Strain (chemistry)
রসায়নে, একটি অণু স্ট্রেন অনুভব করে যখন তার রাসায়নিক কাঠামো কিছু চাপের মধ্য দিয়ে যায় যা স্ট্রেন-মুক্ত রেফারেন্স যৌগের তুলনায় তার অভ্যন্তরীণ শক্তি বাড়ায়। একটি অণুর অভ্যন্তরীণ শক্তি তার মধ্যে সঞ্চিত সমস্ত শক্তি নিয়ে গঠিত। একটি স্ট্রেইন অণুতে অতিরিক্ত পরিমাণে অভ্যন্তরীণ শক্তি থাকে যা একটি অপ্রতিরোধ্য অণুতে থাকে না। এই অতিরিক্ত অভ্যন্তরীণ শক্তি বা চাপ শক্তিকে একটি সংকুচিত স্প্রিং-এর সঙ্গে তুলনা করা যেতে পারে। একটি সংকুচিত স্প্রিং-এর মতো তার সম্ভাব্য শক্তির নিঃসরণ রোধ করার জন্য অবশ্যই একটি জায়গায় ধরে রাখতে হবে, একটি অণু সেই অণুর মধ্যে বন্ধন দ্বারা একটি শক্তিশালী প্রতিকূল গঠনে ধরে রাখা যেতে পারে। গঠনটি ধরে রাখা বন্ধনগুলি ছাড়া, স্ট্রেন শক্তি মুক্তি পাবে। সারাংশ তাপগতিবিদ্যা দুটি আণবিক গঠনের ভারসাম্য দুটি গঠনের গিবস মুক্ত শক্তির পার্থক্য দ্বারা নির্ধারিত হয়। এই শক্তির পার্থক্য থেকে, দুটি গঠনের ভারসাম্য ধ্রুবক নির্ধারণ করা যেতে পারে। গিবস মুক্ত শক্তির এক অবস্থা থেকে অন্য অবস্থায় হ্রাস পেলে, এই রূপান্তর স্বতঃস্ফূর্ত হয় এবং নিম্ন শক্তির অবস্থা আরও স্থিতিশীল হয়। একটি অত্যন্ত চাপযুক্ত, উচ্চ শক্তির আণবিক গঠন স্বতঃস্ফূর্তভাবে নিম্ন শক্তির আণবিক গঠনে রূপান্তরিত হবে। এনথালপি এবং এনট্রপি সমীকরণের মাধ্যমে গিবস মুক্ত শক্তির সাথে সম্পর্কিত (একটি ধ্রুবক তাপমাত্রায়): এনথালপি সাধারণত আরও স্থিতিশীল আণবিক গঠন নির্ধারণের জন্য আরও গুরুত্বপূর্ণ তাপগতিবিদ্যার ফাংশন। যদিও বিভিন্ন ধরনের স্ট্রেন রয়েছে, তাদের সকলের সাথে যুক্ত স্ট্রেন শক্তি অণুর মধ্যে বন্ধন দুর্বল হওয়ার কারণে হয়। যেহেতু এনথালপি সাধারণত বেশি গুরুত্বপূর্ণ, তাই এনট্রপিকে প্রায়শই উপেক্ষা করা যেতে পারে। এটি সর্বদা হয় না; যদি এনথালপির পার্থক্য ছোট হয়, তবে এনট্রপি ভারসাম্যের উপর আরও বড় প্রভাব ফেলতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, এন-বিউটেনের দুটি সম্ভাব্য গঠন রয়েছে, অ্যান্টি এবং গাউচে। অ্যান্টি কনফরমেশনটি 0.9 কিলোক্যালরি মোল-1 দ্বারা আরও স্থিতিশীল। আমরা আশা করব যে ব্যুটেন ঘরের তাপমাত্রায় প্রায় 82 শতাংশ অ্যান্টি এবং 18 শতাংশ গাউচে। যাইহোক, দুটি সম্ভাব্য গাউচে গঠন এবং শুধুমাত্র একটি বিরোধী গঠন রয়েছে। অতএব, এনট্রপি গাউচে গঠনের পক্ষে 0.40 কিলোক্যালোরির অবদান রাখে। আমরা দেখতে পাই যে, ঘরের তাপমাত্রায় বিউটেনের প্রকৃত গঠনগত বন্টন 70 শতাংশ অ্যান্টি এবং 30 শতাংশ গাউচে। আণবিক স্ট্রেন নির্ধারণ একটি যৌগের গঠনের আদর্শ তাপকে (αfH°) এনথালপি পরিবর্তন হিসাবে বর্ণনা