એલિસાઇક્લિક (alicyclic) સંયોજનો

એલિસાઇક્લિક (alicyclic) સંયોજનો : એલિફેટિક સંયોજનોના લાક્ષણિક ગુણધર્મો દર્શાવતા સમચક્રીય (homocyclic) હાઇડ્રોકાર્બનો તથા તેમના વ્યુત્પન્નો. આ વર્ગના હાઇડ્રોકાર્બનને સાઇક્લોઆલ્કેન કે સાઇક્લોપેરેફિન્સ પણ કહે છે. આ સંયોજનો ઍરોમૅટિક વિશિષ્ટતા દર્શાવતા નથી. એક વલયયુક્ત હાઇડ્રોકાર્બન સંયોજનો માટેનું સામાન્ય સૂત્ર C_nH_2n છે. (n = 3, 4, 5…), આમ સાઇક્લોઆલ્કેન્સમાં અનુરૂપ આલ્કેન્સ(C_nH_2n+2)ની સરખામણીમાં બે હાઇડ્રોજન પરમાણુઓ ઓછા હોય છે. આ વલયોને તેમની સભ્યસંખ્યા અનુસાર ચાર ભાગમાં વહેંચવામાં આવે છે. n = 3, 4 નાનાં વલયો, n = 5, 6 સામાન્ય વલયો, n = 7થી 10, મધ્યમ વલયો અને n > 10 મોટા વલયો.

એકથી વધુ વલયો ધરાવતા હાઇડ્રોકાર્બનોના ચાર પ્રકાર પાડવામાં આવ્યા છે : (1) સીધા કે કાર્બનશૃંખલા મારફત જોડાયેલાં અલગ વલયો (A અને B), (2) બે શૃંખલા વચ્ચે એક કાર્બન સામાન્ય હોય (C) આને સ્પાયરેન્સ (spiranes) કહે છે, (3) સંઘનિત વલયો જેમાં બે કાર્બન, વલયો વચ્ચે સામાન્ય હોય (D) અને (4) સેતુબંધિત (bridged) વલયો કે જેમાં જોડાજોડ (પાસપાસે, adjacent) ન હોય તેવા બે કાર્બન પરમાણુઓ એક અથવા વધુ કાર્બન પરમાણુઓના સેતુ વડે જોડાયેલા હોય (E).

પ્રાપ્તિ : એલિસાઇક્લિક હાઇડ્રોકાર્બનમાં સાઇક્લોપેન્ટેન અને સાઇક્લોહેક્ઝેન પેટ્રોલિયમમાં મળી આવે છે. તે નેપ્થીન્સ તરીકે ઓળખાય છે. ભારતમાં મળતું ખનિજ તેલ આ પ્રકારનું છે. વનસ્પતિસૃષ્ટિમાં મળી આવતાં ચક્રીય આઇસોપ્રિનોઇડ્ઝ (ટર્પીન્સ), સ્ટેરોઇડ્ઝ અને મોટાભાગના આલ્કેલૉઇડ્ઝના પાયાના માળખામાં એલિસાઇક્લિક પ્રણાલીઓ રહેલી હોય છે.

નામકરણ : અનુરૂપ એલિફેટિક સંયોજનોના નામ આગળ ‘સાઇકલો – cyclo’ પૂર્વગ લગાડીને એલિસાઇક્લિક સંયોજનોનાં નામ યોજવામાં આવે છે. દા.ત.,

તેમનું બંધારણ ત્રિકોણ, ચોરસ, પંચકોણ, ષટ્કોણ જેવા ભૌમિતિક આકાર વડે પણ દર્શાવાય છે. દરેક ખૂણે −CH₂– છે. આ સંયોજનોમાં આવેલા મિથિલીન (−CH₂-) સમૂહની સંખ્યા ઉપરથી પણ નામ યોજાય છે.

દા.ત.,

સાઇક્લોપ્રોપેન = ટ્રાયમિથિલીન

સાઇક્લોહેક્ઝેન = હેક્ઝામિથિલીન વગેરે.

