बाएँ हाथ का दस्ताना दाएँ हाथ में नहीं पहना जा सकता। दोनों हाथों का आकार और माप एक जैसा होता है और वे एक-दूसरे के दर्पण प्रतिबिंब जैसे दिखते हैं, लेकिन उन्हें कितना भी घुमाएँ या पलटें, वे पूरी तरह एक-दूसरे पर अध्यारोपित नहीं हो सकते। आश्चर्य की बात है कि अदृश्य अणुओं की दुनिया में भी ऐसे जुड़वाँ होते हैं, जिनके दर्पण प्रतिबिंब एक-दूसरे पर अध्यारोपित नहीं होते। इसी गुण को ‘काइरैलिटी (Chirality)’ कहते हैं।
सरल शब्दों में, काइरैलिटी का अर्थ है ‘किसी वस्तु या अणु का अपने दर्पण प्रतिबिंब पर अध्यारोपित न हो सकने का गुण’। इसका नाम यूनानी शब्द खेइर (kheir) से आया है, जिसका अर्थ ‘हाथ’ है। ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी लॉर्ड केल्विन ने पहली बार इसे वैज्ञानिक शब्द के रूप में इस्तेमाल किया था। परमाणुओं के प्रकार और उनके जुड़ने का क्रम एक जैसा होने पर भी, यदि उनकी स्थानिक व्यवस्था दर्पण प्रतिबिंब की तरह उलटी हो, तो दोनों अणु अलग-अलग पदार्थों जैसा व्यवहार कर सकते हैं।
इस सामग्री में काइरैलिटी की मूल परिभाषा, दर्पण प्रतिबिंब वाले अणुओं में अंतर पहचानने के सिद्धांत, गंध और जैविक प्रक्रियाओं में दिखने वाले अंतर तथा औषधियों के विकास में काइरैलिटी के महत्त्व को आसानी से समझाया गया है।
काइरैलिटी: दर्पण प्रतिबिंब वाले अणुओं से पैदा होने वाले अंतर
काइरैलिटी क्या है?
अणु में काइरैलिटी होने की सबसे आम स्थिति तब बनती है, जब किसी एक कार्बन परमाणु से चार अलग-अलग परमाणु या परमाणु समूह जुड़े हों। ऐसे कार्बन को काइरल केंद्र या असममित कार्बन कहते हैं। जब उसकी चारों भुजाएँ अलग हों, तो उस व्यवस्था का दर्पण प्रतिबिंब एक ऐसा दूसरा अणु होता है जो मूल अणु पर अध्यारोपित नहीं हो सकता। उदाहरण के लिए, व्यायाम के दौरान मांसपेशियों में जमा होने वाले लैक्टिक अम्ल के केंद्रीय कार्बन से हाइड्रोजन, हाइड्रॉक्सिल समूह, मिथाइल समूह और कार्बोक्सिल समूह नामक चार अलग-अलग परमाणु समूह जुड़े होते हैं, इसलिए यह दर्पण प्रतिबिंब वाला युग्म बनाता है।
ऐसे अणुओं के युग्म को प्रतिबिंब समावयवी कहते हैं, जो एक-दूसरे के दर्पण प्रतिबिंब हों लेकिन एक-दूसरे पर अध्यारोपित न हो सकें। रसायन विज्ञान में अक्सर इस्तेमाल होने वाले शब्द इस प्रकार हैं।
- प्रतिबिंब समावयवी (Enantiomer): ऐसे अणुओं का युग्म, जो एक-दूसरे के दर्पण प्रतिबिंब हों लेकिन एक-दूसरे पर अध्यारोपित न हो सकें।
- काइरल केंद्र (Chiral Center): ऐसा परमाणु, जिससे चार अलग-अलग परमाणु समूह जुड़े हों और जिससे काइरैलिटी उत्पन्न होती हो।
- रेसीमिक मिश्रण (Racemic Mixture): ऐसा मिश्रण, जिसमें दोनों प्रतिबिंब समावयवी 1 के मुकाबले 1 के अनुपात में मिले हों।
- अकाइरल (Achiral): पानी या कार्बन डाइऑक्साइड जैसे अणु, जो अपने दर्पण प्रतिबिंब पर पूरी तरह अध्यारोपित हो जाते हैं।
दर्पण प्रतिबिंब वाले अणुओं में अंतर कैसे पहचानें
प्रतिबिंब समावयवियों के गलनांक, क्वथनांक, घनत्व और पानी में घुलने की क्षमता एक जैसी होती है। इसलिए सामान्य प्रयोगों से दोनों में अंतर करना कठिन होता है। अंतर तभी सामने आता है, जब उनके साथ अंतःक्रिया करने वाले दूसरे पक्ष में भी दिशात्मकता हो।
(1) ध्रुवित प्रकाश को घुमाने का गुण
केवल एक दिशा में कंपन करने वाले प्रकाश, यानी ध्रुवित प्रकाश को प्रतिबिंब समावयवियों के विलयनों से गुज़ारने पर, एक समावयवी ध्रुवण तल को दाईं ओर और दूसरा उतने ही कोण से बाईं ओर घुमाता है। इसे प्रकाशिक सक्रियता कहते हैं। दोनों अणुओं को बराबर मात्रा में मिलाने से बने रेसीमिक मिश्रण में उनके प्रभाव एक-दूसरे को निरस्त कर देते हैं, इसलिए वह ध्रुवित प्रकाश को नहीं घुमाता।
(2) पाश्चर का चिमटी वाला प्रयोग
