रसायनशास्त्रातील समावयवता

समावयवता म्हणजे काय? समावयव काय आहेत?#

समावयवता ही एक अशी घटना आहे ज्यामध्ये समान आण्विक सूत्र असलेल्या संयुगांची रचना भिन्न असते. या संयुगांना समावयव म्हणतात. समावयवता ही कार्बनी संयुगांमध्ये सामान्यपणे आढळणारी घटना आहे. समान आण्विक सूत्र असूनही, त्यांची रासायनिक आणि भौतिक गुणधर्म लक्षणीयरीत्या बदलू शकतात.

समावयवतेचे प्रकार#

समावयवतेचे दोन मुख्य प्रकार आहेत:

• संरचनात्मक समावयवता अशी घटना आहे ज्यामध्ये अणूंची जोडणी क्रम भिन्न असते. उदाहरणार्थ, ब्युटेन आणि आयसोब्युटेन हे संरचनात्मक समावयव आहेत. ब्युटेनमध्ये चार कार्बन अणूंची सरळ साखळी असते, तर आयसोब्युटेनमध्ये चार कार्बन अणूंची शाखायुक्त साखळी असते.
• स्टिरिओआयसोमरिझम अशी घटना आहे ज्यामध्ये अणू समान क्रमाने जोडलेले असतात, परंतु त्यांची अवकाशीय मांडणी भिन्न असते. उदाहरणार्थ, सिस-२-ब्युटीन आणि ट्रान्स-२-ब्युटीन हे स्टिरिओआयसोमर आहेत. सिस-२-ब्युटीनमध्ये दोन मिथाइल गट दुहेरी बंधाच्या एकाच बाजूला असतात, तर ट्रान्स-२-ब्युटीनमध्ये दोन मिथाइल गट दुहेरी बंधाच्या विरुद्ध बाजूंना असतात.

संरचनात्मक समावयवता#

संरचनात्मक समावयवतेचे पुढील अनेक प्रकारांमध्ये विभाजन करता येते:

• शृंखला समावयवता अशी घटना आहे जेव्हा रेणूमधील कार्बन अणू भिन्न शृंखलांमध्ये मांडलेले असतात. उदाहरणार्थ, ब्युटेन आणि आयसोब्युटेन हे शृंखला समावयव आहेत.
• स्थान समावयवता अशी घटना आहे जेव्हा रेणूमधील क्रियाशील गट कार्बन शृंखलेवर भिन्न स्थानांवर स्थित असतात. उदाहरणार्थ, १-ब्युटेनॉल आणि २-ब्युटेनॉल हे स्थान समावयव आहेत.
• क्रियाशील गट समावयवता अशी घटना आहे जेव्हा रेणूमध्ये भिन्न क्रियाशील गट उपस्थित असतात. उदाहरणार्थ, इथेनॉल आणि डायमिथाइल इथर हे क्रियाशील गट समावयव आहेत.

स्टिरिओआयसोमरिझम#

स्टिरिओआयसोमरिझमचे पुढील अनेक प्रकारांमध्ये विभाजन करता येते:

• भूमितीय समावयवता अशी घटना आहे जेव्हा रेणूमधील अणू दुहेरी बंधाभोवती भिन्न अवकाशीय मांडणीत असतात. उदाहरणार्थ, सिस-२-ब्युटीन आणि ट्रान्स-२-ब्युटीन हे भूमितीय समावयव आहेत.
• प्रकाशीय समावयवता अशी घटना आहे जेव्हा रेणूमधील अणू किरल केंद्राभोवती भिन्न अवकाशीय मांडणीत असतात. किरल केंद्र हा एक कार्बन अणू असतो जो चार भिन्न गटांशी बंधित असतो. उदाहरणार्थ, (R)-२-ब्युटेनॉल आणि (S)-२-ब्युटेनॉल हे प्रकाशीय समावयव आहेत.

समावयवतेचे महत्त्व#

समावयवता ही रसायनशास्त्रातील एक महत्त्वाची संकल्पना आहे कारण ती संयुगाचे गुणधर्म प्रभावित करू शकते. उदाहरणार्थ, संरचनात्मक समावयवांचे उत्कलनांक, द्रवणांक आणि घनता भिन्न असू शकतात. स्टिरिओआयसोमरची जैविक क्रिया भिन्न असू शकते. उदाहरणार्थ, थॅलिडोमाइडचा सिस समावयव हा टेराटोजन (गर्भविकृती निर्माण करणारा) आहे, तर ट्रान्स समावयव तसा नाही.

