ऑक्सीजन युक्त हाइड्रोकार्बन व्युत्पन्नों का रसायन | Hydroxy and Ether Derivatives of Hydrocarbons
R—OH
Ar—OH
R—O—R'
C—O—H (108.9°)
ऑक्सीजन युक्त हाइड्रोकार्बन व्युत्पन्नों का रसायन
ऐल्कोहॉल, फ़िनॉल और ईथर की संरचनात्मक प्रवृत्तियाँ, विरचन प्रक्रम, हाइड्रोजन आबंधन और रासायनिक क्रियाविधि का विस्तृत विश्लेषण
हाइड्रॉक्सिल और अल्कॉक्सी समूहों का आणविक संसार
औद्योगिक विलायकों से लेकर जैव-रासायनिक यौगिकों तक फैले कार्बन-ऑक्सीजन एकल बंध की अद्वितीय रसायन विज्ञान।
प्रस्तावना और ऑक्सीजन युक्त कार्यात्मक समूहों का वर्गीकरण
कार्बनिक रसायन विज्ञान में जब किसी एलिफैटिक या एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन श्रृंखला में से एक हाइड्रोजन परमाणु को क्रमशः —OH (हाइड्रॉक्सिल समूह) या —OR (अल्कॉक्सी समूह) द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, तो हमें क्रमशः ऐल्कोहॉल, फ़िनॉल और ईथर प्राप्त होते हैं। ये तीन वर्ग प्रकृति और आधुनिक विनिर्माण में असाधारण रूप से महत्वपूर्ण हैं।
यदि हाइड्रॉक्सिल समूह किसी एलिफैटिक कार्बन श्रृंखला ($sp^3$ संकरित कार्बन) से जुड़ा हो, तो उसे ऐल्कोहॉल (Alcohols) कहते हैं। यदि यह समूह सीधे बेंजीन वलय ($sp^2$ संकरित कार्बन) से आबंधित हो, तो उसे फ़िनॉल (Phenols) कहा जाता है। इसके विपरीत, जब किसी ऑक्सीजन परमाणु की दोनों संयोजकताएं ऐल्किल या एरिल समूहों द्वारा संतुष्ट होती हैं, तो उसे ईथर (Ethers) कहते हैं।
दैनिक जीवन और औद्योगिक अनुप्रयोग
क्या आप जानते हैं कि कागज के निर्माण में प्रयुक्त होने वाला सेलुलोज़, कपड़ों का कपास और लकड़ी सब रासायनिक रूप से —OH समूहों से समृद्ध कार्बनिक यौगिक हैं? सामान्य विलायक के रूप में प्रयुक्त होने वाला एथेनॉल (Spirits), हमारे घरों में फर्नीचर पॉलिश के लिए उपयोग होने वाला मेथनॉल, और शल्य चिकित्सा में निश्चेतक के रूप में ऐतिहासिक स्थान रखने वाला डाईएथिल ईथर, इसी विस्तृत आणविक परिवार का हिस्सा हैं।
हाइड्रॉक्सिल समूहों की संख्या और विन्यास के आधार पर विभाजन
ऐल्कोहॉल और फ़िनॉल को उनकी संरचना में उपस्थित कुल हाइड्रॉक्सिल समूहों की संख्या के आधार पर मुख्य रूप से निम्नलिखित वर्गों में विभाजित किया जाता है:
मोनोहाइड्रिक (Monohydric)
संरचना में केवल एक —OH समूह उपस्थित होता है।
उदाहरण: CH3CH2OH (एथेनॉल), C6H5OH (फ़िनॉल)।
उदाहरण: CH3CH2OH (एथेनॉल), C6H5OH (फ़िनॉल)।
डाईहाइड्रिक (Dihydric)
संरचना में दो —OH समूह अलग कार्बनों पर होते हैं।
उदाहरण: ग्लाइकॉल (CH2OH—CH2OH), कैटेखॉल।
उदाहरण: ग्लाइकॉल (CH2OH—CH2OH), कैटेखॉल।
पॉलीहाइड्रिक (Polyhydric)
तीन या अधिक —OH समूह पाए जाते हैं।
उदाहरण: ग्लिसरॉल (CH2OH—CHOH—CH2OH) और सॉर्बिटॉल।
उदाहरण: ग्लिसरॉल (CH2OH—CHOH—CH2OH) और सॉर्बिटॉल।
मोनोहाइड्रिक ऐल्कोहॉलों का विन्यासीय वर्गीकरण
केंद्रीय कार्बन की प्रकृति के आधार पर ($1^\circ, 2^\circ, 3^\circ$)
हैलोजन व्युत्पन्नों की तरह, —OH समूह जिस $sp^3$ कार्बन से जुड़ा है, उसकी प्रकृति देखी जाती है:
- प्राथमिक ($1^\circ$): —OH समूह प्राथमिक कार्बन पर होता है (जैसे ब्यूटेन-1-ऑल)।
- द्वितीयक ($2^\circ$): —OH समूह दो अन्य कार्बनों से जुड़े कार्बन पर स्थित होता है (जैसे प्रोपेन-2-ऑल)।
- तृतीयक ($3^\circ$): —OH समूह सीधे तीन अन्य कार्बनों से घिरे केंद्र पर होता है (जैसे 2-मेथिलप्रोपेन-2-ऑल)।
एलाइलिक और बेन्जिलिक ऐल्कोहॉल
एलाइलिक ऐल्कोहॉल (Allylic Alcohols): इनमें —OH समूह कार्बन-कार्बन द्विबंध (C=C) के ठीक बगल वाले $sp^3$ संकरित कार्बन परमाणु से जुड़ा होता है। (उदा: CH2=CH—CH2OH).
