और मुक्त करने की प्रवृत्ति रखती है। यह भिन्नता सिद्ध करती है कि धातु का चयन सामग्री की चमक को ट्यून करने के लिए एक सटीक डायल की तरह है।

अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि ये नई सामग्रियां सूक्ष्म जीवन के विरुद्ध कैसे लड़ सकती हैं। शोधकर्ताओं ने एक सामान्य बैक्टीरिया और एक सामान्य कवक (fungus) के विरुद्ध इन यौगिकों का परीक्षण किया, जिसमें एक मानक विधि का उपयोग किया गया जहाँ पदार्थों को पोषक एजार (nutrient agar) की प्लेट पर रखा जाता है ताकि यह देखा जा सके कि वे सूक्ष्मजीवों की वृद्धि को रोकते हैं या नहीं। परिणामों ने दिखाया कि धातु परिसर अकेले जैविक लिगैंड की तुलना में सूक्ष्मजीवी विकास को रोकने में आम तौर पर अधिक प्रभावी थे। पैलेडियम कॉम्प्लेक्स बैक्टीरिया को रोकने में सबसे सफल रहा, जिसने अपने चारों ओर सुरक्षा का एक स्पष्ट क्षेत्र बनाया जो एक मानक एंटीबायोटिक दवा द्वारा बनाए गए क्षेत्र के लगभग बराबर था। कवक के लिए, कॉपर कॉम्प्लेक्स ने सबसे अच्छा प्रदर्शन किया, जो कवक की वृद्धि को रोकने की मजबूत क्षमता प्रदर्शित करता है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि धातु ने संभवतः अणु को अधिक तैलीय (oily) बना दिया, जिससे यह सूक्ष्मजीवों की कठिन बाहरी दीवारों से आसानी से गुजर सका, जहाँ यह उनके आंतरिक कार्यों को बाधित कर सकता है।

इन आशाजनक परिणामों के बावजूद, लेखक सावधानी बरतते हुए कहते हैं कि यह कार्य तो बस शुरुआत है। उन्होंने अभी तक परमाणु सटीकता के साथ प्रत्येक कॉम्प्लेक्स के सटीक तीन-आयामी आकार का निर्धारण नहीं किया है, न ही उन्होंने यह मापा है कि प्रकाश कितनी देर तक चमकता है या ये सामग्रियां मानव कोशिकाओं के लिए कितनी विषाक्त हो सकती हैं। यह अध्ययन उपयोग किए गए धातु के प्रकार और परिणामी गुणों के बीच एक स्पष्ट संबंध स्थापित करता है, यह दिखाते हुए कि धातु को बदलकर एक अणु को मंद प्रकाश स्रोत से चमकदार स्रोत में, या एक कमजोर सूक्ष्मजीव-रोधी एजेंट से एक मजबूत एजेंट में बदला जा सकता है। ये निष्कर्ष बताते हैं कि धातु केंद्र को सावधानीपूर्वक चुनकर, वैज्ञानिक उन्नत प्रौद्योगिकियों या भविष्य की दवाओं के लिए विशिष्ट, अनुकूलित कार्यों वाली सामग्रियां डिजाइन कर सकते हैं। आगे का मार्ग इन सामग्रियों के काम करने के तरीके की गहरी जांच और यह भी देखने की दिशा में है कि क्या वे व्यापक उपयोग के लिए सुरक्षित हैं, लेकिन प्रारंभिक कदमों ने स्पष्ट रूप से सरल कार्बनिक अणुओं की क्षमता को नया रूप देने में धातु समन्वय (metal coordination) की शक्ति को प्रदर्शित किया है।