অ্যাজা-কোপ পুনর্বিন্যাস

অ্যাজা-কোপ পুনর্বিন্যাস হলো এমন এক ধরনের পুনর্বিন্যাস বিক্রিয়া যা ক্যাসকেড বিক্রিয়ায় অংশ নিতে পারে। জৈব রসায়নে এদের ব্যবহারিক ও তাত্ত্বিক গুরুত্ব অনেক বেশি, কারণ এই বিক্রিয়াগুলোর মাধ্যমে সাধারণ প্রারম্ভিক উপাদান থেকে খুব দ্রুত জটিল গাঠনিক কাঠামো তৈরি করা সম্ভব। অ্যাজা-কোপ পুনর্বিন্যাস হলো কোপ পুনর্বিন্যাস-এর হেটারোঅ্যাটম সংস্করণ। কোপ পুনর্বিন্যাস হলো একটি [৩,৩]-সিগমাট্রপিক পুনর্বিন্যাস, যা দুটি অ্যালাইলিক উপাদানের মধ্যে একক ও দ্বিবন্ধন স্থানান্তরের মাধ্যমে ঘটে। উডওয়ার্ড-হফম্যান নীতি অনুযায়ী, তাপীয় অ্যাজা-কোপ পুনর্বিন্যাস সুপ্রাফেসিয়ালি (suprafacially) সম্পন্ন হয়। অণুতে নাইট্রোজেনের অবস্থানের ওপর ভিত্তি করে সাধারণত অ্যাজা-কোপ পুনর্বিন্যাসগুলোকে শ্রেণীবদ্ধ করা হয় (চিত্র দেখুন):


অ্যাজা-কোপ পুনর্বিন্যাসের প্রথম উদাহরণ ছিল বহুল পরিচিত ক্যাটায়নিক ২-অ্যাজা-কোপ পুনর্বিন্যাস। এই পুনর্বিন্যাস প্রক্রিয়াটি অত্যন্ত সহজসাধ্য হওয়ায় এটি কোপ পুনর্বিন্যাসের তুলনায় ১০০-২০০ °C কম তাপমাত্রায় সংঘটিত হয়। এই পুনর্বিন্যাসের সহজসাধ্য প্রকৃতির কারণ হলো—একদিকে ক্যাটায়নিক ২-অ্যাজা-কোপ স্বভাবগতভাবেই তাপীয়ভাবে নিরপেক্ষ (thermoneutral), অর্থাৎ এটি প্রারম্ভিক উপাদান বা উৎপাদের কোনোটির দিকেই বিশেষভাবে ঝুঁকে থাকে না। অন্যদিকে, অণুতে আধানযুক্ত হেটারোঅ্যাটমের উপস্থিতি সক্রিয়করণ শক্তির বাধা (activation barrier) কমিয়ে দেয়। ১-অ্যাজা-কোপ এবং ৩-অ্যাজা-কোপ পুনর্বিন্যাস খুব একটা দেখা যায় না; এরা একে অপরের মাইক্রোস্কোপিক বিপরীত (microscopic reverse) বিক্রিয়া। ১- এবং ৩-অ্যাজা-কোপ পুনর্বিন্যাসের সক্রিয়করণ শক্তি অনেক বেশি এবং সংশ্লেষণিক উপযোগিতা সীমিত হওয়ায় এগুলো তুলনামূলকভাবে কম পরিচিত।