बेन्जिलिक ऐल्कोहॉल (Benzylic Alcohols): इनमें —OH समूह एरोमैटिक बेंजीन वलय से सीधे पार्श्व श्रृंखला के रूप में जुड़े $sp^3$ कार्बन पर उपस्थित होता है। (उदा: C6H5CH2OH).
बेन्जिलिक ऐल्कोहॉल (Benzylic Alcohols): इनमें —OH समूह एरोमैटिक बेंजीन वलय से सीधे पार्श्व श्रृंखला के रूप में जुड़े $sp^3$ कार्बन पर उपस्थित होता है। (उदा: C6H5CH2OH).
व्यवस्थित IUPAC नामकरण और संरचनात्मक कोण का विश्लेषण
ऐल्कोहॉलों का IUPAC नामकरण मूल ऐल्केन श्रृंखला के नाम के अंत से '-ई' (-e) को हटाकर अनुलग्न '-ऑल' (-ol) जोड़कर किया जाता है (ऐल्केन + ऑल = ऐल्केनाॉल)। मुख्य श्रृंखला का अंकन उस दिशा से किया जाता है जहाँ से हाइड्रॉक्सिल समूह को न्यूनतम अंक प्राप्त हो। फ़िनॉल को IUPAC प्रणाली में भी 'फ़िनॉल' ही स्वीकार किया गया है, परंतु इसके अन्य प्रतिस्थापित रूपों का नामकरण बेंजीन के व्युत्पन्नों के रूप में (जैसे ऑर्थो-क्रिसॉल को 2-मेथिलफ़िनॉल) किया जाता है।
| रासायनिक संरचना (Structure) | सामान्य नाम (Common Name) | IUPAC नाम (Systematic Name) | वर्ग/प्रकार |
|---|---|---|---|
| CH3—CH(OH)—CH3 | आइसोप्रोपिल ऐल्कोहॉल | प्रोपेन-2-ऑल | $2^\circ$ ऐल्कोहॉल |
| CH3—CH(CH3)—CH2OH | आइसोब्यूटिल ऐल्कोहॉल | 2-मेथिलप्रोपेन-1-ऑल | $1^\circ$ ऐल्कोहॉल |
| HO—CH2—CH2—OH | एथिलीन ग्लाइकॉल | एथेन-1,2-डाईऑल | डाईहाइड्रिक |
| m-CH3—C6H4—OH | m-क्रिसॉल | 3-मेथिलफ़िनॉल | प्रतिस्थापित फ़िनॉल |
| CH3—O—CH2CH2CH3 | मेथिल एन-प्रोपिल ईथर | 1-मेथॉक्सीप्रोपेन | असममित ईथर |
| C6H5—O—CH3 | एनीसोल (Anisole) | मेथॉक्सीबेंजीन | एरिल ईथर |
आबंध कोण और संरचनात्मक विकृति (Bond Angles)
ऐल्कोहॉल में C—O—H आबंध कोण का मान टेट्राहेड्रल कोण (109.5°) से थोड़ा कम (108.9°) होता है। इसका कारण ऑक्सीजन के ऊपर उपस्थित दो एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्मों (Lone pairs) के बीच होने वाला तीव्र प्रतिकर्षण है, जो बंध को अंदर की ओर दबा देता है।
फ़िनॉल में C—O—H आबंध कोण 109° होता है। इसमें बेंजीन वलय के $sp^2$ कार्बन और ऑक्सीजन के एकाकी युग्म के बीच अनुनाद होने से C—O बंध में आंशिक द्विबंध के लक्षण आ जाते हैं, जिससे इसकी बंध लंबाई ऐल्कोहॉल से छोटी (136 pm) हो जाती है।
ईथर में C—O—C आबंध कोण टेट्राहेड्रल कोण से अधिक (111.7°) होता है। इसका कारण ऑक्सीजन के दोनों ओर जुड़े भारी ऐल्किल समूहों के बीच होने वाली तीव्र त्रिविम बाधा (Steric repulsion) है, जो बंध को बाहर की ओर फैला देती है।
ऐल्कोहॉल और फ़िनॉल विरचन की आधुनिक रासायनिक विधियाँ
प्रयोगशाला और उद्योगों में ऐल्कोहॉल और फ़िनॉल के विरचन के लिए परिष्कृत संश्लेषण विधियों का उपयोग किया जाता है। प्रमुख अभिक्रियाओं का विस्तृत रासायनिक विवरण नीचे स्पष्ट है:
1. ऐल्कीनों के माध्यम से ऐल्कोहॉल का निर्माण
- अम्ल उत्प्रेरित जल-संयोजन (Acid Catalysed Hydration): तनु सल्फ्यूरिक अम्ल की उपस्थिति में ऐल्कीनों की क्रिया जल से कराने पर मार्कोनीकॉफ के नियमानुसार ऐल्कोहॉल बनते हैं। इस अभिक्रिया में एक कार्बधनायन मध्यवर्ती (Carbocation Intermediate) बनता है, अतः पुनर्विन्यास (Rearrangement) की पूरी संभावना होती है।