અન્ય સમૂહ શાખારૂપે જોડાયેલા હોય તો તેનાં નામો એવી રીતે યોજવામાં આવે છે કે જેથી જે કાર્બન સાથે તે જોડાયેલ હોય તેનો આંક ઓછામાં ઓછો આવે. દા.ત.,

અસંતૃપ્તતા ઇન −ene− પ્રત્યયથી દર્શાવાય છે. દા.ત.,

સંઘનિત અને સેતુયુક્ત હાઇડ્રોકાર્બનનાં નામો યોજવા માટે બે વલયવાળાં સંયોજન માટે હાઇડ્રોકાર્બનના નામ આગળ પૂર્વગ ‘બાઇસાઇક્લો’ વપરાય છે. આ પૂર્વગની જોડે કૌંસમાં સામાન્ય કાર્બનની પ્રત્યેક બાજુના વલયની કાર્બનસંખ્યા ઊતરતા ક્રમમાં દર્શાવાય છે. કાર્બન પરમાણુઓની કુલ સંખ્યા ઉપરથી હાઇડ્રોકાર્બનનું નામ પાડવામાં આવે છે. દા.ત.,

બે વલય વચ્ચે એક કાર્બન સામાન્ય હોય તેવાં સંયોજનો માટે પૂર્વગ ‘સ્પાયરો’ વપરાય છે. આના પછી કૌંસમાં ઊતરતા ક્રમમાં કેન્દ્રીય કાર્બન સાથે જોડાયેલા કાર્બનની સંખ્યા દર્શાવાય છે.

દા.ત., સ્પાયરો (3.3) હેપ્ટેન

ભૌતિક ગુણધર્મો : અનુરૂપ એલિફેટિક હાઇડ્રોકાર્બનની સરખામણીમાં એલિસાઇક્લિક હાઇડ્રોકાર્બનનાં ઉત્કલનબિંદુ 10°-20° સે. જેટલાં વધુ હોય છે. 14 કાર્બન સુધીનાં વલયો ધરાવતા અણુઓ લગભગ ગોળાકાર (spherical) હોય છે, જ્યારે તેનાથી વધુ મોટાં વલયોની બાજુઓ લગભગ સમાંતર થઈ જાય છે અને ગુણો વિવૃત શૃંખલાવાળા હાઇડ્રોકાર્બન જેવા જોવા મળે છે.

રાસાયણિક ગુણો : રાસાયણિક ગુણોમાં એલિસાઇક્લિક સંયોજનો ઍરોમૅટિકને બદલે એલિફેટિક સંયોજનોને મળતાં આવે છે, પણ તેમના કેટલાક ગુણોનો આધાર વલયના કદ ઉપર છે. 3 અને 4 સભ્યવાળાં વલયોનું નિર્માણ મુશ્કેલ હોય છે અને આ વલયો વધુ અસ્થાયી હોય છે. દા.ત. સાઇક્લોપ્રોપેનનું હાઇડ્રોજનીકરણ કરતાં કે બ્રોમિન, હાઇડ્રોજન બ્રોમાઇડ, સલ્ફયુરિક ઍસિડ વગેરે સાથે તેની પ્રક્રિયા કરતાં સરળતાથી વિવૃત શૃંખલાવાળાં સંયોજનો મળે છે.

સાઇક્લોબ્યૂટેનની વર્તણૂક પણ આવી જ હોય છે. 5 અને 6 કાર્બનયુક્ત વલયોનું નિર્માણ સરળ છે અને તે સૌથી વધુ સ્થાયી પણ છે.