कार्बनी संयुगांचे रसायनशास्त्र समजून घेण्यासाठी समावयवता समजून घेणे आवश्यक आहे. औषधे आणि इतर रसायनांची जैविक क्रिया समजून घेण्यासाठीही ते महत्त्वाचे आहे.

समावयवांचे प्रकार#

समावयव हे असे रेणू आहेत ज्यांचे आण्विक सूत्र समान असते परंतु रचना भिन्न असते. समावयवांचे दोन मुख्य प्रकार आहेत: संरचनात्मक समावयव आणि स्टिरिओआयसोमर.

संरचनात्मक समावयव#

संरचनात्मक समावयवांचे आण्विक सूत्र समान असते परंतु बंधन व्यवस्था भिन्न असते. यामुळे भिन्न भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्म निर्माण होऊ शकतात. उदाहरणार्थ, ब्युटेन आणि आयसोब्युटेन हे दोन्ही हायड्रोकार्बन्स आहेत ज्यांचे आण्विक सूत्र $\ce{C4H10}$ आहे. तथापि, ब्युटेन हे सरळ-शृंखलेचे हायड्रोकार्बन आहे, तर आयसोब्युटेन हे शाखायुक्त-शृंखलेचे हायड्रोकार्बन आहे. रचनेतील हा फरक या दोन संयुगांचे उत्कलनांक आणि घनता भिन्न करतो.

स्टिरिओआयसोमर#

स्टिरिओआयसोमरचे आण्विक सूत्र आणि बंधन व्यवस्था समान असते, परंतु त्यांच्या अणूंची अवकाशीय मांडणी भिन्न असते. यामुळे भिन्न भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्म निर्माण होऊ शकतात. उदाहरणार्थ, सिस-२-ब्युटीन आणि ट्रान्स-२-ब्युटीन हे दोन्ही हायड्रोकार्बन्स आहेत ज्यांचे आण्विक सूत्र $\ce{C4H8}$ आहे. तथापि, सिस-२-ब्युटीनमध्ये दोन मिथाइल गट दुहेरी बंधाच्या एकाच बाजूला असतात, तर ट्रान्स-२-ब्युटीनमध्ये दोन मिथाइल गट दुहेरी बंधाच्या विरुद्ध बाजूंना असतात. अवकाशीय मांडणीतील हा फरक या दोन संयुगांचे उत्कलनांक आणि घनता भिन्न करतो.

एनॅन्शिओमर#

एनॅन्शिओमर हे स्टिरिओआयसोमर असतात जे एकमेकांचे आरशातील प्रतिमा असतात. त्यांचे भौतिक गुणधर्म समान असतात, परंतु किरल रेणूंसोबतच्या त्यांच्या परस्परक्रियेत ते भिन्न असतात. किरल रेणू हे असे रेणू आहेत जे त्यांच्या आरशातील प्रतिमांवर अध्यारोपित करता येत नाहीत. उदाहरणार्थ, अमिनो आम्ल सिरिन हा एक किरल रेणू आहे. त्याचे दोन एनॅन्शिओमर आहेत, L-सिरिन आणि D-सिरिन. L-सिरिन हे सिरिनचे नैसर्गिकरित्या आढळणारे रूप आहे, तर D-सिरिन हे संश्लेषित रूप आहे.

डायअस्टिरिओमर#

डायअस्टिरिओमर हे स्टिरिओआयसोमर असतात जे एकमेकांचे आरशातील प्रतिमा नसतात. त्यांचे भौतिक गुणधर्म भिन्न असतात आणि किरल रेणूंसोबतच्या त्यांच्या परस्परक्रियेत ते भिन्न असतात. उदाहरणार्थ, टार्टरिक आम्ल रेणूचे दोन डायअस्टिरिओमर आहेत, मेसो-टार्टरिक आम्ल आणि रेसेमिक टार्टरिक आम्ल. मेसो-टार्टरिक आम्ल हा सममितीय रेणू आहे, तर रेसेमिक टार्टरिक आम्ल हा असममितीय रेणू आहे.