সংশ্লেষণিক উপযোগিতা সর্বোচ্চ করার জন্য, ক্যাটায়নিক ২-অ্যাজা-কোপ পুনর্বিন্যাসকে সাধারণত বিক্রিয়ার যেকোনো একদিকের তাপগতিীয় ঝুঁকির (thermodynamic bias) সাথে যুক্ত করা হয়। সবচেয়ে সাধারণ এবং সংশ্লেষণিক দিক থেকে কার্যকর কৌশলটি হলো ক্যাটায়নিক ২-অ্যাজা-কোপ পুনর্বিন্যাসকে ম্যানিখ চাক্রিকরণের (Mannich cyclization) সাথে যুক্ত করা, যা এই নিবন্ধের মূল আলোচ্য বিষয়। এই ট্যান্ডেম (tandem) অ্যাজা-কোপ/ম্যানিখ বিক্রিয়াটি এর মৃদু বিক্রিয়া পরিবেশ, ডায়াস্টিরিও-নির্বাচনশীলতা এবং ব্যাপক সংশ্লেষণিক উপযোগিতার জন্য পরিচিত। এর মাধ্যমে খুব সহজে অ্যাসাইল-প্রতিস্থাপিত পাইরোলিডিন তৈরি করা যায়। এই কাঠামোটি সাধারণত প্রাকৃতিক উপাদানে, যেমন অ্যালকালয়েড-এ পাওয়া যায়। স্ট্রাইকনিন (strychnine) এবং ক্রিনিন (crinine)-এর মতো বেশ কিছু প্রাকৃতিক উপাদান সংশ্লেষণে এটি ব্যবহৃত হয়েছে। ল্যারি ই. ওভারম্যান এবং তাঁর সহকর্মীরা এই বিক্রিয়ার ওপর ব্যাপক গবেষণা করেছেন।
ক্যাটায়নিক ২-আজ়া-কোপ পুনর্বিন্যাস
right
ক্যাটায়নিক ২-আজ়া-কোপ পুনর্বিন্যাস, যার যথার্থ নাম ২-আজোনিয়া-[৩,৩]-সিগমাট্রপিক পুনর্বিন্যাস, Larry E. Overman এবং তাঁর সহকর্মীদের দ্বারা বিস্তৃতভাবে অধ্যয়ন করা হয়েছে। তুলনামূলকভাবে মৃদু বিক্রিয়া-শর্তে এই পুনর্বিন্যাস সম্পন্ন করা যায় এবং এর বহু সংশ্লেষণমূলক প্রয়োগ রয়েছে—বিশেষত অ্যালকালয়েড সংশ্লেষণে—এই কারণেই আজ়া-কোপ পুনর্বিন্যাসসমূহের মধ্যে এটিই সর্বাধিক অধ্যয়নকৃত। তাপগতীয় দৃষ্টিকোণ থেকে সাধারণ ২-আজ়া-কোপ পুনর্বিন্যাসে কোনো উৎপাদ-প্রাধান্য থাকে না, কারণ বিক্রিয়ার উভয় দিকে ভাঙা ও গঠিত বন্ধনসমূহ সমতুল্য; যা কোপ পুনর্বিন্যাস-এর অনুরূপ। আয়নিক নাইট্রোজেন হেটারোপরমাণুর উপস্থিতি ধনাত্মক আধানযুক্ত নাইট্রোজেনের কারণে ত্বরিত পুনর্বিন্যাস ঘটায়, যা কোপ পুনর্বিন্যাসের তুলনায় অধিক সহজসাধ্য। তাই প্রায়শই একটি তাপগতীয় সিঙ্ক-এর সঙ্গে যুক্ত করে নির্দিষ্ট উৎপাদকে প্রাধান্য দেওয়া হয়।

১৯৫০ সালে হোরোভিট্‌জ এবং গাইসম্যান ২-আজ়া-কোপ পুনর্বিন্যাসের প্রথম উদাহরণ প্রকাশ করেন। এটি ছিল একটি অ্যামিনো অ্যালকোহল সংশ্লেষণের ব্যর্থ প্রচেষ্টায় প্রাপ্ত এক বিস্ময়কর ফলাফল। এই আবিষ্কার পুনর্বিন্যাসের মৌলিক প্রক্রিয়াটি চিহ্নিত করে, কারণ উৎপাদটি সম্ভবত কোপ পুনর্বিন্যাসের একটি নাইট্রোজেন-সমতুল্য প্রক্রিয়ার মাধ্যমে গঠিত হয়েছিল। একটি অ্যালাইলবেনজাইলঅ্যামিন (A)-কে ফর্মিক অ্যাসিড ও ফরম্যালডিহাইডের সাথে প্রক্রিয়াকরণ করলে একটি অ্যামিনো অ্যালকোহল (B) উৎপন্ন হয়। অম্ল যোগ করলে এই অ্যামিনো অ্যালকোহল একটি ইমিন (C)-এ রূপান্তরিত হয়, যা পরবর্তীতে ক্যাটায়নিক ২-আজ়া-কোপ পুনর্বিন্যাস (D)-এর মাধ্যমে অগ্রসর হয়। জল ইমিনিয়াম আয়নকে হাইড্রোলাইসিসের মাধ্যমে একটি অ্যামিন (E)-এ রূপান্তরিত করে। একই প্রারম্ভিক পদার্থকে কেবল ফরম্যালডিহাইড দিয়ে প্রক্রিয়াকরণ করলে দেখা যায় যে অ্যামিন গোষ্ঠীর অ্যালকাইলেশন ক্যাটায়নিক ২-আজ়া-কোপ পুনর্বিন্যাসের পর সংঘটিত হয়, যা এই পুনর্বিন্যাসের দ্রুততার সাক্ষ্য বহন করে।

