भारतीय वैज्ञानिकों ने बनाया अब तक का पहला कार्बन-मुक्त “फेरोसीन” (Ferrocene) सैंडविच

रसायन विज्ञान की दुनिया में पिछले सात दशकों से अधिक समय से फेरोसीन (ferrocene) एक स्थापित नाम रहा है। 20वीं सदी के मध्य में खोजा गया यह आणविक (molecular) “सैंडविच”—जिसमें दो चपटे कार्बन छल्लों (rings) के बीच एक अकेला आयरन (लोहे का) परमाणु मजबूती से दबा होता है—ने व्यावहारिक रूप से संपूर्ण ऑर्गेनोमेटैलिक केमिस्ट्री (organometallic chemistry – कार्बनिक-धात्विक रसायन विज्ञान) के क्षेत्र की शुरुआत की। इसने चिकित्सा, प्लास्टिक और सामग्री विज्ञान (materials science) की दिशा को बदल कर रख दिया।

तभी से, रसायनशास्त्री एक असंभव से दिखने वाले लक्ष्य (holy grail) के पीछे लगे थे: क्या कार्बन के एक भी परमाणु का उपयोग किए बिना इस प्रतिष्ठित सैंडविच संरचना को बनाया जा सकता है?

प्रतिष्ठित जर्नल ‘साइंस’ (Science) में प्रकाशित एक अभूतपूर्व अध्ययन के अनुसार, IIT-मद्रास और भारतीय विज्ञान संस्थान (IISc), बेंगलुरु के भारतीय शोधकर्ताओं की एक टीम ने आखिरकार यह कर दिखाया है।

कार्बन की विदाई, बोरॉन और ऑस्मियम की एंट्री

कार्बन को रिप्लेस (प्रतिस्थापित) करने के लिए, शोधकर्ताओं ने आवर्त सारणी (periodic table) में उसके ठीक बगल में मौजूद तत्व ‘बोरॉन’ (boron) को चुना। हालांकि बोरॉन कार्बन की तरह छल्ले (rings) बनाने की अपनी क्षमता के लिए प्रसिद्ध है, लेकिन उन छल्लों को बिना ढहे (collapse हुए) एक स्थिर सैंडविच में धातु के परमाणु को पूरी तरह से थामे रखने में वैज्ञानिकों को पीढ़ियों से सफलता नहीं मिल पा रही थी।

उन्नत कंप्यूटर मॉडलिंग का उपयोग करके, टीम ने पाया कि शुद्ध-बोरॉन सैंडविच के लिए आयरन (लोहा) सही विकल्प नहीं था। इसके बजाय, उन्होंने ऑस्मियम (osmium) को चुना—जो लोहे के ही रासायनिक परिवार से आने वाली एक भारी संक्रमण धातु (heavy transition metal) है।

इस अभूतपूर्व सफलता का फॉर्मूला (Recipe):

• मिश्रण (The Mix): वैज्ञानिकों ने एक ऑस्मियम-ब्रोमीन प्रीकर्सर यौगिक (precursor compound) की प्रतिक्रिया बोरेन-डाइमिथाइल सल्फाइड अभिकर्मक (borane-dimethyl sulphide reagent) की अधिक मात्रा के साथ कराई।
• तापमान (The Heat): इस मिश्रण को लगातार आठ घंटे तक 100°C पर गर्म किया गया।
• परिणाम (The Result): टीम ने सफलतापूर्वक एक स्थिर, रंगहीन ठोस पदार्थ—$[Os(\eta^5\text{-}B_5H_{10})_2]$—अलग करने में सफलता प्राप्त की, जो दुनिया का पहला पूरी तरह से अकार्बनिक (purely inorganic) फेरोसीन एनालॉग (समरूप) है।

नया और पुराना सैंडविच: एक तुलनात्मक विश्लेषण

विशेषता	क्लासिक फेरोसीन	नया एनालॉग (समरूप)
केंद्रीय धातु	आयरन (Fe)	ऑस्मियम (Os)
“ब्रेड” (छल्ले)	कार्बन-आधारित ($C_5H_5$)	बोरॉन और हाइड्रोजन-आधारित ($B_5H_{10}$)
छल्ले की संरचना	चपटी (Flat)	ब्रिजिंग हाइड्रोजन परमाणुओं के साथ गुंबददार (Domed)
बॉन्ड की मजबूती	मजबूत	काफी अधिक मजबूत

हाइड्रोजन की ट्रिक: यह वास्तव में बेहतर क्यों है?

जब टीम ने एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) और NMR स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके क्रिस्टल संरचना का विश्लेषण किया, तो उन्हें एक दिलचस्प बात पता चली। मूल फेरोसीन में पूरी तरह से चपटे (flat) कार्बन छल्लों के विपरीत, इन नए बोरॉन छल्लों में बोरॉन परमाणुओं के बीच ‘ब्रिजिंग हाइड्रोजन परमाणु’ (bridging hydrogen atoms) स्थित हैं।

ये छोटे हाइड्रोजन ब्रिज आणविक लेंस (molecular lenses) की तरह काम करते हैं, जो छल्ले के इलेक्ट्रॉन ऑर्बिटल्स (electron orbitals) को मोड़कर सीधे केंद्रीय ऑस्मियम परमाणु की ओर निर्देशित करते हैं। यह अनूठी संरचना एक ऐसा बॉन्ड (बंध) बनाती है जो वास्तव में क्लासिक फेरोसीन की तुलना में अधिक मजबूत होता है, जिससे यह अणु (molecule) बहुत अधिक तापमान पर भी स्थिर रहने में सक्षम होता है।

“इनऑर्गेनोमेटैलिक्स” (Inorganometallics) के एक नए युग की शुरुआत

इस खोज ने उस पुरानी नियम-पुस्तिका को पूरी तरह से ध्वस्त कर दिया है जिसमें कहा गया था कि स्थिर सैंडविच संरचनाएं विशेष रूप से केवल कार्बनिक, कार्बन-आधारित रसायन विज्ञान (organic, carbon-based chemistry) का हिस्सा होती हैं।

“जिस तरह फेरोसीन ने ऑर्गेनोमेटैलिक्स (organometallics) में एक नए युग की शुरुआत की थी, वैसे ही ये परिणाम इनऑर्गेनोमेटैलिक्स (inorganometallics) में एक नए युग की शुरुआत करेंगे और अकार्बनिक रसायन विज्ञान (inorganic chemistry) की पाठ्यपुस्तकों का हिस्सा बनेंगे। हमारा प्रयास इन नए यौगिकों की प्रतिक्रियाओं (reactions) का अध्ययन करने पर केंद्रित है।”

— सुंदरगोपाल घोष, रसायन विज्ञान के प्रोफेसर, IIT-मद्रास

भविष्य की रसायन विज्ञान की पाठ्यपुस्तकों में एक गारंटीकृत स्थान हासिल करने के अलावा, यह अभूतपूर्व सफलता वास्तविक दुनिया में व्यापक रास्ते खोलती है। यह औद्योगिक रसायन विज्ञान (industrial chemistry) के लिए अत्यधिक लचीले और अत्यधिक स्थिर उत्प्रेरकों (ultra-stable catalysts) के निर्माण का मार्ग प्रशस्त करता है।

इसके अलावा, यह 2D बोरॉन केमिस्ट्री में नई संभावनाओं के द्वार खोलता है, जिसका अर्थ है कि अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए मेटल-सैंडविच वाली, बहु-परतीय सामग्रियां (multi-layered materials) जल्द ही एक वास्तविकता बन सकती हैं।