समावयव महत्त्वाचे आहेत कारण त्यांचे भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्म भिन्न असू शकतात. हे त्यांचा वापर विविध उपयोगांसाठी प्रभावित करू शकते. उदाहरणार्थ, ब्युटेनच्या विविध समावयवांचे उत्कलनांक आणि घनता भिन्न असतात, ज्यामुळे ते विविध हेतूंसाठी उपयुक्त ठरतात. सिस-२-ब्युटीन आणि ट्रान्स-२-ब्युटीनची अभिक्रियाशीलता भिन्न असते, ज्यामुळे ते विविध रासायनिक अभिक्रियांसाठी उपयुक्त ठरतात.

संरचनात्मक समावयव किंवा संवैधानिक समावयव#

संरचनात्मक समावयव आणि संवैधानिक समावयव हे समावयवांचे दोन प्रकार आहेत, जे असे रेणू आहेत ज्यांचे आण्विक सूत्र समान असते परंतु रचना भिन्न असते.

संरचनात्मक समावयव#

संरचनात्मक समावयवांचे आण्विक सूत्र समान असते परंतु अणूंची मांडणी भिन्न असते. भिन्न बंधन आकृतिबंध किंवा अणूंची भिन्न अवकाशीय मांडणी यामुळे हे घडू शकते.

संरचनात्मक समावयवांचे प्रकार#

संरचनात्मक समावयवांचे दोन मुख्य प्रकार आहेत:

• शृंखला समावयव: या समावयवांची कार्बन शृंखला समान असते परंतु शाखाकरण आकृतिबंध भिन्न असतात. उदाहरणार्थ, ब्युटेन आणि आयसोब्युटेन हे शृंखला समावयव आहेत.
• स्थान समावयव: या समावयवांचा क्रियाशील गट समान असतो परंतु तो कार्बन शृंखलेवर भिन्न स्थानांवर असतो. उदाहरणार्थ, १-ब्युटेनॉल आणि २-ब्युटेनॉल हे स्थान समावयव आहेत.

संवैधानिक समावयव#

संवैधानिक समावयवांचे आण्विक सूत्र समान असते परंतु अणूंची संयोजकता भिन्न असते. याचा अर्थ असा की अणू भिन्न क्रमाने जोडलेले असतात, परिणामी भिन्न आण्विक रचना तयार होतात.

संवैधानिक समावयवांचे प्रकार#

संवैधानिक समावयवांचे अनेक भिन्न प्रकार आहेत, त्यापैकी काही:

• क्रियाशील गट समावयव: या समावयवांमध्ये भिन्न क्रियाशील गट असतात. उदाहरणार्थ, इथेनॉल आणि डायमिथाइल इथर हे क्रियाशील गट समावयव आहेत.
• कंकाल समावयव: या समावयवांची कार्बन कंकाले भिन्न असतात. उदाहरणार्थ, ब्युटेन आणि सायक्लोब्युटेन हे कंकाल समावयव आहेत.
• टॉटोमेरिक समावयव: या समावयव प्रोटॉनच्या हलविण्याद्वारे परस्परांतरित होऊ शकतात. उदाहरणार्थ, कीटो-इनॉल टॉटोमर हे टॉटोमेरिक समावयव आहेत.

संरचनात्मक आणि संवैधानिक समावयवांची तुलना#

वैशिष्ट्य	संरचनात्मक समावयव	संवैधानिक समावयव
व्याख्या	समान आण्विक सूत्र, अणूंची भिन्न मांडणी	समान आण्विक सूत्र, अणूंची भिन्न संयोजकता
प्रकार	शृंखला समावयव, स्थान समावयव	क्रियाशील गट समावयव, कंकाल समावयव, टॉटोमेरिक समावयव
उदाहरणे	ब्युटेन आणि आयसोब्युटेन	इथेनॉल आणि डायमिथाइल इथर

संरचनात्मक समावयव आणि संवैधानिक समावयव हे समावयवांचे दोन महत्त्वाचे प्रकार आहेत ज्यांचे गुणधर्म आणि अभिक्रियाशीलता भिन्न असते. रेणूंचे वर्तन समजून घेण्यासाठी आणि अंदाज लावण्यासाठी या प्रकारच्या समावयवांची ओळख करून घेणे आणि त्यांमध्ये फरक करणे महत्त्वाचे आहे.