અણુબંધારણ : 1880 સુધી ફક્ત સાઇક્લોહેક્ઝેન અને તેના વ્યુત્પન્નો જાણીતા હતા. આ સંયોજનો અનુરૂપ ઍરોમૅટિક હાઇડ્રોકાર્બનનું હાઇડ્રોજનીકરણ કરીને મેળવવામાં આવતાં અને તેથી તેમને હાઇડ્રોઍરોમૅટિક સંયોજનો તરીકે ઓળખવામાં આવતાં હતાં. 1885ના અરસામાં સાઇક્લોપ્રોપેન, સાઇક્લોબ્યૂટેન અને સાઇક્લોપેન્ટેનનાં વ્યુત્પન્નોનું નિર્માણ શક્ય બન્યું. આ સમયે એવું તારણ કાઢવામાં આવ્યું હતું કે દરેક વલયની સ્થિરતામાં ભિન્નતા હતી. સાઇક્લોપ્રોપેન અને સાઇક્લોબ્યૂટેન અસંતૃપ્ત ઇથિલીન જેવા ગુણધર્મો દર્શાવતા હતા, જ્યારે સાઇક્લોપેન્ટેન અને સાઇક્લોહેક્ઝેનની વર્તણૂક સંતૃપ્ત હાઇડ્રોકાર્બન જેવી હતી. સામાન્ય સંજોગોમાં આ વલયો ઘણાં સ્થિર હતાં. 1885માં જર્મન રાસાયણિક એડોલ્ફ બેયરે વલયોની સ્થિરતામાંની ભિન્નતા સમજાવવા માટે એક સિદ્ધાંત રજૂ કર્યો; તે બેયરના વિકૃતિ સિદ્ધાંત (strain theory) તરીકે ઓળખાય છે. ચતુષ્ફલકીય (tetrahedral) કાર્બનની ચાર સંયોજકતા વચ્ચેનો ખૂણો 109° 28’ હોય છે. સાઇક્લોપ્રોપેનના નિર્માણમાં 60°નો ખૂણો બનાવવા માટે કાર્બનની બે સંયોજકતા સારા પ્રમાણમાં સંકોચાશે. આ સંકોચન  જેટલું થશે. આ સંકોચનરૂપ વિકૃતિને કારણે નિર્માણમાં મુશ્કેલી રહે છે અને સંયોજન અસ્થિર બને છે. આ સિદ્ધાંત પ્રમાણે વલયોના કાર્બન પરમાણુઓ સમતલ છે તેમ માનવામાં આવે છે. ભિન્ન ભિન્ન કદનાં વલયો માટેની વિકૃતિ તથા એક CH₂ સમૂહ માટેની જ્વલન-ઉષ્મા નીચેના કોષ્ટકમાં દર્શાવ્યાં છે. જ્વલન-ઉષ્મા ઉપરથી વલયની સ્થિરતાની માત્રાનો અંદાજ મેળવી શકાય છે.

કાર્બન–પરમાણુ સંખ્યા	સંયોજકતા વચ્ચેનો ખૂણો	કોણીય સંકોચન	જ્વલન–ઉષ્મા પ્રતિ CH2 (કિ. કેલરી)
3	60	24° 44’	168.5
4	90	9° 44’	165.5
5	108	0° 44’	159.0
6	120	-5° 16’	158.0
7	129	-9° 51’	158.0
8	155	-23° 16’	157.0

(- ચિહન સંકોચનને બદલે વિસ્તાર દર્શાવે છે.)

