व्याख्यान 4 (Lecture 4)

शर्करा का म्यूटारोटेशन, ऑप्टिकल गतिविधि और भौतिक गुण (Muta rotation, optical activity and physical properties of sugars)

A. समावयवता (Isomerism)

कार्बनिक रसायन विज्ञान (organic chemistry) में, समावयवता (isomerism) को एक ही आणविक सूत्र (molecular formula) वाले एक से अधिक यौगिकों के अस्तित्व के रूप में परिभाषित किया गया है। मोनोसैकेराइड (हेक्सोज - hexoses) की संरचना का करीब से अवलोकन करने पर पता चलता है कि उनमें समान आणविक सूत्र (C₆H₁₂O₆) होता है, लेकिन भौतिक और रासायनिक गुण भिन्न होते हैं। समावयवता के विभिन्न प्रकार हैं:

• D-ग्लूकोज और D-फ्रुक्टोज कार्बोनिल समूह (एल्डिहाइड और कीटोन समूह) की स्थिति में भिन्न होते हैं। ये दोनों यौगिक कार्यात्मक आइसोमर्स (functional isomers) हैं।
• मोनोसैकेराइड जैसे असममित कार्बन परमाणु (asymmetric carbon atom) रखने वाले यौगिकों द्वारा प्रदर्शित एक अन्य प्रकार का आइसोमेरिज्म स्टीरियोआइसोमेरिज्म (stereoisomerism) है। ये स्टीरियोआइसोमर परमाणुओं या समूहों की स्थानिक व्यवस्था (spatial arrangement) में भिन्न होते हैं। स्टीरियोआइसोमेरिज्म के दो प्रकार हैं - ज्यामितीय (geometrical) और ऑप्टिकल आइसोमेरिज्म (optical isomerism)।
  • ज्यामितीय आइसोमर्स (cis-trans) दोहरे बंधन (double bond) के पार परमाणुओं की स्थानिक व्यवस्था में भिन्न होते हैं। कार्बोहाइड्रेट के बीच ज्यामितीय समावयवता नहीं देखी जाती है।
  • ऑप्टिकल आइसोमर्स एक असममित कार्बन परमाणु के चारों ओर परमाणुओं की व्यवस्था में भिन्न होते हैं। संभावित ऑप्टिकल आइसोमर्स की संख्या की गणना 2ⁿ सूत्र का उपयोग करके की जा सकती है जहां n = असममित कार्बन परमाणुओं की संख्या। उदाहरण के लिए, ग्लूकोज में चार असममित कार्बन परमाणु होते हैं और ग्लूकोज के संभावित ऑप्टिकल आइसोमर्स 2⁴ = 16 हैं।

एपिमर्स, एनैन्टीओमर्स और डायस्टेरियोमर्स (Epimers, enantiomers and diastereomers):

• एपिमर्स (Epimers) वे मोनोसैकेराइड हैं जो कार्बोनिल कार्बन (carbonyl carbon) के अलावा किसी एकल कार्बन परमाणु के चारों ओर विन्यास (configuration) में भिन्न होते हैं। उदाहरण के लिए, कार्बन 2 के संबंध में मैनोज और ग्लूकोज एपिमर्स हैं। कार्बन 4 के संबंध में गैलेक्टोज और ग्लूकोज एपिमर्स हैं।
• एनैन्टीओमर्स (Enantiomers) एक-दूसरे के गैर-सुपरइम्पोजेबल दर्पण चित्र (non-superimposable mirror images) हैं। वे समतल ध्रुवीकृत प्रकाश (plane polarized light) को घुमाने की क्षमता में भिन्न होते हैं। एक एनैन्टीओमर का विलयन (solution) ऐसे प्रकाश के तल को दाईं ओर घुमाता है, और दूसरे का विलयन बाईं ओर घुमाता है। D-ग्लूकोज और L-ग्लूकोज एनैन्टीओमर्स के उदाहरण हैं।
• डायस्टेरियोमर्स (Diastereomers) ऐसे स्टीरियोआइसोमर्स हैं जो एक-दूसरे के दर्पण चित्र (mirror images) नहीं हैं। D-ग्लूकोज, D-मैनोज, D-गैलेक्टोज और एल्डोहेक्सोज के अन्य सदस्य डायस्टेरियोमर्स हैं।