स्टिरिओआयसोमरिझम किंवा अवकाशीय समावयवता#

स्टिरिओआयसोमरिझम, ज्याला अवकाशीय समावयवता असेही म्हणतात, हा समावयवतेचा एक प्रकार आहे जो तेव्हा उद्भवतो जेव्हा रेणूंचे आण्विक सूत्र आणि संयोजकता समान असते परंतु त्यांच्या अणूंची अवकाशीय मांडणी भिन्न असते. स्टिरिओआयसोमर हे असे रेणू आहेत ज्यांची संयोजकता समान असते परंतु त्यांची त्रिमितीय मांडणी भिन्न असते.

दुहेरी बंधाभोवती प्रतिबंधित परिभ्रमण किंवा रेणूमध्ये किरल केंद्रांची उपस्थिती यामुळे स्टिरिओआयसोमरिझम निर्माण होते. किरल केंद्रे हे असे अणू आहेत जे चार भिन्न गटांशी बंधित असतात आणि ते दोन भिन्न अवकाशीय मांडणीत अस्तित्वात असू शकतात, ज्यांना एनॅन्शिओमर म्हणतात. एनॅन्शिओमर एकमेकांचे आरशातील प्रतिमा असतात आणि ते एकमेकांवर अध्यारोपित करता येत नाहीत.

स्टिरिओआयसोमरिझमचे प्रकार#

स्टिरिओआयसोमरिझमचे दोन मुख्य प्रकार आहेत:

• एनॅन्शिओमरिझम: एनॅन्शिओमर हे स्टिरिओआयसोमर असतात जे एकमेकांचे आरशातील प्रतिमा असतात. त्यांचे भौतिक गुणधर्म समान असतात, परंतु किरल रेणूंसोबतच्या त्यांच्या परस्परक्रियेत ते भिन्न असतात.
• डायअस्टिरिओमरिझम: डायअस्टिरिओमर हे स्टिरिओआयसोमर असतात जे एकमेकांचे आरशातील प्रतिमा नसतात. त्यांचे भौतिक गुणधर्म भिन्न असतात आणि किरल रेणूंसोबतच्या त्यांच्या परस्परक्रियेत ते भिन्न असतात.

स्टिरिओआयसोमरिझमची उदाहरणे#

• एनॅन्शिओमर: लॅक्टिक आम्लाचे दोन एनॅन्शिओमर आहेत, (R)-लॅक्टिक आम्ल आणि (S)-लॅक्टिक आम्ल. या दोन एनॅन्शिओमरचे भौतिक गुणधर्म समान असतात, परंतु किरल रेणूंसोबतच्या त्यांच्या परस्परक्रियेत ते भिन्न असतात. उदाहरणार्थ, (R)-लॅक्टिक आम्ल हे मानवी शरीराद्वारे (S)-लॅक्टिक आम्लापेक्षा जलद चयापचयित होते.
• डायअस्टिरिओमर: टार्टरिक आम्लाचे दोन डायअस्टिरिओमर आहेत, मेसो-टार्टरिक आम्ल आणि रेसेमिक टार्टरिक आम्ल. या दोन डायअस्टिरिओमरचे भौतिक गुणधर्म भिन्न असतात आणि किरल रेणूंसोबतच्या त्यांच्या परस्परक्रियेत ते भिन्न असतात. उदाहरणार्थ, मेसो-टार्टरिक आम्ल प्रकाशीय निष्क्रिय आहे, तर रेसेमिक टार्टरिक आम्ल प्रकाशीय सक्रिय आहे.

स्टिरिओआयसोमरिझमचे महत्त्व#

स्टिरिओआयसोमरिझम महत्त्वाचे आहे कारण स्टिरिओआयसोमरची जैविक क्रिया भिन्न असू शकते. उदाहरणार्थ, एखाद्या औषधाचा एक एनॅन्शिओमर रोगाच्या उपचारासाठी प्रभावी असू शकतो, तर दुसरा एनॅन्शिओमर हानिकारक असू शकतो. त्यामुळे सुरक्षित आणि प्रभावी औषधे विकसित करण्यासाठी स्टिरिओआयसोमर वेगळे करणे आणि ओळखणे महत्त्वाचे आहे.

