Chiral Discrimination and Mechanistic Study of Enantiomers R-1,1'-Bi-2-naphthol and S-1,1'-Bi-2-naphthol in Briggs-Rauscher Oscillatory Chemical System

रसायन विज्ञान की दुनिया में, अणु अक्सर एक-दूसरे के दर्पण प्रतिबिंब वाले जोड़ों में आते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक बायां हाथ और एक दायां हाथ। ये जोड़े, जिन्हें एनैन्टीओमर्स (enantiomers) कहा जाता है, समान परमाणुओं और समान बंधों को साझा करते हैं, फिर भी वे एक-दूसरे पर अध्यारोपित (superimpose) नहीं किए जा सकते। यह सूक्ष्म अंतर, जिसे काइरैलिटी (chirality) कहा जाता है, अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि जीवित प्रणालियाँ इस बात के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होती हैं कि उनका उपयोग कौन सा "हाथ" कर रहा है। सही दर्पण प्रतिबिंब से बनी दवा बीमारी को ठीक कर सकती है, जबकि उसका जुड़वां अप्रभावी या यहाँ तक कि हानिकारक भी हो सकता है। इन दोनों रूपों के बीच अंतर करना वैज्ञानिकों के लिए एक मौलिक चुनौती है, फिर भी यह बहुत कठिन है क्योंकि दोनों संस्करण मानक रासायनिक परीक्षणों में लगभग एक जैसा व्यवहार करते हैं। उन्हें अलग करने की पारंपरिक विधियों के लिए अक्सर महंगे उपकरणों, जटिल तैयारी, या विशेष सामग्रियों के उपयोग की आवश्यकता होती है जो काम करने में कठिन हो सकती हैं।

शोधकर्ताओं ने लंबे समय से अंतर पहचानने के तरीके खोजने की कोशिश की है, वे एक ऐसी प्रतिक्रिया की तलाश में रहे हैं जो दाएं हाथ वाले संस्करण की तुलना में बाएं हाथ वाले संस्करण के प्रति अलग तरह से प्रतिक्रिया दे। ऐसा ही एक उदाहरण ब्रिग्स-राउस्लर (Briggs-Rauscher) दोलन प्रणाली है, जो एक आकर्षक रासायनिक मिश्रण है जो एक लयबद्ध, दोहराव वाले पैटर्न में रंग और विद्युत वोल्टेज बदलता है। कल्पना कीजिए कि एक बीकर में तरल पदार्थ पीला, नारंगी और भूरा होता है, जबकि इसका विद्युत विभव विभिन्न रासायनिक प्रजातियों के बीच निरंतर संघर्ष के कारण ऊपर-नीचे होता है। यह प्रणाली अपने वातावरण के प्रति संवेदनशील है; यदि इसमें कुछ ऐसा जोड़ा जाता है जो प्रतिक्रिया के नाजुक संतुलन में हस्तक्षेप करता है, तो लय रुक जाती है। व्यवधान के बाद लय को फिर से शुरू होने में लगने वाला समय उस पदार्थ के बारे में छिपे हुए विवरणों को प्रकट कर सकता है जिसने विराम का कारण बनाया था।

अनहुई सिनहुआ विश्वविद्यालय और अनहुई विश्वविद्यालय, चीन के वैज्ञानिकों की एक टीम ने हाल ही में दो विशिष्ट दर्पण-प्रतिबिंब अणुओं: R-1,1'-bi-2-naphthol और S-1,1'-bi-2-naphthol को पहचानने के लिए इस लयबद्ध रासायनिक प्रणाली का उपयोग किया। ये अणु अन्य जटिल रसायनों को बनाने के लिए मूल्यवान उपकरण हैं, विशेष रूप से दवाओं और सूक्ष्म सामग्रियों के निर्माण में। शोधकर्ताओं ने यह देखना चाहा कि क्या दोलनशील प्रणाली R और S संस्करणों के बीच अंतर करने के लिए एक सरल डिटेक्टर के रूप में कार्य कर सकती है। उन्होंने सल्फ्यूरिक एसिड, पोटेशियम आयोडेट, मैलोनिक एसिड, हाइड्रोजन पेरोक्साइड और एक विशेष निकल-आधारित उत्प्रेरक युक्त एक घोल तैयार किया। जब इन्हें मिलाया गया, तो इस घोल ने दोलन करना शुरू कर दिया, जो रंगों के बीच झपकी लेने और अपने विद्युत विभव को एक स्थिर, अनुमानित लूप में बदलने लगा।