અણુકક્ષક સિદ્ધાંત અનુસાર એમ કહી શકાય કે આવાં વલયોના નિર્માણમાં sp³ સંકર કક્ષકોનું આચ્છાદન આંશિક હોઈ બંધની સ્થિરતા ઓછી હોય છે. નાનાં વલયોમાં આ કોણીય સંકોચનને લીધે વિકૃતિ પેદા થતાં તે સહેલાઈથી ખૂલી જાય છે. આ કારણે આ વલયો વધુ અસ્થિર હોય છે. CH² સમૂહની જ્વલન-ઉષ્મા આનું અનુમોદન કરે છે. બેયરના વિકૃતિસિદ્ધાંત પ્રમાણે મોટાં વલયોવાળી પ્રણાલીનું અસ્તિત્વ લગભગ અશક્ય હોવું જોઈએ. કુદરતમાં 16 અને 17 કાર્બન ધરાવતાં વલયયુક્ત એલિસાઇક્લિક સંયોજનો મળી આવે છે અને તે સારી એવી સ્થિરતા દર્શાવે છે. દા.ત., કસ્તૂરીમાંનો મસ્કોન C₆H₃₀O અને સિવેટોન C₁₇H₃₀O. પ્રયોગશાળામાં ત્રીસ કે વધુ કાર્બન પરમાણુ ધરાવતાં વલયોનું સંશ્લેષણ શક્ય બન્યું છે. મોટાં વલયોની સ્થિરતા સમજાવવા માટે સાક્સે (1890) અને મ્હોરે (1918) એવું સૂચન કર્યું કે વલયો બહુતલીય ગોઠવણી રચીને વિકૃતિરહિત (strainless) વિન્યાસ (configuration) ધરાવી શકે છે અને આથી આ વલયો સ્થિરતા દર્શાવે છે. 3 અને 4 સભ્યવાળાં વલયો સમતલીય હોય છે. તેથી વધુ સભ્યવાળાં વલયો બહુતલીય હોય છે. પાંચ કે છથી વધુ કાર્બનસંખ્યા ધરાવતાં વલયોના CH₂ સમૂહની જ્વલન-ઉષ્માનું નીચું અચલ મૂલ્ય આને અનુમોદન આપે છે.

સાઇક્લોહેક્ઝેનનાં વિકૃતિરહિત સ્વરૂપોનો સારો એવો અભ્યાસ થયો છે. કારણ આ વલયપ્રણાલી કુદરતમાં મળતાં એલિસાઇક્લિક સંયોજનોમાં વ્યાપક રૂપે મળે છે. તેનાં ત્રણ સ્વરૂપો નીચે દર્શાવ્યાં છે :

આ સ્વરૂપો સંરૂપો (conformers) તરીકે ઓળખાય છે. દરેક સંરૂપમાં પ્રત્યેક કાર્બન-કાર્બન વચ્ચેનો સંયોજકતાકોણ 109° 28’ હોય છે. એક સંરૂપ બીજામાં સરળતાથી રૂપાંતરિત થઈ શકે છે. આ રૂપાંતરણ માટેની ઊર્જાની જરૂરિયાત એટલી ઓછી (5.6 કિ. કેલરી પ્રતિમોલ) હોય છે કે આ સંરૂપોને અલગ મેળવવાનું શક્ય નથી. આ સંરૂપોના સ્થાયિત્વ(stability)માં થોડો તફાવત છે. આ તફાવતનો આધાર કાર્બનની બાકીની સંયોજકતા વચ્ચેની પારસ્પરિક ક્રિયા ઉપર રહેલો છે. ખુરશી સંરૂપ બધામાં વધુ સ્થાયી છે, જ્યારે મરોડ નૌકા, સંરૂપ નૌકા કરતાં વધુ સ્થાયી છે. ખુરશી સંરૂપમાં પાસે પાસેના કાર્બન પરમાણુઓ પરના હાઇડ્રોજન સાંતરિત (staggered) હોય છે. મરોડ નૌકા સંરૂપમાં કેટલાક હાઇડ્રોજન પરમાણુ ગ્રસ્ત (eclipsed) હોય છે જ્યારે નૌકા સ્વરૂપમાં C₂ અને C₃ તેમજ C₅ અને C₆ પરના હાઇડ્રોજન સંપૂર્ણપણે ગ્રસ્ત હોય છે. C₁ અને C₄ પરના હાઇડ્રોજન સામસામે હોવાને કારણે તેમની વચ્ચે પારસ્પરિક ક્રિયા થતાં નૌકા સંરૂપ અસ્થાયી બને છે. સામાન્ય તાપમાને સાઇક્લોહેક્ઝેનના 1,000 અણુઓમાંથી 999 અણુઓ ખુરશી સંરૂપ ધરાવે છે.