1848 में फ्रांसीसी रसायनज्ञ लुई पाश्चर ने सूक्ष्मदर्शी से टार्टरिक अम्ल के लवण के क्रिस्टल देखते हुए पाया कि उनमें दो प्रकार के क्रिस्टल मिले हुए थे, जो एक-दूसरे के दर्पण प्रतिबिंब थे। उन्होंने चिमटी से क्रिस्टलों को एक-एक करके चुनकर अलग किया और पुष्टि की कि उनके अलग-अलग विलयन ध्रुवित प्रकाश को विपरीत दिशाओं में घुमाते हैं। यह पहला प्रमाण बना कि अणुओं में स्वयं बाएँ और दाएँ का भेद होता है।
(3) R और S से नामकरण
आज रसायनज्ञ काइरल केंद्र से जुड़े परमाणु समूहों को प्राथमिकता देते हैं और व्यवस्था दक्षिणावर्त होने पर R तथा वामावर्त होने पर S लिखते हैं। अमीनो अम्लों और शर्कराओं जैसे लंबे समय से अध्ययन किए जा रहे अणुओं के लिए पुरानी पद्धति के L और D संकेत भी इस्तेमाल किए जाते हैं।
गंध और जीवन में काइरैलिटी
हमारा शरीर स्वयं काइरल अणुओं से बना है, इसलिए वह प्रतिबिंब समावयवियों को अलग-अलग ढंग से ग्रहण करता है।
(1) एक ही अणु, अलग गंध
कार्वोन नामक अणु का एक प्रतिबिंब समावयवी स्पीयरमिंट की गंध देता है, जबकि दूसरा कैरवे के बीजों की गंध देता है। परमाणुओं की संरचना पूरी तरह समान होती है, लेकिन नाक के घ्राण ग्राही एक आकृति में अधिक अच्छी तरह बैठते हैं, जैसे हाथ में सही दस्ताना फिट होता है। इसलिए उनकी गंध अलग महसूस होती है।
(2) जीवन ने चुना केवल एक पक्ष
पृथ्वी के जीवों के प्रोटीन बनाने वाले लगभग सभी अमीनो अम्ल L प्रकार के हैं, जबकि DNA और RNA का ढाँचा बनाने वाली शर्कराएँ D प्रकार की हैं। जीवन ने शुरुआत से ही केवल एक हाथ का इस्तेमाल क्यों किया, यह अभी भी विज्ञान की ऐसी पहेली है जो पूरी तरह सुलझी नहीं है।
औषधियों का विकास और काइरैलिटी
दवाएँ शरीर के एंजाइमों या ग्राहियों से जुड़कर काम करती हैं, इसलिए काइरैलिटी का उनकी प्रभावशीलता और सुरक्षा पर सीधा असर पड़ता है। इसका सबसे दुखद उदाहरण 1950 के दशक के अंत में बेची गई शामक दवा थैलिडोमाइड है। गर्भवती महिलाओं की मितली कम करने के लिए इसके इस्तेमाल के बाद, दुनिया भर में 1 × दस हज़ार से अधिक बच्चे हाथ-पैरों की विकृतियों के साथ पैदा हुए। अक्सर समझाया जाता है कि एक प्रतिबिंब समावयवी शांति देने वाला प्रभाव पैदा करता है और दूसरा विकृतियाँ उत्पन्न करता है। वास्तव में, शरीर में दोनों रूप एक-दूसरे में बदल जाते हैं, इसलिए केवल एक रूप चुनकर लेने से भी जोखिम से बचना संभव नहीं था।
इस घटना के बाद औषधियों के विकास में प्रतिबिंब समावयवियों की अलग-अलग जाँच करना महत्त्वपूर्ण हो गया, और अमेरिकी खाद्य एवं औषधि प्रशासन ने 1992 में इससे संबंधित दिशानिर्देश जारी किए। केवल वांछित रूप चुनकर बनाने की तकनीक में भी काफ़ी प्रगति हुई।
- असममित संश्लेषण (Asymmetric Synthesis): शुरुआत से ही किसी एक प्रतिबिंब समावयवी को अधिक मात्रा में बनाने की विधि। यह 2001 के रसायन विज्ञान के नोबेल पुरस्कार का विषय था, जो नोल्स, नोयोरी और शार्पलेस को मिला।
- कार्बनिक उत्प्रेरण (Organocatalysis): धातुओं के बजाय छोटे कार्बनिक अणुओं से किसी एक प्रतिबिंब समावयवी को बनाने की विधि। इसके लिए 2021 का रसायन विज्ञान का नोबेल पुरस्कार लिस्ट और मैकमिलन को मिला।
- काइरल स्विच (Chiral Switch): रेसीमिक मिश्रण के रूप में बेची जाने वाली दवा को केवल प्रभावी प्रतिबिंब समावयवी के साथ दोबारा बाज़ार में उतारने की रणनीति।
हालाँकि, हर दवा को केवल एक ही रूप में बनाना आवश्यक नहीं है। दर्द निवारक आइबुप्रोफेन में मुख्य रूप से S प्रकार प्रभावी होता है, लेकिन शरीर में R प्रकार का एक बड़ा हिस्सा S प्रकार में बदल जाता है। इसलिए आज भी इसका व्यापक इस्तेमाल रेसीमिक मिश्रण के रूप में होता है। अंततः, हर दवा के दोनों प्रतिबिंब समावयवी शरीर में किस तरह व्यवहार करते हैं, इसकी अलग-अलग जाँच करना महत्त्वपूर्ण है।
काइरैलिटी दिखाती है कि एक जैसी सामग्री से बने होने पर भी दिशा अलग होने से परिणाम पूरी तरह अलग हो सकते हैं। किसी अणु की संरचना के साथ-साथ यह देखना कि वह अंतरिक्ष में किस आकृति में व्यवस्थित है, पदार्थ के गुणों को गहराई से समझने का पहला कदम है।