- हाइड्रोबोरॉनन-ऑक्सीकरण (Hydroboration-Oxidation): जब ऐल्कीन की क्रिया डाईबोरॉन (B2H6) से कराकर क्षारीय माध्यम में हाइड्रोजन परऑक्साइड (H2O2) द्वारा ऑक्सीकरण किया जाता है, तो ऐल्कोहॉल बनता है। इस प्रक्रिया का नेट परिणाम एन्टी-मार्कोनीकॉफ नियम के अनुसार जल का जुड़ना है। इसमें कोई कार्बधनायन नहीं बनता, अतः उत्पाद का पुनर्विन्यास नहीं होता और $1^\circ$ ऐल्कोहॉल का निर्माण प्रचुर मात्रा में होता है।
CH3—CH=CH2 + H2O + H+ ⇒ CH3—CH(OH)—CH3 [प्रोपेन-2-ऑल]
CH3—CH=CH2 —(i) B2H6 / (ii) H2O2, OH-→ CH3CH2CH2OH [प्रोपेन-1-ऑल]
2. कार्बोनिल यौगिकों के अपचयन द्वारा (From Carbonyl Compounds)
एल्डिहाइड और कीटोन का उत्प्रेरकीय हाइड्रोजनीकरण (H2/Pd) या रासायनिक अपचायकों जैसे सोडियम बोरोहाइड्राइड (NaBH4) या लिथियम एल्युमिनियम हाइड्राइड (LiAlH4) द्वारा अपचयन कराने पर ऐल्कोहॉल प्राप्त होते हैं। एल्डिहाइड हमेशा प्राथमिक ($1^\circ$) ऐल्कोहॉल देते हैं, जबकि कीटोन हमेशा द्वितीयक ($2^\circ$) ऐल्कोहॉल का निर्माण करते हैं। कारबॉक्सिलिक अम्लों और एस्टरों के अपचयन के लिए केवल शक्तिशाली LiAlH4 का उपयोग किया जाता है।
3. ग्रिन्यार अभिकर्मक द्वारा ऐल्कोहॉल संश्लेषण (The Grignard Synthesis)
यह कार्बनिक संश्लेषण की सबसे शक्तिशाली विधि है क्योंकि इसके द्वारा कार्बन श्रृंखला की लंबाई बढ़ाकर इच्छित ऐल्कोहॉल प्राप्त किया जा सकता है। ग्रिन्यार अभिकर्मक (RMgX) का न्यूक्लियोफिलिक ऐल्किल समूह कार्बोनिल कार्बन पर आक्रमण करता है:
$1^\circ$
फॉर्मेल्डिहाइड (HCHO) के साथ क्रिया कराने के पश्चात जल अपघटन करने पर हमेशा प्राथमिक ($1^\circ$) ऐल्कोहॉल प्राप्त होता है।
$2^\circ$
अन्य सभी एल्डिहाइडों (जैसे CH3CHO) के साथ ग्रिन्यार अभिकर्मक क्रिया करके हमेशा द्वितीयक ($2^\circ$) ऐल्कोहॉल बनाता है।
$3^\circ$
कीटोनों (जैसे CH3COCH3) के साथ ग्रिन्यार अभिकर्मक का संयोजन होने पर हमेशा तृतीयक ($3^\circ$) ऐल्कोहॉल का निर्माण होता है।
4. फ़िनॉल विरचन के औद्योगिक प्रक्रम (Preparation of Phenols)
क्लोरोबेंजीन द्वारा (डाउ प्रक्रम)
क्लोरोबेंजीन को 623 K ताप और 300 atm उच्च दाब पर सोडियम हाइड्रोक्साइड (NaOH) के साथ गर्म करने पर सर्वप्रथम सोडियम फेनॉक्साइड बनता है, जिसे अम्लीकृत करने पर शुद्ध फ़िनॉल प्राप्त होता है।
बेंजीनसल्फोनिक अम्ल द्वारा
बेंजीन का ओलियम (H2S2O7) द्वारा सल्फोनेशन करके बेंजीनसल्फोनिक एसिड बनाया जाता है। इसे पिघले हुए सोडियम हाइड्रोक्साइड (Molten NaOH) के साथ गर्म करने पर फ़िनॉल प्राप्त होता है।
डाईऐजोनियम लवणों द्वारा
जब ऐनिलीन की क्रिया 273-278 K पर नाइट्रस अम्ल (NaNO2+HCl) से कराई जाती है, तो बेंजीन डाईऐजोनियम क्लोराइड बनता है। इस विलयन को केवल गुनगुने जल के साथ गर्म करने या भाप आसवन करने पर अत्यधिक शुद्ध फ़िनॉल प्राप्त होता है।
क्यूमीन प्रक्रम (Cumine - सर्वप्रमुख विधि)
विश्व भर में फ़िनॉल का अधिकतम उत्पादन क्यूमीन (आइसोप्रोपिल बेंजीन) के द्वारा किया जाता है। क्यूमीन का वायु द्वारा ऑक्सीकरण करके क्यूमीन हाइड्रोपरऑक्साइड बनाया जाता है, जिसे तनु अम्ल द्वारा अपघटित करने पर फ़िनॉल और औद्योगिक रूप से अत्यंत मूल्यवान सह-उत्पाद एसीटोन (CH3COCH3) प्रचुर मात्रा में प्राप्त होते हैं।
भौतिक गुणधर्म और अंतर-आणविक हाइड्रोजन आबंधन का प्रभाव
