Semi-empirical study of the molecular interaction of paracetamol with lignosulfonated ammonium, sulfur, calcium and sodium in acidic and basic aqueous environments

हर दिन, जल उपचार संयंत्र हमारी नदियों और नलों को सुरक्षित बनाने के लिए अथक परिश्रम करते हैं, फिर भी एक निरंतर और अदृश्य चुनौती बनी हुई है। जब लोग सामान्य दर्द निवारक दवाएं लेते हैं, तो मानव शरीर हर एक अणु को अवशोषित नहीं कर पाता है। बचे हुए अंश गुर्दों से होकर गुजरते हैं और अपशिष्ट जल प्रणाली में प्रवेश कर जाते हैं। ये सूक्ष्म रासायनिक अंश, जिन्हें फार्माकोलॉजिकली एक्टिव सब्सटेंस (औषधीय रूप से सक्रिय पदार्थ) के रूप में जाना जाता है, मानक फिल्टरों द्वारा पकड़े जाने के लिए बहुत छोटे हैं और प्राकृतिक धूप में टूटने के लिए बहुत स्थिर हैं। वे उपचार प्रक्रिया से फिसल जाते हैं, पर्यावरण में पुन: प्रवेश करते हैं, और अंततः खाद्य और जल आपूर्ति में वापस चक्रित होते हैं, जहाँ वे जलीय जीवन के व्यवहार और प्रजनन को बाधित कर सकते हैं और संभावित रूप से मानव स्वास्थ्य को प्रभावित कर सकते हैं। इन अवशेषों के बीच, पैरासिटामोल सबसे आम दवाओं में से एक है, जो सर्दी की दवाओं से लेकर साधारण दर्द निवारक तक सब कुछ में पाई जाती है। वैज्ञानिक लंबे समय से एक तरीका खोज रहे हैं कि कैसे इन अणुओं को जंगल में भागने से पहले फंसाया जाए, और वे ऐसे पदार्थों की तलाश कर रहे हैं जो उन्हें पकड़ने के लिए एक जाल की तरह काम कर सकें।

ऐसा ही एक पदार्थ है लिग्नोसल्फोनेट, जो कागज उद्योग का एक उपोत्पाद है और पहले से ही खाद्य सामग्री से लेकर निर्माण कार्य तक में एक बाइंडिंग एजेंट के रूप में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। यह लकड़ी से प्राप्त एक बड़ा, जटिल अणु है, और शोधकर्ताओं ने सोचा कि क्या इसकी अनूठी संरचना को पानी में दवा के अवशेषों को पकड़ने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। कोलंबिया के यूनिवर्सिटी ऑफ कौका के वैज्ञानिकों की एक टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके इस विचार का परीक्षण करने का निर्णय लिया। उन्होंने लैब के बीकर में रसायन नहीं मिलाए; इसके बजाय, उन्होंने पैरासिटामोल और विभिन्न प्रकार के लिग्नोसल्फोनेट के डिजिटल मॉडल बनाए, और उन्हें शुद्ध पानी से लेकर अम्लीय और क्षारीय घोलों तक विभिन्न प्रकार के पानी के आभासी वातावरणों में रखा। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या ये लकड़ी से प्राप्त अणु स्वाभाविक रूप से दवा के अणुओं से चिपकेंगे और यदि हाँ, तो उस बंधन की मजबूती कितनी होगी।

शोधकर्ताओं ने पैरासिटामोल अणु के बुनियादी व्यवहार का मानचित्रण करके शुरुआत की। उन्होंने पाया कि निर्वात (वैक्यूम) में, अणु एक विद्युत विसंवाहक (इंसुलेटर) के रूप में कार्य करता है, जिसका अर्थ है कि यह बिजली का संचालन नहीं करता है, लेकिन पानी से घिरे होने पर इसका व्यवहार काफी बदल जाता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि पैरासिटामोल का पानी के प्रति गहरा आकर्षण है, और पानी में डूबे होने पर यह बहुत अधिक स्थिर हो जाता है। हालाँकि, अणु हर जगह समान रूप से प्रतिक्रियाशील नहीं है। अणु के सबसे सक्रिय हिस्से इसके नाइट्रोजन और ऑक्सीजन परमाणुओं के आसपास स्थित होते हैं। जब अणु कोई विद्युत आवेश प्राप्त करता है या खो देता है, तो ये प्रतिक्रियाशील क्षेत्र विस्तृत हो जाते हैं, जिससे अणु के अपने परिवेश के साथ संपर्क करने की संभावना बढ़ जाती है। अणु कहाँ रासायनिक रूप से सबसे अधिक "जीवित" है, इस समझ ने लिग्नोसल्फोनेट के साथ इसके संपर्क का परीक्षण करने की नींव रखी।