বিশুদ্ধ হাইড্রোকার্বন কোপ পুনর্বিন্যাসের তুলনায় অপেক্ষাকৃত কম কঠোর উত্তাপ-শর্তে এই বিক্রিয়াটি সম্পন্ন হওয়ায় ধারণা করা হয় যে কোপ পুনর্বিন্যাসে নাইট্রোজেনের উপর ধনাত্মক আধান সক্রিয়ণ প্রতিবন্ধকতা উল্লেখযোগ্যভাবে কমিয়ে দেয়।

বিক্রিয়া প্রক্রিয়া
ধনাত্মক আধানযুক্ত নাইট্রোজেনের কারণে ত্বরিত বিক্রিয়া
right
উডওয়ার্ড–হফম্যান নিয়ম অনুসারে আজ়া-কোপ পুনর্বিন্যাস সুপ্রাফেসিয়াল পদ্ধতিতে অগ্রসর হয় বলে পূর্বাভাস দেওয়া হয়। যদিও এটি সরাসরি অধ্যয়ন করা হয়নি, ওভারম্যান ও তাঁর সহকর্মীরা অনুমান করেছেন যে, ক্ষার-প্রভাবিত অক্সি-কোপ পুনর্বিন্যাস-এর ন্যায়, আধানযুক্ত পরমাণুর উপস্থিতি সিগমাট্রপিক পুনর্বিন্যাসকে সম্পূর্ণ সমযোজিত (concerted) প্রক্রিয়া থেকে আংশিক ডাইর‌্যাডিক্যাল/ডাইপোলার চরিত্রবিশিষ্ট প্রক্রিয়ায় রূপান্তরিত করে। ধনাত্মক আধান অ্যালাইলিক খণ্ডে বিস্তৃত হওয়ার ফলে অ্যালাইলিক বন্ধন দুর্বল হয় এবং বন্ধন-ভঙ্গের সক্রিয়ণ প্রতিবন্ধকতা হ্রাস পায়। ফলস্বরূপ, ক্যাটায়নিক-আজ়া-কোপ পুনর্বিন্যাস কোপ পুনর্বিন্যাসের মতো অধিক সমযোজিত প্রক্রিয়ার তুলনায় দ্রুত অগ্রসর হয়।

সংক্রমণ অবস্থা ও স্টেরিওরসায়ন
ক্যাটায়নিক ২-আজ়া-কোপ পুনর্বিন্যাস তার উচ্চ স্টেরিওনির্দিষ্টতার জন্য পরিচিত, যা চেয়ার-আকৃতির সংক্রমণ অবস্থা-এর প্রতি প্রবল অনুকূলতার ফলে উদ্ভূত। এই স্টেরিওনির্দিষ্টতা বিশ্লেষণে ওভারম্যান ও তাঁর সহকর্মীরা ডোরিং ও রথের ক্লাসিক পরীক্ষার অনুরূপ যুক্তি ব্যবহার করেন, যেখানে দেখা গিয়েছিল যে কোপ পুনর্বিন্যাস চেয়ার বিন্যাসকে অগ্রাধিকার দেয়। পিরোলিজিডিন পূর্বধারকগুলিতে ক্যাটায়নিক ২-আজ়া-কোপ/ম্যানিক বিক্রিয়া প্রয়োগ করে তাঁরা দেখান যে E-অ্যালকিন থেকে সিস প্রতিস্থাপক এবং Z-অ্যালকিন থেকে ট্রান্স প্রতিস্থাপকযুক্ত পিরোলিজিডিন অধিক পরিমাণে উৎপন্ন হয়—যা চেয়ার সংক্রমণ অবস্থার পক্ষে ইঙ্গিতবাহী। যদি বোট সংক্রমণ অবস্থা কার্যকর হতো, তবে বিপরীত ফলাফল প্রত্যাশিত ছিল (নিচের চিত্রে বিস্তারিত দেখুন)। বহু বিক্রিয়ার মতোই, Z-এনোলেট রূপান্তরে ১,৩-ডাইঅ্যাক্সিয়াল স্টেরিক পারস্পরিক ক্রিয়া এবং প্রতিস্থাপকসমূহের কোয়াসি-ইকুয়েটোরিয়াল অবস্থানের প্রবণতার কারণে নির্বাচনক্ষমতা কম হয়। এ কারণেই Z-এনোলেট রূপান্তরের জন্য উচ্চ তাপমাত্রা প্রয়োজন।
বোট সংক্রমণ অবস্থা ক্যাটায়নিক-২-আজ়া-কোপ পুনর্বিন্যাসে কোপ পুনর্বিন্যাসের তুলনায় আরও কম অনুকূল। যেসব পরিস্থিতিতে কোপ পুনর্বিন্যাস বোট সংক্রমণ অবস্থা গ্রহণ করে, সেসব ক্ষেত্রেও আজ়া-কোপ পুনর্বিন্যাস চেয়ার জ্যামিতিতেই অগ্রসর হয়। এই ফলাফলসমূহ গণনামূলক রসায়ন-এর ফলাফলের সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ, যা আরও নির্দেশ করে যে সংক্রমণ অবস্থা গতিশীল নিয়ন্ত্রণাধীন।