ऐल्कोहॉल और फ़िनॉल के भौतिक गुणधर्म मुख्य रूप से उनकी संरचना में उपस्थित अत्यधिक ध्रुवीय —OH समूह और उसके द्वारा बनने वाले अंतर-आणविक हाइड्रोजन बंधों (Intermolecular Hydrogen Bonding) द्वारा नियंत्रित होते हैं।
1
क्वथनांक (Boiling Points) का अप्रत्याशित उच्च मान: समान आणविक द्रव्यमान वाले हाइड्रोकार्बनों, ईथरों या ऐल्किल हैलाइडों की तुलना में ऐल्कोहॉलों और फ़िनॉलों के क्वथनांक अत्यधिक उच्च होते हैं। इसका कारण यह है कि इनके अणुओं के बीच मजबूत हाइड्रोजन आबंध पाए जाते हैं, जिन्हें तोड़ने के लिए बहुत अधिक तापीय ऊर्जा की आवश्यकता होती है। समान कार्बन संख्या के लिए क्वथनांक का क्रम इस प्रकार होता है: प्राथमिक ($1^\circ$) > द्वितीयक ($2^\circ$) > तृतीयक ($3^\circ$), क्योंकि शाखन बढ़ने से पृष्ठीय क्षेत्रफल घटता है और वांडर वाल्स बल कमजोर होते हैं।
2
जल में विलेयता (Solubility): निम्न श्रेणी के ऐल्कोहॉल (जैसे मेथनॉल, एथेनॉल) जल में पूरी तरह अनंत रूप से विलेयशील होते हैं। इसका कारण यह है कि ऐल्कोहॉल के अणु जल के अणुओं के साथ आसानी से नए हाइड्रोजन बंधों का निर्माण कर लेते हैं। जैसे-जैसे ऐल्किल समूह (R) का आकार अर्थात् हाइड्रोफोबिक (जल-विरागी) कार्बन श्रृंखला बढ़ती है, जल में विलेयता तेजी से घटती जाती है।
रासायनिक अभिक्रियाएँ: अम्लीय स्वभाव और बंध विदलन का विज्ञान
ऐल्कोहॉल बहुमुखी यौगिक हैं; ये नाभिकरागी (Nucleophile) और इलेक्ट्रॉनरागी (Electrophile) दोनों रूपों में क्रिया कर सकते हैं। इनकी अभिक्रियाओं को दो मुख्य भागों में बांटा जाता है: वे जिनमें O—H बंध टूटता है और वे जिनमें C—O बंध टूटता है।
1. अम्लीय स्वभाव का विस्तृत रासायनिक विश्लेषण
ऐल्कोहॉल और फ़िनॉल सक्रिय धातुओं (जैसे Na, K, Al) के साथ क्रिया करके हाइड्रोजन गैस मुक्त करते हैं, जो इनके अम्लीय स्वभाव को दर्शाता है। लेकिन इनके बीच अम्लता के परिमाण में एक बहुत बड़ा और बुनियादी अंतर होता है:
फ़िनॉल की अम्लता ऐल्कोहॉल से अत्यधिक उच्च क्यों है?
फ़िनॉल का अम्लता स्थिरांक ($K_a$) ऐल्科हॉल से लगभग $10^{6}$ गुना अधिक होता है। इसके दो मुख्य कारण हैं:
1. $sp^2$ कार्बन का प्रभाव: फ़िनॉल में —OH समूह $sp^2$ संकरित कार्बन से जुड़ा है जो अधिक विद्युत-ऋणात्मक होने के कारण O—H बंध के इलेक्ट्रॉन घनत्व को खींच लेता है, जिससे H+ का निकलना आसान हो जाता है। ऐल्कोहॉल में $sp^3$ कार्बन का +I प्रभाव बंध को और मजबूत बना देता है।
2. फेनॉक्साइड आयन का अनुनादी स्थायित्व (Resonance Stabilisation): H+ आयन त्यागने के बाद फ़िनॉल से फेनॉक्साइड आयन (Phenoxide ion) बनता है। यह आयन अनुनाद के कारण अत्यधिक स्थायी होता है क्योंकि इसमें ऋणात्मक आवेश अधिक विद्युत-ऋणात्मक ऑक्सीजन और बेंजीन के कार्बनों पर विस्थानिकृत (Delocalised) हो जाता है। ऐल्कोहॉल से बनने वाला अल्कॉक्सी आयन (Alkoxide ion) अनुनाद प्रदर्शित नहीं करता, बल्कि ऐल्किल समूह का +I प्रभाव ऋणात्मक आवेश को बढ़ाकर उसे और अधिक अस्थाई बना देता है।
नोट: ऐल्कोहॉलों की अम्लता का क्रम: प्राथमिक ($1^\circ$) > द्वितीयक ($2^\circ$) > तृतीयक ($3^\circ$) होता है।
1. $sp^2$ कार्बन का प्रभाव: फ़िनॉल में —OH समूह $sp^2$ संकरित कार्बन से जुड़ा है जो अधिक विद्युत-ऋणात्मक होने के कारण O—H बंध के इलेक्ट्रॉन घनत्व को खींच लेता है, जिससे H+ का निकलना आसान हो जाता है। ऐल्कोहॉल में $sp^3$ कार्बन का +I प्रभाव बंध को और मजबूत बना देता है।