ખુરશી સંરૂપમાં C – H બંધ હોય છે : અક્ષીય (axial, ‘a’) અને મધ્યવર્તી (equatorial, ‘e’). તેમાં અક્ષીય બંધ મધ્યમ આણ્વીય સમતલ(mean molecular plane)ને લંબરૂપ હોય છે, જ્યારે મધ્યવર્તી બંધ તેને સમાંતર હોય છે.

એક ખુરશી સંરૂપ મરોડના સંરૂપ દ્વારા બીજા ખુરશી સંરૂપમાં રૂપાંતરિત થાય છે ત્યારે આ બંધનું પણ રૂપાંતર થાય છે. અક્ષીય હાઇડ્રોજન સાથે બીજા સમૂહોની પારસ્પરિક ક્રિયા ન્યૂનતમ થાય તે માટે હાઇડ્રોજન સિવાયના સમૂહો મધ્યવર્તી સ્થિતિમાં રહેવાનું વલણ ધરાવે છે. આને અનુરૂપ ખુરશી સંરૂપ ઊર્જાની ર્દષ્ટિએ પસંદગી પામે છે.

બધાં જ મોટાં વલયો પ્રકુંચિત (puckered) ગોઠવણી સ્વીકારીને વિકૃતિરહિત બને છે. 7થી 12 કાર્બન પરમાણુવાળાં સંયોજનો એવું સંરૂપ ધારણ કરે છે કે જેથી H-H વચ્ચેની પારસ્પરિક ક્રિયા ન્યૂનતમ થાય. 12થી વધુ કાર્બન પરમાણુ ધરાવતાં વલયો સહેલાઈથી વળી શકે તેમ હોવાથી તે વિકૃતિરહિત સંરૂપ ધારણ કરે છે.

ત્રિવિમ રસાયણ (stereochemistry) : વલયોના બે કે વધુ કાર્બન પરમાણુઓ ઉપર H સિવાયના અન્ય સમૂહો હોય તો આવાં સંયોજનો ત્રિવિમ સમાવયવતા દર્શાવે છે. દા.ત., સાઇક્લોપ્રોપેન 1, 2 − ડાઇકાર્બોક્સિલિક ઍસિડ નીચે દર્શાવેલાં બે ભૌમિતીય સમાવયવો(સમઘટકો)માં અસ્તિત્વ ધરાવે છે.

1, 2 ડાઇમિથાઇલ સાઇક્લોહેક્ઝેન પણ નીચેના બે સમઘટકોમાં અસ્તિત્વ ધરાવે છે.

બે કે વધુ સંઘનિત વલયો ધરાવતી પ્રણાલીઓ પણ આ પ્રકારની સપક્ષ-વિપક્ષ સમઘટકતા દર્શાવે છે.

કેટલાંક અસમ કાર્બન પરમાણુ ધરાવતાં એલિસાઇક્લિક સંયોજનો પ્રકાશ સમઘટકતા (optical isomerism) બતાવે છે. દા.ત., ઇનોસિટોલ અથવા હેક્ઝા-હાઇડ્રોક્સિ-સાઇક્લોહેક્ઝેન પાંચ નિષ્ક્રિય dl પ્રકાશક્રિયાશીલ અને γ (રેસેમિક) સમઘટકો ધરાવે છે.

નિર્માણપદ્ધતિઓ : એલિસાઇક્લિક હાઇડ્રોકાર્બન(અથવા સંયોજનો)ના નિર્માણ માટે મુખ્યત્વે ત્રણ પ્રકારની પદ્ધતિઓ વપરાય છે : (1) વિવૃત શૃંખલાનું વેષ્ટન (closure) (2) વલયનું પ્રસરણ (expansion) અને (3) વલયનું સંકોચન (contraction).

(1) વિવૃત શૃંખલાનું વેષ્ટન : આ પ્રકારની પદ્ધતિઓનું સારું એવું ખેડાણ થયું છે. નાનાં વલયો માટે અંગ્રેજ રસાયણજ્ઞ વિલિયમ હેન્રી પર્કિન (જૂનિયર) અને મોટાં વલયો માટે સ્વીસ રસાયણજ્ઞ લિયોપોલ્ડ રુઝિસ્કાનું કાર્ય નોંધપાત્ર છે. રુઝિસ્કાએ વિકસાવેલી પદ્ધતિઓ વડે કુદરતમાં મળતા મોટા વલયયુક્ત સુગંધી પદાર્થોનું નિર્માણ શક્ય બન્યું.

