कार्बनिक यौगिकों की संरचना और गुणों के बीच संबंध

अनुनाद रसायन विज्ञान में एक मौलिक अवधारणा है। इससे हमें यह समझने में मदद मिलती है कि किसी अणु या आयन में इलेक्ट्रॉन किस प्रकार वितरित होते हैं। रसायन विज्ञान में, हम परमाणुओं के चारों ओर इलेक्ट्रॉनों की व्यवस्था को दर्शाने के लिए लुईस संरचना का उपयोग करते हैं। उदाहरण के लिए, बेंजीन की संरचना को आमतौर पर एकल लुईस संरचना के रूप में दर्शाया जाता है। इस लुईस संरचना में एकल और द्विबंध बारी-बारी से होते हैं। बेंजीन की लुईस संरचना कहती है कि बेंजीन में कार्बन बंध की लम्बाई समान नहीं होती। इस बीच हम पहले ही अध्ययन कर चुके हैं कि बेंजीन में सभी कार्बन बंधों की लम्बाई बराबर होती है।

हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि एक एकल लुईस संरचना किसी अणु की इलेक्ट्रॉनिक संरचना का सटीक वर्णन करने के लिए पर्याप्त नहीं है। यहीं पर प्रतिध्वनि प्रासंगिक हो जाती है। अनुनाद तब होता है जब एक अणु को कई वैध लुईस संरचनाओं द्वारा दर्शाया जा सकता है जिन्हें अनुनाद संरचनाएं कहा जाता है। ये अनुनाद संरचनाएं केवल इलेक्ट्रॉनों की व्यवस्था में भिन्न होती हैं। परमाणुओं की स्थिति वही रहती है। अणु या आयन अपनी अनुनाद संरचनाओं का संकर है।

उदाहरण के लिए, बेंजीन की दो संभावित लुईस संरचनाएं यहां चित्रित की गई हैं। बेंजीन की इन दो लुईस संरचनाओं को अनुनाद संरचनाएं कहा जाता है। इनमें केवल पाई बंध की स्थिति में अंतर होता है। पाई इलेक्ट्रॉन बेन्जीन वलय पर सर्वत्र विस्थानीकृत होते हैं। बेंजीन का मूल अणु इन दो अनुनाद संरचनाओं का संकर है।

अब आइए एसीटेट आयन का उदाहरण लें। एसीटेट आयनों की दो सम्भावित लुईस संरचनाएं हैं। इन संरचनाओं को यहां चित्रित किया गया है। ऑक्सीजन परमाणु पर स्थित इलेक्ट्रॉन कार्बन से जुड़े दो ऑक्सीजन परमाणुओं के बीच विस्थापित हो सकता है। इन दो लुईस संरचनाओं को अनुनाद संरचनाएं भी कहा जाता है।

फिनोल एक अल्कोहल है जिसमें हाइड्रॉक्सिल समूह बेंजीन वलय के कार्बन परमाणु से जुड़ा होता है। फिनोल का आणविक सूत्र है C₆H₅OH। फिनोल अन्य अल्कोहल की तुलना में अधिक अम्लीय है। यह फिनोक्साइड आयन और हाइड्रोजन आयन में वियोजित हो सकता है। अब जबकि हमने अनुनाद की अवधारणा का अध्ययन कर लिया है, क्या आप बता सकते हैं कि फिनोल अधिक अम्लीय क्यों होते हैं?। खैर, इस प्रश्न का उत्तर भी प्रतिध्वनि में निहित है।

फिनोल, फीनॉक्साइड आयन की स्थिरता के कारण अधिक अम्लीय होते हैं। जैसा कि हम जानते हैं, फिनोक्साइड आयन फिनोल के वियोजन से बनता है। यह फिनोक्साइड आयन अनुनाद के कारण बहुत स्थिर है। फिनोक्साइड आयन के ऑक्सीजन परमाणु पर इलेक्ट्रॉन पूरे बेंजीन वलय पर विस्थानीकृत होता है। इलेक्ट्रॉन के इस विस्थापन के कारण, फिनोक्साइड आयन में अनेक अनुनाद संरचनाएं होती हैं। इलेक्ट्रॉन के विस्थापन के कारण, फेनोक्साइड आयन के ऑक्सीजन परमाणु पर इलेक्ट्रॉन आसानी से उपलब्ध नहीं होता है। इससे फिनोक्साइड आयन कम क्रियाशील हो जाता है; और अधिक स्थिर हो जाता है।

परमाणुओं या परमाणुओं के समूह के बीच इलेक्ट्रॉन घनत्व के स्थानांतरण को प्रेरणिक प्रभाव कहा जाता है। यह इलेक्ट्रॉन-निकालने या इलेक्ट्रॉन-दान करने वाले प्रभाव का वर्णन करता है। ऐसा वह अणु के भीतर परमाणुओं या परमाणुओं के समूहों, निकटवर्ती परमाणुओं या परमाणुओं के समूह पर करता है। उदाहरण के लिए, एल्काइल हैलाइडों में इलेक्ट्रॉन घनत्व एल्काइल समूह के कार्बन परमाणु से हैलोजन परमाणु की ओर स्थानांतरित हो जाता है। ऐसा कार्बन परमाणु की तुलना में हैलोजन परमाणु की उच्च विद्युतऋणात्मकता के कारण होता है। हैलोजन परमाणु इलेक्ट्रॉन घनत्व को अपनी ओर खींचता है।