2. फेनॉक्साइड आयन का अनुनादी स्थायित्व (Resonance Stabilisation): H+ आयन त्यागने के बाद फ़िनॉल से फेनॉक्साइड आयन (Phenoxide ion) बनता है। यह आयन अनुनाद के कारण अत्यधिक स्थायी होता है क्योंकि इसमें ऋणात्मक आवेश अधिक विद्युत-ऋणात्मक ऑक्सीजन और बेंजीन के कार्बनों पर विस्थानिकृत (Delocalised) हो जाता है। ऐल्कोहॉल से बनने वाला अल्कॉक्सी आयन (Alkoxide ion) अनुनाद प्रदर्शित नहीं करता, बल्कि ऐल्किल समूह का +I प्रभाव ऋणात्मक आवेश को बढ़ाकर उसे और अधिक अस्थाई बना देता है।
नोट: ऐल्कोहॉलों की अम्लता का क्रम: प्राथमिक ($1^\circ$) > द्वितीयक ($2^\circ$) > तृतीयक ($3^\circ$) होता है।
2. ऐल्कोहॉल और फ़िनॉल की अन्य महत्वपूर्ण ओ-एच बंध अभिक्रियाएँ
- एस्टरीकरण (Esterification): सांद्र सल्फ्यूरिक अम्ल की उपस्थिति में जब ऐल्कोहॉल या फ़िनॉल की क्रिया कारबॉक्सिलिक अम्लों, एसिड एनहाइड्राइडों या एसिड क्लोराइडों के साथ कराई जाती है, तो फलों जैसी मीठी गंध वाले एस्टर (Esters) बनते हैं।
- एस्पिरिन का निर्माण (Aspirin Synthesis): जब फ़िनॉल के व्युत्पन्न सैलिसिलिक अम्ल की क्रिया एसीटिक एनहाइड्राइड से कराई जाती है, तो सैलिसिलिक अम्ल का —OH समूह एसीटिलीकृत हो जाता है और एस्पिरिन (Acetylsalicylic acid) बनती है, जिसका उपयोग दर्द निवारक और हृदय रोगों में रक्त को पतला करने में होता है।
3. सी-ओ बंध के विदलन की अभिक्रियाएँ और ल्यूकास परीक्षण
ये अभिक्रियाएँ केवल ऐल्कोहॉलों द्वारा प्रदर्शित की जाती हैं, फ़िनॉल द्वारा नहीं। जब ऐल्कोहॉल की क्रिया हैलोजन अम्लों (HX) से कराई जाती है, तो C—O बंध टूटता है। इस प्रवृत्ति का उपयोग प्राथमिक, द्वितीयक और तृतीयक ऐल्कोहॉलों के बीच अंतर स्पष्ट करने के लिए ल्यूकास परीक्षण (Lucas Test) के रूप में किया जाता है:
| ऐल्कोहॉल का प्रकार | ल्यूकास अभिकर्मक (सांद्र HCl + निर्जल ZnCl2) के साथ व्यवहार | वैज्ञानिक कारण (Mechanism Basis) |
|---|---|---|
| तृतीयक ऐल्कोहॉल ($3^\circ$) | कमरे के ताप पर मिलाते ही तुरंत धुंधलापन / तैलीय परत (Turbidity) उत्पन्न करता है। | $3^\circ$ कार्बधनायन अत्यधिक स्थायी होता है, जिससे अभिक्रिया क्षण भर में पूरी हो जाती है। |
| द्वितीयक ऐल्कोहॉल ($2^\circ$) | कमरे के ताप पर लगभग 5 मिनट के बाद धुंधलापन उत्पन्न होता है। | $2^\circ$ कार्बधनायन का स्थायित्व मध्यम श्रेणी का होता है। |
| प्राथमिक ऐल्कोहॉल ($1^\circ$) | कमरे के ताप पर कोई धुंधलापन नहीं आता। केवल गर्म करने पर ही परत बनती है। | $1^\circ$ कार्बधनायन अत्यधिक अस्थाई होता है, अतः सामान्य ताप पर क्रिया नहीं होती। |
ऐल्कोहॉल के निर्जलीकरण (Dehydration) की संपूर्ण क्रियाविधि
जब ऐल्कोहॉलों को सांद्र सल्फ्यूरिक अम्ल (H2SO4) या फॉस्फोरिक अम्ल (H3PO4) जैसे संद्र अम्लों के साथ उच्च ताप पर गर्म किया जाता है, तो जल का एक अणु बाहर निकल जाता है और ऐल्कीन बनती है। ऐल्कोहॉलों के निर्जलीकरण की सुगमता का क्रम $3^\circ > 2^\circ > $1^\circ$ होता है। एथेनॉल से एथीन बनने की क्रियाविधि ($443 \text{ K}$ पर) तीन क्रमिक पदों में पूरी होती है जो बलगतिकी और रासायनिक दृष्टिकोण से अत्यधिक महत्वपूर्ण है:
1