વિવૃત્ત શૃંખલાના બંને છેડાના ક્રિયાશીલ સમૂહોનો ઉપયોગ કરીને વલયોનું નિર્માણ કરવામાં આવે છે. આમાંની કેટલીક પદ્ધતિઓ નીચે પ્રમાણે છે. સામાન્ય રીતે પાંચ, છ અને સાત સભ્યયુક્ત વલયો સરળતાથી બને છે.

આમાં દ્વિબેઝિક ઍસિડનાં કૅલ્શિયમ ક્ષારનું નિસ્યંદન કરતાં કિટોન મળે છે, જેનું અપચયન કરતાં એલિસાઇક્લિક હાઇડ્રોકાર્બન મળે છે. વધુ સભ્યસંખ્યાવાળાં વલયોમાં નીપજનું પ્રમાણ ઘણું ઓછું આવે છે. થોરિયમ, સિરિયમ અને ઇટ્રિયમ ક્ષારોનો ઉપયોગ નીપજનું પ્રમાણ વધારવા માટે કરાય છે.

સાઇક્લોબ્યૂટેન કાર્બોક્સિલિક ઍસિડ : આ પર્કિને વિકસાવેલી સંશ્લેષણ પદ્ધતિ છે.

(iii) ઝિગ્લરની પદ્ધતિ : α − ω − ડાઇનાઇટ્રાઇલનું લિથિયમ ઇથાઇલ એનિલીનની હાજરીમાં ચક્રીકરણ કરવામાં આવે છે. ચક્રીકરણની સાથે સાથે એક ડાઇનાઇટ્રાઇલ અણુ બીજા ડાઇનાઇટ્રાઇલ અણુ સાથે જોડાઈને બહુલકનું નિર્માણ કરે છે. આ અટકે તો જ એક જ અણુના બે નાઇટ્રાઇલ સમૂહો વચ્ચે પારસ્પરિક ક્રિયા થાય અને ચક્રીકરણ વધુ પ્રમાણમાં થાય. આ માટે ઝિગ્લરે વધુ મંદન (high dilution) પદ્ધતિ વિકસાવી, એમાં ડાઇનાઇટ્રાઇલને લિથિયમ ઇથાઇલ a-એનિલીનના દ્રાવણમાં ઉમેરવામાં આવે છે.

(3) વલયનું સંકોચન : સાઇક્લોહેક્ઝેનને નિર્જળ ઍલ્યુમિનિયમ ક્લોરાઇડ સાથે ગરમ કરતાં મિથાઇલસાઇક્લોપેન્ટેન મળે છે.

એલિસાઇક્લિક હાઇડ્રોકાર્બનમાંના એક કે વધુ હાઇડ્રોજનનું હાઇડ્રોક્સિલ (−OH), ફોર્માઇલ (−CHO), કાર્બોક્સિલ (−COOH) એમીનો (−NH₂) વગેરે સમૂહો મારફત પ્રતિસ્થાપન કરવાથી અનુરૂપ સંયોજનો મેળવી શકાય છે.

ઉપયોગ : સાઇક્લોપેન્ટાડાઇન કીટનાશક ક્લોરડેનની બનાવટમાં, સાઇક્લોહેક્ઝેનમાંથી કેપ્રોલેક્ટમ (નાઇલોન-6 માટે) તથા એડિપિક ઍસિડ(નાઇલોન-66 માટે)ની બનાવટમાં, સાઇક્લોપ્રોપેન નિશ્ચેતક તરીકે અને ચક્રીય ટર્પીન્સમાંથી કપુર અને મેન્થોલનું ઉત્પાદન થાય છે.

કુંજબિહારી નટવરલાલ ત્રિવેદી