इसके बाद, टीम ने लिग्नोसल्फोनेट अणुओं को पेश किया, जो उनसे जुड़े धातु आयनों (जैसे अमोनियम, सल्फर, कैल्शियम या सोडियम) के आधार पर विभिन्न प्रकार के होते हैं। उन्होंने खाली स्थान और पानी दोनों में दवा और इस लकड़ी के उपोत्पाद के विभिन्न संस्करणों के बीच की अंतःक्रिया का अनुकरण किया। परिणामों ने खुलासा किया कि इन सामग्रियों के व्यवहार में एक स्पष्ट अंतर है। अमोनियम या सल्फर वाले संस्करण पैरासटामोल अणु के साथ अगल-बगल में संरेखित होने की प्रवृत्ति रखते हैं, जैसे दो किताबें एक साथ रखी गई हों। हालांकि वे करीब तो आते हैं, लेकिन वे दवा के चारों ओर नहीं लिपटे। इसके विपरीत, कैल्शियम या सोडियम युक्त लिग्नोसल्फोनेट अणुओं ने अलग तरह से व्यवहार किया। ये संस्करण अंदर की ओर मुड़ने लगे, प्रभावी रूप से पैरासिटामोल अणु को घेर लिया। कैल्शियम और सोडियम परमाणु जोड़ने वाले बिंदुओं के रूप में कार्य करते हैं, जो बड़े लिग्नोसल्फोनेट ढांचे को छोटे दवा अणु के चारों ओर इस तरह खींचते हैं जो एक आलिंगन (गले मिलने) जैसा दिखता है।

सिमुलेशन ने दिखाया कि यह "आलिंगन" केवल एक दृश्य जिज्ञासा नहीं थी बल्कि एक मजबूत रासायनिक बंधन का संकेत था। जब शोधकर्ताओं ने इन जोड़ों को एक साथ थामे रखने के लिए आवश्यक ऊर्जा की गणना की, तो उन्होंने पाया कि पैरासिटामोल और कैल्शियम-आधारित लिग्नोसल्फोनेट का संयोजन सबसे अधिक स्थिर था। यह स्थिरता और भी बढ़ गई जब सिमुलेशन में पानी को अम्लीय बनाया गया, विशेष रूप से सल्फ्यूरिक एसिड मिलाकर। इस अम्लीय वातावरण में, कैल्शियम-आधारित लिग्नोसल्फोनेट न केवल पैरासटामोल के चारों ओर लिपट गया, बल्कि इसने आसपास के पानी के अणुओं को भी जोड़े के चारों ओर कसकर क्लस्टर (समूह) बना दिया। यह सुझाव देता है कि अम्लीय स्थितियाँ लकड़ी के उपोत्पाद को दवा और पानी को एक साथ इकट्ठा करने में मदद करती हैं। सल्फर-आधारित लिग्नोसल्फोनेट ने भी आशाजनक प्रदर्शन किया, जो दवा के साथ एक सख्त संरेखण बनाता है, लेकिन कैल्शियम संस्करण ने लगातार अणु को पकड़ने और थामे रखने की सबसे मजबूत प्रवृत्ति प्रदर्शित की।

अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि हालांकि लिग्नोसल्फोनेट पैरासिटामोल के साथ अंतःक्रिया कर सकते हैं, लेकिन उनकी प्रभावशीलता इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करती है कि लकड़ी के उपोत्पाद के साथ कौन से धातु आयन जुड़े हुए हैं और पानी की रासायनिक प्रकृति क्या है। कैल्शियम-आधारित संस्करण दवा को घेरने में सबसे प्रभावी साबित हुआ, एक ऐसा व्यवहार जो अम्लीय स्थितियों में और बढ़ गया। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि कैल्शियम-आधारित लिग्नोसल्फोनेट पहले से ही व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं और खाद्य उद्योग में सुरक्षित रूप से उपयोग किए जाते हैं, जो यह सुझाव देता है कि अपशिष्ट जल को साफ करने के लिए इनका उपयोग करना एक व्यावहारिक और किफायती समाधान हो सकता है। इसे जल उपचार के दौरान सेटलिंग टैंकों में जोड़कर, इन मायावी दवा अवशेषों को पारिस्थितिकी तंत्र में प्रवेश करने से पहले ही पकड़ना संभव हो सकता है। यह कार्य अभी एक सिमुलेशन है, जो इस बात का विस्तृत विवरण है कि ये अणु एक आभासी दुनिया में कैसे व्यवहार करते हैं, लेकिन यह एक विशिष्ट, वास्तविक दुनिया की सामग्री की ओर इशारा करता है जो जल प्रबंधन की बढ़ती समस्या को हल करने में मदद कर सकती है।