प्रोटॉनन (Protonation of Alcohol) - तीव्र पद: सल्फ्यूरिक अम्ल से प्राप्त H+ आयन ऐल्कोहॉल की ऑक्सीजन के एकाकी युग्म पर तेजी से आक्रमण करता है, जिससे एक प्रोटोनीकृत ऐल्कोहॉल (ऑक्सोनियम आयन) बनता है। यह —OH समूह को एक अच्छे लिविंग ग्रुप (—OH2+) में बदल देता है।
2
कार्बधनायन का निर्माण (Carbocation Formation) - धीमा व वेग निर्धारक पद: ऑक्सोनियम आयन में से जल का एक उदासीन अणु (H2O) बाहर निकल जाता है और कार्बन पर धनात्मक आवेश आ जाता है, जिससे एक कार्बधनायन (Carbocation) बनता है। चूंकि यह पद सबसे धीमा है, इसलिए पूरी अभिक्रिया का वेग इसी पद पर निर्भर करता है।
3
प्रोटॉन का विलोपन (Deprotonation to form Alkene) - तीव्र पद: अंत में, कार्बधनायन के बगल वाले कार्बन ($\beta$-कार्बन) से एक प्रोटॉन (H+) बाहर निकल जाता है। कार्बन-हाइड्रोजन बंध के इलेक्ट्रॉन अंदर की ओर स्थानांतरित होकर एक नया कार्बन-कार्बन डबल बॉन्ड ($\pi$-बंध) बना लेते हैं, जिससे एथीन (Alkene) प्राप्त होती है। मुक्त हुआ H+ पुनः उत्प्रेरक के रूप में काम आता है।
4. ऐल्कोहॉलों का ऑक्सीकरण (Oxidation Reactions)
ऐल्कोहॉलों का ऑक्सीकरण वास्तव में विहाइड्रोजनीकरण (Dehydrogenation) है। प्राथमिक ऐल्कोहॉल शक्तिशाली ऑक्सीकारकों (KMnO4 या K2Cr2O7) द्वारा सीधे कारबॉक्सिलिक अम्ल में बदल जाते हैं। यदि हमें अभिक्रिया को केवल एल्डिहाइड के स्तर पर रोकना हो, तो एक चयनात्मक और नियंत्रित माइल्ड ऑक्सीकारक PCC (पिरीडिनियम क्लोरोक्रोमेट) का उपयोग किया जाता है। द्वितीयक ऐल्कोहॉल ऑक्सीकृत होकर हमेशा कीटोन बनाते हैं, जबकि तृतीयक ऐल्कोहॉलों का सामान्य परिस्थितियों में ऑक्सीकरण नहीं होता; उग्र परिस्थितियों में वे श्रृंखला तोड़कर अम्लों का मिश्रण देते हैं।
R—CH2OH + PCC ⇒ R—CHO [एल्डिहाइड पर नियंत्रण]
R—CH(OH)—R' + CrO3 ⇒ R—CO—R' [कीटोन निर्माण]
फ़िनॉल की विशिष्ट नामकरण अभिक्रियाएँ (Named Reactions of Phenols)
फ़िनॉल की एरोमैटिक वलय अत्यधिक इलेक्ट्रॉन-समृद्ध होती है, जिससे यह कुछ बहुत ही विशिष्ट नामकरण इलेक्ट्रॉनरागी प्रतिस्थापन अभिक्रियाएँ प्रदर्शित करती है जो बोर्ड और प्रतियोगी परीक्षाओं की दृष्टि से अत्यंत महत्वपूर्ण हैं:
कोल्बे अभिक्रिया (Kolbe's Reaction)
जब फ़िनॉल की क्रिया सोडियम हाइड्रोक्साइड से कराकर फेनॉक्साइड आयन बनाया जाता है, तो इसकी इलेक्ट्रॉनरागी सक्रियता बहुत बढ़ जाती है। इस फेनॉक्साइड आयन की क्रिया एक दुर्बल इलेक्ट्रॉनरागी कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) के साथ 4-7 atm दाब पर कराने के पश्चात अम्लीकरण करने पर मुख्य उत्पाद के रूप में सैलिसिलिक अम्ल (2-हाइड्रॉक्सीबेन्जोइक अम्ल) प्राप्त होता है।
रीमर-टीमैन अभिक्रिया (Reimer-Tiemann Reaction)
जब फ़िनॉल की क्रिया सोडियम हाइड्रोक्साइड की उपस्थिति में क्लोरोफॉर्म (CHCl3) के साथ कराई जाती है, तो बेंजीन वलय की ऑर्थो स्थिति पर एक एल्डिहाइड समूह (—CHO) प्रवेश कर जाता है। इस अभिक्रिया के अंतिम जल अपघटन द्वारा हमें मुख्य उत्पाद के रूप में सैलिसिलैल्डिहाइड (2-हाइड्रॉक्सीबेन्जैल्डिहाइड) प्राप्त होता है। इस अभिक्रिया का वास्तविक इलेक्ट्रॉनरागी मध्यवर्ती डाइक्लोरोकार्बीन (:CCl2) होता है।
3. फ़िनॉल की अन्य विशिष्ट रासायनिक प्रवृत्तियाँ