स्टिरिओआयसोमरिझम हा एक गुंतागुंतीचा विषय आहे, परंतु रेणूंची त्रिमितीय रचना आणि इतर रेणूंसोबतच्या त्यांच्या परस्परक्रिया समजून घेण्यासाठी तो समजून घेणे महत्त्वाचे आहे.

इथेनची संरूपणे#

इथेन हे सर्वात सोपे अल्केन हायड्रोकार्बन आहे ज्याचे आण्विक सूत्र $\ce{C2H6}$ आहे. यात दोन कार्बन अणू एकाच बंधाने जोडलेले असतात, प्रत्येक कार्बन अणू तीन हायड्रोजन अणूंशी बंधित असतो. इथेनमधील कार्बन-कार्बन बंध लांबी १.५४ Å आहे आणि कार्बन-हायड्रोजन बंध लांबी १.०९ Å आहे.

इथेन दोन भिन्न संरूपणांमध्ये अस्तित्वात असू शकतो: स्टॅगर्ड संरूपण आणि इक्लिप्स्ड संरूपण.

स्टॅगर्ड संरूपण#

स्टॅगर्ड संरूपणामध्ये, एका कार्बन अणूवरील हायड्रोजन अणू दुसऱ्या कार्बन अणूवरील हायड्रोजन अणूंपासून शक्य तितक्या दूर झुकलेले असतात. हे संरूपण इक्लिप्स्ड संरूपणापेक्षा अधिक स्थिर असते कारण ते हायड्रोजन अणूंमधील स्टेरिक अडथळा कमी करते.

इक्लिप्स्ड संरूपण#

इक्लिप्स्ड संरूपणामध्ये, एका कार्बन अणूवरील हायड्रोजन अणू दुसऱ्या कार्बन अणूवरील हायड्रोजन अणूंच्या थेट वर झुकलेले असतात. हे संरूपण स्टॅगर्ड संरूपणापेक्षा कमी स्थिर असते कारण ते हायड्रोजन अणूंमधील स्टेरिक अडथळा वाढवते.

इथेनच्या स्टॅगर्ड आणि इक्लिप्स्ड संरूपणांमधील ऊर्जेतील फरक सुमारे १२ kJ/mol आहे. याचा अर्थ असा की स्टॅगर्ड संरूपण इक्लिप्स्ड संरूपणापेक्षा अधिक संभाव्य आहे.

संरूपणांचे परस्परांतरण#

कार्बन-कार्बन बंधाभोवती होणाऱ्या परिभ्रमणाद्वारे इथेनची स्टॅगर्ड आणि इक्लिप्स्ड संरूपणे परस्परांतरित होऊ शकतात. परिभ्रमणासाठीचा ऊर्जा अडथळा सुमारे १२ kJ/mol आहे, याचा अर्थ परिभ्रमण तुलनेने सोपे आहे.

खोलीच्या तापमानात, इथेन रेणू सतत कार्बन-कार्बन बंधाभोवती परिभ्रमण करत असतात. याचा अर्थ असा की रेणू सतत स्टॅगर्ड संरूपणातून इक्लिप्स्ड संरूपणात आणि पुन्हा मागे बदलत असतात.

संरूपणात्मक विश्लेषणाचे महत्त्व#

कार्बनी रेणूंचे गुणधर्म समजून घेण्यासाठी संरूपणात्मक विश्लेषण महत्त्वाचे आहे. रेणूचे संरूपण त्याचे भौतिक गुणधर्म, जसे की त्याचा उत्कलनांक आणि द्रवणांक, प्रभावित करू शकते. ते त्याची रासायनिक अभिक्रियाशीलताही प्रभावित करू शकते.

उदाहरणार्थ, इथेनचे स्टॅगर्ड संरूपण इक्लिप्स्ड संरूपणापेक्षा अधिक अभिक्रियाशील असते. याचे कारण असे की स्टॅगर्ड संरूपणाची ऊर्जा कमी असते आणि म्हणून ते अभिक्रिया करण्याची शक्यता अधिक असते.