नकारात्मक प्रेरणिक प्रभाव तब होता है जब एक परमाणु या परमाणुओं का समूह शेष अणु से इलेक्ट्रॉन घनत्व वापस ले लेता है। इससे अणु के बाकी हिस्से में इलेक्ट्रॉन घनत्व में कमी आ जाती है। उदाहरण के लिए, क्लोरोब्यूटेन में क्लोरीन परमाणु कार्बन और हाइड्रोजन की तुलना में अधिक विद्युत ऋणात्मक होता है। यह नकारात्मक प्रेरक प्रभाव प्रदर्शित करता है। यह निकटवर्ती कार्बन परमाणु पर इलेक्ट्रॉन घनत्व को कम कर देता है।

परमाणु या परमाणुओं के समूह जो नकारात्मक प्रेरणिक प्रभाव दर्शाते हैं उन्हें इलेक्ट्रॉन निकर्षण समूह कहा जाता है। इलेक्ट्रॉन निष्कासन समूहों में उच्च विद्युतऋणात्मकता होती है। इन समूहों में अणु के शेष भाग से इलेक्ट्रॉन घनत्व वापस लेने की प्रवृत्ति होती है। इलेक्ट्रॉन निकर्षण समूहों के उदाहरणों में हैलोजन, कार्बोनिल समूह, सायनो समूह और नाइट्रो समूह शामिल हैं।

सकारात्मक प्रेरणिक प्रभाव तब होता है जब एक परमाणु या परमाणुओं का समूह शेष अणु को इलेक्ट्रॉन घनत्व दान करता है। इसके परिणामस्वरूप अणु के शेष भाग पर इलेक्ट्रॉन घनत्व में वृद्धि होती है। उदाहरण के लिए, टोल्यूनि में, मिथाइल समूह बेंजीन वलय में इलेक्ट्रॉन घनत्व को बढ़ाता है। मिथाइल समूह धनात्मक प्रेरणिक प्रभाव प्रदर्शित करता है।

इलेक्ट्रॉन दान समूह वे परमाणु या परमाणुओं के समूह हैं जो सकारात्मक प्रेरक प्रभाव प्रदर्शित करते हैं। इलेक्ट्रॉन दान करने वाले समूहों में आमतौर पर कम विद्युतऋणात्मकता होती है। इलेक्ट्रॉन दान करने वाले समूहों के कुछ उदाहरण एल्काइल समूह, अमीनो समूह और हाइड्रॉक्सिल समूह हैं। एल्किल समूह मिथाइल समूह या एथिल समूह हो सकते हैं।

जब एक इलेक्ट्रॉन दान समूह बेंजीन वलय से जुड़ा होता है तो यह बेंजीन वलय की ऑर्थो और पैरा स्थिति पर इलेक्ट्रॉन घनत्व को जन्म देता है। ऐसे समूह को ऑर्थो एवं पैरा डायरेक्टिंग ग्रुप कहा जाता है। उदाहरण के लिए, टोल्यूनि की अनुनाद संरचनाओं में, हम देख सकते हैं कि मिथाइल समूह ऑर्थो और पैरा स्थिति पर इलेक्ट्रॉन घनत्व बढ़ा रहा है।

इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन अभिक्रियाओं के दौरान, ऑर्थो और पैरा निर्देशन समूह आने वाले इलेक्ट्रोफाइल को ऑर्थो और पैरा स्थितियों पर निर्देशित करते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि ऑर्थो और पैरा स्थिति पर इलेक्ट्रॉन घनत्व बढ़ जाता है। उदाहरण के लिए, टोल्यूनि के नाइट्रेशन के परिणामस्वरूप ऑर्थो नाइट्रोटोलुईन और पैरा नाइट्रोटोलुईन का निर्माण होता है। टोल्यूनि में मिथाइल समूह ऑर्थो और पैरा स्थिति पर इलेक्ट्रॉन घनत्व को बढ़ाता है। परिणामस्वरूप, नाइट्रो समूह ऑर्थो और पैरा स्थिति पर जुड़ जाता है.

इलेक्ट्रॉन निष्कासन समूह बेंजीन वलय में ऑर्थो और पैरा स्थितियों पर इलेक्ट्रॉन घनत्व को कम करते हैं। मेटा स्थिति पर इलेक्ट्रॉन घनत्व समान रहता है। ऐसे समूहों को मेटा डायरेक्टिंग ग्रुप कहा जाता है। ऑर्थो और पैरा स्थिति आंशिक रूप से सकारात्मक हो जाती है। मेटा स्थिति आंशिक रूप से नकारात्मक हो जाती है। नाइट्रोबेन्ज़ीन में नाइट्रो समूह मेटा निर्देशक समूह के रूप में कार्य करता है।

नाइट्रोबेन्ज़ीन में, नाइट्रो समूह ऑर्थो और पैरा स्थितियों से इलेक्ट्रॉन घनत्व वापस ले लेता है। अब मेटा स्थिति में ऑर्थो और पैरा स्थिति की तुलना में अधिक इलेक्ट्रॉन घनत्व है। परिणामस्वरूप, आने वाला इलेक्ट्रोफाइल मेटा स्थिति से जुड़ जाता है। उदाहरण के लिए, नाइट्रोबेन्ज़ीन के क्लोरीनीकरण के दौरान Cl⁺आयन इलेक्ट्रोफाइल के रूप में कार्य करता है। यह नाइट्रोबेन्ज़ीन की मेटा स्थिति से जुड़ता है। मेटा क्लोरोनाइट्रोबेन्ज़ीन एक उत्पाद के रूप में बनता है।