- यशद रज (Zinc Dust) के साथ अपचयन: जब फ़िनॉल वाष्प को गर्म जिंक चूर्ण के ऊपर से प्रवाहित किया जाता है, तो फ़िनॉल का ऑक्सीजन परमाणु जिंक द्वारा खींच लिया जाता है और फ़िनॉल सीधे बेंजीन (Benzene) में अपचयित हो जाता है। यह एरोमैटिक रूपांतरण की एक अत्यंत सुगम विधि है।
C6H5OH + Zn → C6H6 + ZnO - क्रोमिल क्लोराइड या वायु द्वारा ऑक्सीकरण: हवा में खुला छोड़ने पर फ़िनॉल धीरे-धीरे ऑक्सीकृत होकर गहरे गुलाबी-लाल रंग का एक संयुग्मित डाईकीटोन बनाता है जिसे बेंजोक्विनोन (Benzoquinone) कहते हैं।
ईथर का रसायन: विरचन प्रक्रम और ईथर आबंध का विदलन
ईथर (R—O—R') रासायनिक रूप से काफी अक्रिय (Inert) होते हैं, इसलिए इनका उपयोग उद्योगों में विलायक के रूप में बहुत अधिक किया जाता है। इनके निर्माण और उनकी रासायनिक सक्रियता के मुख्य सिद्धांतों का विश्लेषण इस प्रकार है:
1. विरचन की प्रमुख सर्वप्रचलित विधियाँ (Preparation of Ethers)
- ऐल्कोहॉलों के नियंत्रित निर्जलीकरण द्वारा: जब एथेनॉल को आधिक्य में लेकर सांद्र H2SO4 के साथ 413 K के नियंत्रित कम तापमान पर गर्म किया जाता है, तो एक द्विआणुक प्रतिस्थापन द्वारा डाईएथिल ईथर बनता है। (ध्यान रहे: यदि तापमान 443 K कर दिया जाए तो मुख्य उत्पाद एथीन ऐल्कीन बन जाता है)।
- विलियमसन संश्लेषण (Williamson Synthesis - सर्वप्रमुख नेम-रिएक्शन): यह सममित और असममित दोनों प्रकार के ईथरों को बनाने की सबसे उत्कृष्ट प्रयोगशाला विधि है। इसमें जब किसी सोडियम अल्कॉक्साइड (R—ONa) की क्रिया किसी ऐल्किल हैलाइड (R'—X) के साथ कराई जाती है, तो एक विशिष्ट $S_N2$ प्रतिस्थापन द्वारा ईथर का निर्माण होता है।
विलियमसन संश्लेषण की सबसे बड़ी त्रिविम सीमा
चूंकि यह अभिक्रिया एक शुद्ध $S_N2$ मार्ग का अनुसरण करती है, इसलिए सर्वोत्तम परिणामों के लिए ऐल्किल हैलाइड हमेशा प्राथमिक ($1^\circ$) होना चाहिए। यदि हम किसी तृतीयक ($3^\circ$) ऐल्किल हैलाइड (जैसे तृतीयक ब्यूटिल क्लोराइड) की क्रिया सोडियम मेथॉक्साइड से कराएंगे, तो प्रतिस्थापन के स्थान पर विलोपन (Elimination) अभिक्रिया मुख्य रूप से हो जाएगी और उत्पाद ईथर न बनकर एक ऐल्कीन (आइसोब्यूटीन) प्राप्त होगी, क्योंकि अल्कॉक्साइड आयन एक न्यूक्लियोफिलाइल के साथ-साथ एक अत्यंत शक्तिशाली क्षार भी होता है।
2. ईथरों की रासायनिक अभिक्रियाएँ और हैलोजन अम्लों (HX) द्वारा विदलन
ईथर में उपस्थित C—O बंध काफी मजबूत होता है। इसका विदलन केवल उग्र परिस्थितियों में अत्यधिक सांद्र हैलोजन अम्लों (मुख्यतः HI या HBr) के साथ गर्म करने पर ही संभव है। जब एक ऐल्किल एरिल ईथर (जैसे एनीसोल) की क्रिया HI से कराई जाती है, तो बंध हमेशा वलय के कार्बन और ऑक्सीजन के बीच से नहीं टूटता, बल्कि ऐल्किल समूह की तरफ से टूटता है, जिससे हमेशा फ़िनॉल और ऐल्किल हैलाइड बनते हैं। इसका कारण यह है कि एरिल-ऑक्सीजन बंध में अनुनाद के कारण आंशिक डबल बॉन्ड के लक्षण होते हैं जिसे तोड़ना असंभव है।
C6H5—O—CH3 + HI ⇒ C6H5—OH + CH3I [फ़िनॉल + मेथिल आयोडाइड]
यदि ईथर में एक ऐल्किल समूह तृतीयक ($3^\circ$) हो (जैसे मेथिल तृतीयक-ब्यूटिल ईथर), तो HI के साथ क्रिया कराने पर अभिक्रिया $S_N1$ क्रियाविधि का पालन करने लगती है। इस स्थिति में बनने वाला $3^\circ$ कार्बधनायन अत्यधिक स्थायी होने के कारण, आयोडाइड आयन सीधे $3^\circ$ केंद्र पर आक्रमण करता है और मुख्य उत्पाद तृतीयक-ब्यूटिल आयोडाइड और मेथनॉल प्राप्त होते हैं।