कार्बनी रेणूंचे गुणधर्म समजून घेण्यासाठी संरूपणात्मक विश्लेषण हे एक शक्तिशाली साधन आहे. रेणूंचे भौतिक गुणधर्म आणि रासायनिक अभिक्रियाशीलता अंदाज लावण्यासाठी त्याचा वापर करता येतो.

सायक्लोहेक्सेनची संरूपणे#

सायक्लोहेक्सेन हे सहा-सदस्यीय चक्रीय अल्केन आहे ज्याचे आण्विक सूत्र $\ce{C6H12}$ आहे. हे एक रंगहीन, ज्वलनशील द्रव आहे ज्याचा वैशिष्ट्यपूर्ण वास असतो. सायक्लोहेक्सेन हे अध्रुवीय कार्बनी संयुगांसाठी एक सामान्य द्रावक आहे.

खुर्ची संरूपण#

सायक्लोहेक्सेनचे सर्वात स्थिर संरूपण म्हणजे खुर्ची संरूपण. खुर्ची संरूपणामध्ये, सर्व कार्बन-कार्बन बंध स्टॅगर्ड असतात आणि सर्व हायड्रोजन अणू भूमध्यवर्ती स्थितीत झुकलेले असतात. खुर्ची संरूपणाला “स्टॅगर्ड” संरूपण असेही म्हणतात.

होडी संरूपण#

होडी संरूपण हे सायक्लोहेक्सेनचे कमी स्थिर संरूपण आहे. होडी संरूपणामध्ये, दोन कार्बन-कार्बन बंध इक्लिप्स्ड असतात आणि हायड्रोजन अणू भूमध्यवर्ती आणि अक्षीय दोन्ही स्थितीत झुकलेले असतात. होडी संरूपणाला “इक्लिप्स्ड” संरूपण असेही म्हणतात.

ट्विस्ट-बोट संरूपण#

ट्विस्ट-बोट संरूपण हे सायक्लोहेक्सेनचे कमी स्थिर संरूपण आहे. ट्विस्ट-बोट संरूपणामध्ये, तीन कार्बन-कार्बन बंध इक्लिप्स्ड असतात आणि हायड्रोजन अणू भूमध्यवर्ती आणि अक्षीय दोन्ही स्थितीत झुकलेले असतात. ट्विस्ट-बोट संरूपणाला “स्क्यू-बोट” संरूपण असेही म्हणतात.

हाफ-चेअर संरूपण#

हाफ-चेअर संरूपण हे सायक्लोहेक्सेनचे कमी स्थिर संरूपण आहे. हाफ-चेअर संरूपणामध्ये, चार कार्बन-कार्बन बंध इक्लिप्स्ड असतात आणि हायड्रोजन अणू भूमध्यवर्ती आणि अक्षीय दोन्ही स्थितीत झुकलेले असतात. हाफ-चेअर संरूपणाला “एन्व्हलप” संरूपण असेही म्हणतात.

सायक्लोहेक्सेन संरूपणांची सापेक्ष स्थिरता#

सायक्लोहेक्सेन संरूपणांची सापेक्ष स्थिरता खालीलप्रमाणे आहे:

१. खुर्ची संरूपण (सर्वात स्थिर) २. ट्विस्ट-बोट संरूपण ३. होडी संरूपण ४. हाफ-चेअर संरूपण (सर्वात कमी स्थिर)

खुर्ची संरूपण हे सर्वात स्थिर संरूपण आहे कारण त्याची ऊर्जा सर्वात कमी असते. होडी संरूपण हे सर्वात कमी स्थिर संरूपण आहे कारण त्याची ऊर्जा सर्वात जास्त असते. ट्विस्ट-बोट संरूपण आणि हाफ-चेअर संरूपण ही खुर्ची संरूपण आणि होडी संरूपण यांच्यामध्ये मध्यम स्थिरतेची असतात.

सायक्लोहेक्सेन संरूपणांचे परस्परांतरण#

रिंग-फ्लिपिंग नावाच्या प्रक्रियेद्वारे सायक्लोहेक्सेनची संरूपणे परस्परांतरित होऊ शकतात. रिंग-फ्लिपिंग ही एक प्रक्रिया आहे ज्यामध्ये सायक