अपने विचार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने चक्र के एक सटीक क्षण पर अणु के R संस्करण या S संस्करण की सूक्ष्म मात्रा को दोलनशील मिश्रण में पेश किया। उन्होंने पाया कि दोनों अणुओं ने लय को रोक दिया, लेकिन उन्होंने अलग-अलग समय के लिए ऐसा किया। जब R संस्करण को जोड़ा गया, तो दोलन एक लंबे समय के लिए रुका और फिर फिर से शुरू हुआ। जब ठीक उन्हीं परिस्थितियों में S संस्करण को जोड़ा गया, तो विराम स्पष्ट रूप से छोटा था। मौन की इस अवधि में अंतर ने शोधकर्ताओं को यह पहचानने की अनुमति दी कि कौन सा अणु मौजूद था, केवल यह मापकर कि रासायनिक घड़ी कितनी देर तक रुकी रही। यह प्रभाव विभिन्न सांद्रताओं (concentrations) में सुसंगत था; उन्होंने अणु की जितनी अधिक मात्रा डाली, विराम उतना ही लंबा हुआ, लेकिन R संस्करण ने हमेशा S संस्करण की तुलना में अधिक देरी की।

यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, वैज्ञानिकों ने इस परस्पर क्रिया की रसायन विज्ञान में गहराई से जांच की। उन्होंने साइक्लिक वोल्टामेट्री (cyclic voltammetry) नामक एक तकनीक का उपयोग किया, जो यह मापती है कि कोई पदार्थ कितनी आसानी से इलेक्ट्रॉन देता है, यह देखने के लिए कि अणु मिश्रण के अवयवों के साथ कैसे प्रतिक्रिया करते हैं। उन्होंने पाया कि R संस्करण अधिक आसानी से ऑक्सीकृत (oxidized) हो जाता है, जिसका अर्थ है कि यह घोल में मौजूद एक विशिष्ट रेडिकल प्रजाति के साथ अधिक तत्परता से प्रतिक्रिया करता है। यह रेडिकल, जिसे हाइड्रोपरॉक्सिल रेडिकल (hydroperoxyl radical) के रूप में जाना जाता है, रासायनिक दोलन को जारी रखने के लिए आवश्यक है। चूंकि R संस्करण इस रेडिकल के साथ अधिक आक्रामक रूप से प्रतिक्रिया करता था, इसलिए इसने इस रेडिकल का अधिक उपभोग किया, जिससे उस संतुलन में व्यवधान आया जो लय को जारी रखने के लिए आवश्यक था। S संस्करण ने भी प्रतिक्रिया की, लेकिन कम तीव्रता से, जिससे सिस्टम जल्दी ही अपनी लय को पुनः प्राप्त करने में सक्षम हुआ।

आगे के विश्लेषण ने पुष्टि की कि अणु वास्तव में इस प्रक्रिया के दौरान रासायनिक रूप से परिवर्तित हो रहे थे। प्रतिक्रिया के बाद उत्पादों की जांच करके, शोधकर्ताओं ने पाया कि अणुओं पर हाइड्रॉक्सिल समूह कार्बोनिल समूहों में परिवर्तित हो गए थे, जो ऑक्सीकरण का संकेत है। उन्होंने यह भी देखा कि R संस्करण से बने उत्पाद S संस्करण की तुलना में समय के साथ तेजी से टूट जाते हैं। इन निष्कर्षों ने इस विचार का समर्थन किया कि विराम की अवधि का कारण हाइड्रोपरॉक्सिल रेडिकल के साथ प्रत्येक अणु की परस्पर क्रिया की शक्ति थी। R संस्करण एक अधिक प्रभावी स्कैवेंजर (scavenger) के रूप में कार्य करता था, जिसने रेडिकल को हटा दिया, जिससे सिस्टम को लय बहाल करने के लिए अधिक समय तक प्रतीक्षा करनी पड़ी।

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एक रासायनिक दोलक (oscillator) दर्पण-प्रतिबिंब अणुओं के बीच अंतर करने के लिए एक सरल और संवेदनशील उपकरण के रूप में कार्य कर सकता है। जटिल पृथक्करण तकनीकों या महंगे उपकरणों पर निर्भर रहने के बजाय, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि समय का एक एकल माप—रासायनिक मौन की अवधि—आणविक पहचान को प्रकट कर सकता है। यह विधि विभिन्न सांद्रताओं में विश्वसनीय रूप से काम करती है, जो दोनों रूपों के बीच स्पष्ट अंतर प्रदान करती है। हालांकि यह अध्ययन सभी मौजूदा विधियों को बदलने का दावा नहीं करता है, लेकिन यह एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है कि कैसे गैर-रेखीय रासायनिक गतिकी (nonlinear chemical dynamics) को व्यावहारिक विश्लेषण के लिए उपयोग किया जा सकता है। परिणाम बताते हैं कि एक रासायनिक लय के प्रति व्यवधान के जवाब को देखकर, वैज्ञानिक उन सूक्ष्म अंतरों के बारे में जानकारी प्राप्त कर सकते हैं जो अन्यथा लगभग समान होते हैं।