व्यावसायिक रूप से महत्वपूर्ण ऐल्कोहॉलों का संक्षिप्त विवरण
औद्योगिक स्तर पर दो ऐल्कोहॉल अरबों डॉलर के वैश्विक विनिर्माण बाज़ार का प्रतिनिधित्व करते हैं:
| औद्योगिक नाम व सूत्र | व्यावसायिक निर्माण की विधि | उपयोग व इसके विशिष्ट गुणधर्म/खतरे |
|---|---|---|
| मेथनॉल (CH3OH) काष्ठ स्पिरिट (Wood Spirit) |
ऐतिहासिक रूप से लकड़ी के भंजक आसवन द्वारा। आधुनिक समय में उच्च ताप ($300 \text{ atm}$) और उत्प्रेरक (ZnO—Cr2O3) की उपस्थिति में वाटर गैस (CO + H2) के उत्प्रेरकीय हाइड्रोजनीकरण द्वारा। | यह एक अत्यंत विषैला द्रव है। इसकी सूक्ष्म मात्रा पीने से व्यक्ति में अंधापन (Blindness) आ जाता है और अधिक मात्रा से यकृत के थक्के जमने के कारण मृत्यु हो जाती है। इसका उपयोग फॉर्मेल्डिहाइड बनाने में बहुत अधिक होता है। |
| एथेनॉल (CH3CH2OH) अनाज का ऐल्कोहॉल |
गन्ने के रस या शीरे (Molasses) में उपस्थित सुक्रोज का इनवर्टेस और जाइमेस एंजाइमों (खमीर/Yeast) की उपस्थिति में किण्वन (Fermentation) कराकर। | यह सभी पेय मदिराओं का मुख्य अवयव है। इसका औद्योगिक दुरुपयोग रोकने के लिए इसमें मेथनॉल या कॉपर सल्फेट मिलाकर इसे पीने के अयोग्य बना दिया जाता है, जिसे ऐल्कोहॉल का विकृतीकरण (Denaturation of Alcohol) कहते हैं। |
"ऑक्सीजन परमाणु की उच्च विद्युत-ऋणात्मकता और उसके ऊपर उपस्थित एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म ही संपूर्ण ऐल्कोहॉल और फ़िनॉल रसायन के प्राण हैं। हाइड्रोजन आबंधन के कारण उत्पन्न होने वाले इनके भौतिक परिवर्तन हमें अणुओं के अंतःक्रियात्मक सौंदर्य का बोध कराते हैं।"
संपूर्ण रासायनिक प्रवृत्तियों का व्यापक सारांश
ऑक्सीजन युक्त इन हाइड्रोकार्बन व्युत्पन्नों का यह विस्तृत खंड हमें एलिफैटिक प्रतिस्थापन से लेकर एरोमैटिक इलेक्ट्रॉनरागी नामकरण अभिक्रियाओं तक की एक व्यवस्थित वैचारिक यात्रा कराता है।
संरचना व वर्गीकरण
$1^\circ, 2^\circ, 3^\circ$, एलाइलिक, बेन्जिलिक ऐल्कोहॉलों और ईथरों की ज्यामिति व IUPAC नाम।
संश्लेषण प्रक्रम
हाइड्रोबोरॉनन, ग्रिन्यार अभिकर्मक द्वारा ऐल्कोहॉल और क्यूमीन द्वारा फ़िनॉल का औद्योगिक निर्माण।
अम्लता व परीक्षण
फेनॉक्साइड अनुनाद से फ़िनॉल की उच्च अम्लता, ल्यूकास और निर्जलीकरण क्रियाविधि।
विशिष्ट अभिक्रियाएँ
कोल्बे, रीमर-टीमैन, विलियमसन संश्लेषण की त्रिविम सीमाएं और HI द्वारा ईथर विदलन नियम।
अगला चरण (What's Next?)
अब जब हमने यह विस्तार से सीख लिया है कि किस प्रकार $sp^3$ कार्बन से जुड़े ऑक्सीजन एकल बंध (C—O) का रसायन व्यवहार करता है, तो हमारा अगला तार्किक कदम उन अत्यधिक सक्रिय कार्बनिक यौगिकों की खोज करना होगा जहाँ ऑक्सीजन कार्बन के साथ डबल बॉन्ड यानी कार्बोनिल समूह (C=O) के रूप में जुड़ा होता है। जब इस कार्बोनिल समूह की एक तरफ हाइड्रोजन होता है तो वे एल्डिहाइड बनते हैं, दोनों तरफ कार्बन होने पर कीटोन बनते हैं, और —OH जुड़ने पर कारबॉक्सिलिक अम्ल का निर्माण होता है। इन अत्यंत महत्वपूर्ण और गतिकी रूप से समृद्ध यौगिकों के विस्तृत संसार का रासायनिक विश्लेषण हम अगले खंड "एल्डिहाइड, कीटोन और कारबॉक्सिलिक अम्ल (Aldehydes, Ketones and Carboxylic Acids)" में पूरी गहराई से करेंगे।