স্টেরিওরসায়ন সংক্রান্ত অতিরিক্ত বিবেচনা
আজ়া-কোপ/ম্যানিক বিক্রিয়া যখন রিং-প্রসারণ অ্যানুলেশন-এ অংশগ্রহণ করে, তখন সর্বাধিক অনুকূল চেয়ার বিন্যাস অনুযায়ী স্টেরিওরসায়ন অনুসরণ করে, যেখানে বৃহৎ প্রতিস্থাপকসমূহ সাধারণত কোয়াসি-ইকুয়েটোরিয়াল অবস্থান গ্রহণ করে। রিংয়ে সংযুক্ত অবস্থায় ভিনাইল ও অ্যামিন উপাদানের মধ্যে syn অথবা anti সম্পর্ক থাকতে পারে। এই সম্পর্ক সাধারণত অ্যামিন প্রতিস্থাপকের দ্বারা নির্ধারিত হয়: বৃহৎ প্রতিস্থাপক syn আজ়া-কোপ পূর্বধারক তৈরি করে. অপরদিকে, anti ভিনাইল ও অ্যামিন প্রতিস্থাপক সাধারণত একটি অনুকূল সংক্রমণ অবস্থা প্রদান করে, যা সিস-সংযোজিত রিং সিস্টেম উৎপন্ন করে। syn প্রতিস্থাপকের ক্ষেত্রে অনুকূল উৎপাদ দ্রাবক বা বৃহৎ N-প্রতিস্থাপকের স্টেরিক প্রভাবের উপর নির্ভর করে পরিবর্তিত হতে পারে।
যেসব সাধারণ আজ়া-কোপ/ম্যানিক বিক্রিয়া রিং-প্রসারণ অ্যানুলেশনে অংশগ্রহণ করে না—যেমন অ্যামিনো অ্যালকোহল ও ইথারের ঘনীভবন—সেসব ক্ষেত্রে বন্ধন-ঘূর্ণন ম্যানিক সাইক্লাইজেশনের তুলনায় দ্রুত ঘটে এবং রেসেমিক উৎপাদ পাওয়া যায়। অ্যামিনে একটি কাইরাল অক্সিলিয়ারি প্রতিস্থাপক ব্যবহার করে এটি এড়ানো যায়। রিং-সংযুক্ত বিক্রিয়াসমূহে এই ধরনের বন্ধন-ঘূর্ণন সম্ভব নয়।

পুনর্বিন্যাস উৎপাদকে প্রভাবিত করার সম্ভাব্য তাপগতীয় সিঙ্ক
হোরোভিট্‌জ ও গাইসম্যানের প্রথম উদাহরণ একটি সম্ভাব্য তাপগতীয় সিঙ্ক প্রদর্শন করে, যেখানে ফেনাইল প্রতিস্থাপকের অ্যারিল কনজুগেশনের মাধ্যমে উৎপাদকে প্রাধান্য দেওয়া হয় এবং পরে ইমিনিয়ামের হাইড্রোলাইসিস দ্বারা তা স্থিতিশীল করা হয়। উৎপাদকে প্রভাবিত করার অন্যান্য পদ্ধতির মধ্যে রয়েছে অধিক প্রতিস্থাপিত কার্বনে অধিক স্থিতিশীল প্রতিস্থাপক ব্যবহার, রিং-স্ট্রেন মুক্ত করা (যেমন সাইক্লোপ্রোপেন উন্মোচনের সাথে যুক্ত করা), অন্তঃআণবিক ফাঁদ (নিচে চিত্রিত), এবং ম্যানিক সাইক্লাইজেশন-এর সাথে যুগ্ম করা।