A Rule-Breaking Class of Planar Central Chiral Molecules in Planar Tetracoordinate Carbon Systems

एक सदी से अधिक समय से, कार्बनिक रसायन विज्ञान का मौलिक नियम यह रहा है कि एक कार्बन परमाणु, जब वह अन्य चार चीजों से बंधा होता है, तो वह स्वयं को एक त्रिविमीय पिरामिड के आकार में व्यवस्थित करता है जिसे टेट्राहेड्रोन (tetrahedron) कहा जाता है। यह ज्यामिति ही वह कारण है जिसकी वजह से कई अणुओं में "हाथों जैसापन" (handedness) होता है, जिसे काइरैलिटी (chirality) कहा जाता है। ठीक वैसे ही जैसे एक बायां हाथ दूसरे हाथ पर पूरी तरह से नहीं चढ़ सकता, काइरल अणु अपने दर्पण-छवि वाले दो रूपों में मौजूद होते हैं जो जैविक प्रणालियों में अलग तरह से व्यवहार करते हैं। यह जीवन के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि हमारे शरीर का निर्माण करने वाले प्रोटीन अमीनो एसिड के एक विशिष्ट हाथ से बने होते हैं, जबकि हमें ऊर्जा देने वाली शर्करा (sugars) दूसरे हाथ से आती है। दशकों से, वैज्ञानिकों ने यह भी पता लगाने की कोशिश की है कि क्या कार्बन इस पिरामिड नियम को तोड़कर चार बंधों को थामे हुए भी एक एकल तल (plane) में सपाट रह सकता है, जिसे 'प्लानर टेट्राकोऑर्डिनेट कार्बन' (planar tetracoordinate carbon) की अवधारणा कहा जाता है। हालांकि शोधकर्ताओं ने कार्बन को इस सपाट आकार में ढालने के तरीके खोज लिए हैं, लेकिन यह प्रश्न अनसुलझा रहा कि क्या ऐसा सपाट कार्बन परमाणु एक काइरल, हाथ वाले अणु का केंद्र भी हो सकता है।

वेल्लोर इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी, भारत के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस पहेली का समाधान प्रस्तावित किया है, जिसमें उन्होंने एक नए प्रकार के अणुओं का वर्णन किया है जहाँ एक सपाट कार्बन परमाणु एक काइरल केंद्र के रूप में कार्य करता है। अपने अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने आठ अलग-अलग आणविक संरचनाओं को डिजाइन करने और परीक्षण करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि एक एकल केंद्रीय कार्बन परमाणु को चार विशिष्ट पड़ोसियों—विशेष रूप से हाइड्रोजन, फ्लोरीन, बोरॉन, एल्युमीनियम और बेरिलियम के संयोजनों—से घेरकर, वे एक स्थिर, सपाट अणु बना सकते हैं जिसमें हाथों जैसापन (handedness) मौजूद है। यह सामान्य रसायन विज्ञान से एक महत्वपूर्ण विचलन है क्योंकि, मानक रसायन विज्ञान में, चार बंधों वाला एक सपाट कार्बन परमाणु आमतौर पर उस विषमता (asymmetry) की कमी रखता है जो काइरैलिटी के लिए आवश्यक होती है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि ये सपाट अणु दर्पण-छवि वाले जोड़ों में मौजूद हैं, ठीक बाएं और दाएं हाथों की तरह, और ये जोड़े प्रयोगशाला में अध्ययन करने के लिए पर्याप्त रूप से रासायनिक रूप से स्थिर हैं।

शोधकर्ताओं ने इन अणुओं को भौतिक टेस्ट ट्यूब और रसायनों के साथ नहीं बनाया; इसके बजाय, उन्होंने उन्हें उन्नत गणितीय मॉडलों का उपयोग करके कंप्यूटर के भीतर बनाया जो यह भविष्यवाणी करते हैं कि परमाणु आपस में कैसे क्रिया करते हैं। उन्होंने संभावित आकृतियों का खाका खींचना शुरू किया जहाँ एक केंद्रीय कार्बन चार अलग-अलग परमाणुओं से बंधा होता है लेकिन उसे सपाट रहने के लिए मजबूर किया जाता है। फिर उन्होंने कठोर गणनाएँ चलाईं ताकि यह देखा जा सके कि क्या ये आकृतियाँ एकजुट रहेंगी या ढह जाएँगी। परिणाम उत्साहजनक थे: उनके द्वारा प्रस्तावित सभी आठ संरचनाएँ बिना किसी अस्थिरता के स्थिर स्थितियों में स्थापित हुईं। इन सपाट आकृतियों के काम करने के पीछे के कारणों को समझने के लिए, टीम ने उन अदृश्य बलों का बारीकी से अध्ययन किया जो परमाणुओं को एक साथ थामे रखते हैं। उन्होंने पाया कि आसपास के परमाणु, विशेष रूप से बोरॉन और एल्युमीनियम, इलेक्ट्रॉनिक एंकर (electronic anchors) के रूप में कार्य करते हैं। ये परमाणु केंद्रीय कार्बन को इलेक्ट्रॉन दान करते हैं और बदले में एक साझा, संचारित बादल (circulating cloud) के माध्यम से इलेक्ट्रॉन स्वीकार भी करते हैं। इलेक्ट्रॉनों का यह निरंतर प्रवाह, जो पूरी सपाट संरचना पर फैला हुआ है, एक गोंद की तरह कार्य करता है जो असामान्य ज्यामिति को स्थिर करता है, जिससे कार्बन को तल से बाहर निकलने से रोका जा सके।