B. ऑप्टिकल गतिविधि (Optical activity)

सामान्य प्रकाश की एक किरण उस दिशा के समकोण (right angles) पर सभी दिशाओं में कंपन करती है जिसमें किरण यात्रा कर रही है। जब इस प्रकाश को निकोल प्रिज्म (Nicol prism) से गुजारा जाता है, तो उभरा हुआ प्रकाश केवल एक दिशा में कंपन करता है और ऐसे प्रकाश को 'समतल ध्रुवीकृत प्रकाश' (plane polarized light) कहा जाता है।

जब समतल ध्रुवीकृत प्रकाश की एक किरण एक चीनी समाधान के माध्यम से पारित की जाती है, जो ऑप्टिकली सक्रिय (optically active) होती है, तो समतल-ध्रुवीकृत प्रकाश को दाईं ओर (दक्षिणावर्त - clockwise) या बाईं ओर (वामावर्त - anticlockwise) घुमाया जाएगा।

• जब समतल ध्रुवीकृत प्रकाश को दाईं ओर घुमाया जाता है, तो यौगिक डेक्सट्रोरोटेटरी (dextrorotatory) होता है और इसे (+) के रूप में लिखा जाता है।
• यदि समतल ध्रुवीकृत प्रकाश को बाईं ओर घुमाया जाता है, तो यौगिक लेवोरोटेटरी (levorotatory) (-) होता है।

चित्र: Optical activity diagram

ऑप्टिकल गतिविधि को पोलारिमीटर (polarimeter) का उपयोग करके मापा जाता है। चीनी समाधान की एकाग्रता (concentration) और पोलारिमीटर ट्यूब की लंबाई जहां चीनी समाधान रखा गया है, के साथ ऑप्टिकल गतिविधि भिन्न होती है।

चीनी के अणु का विशिष्ट रोटेशन (Specific rotation - α) निम्नलिखित सूत्र द्वारा गणना की जाती है:

( α ) = (देखा गया रोटेशन - Observed rotation) / (ट्यूब की लंबाई (dm) × एकाग्रता)

जहाँ T = तापमान और D = स्पेक्ट्रम की D लाइन।

कुछ महत्वपूर्ण शर्करा के विशिष्ट रोटेशन नीचे दिए गए हैं:

• D - ग्लूकोज (dextrose) + 52.2
• D - फ्रुक्टोज (levulose) -92.0
• D - गैलेक्टोज + 80.5
• D - मैनोज + 14.6
• L - अराबिनोज + 104.5
• सुक्रोज + 66.5

C. म्यूटारोटेशन (Mutarotation)

• म्यूटारोटेशन (Mutarotation) ऑप्टिकल रोटेशन में बदलाव को संदर्भित करता है जब एक जलीय चीनी समाधान (aqueous sugar solution) को खड़े होने दिया जाता है।
• संभावित मुक्त एल्डिहाइड या कीटो समूह वाले शर्करा म्यूटारोटेशन प्रदर्शित करते हैं।
• कई शर्करा दो क्रिस्टलीय रूपों (crystalline forms) में मौजूद होते हैं। उदाहरण के लिए, जब D-ग्लूकोज को पानी में घोला जाता है और पानी के वाष्पीकरण (evaporation) द्वारा क्रिस्टलीकृत (crystallize) होने दिया जाता है, तो D-ग्लूकोज का एक रूप प्राप्त होता है। यदि D-ग्लूकोज को एसिटिक एसिड या पाइरीडीन से क्रिस्टलीकृत किया जाता है, तो D-ग्लूकोज का एक और रूप प्राप्त होता है। ये दोनों रूप अलग-अलग भौतिक और रासायनिक गुण प्रदर्शित करते हैं।
• α-D ग्लूकोज के ताजा तैयार जलीय घोल में +113^o का विशिष्ट रोटेशन होता है। यदि α-D-ग्लूकोज के घोल को खड़े होने दिया जाए, तो विशिष्ट रोटेशन +52.2^o में बदल जाता है।
• इसी तरह, β-D-ग्लूकोज के एक नए घोल में +19^o का विशिष्ट रोटेशन होता है जो खड़े होने पर +52.2^o में बदल जाता है।
• ऑप्टिकल रोटेशन में इस परिवर्तन को म्यूटारोटेशन (mutarotation) कहा जाता है। घोल में खड़े होने पर, हेमीएसीटल अंगूठी (hemiacetal ring) खुलती है और +52.2^o के विशिष्ट रोटेशन वाले α- और β-D-ग्लूकोज का मिश्रण देने के लिए सुधार करती है।