यह पुष्टि करने के लिए कि ये सपाट अणु वास्तव में काइरल हैं न कि केवल अलग दिखने वाली सपाट आकृतियाँ, टीम ने यह सिम्युलेट किया कि वे प्रकाश के साथ कैसे क्रिया करेंगे। उन्होंने यह गणना की कि अणु बाईं ओर और दाईं ओर के गोलाकार ध्रुवीकृत प्रकाश (circularly polarized light) को कैसे अवशोषित करेंगे, जो दर्पण-छवि वाले रूपों के बीच अंतर करने के लिए उपयोग की जाने वाली एक तकनीक है। सिमुलेशन ने दिखाया कि उनके द्वारा डिजाइन किए गए प्रत्येक अणु के लिए, उसका दर्पण-छवि वाला साथी प्रकाश को बिल्कुल विपरीत तरीके से अवशोषित करता है। यदि अणु का एक संस्करण प्रकाश से टकराने पर एक विशिष्ट संकेत उत्पन्न करता है, तो उसका दर्पण-छवि वाला संस्करण उसी शक्ति के साथ लेकिन विपरीत दिशा में संकेत उत्पन्न करता है। प्रकाश अवशोषण में यह दर्पण-छवि व्यवहार अणुओं में काइरैलिटी के लिए आवश्यक विशिष्ट हाथों वालेपन की पुष्टि करता है, भले ही उनका केंद्रीय कार्बन परमाणु पिरामिड के बजाय सपाट हो।

अध्ययन ने यह भी पहचाना कि इनमें से कुछ सपाट अणुओं के संरचनात्मक जुड़वां होते हैं, जिन्हें आइसोमर्स (isomers) कहा जाता है, जो समान परमाणुओं को साझा करते हैं लेकिन उन्हें एक अलग क्रम में जोड़ते हैं। शोधकर्ताओं ने इन विभिन्न संस्करणों को एक साथ रखने के लिए आवश्यक ऊर्जा की तुलना की और पाया कि एक विशिष्ट व्यवस्था लगातार दूसरी की तुलना में अधिक स्थिर थी। यह सुझाव देता है कि यदि कोई रसायन शास्त्री प्रयोगशाला में इन अणुओं को बनाने का प्रयास करता है, तो उन्हें संभवतः अधिक स्थिर संस्करण ही पहले मिलेगा। टीम ने उल्लेख किया कि इन सपाट, काइरल अणुओं में एक विशिष्ट विद्युत आवेश वितरण होता है, जिसका अर्थ है कि वैज्ञानिक इन्हें रोटेशनल स्पेक्ट्रोस्कोपी (rotational spectroscopy) का उपयोग करके पहचान सकते हैं, जो यह मापता है कि अणु हवा में कैसे घूमते हैं।

हालाँकि ये अणु वर्तमान में केवल कंप्यूटर मॉडल के रूप में मौजूद हैं, लेकिन ये निष्कर्ष आणविक आकार और समरूपता (symmetry) को समझने के लिए एक नया द्वार खोलते हैं। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि इन सपाट, काइरल संरचनाओं का उपयोग अंततः उत्प्रेरकों (catalysts)—ऐसे पदार्थों जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज करते हैं—को बनाने के लिए किया जा सकता है, जहाँ अणु का विशिष्ट हाथों वालापन एक प्रकार के उत्पाद के चयन के लिए महत्वपूर्ण होता है। इस लंबे समय से चले आ रहे नियम को तोड़कर कि एक काइरल केंद्र को तीन-आयामी पिरामिड होना चाहिए, यह कार्य रसायन विज्ञान के डिजाइन के लिए उपलब्ध टूलकिट का विस्तार करता है। यह प्रदर्शित करता है कि आणविक ज्यामिति के नियम पहले की तुलना में अधिक लचीले हैं, जो सपाट, स्थिर और हाथ वाले कार्बन केंद्रों की अनुमति देते हैं जो एक दिन उन्नत रासायनिक विनिर्माण और सामग्री विज्ञान में भूमिका निभा सकते हैं।