করা হয় যখন যৌগটি তার পৃথক উপাদানগুলি থেকে গঠিত হয়। যখন কোনও যৌগের গঠনের তাপ পূর্বাভাস বা রেফারেন্স যৌগের থেকে আলাদা হয়, তখন এই পার্থক্যকে প্রায়শই স্ট্রেনের জন্য দায়ী করা যেতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, সাইক্লোহেক্সেন-এর জন্য-29.9 কিলোক্যালরি মোল-1 এবং মিথাইলসাইক্লোপেন্টেন-এর জন্য-25.5 কিলোক্যালরি মোল-1। একই পরমাণু এবং বন্ধনের সংখ্যা থাকা সত্ত্বেও, মিথাইলসাইক্লোপেন্টেন-এর শক্তি সাইক্লোহেক্সেন-এর চেয়ে বেশি। শক্তির এই পার্থক্যের জন্য পাঁচ সদস্যের বলয়ের রিং স্ট্রেইনকে দায়ী করা যেতে পারে যা সাইক্লোহেক্সেনে অনুপস্থিত। পরীক্ষামূলকভাবে, স্ট্রেন শক্তি প্রায়শই জ্বলন তাপ ব্যবহার করে নির্ধারণ করা হয় যা সাধারণত সম্পাদন করার জন্য একটি সহজ পরীক্ষা। একটি অণুর মধ্যে স্ট্রেন শক্তি নির্ধারণের জন্য স্ট্রেন ছাড়া প্রত্যাশিত অভ্যন্তরীণ শক্তি সম্পর্কে জ্ঞান প্রয়োজন। এটি করার দুটি উপায় রয়েছে। প্রথমত, একটি অনুরূপ যৌগের সাথে তুলনা করা যেতে পারে যার মধ্যে স্ট্রেন নেই, যেমন পূর্ববর্তী মিথাইলসাইক্লোহেক্সেন উদাহরণে। দুর্ভাগ্যবশত, একটি উপযুক্ত যৌগ পাওয়া প্রায়শই কঠিন হতে পারে। একটি বিকল্প হল বেনসন গ্রুপ ইনক্রিমেন্ট তত্ত্ব ব্যবহার করা। যতক্ষণ পর্যন্ত একটি যৌগের মধ্যে পরমাণুর জন্য উপযুক্ত গোষ্ঠী বৃদ্ধি পাওয়া যায়, ততক্ষণ পর্যন্ত αfH°-এর পূর্বাভাস দেওয়া যেতে পারে। যদি পরীক্ষামূলক αfH° পূর্বাভাসকৃত αfH° থেকে আলাদা হয়, তবে শক্তির এই পার্থক্যকে স্ট্রেন শক্তির জন্য দায়ী করা যেতে পারে। ভ্যান ডার ওয়ালস স্ট্রেনের প্রকারগুলি ভ্যান ডার ওয়ালস স্ট্রেন বা স্টেরিক স্ট্রেন ঘটে যখন পরমাণুগুলিকে তাদের ভ্যান ডার ওয়ালস ব্যাসার্ধের অনুমতি দেওয়ার চেয়ে কাছাকাছি যেতে বাধ্য করা হয়। বিশেষত, ভ্যান ডার ওয়ালস স্ট্রেনকে এক ধরনের স্ট্রেন হিসাবে বিবেচনা করা হয় যেখানে মিথস্ক্রিয়াশীল পরমাণুগুলি একে অপরের থেকে কমপক্ষে চারটি বন্ধন দূরে থাকে। অনুরূপ অণুতে স্টেরিক স্ট্রেনের পরিমাণ আন্তঃক্রিয়াশীল গোষ্ঠীর আকারের উপর নির্ভর করে; ভারী টার্ট-বিউটাইল গোষ্ঠীগুলি মিথাইল গোষ্ঠীর তুলনায় অনেক বেশি জায়গা নেয় এবং প্রায়শই বৃহত্তর স্টেরিক মিথস্ক্রিয়া অনুভব করে। নোবেল বিজয়ী হারবার্ট সি ব্রাউন এবং অন্যান্যরা ট্রায়াল্কিলামাইন এবং ট্রাইমিথাইলবোরনের প্রতিক্রিয়ায় স্টেরিক স্ট্রেনের প্রভাব নিয়ে গবেষণা করেছেন। তাঁরা দেখতে পান যে, অ্যামাইনের অ্যালকাইল গ্রুপের আকার বাড়ার সঙ্গে সঙ্গে ভারসাম্য ধ্রুবকও হ্রাস পায়। ভারসাম্যের পরিবর্তনের জন্য অ্যামাইনের অ্যালকাইল গ্রুপ এবং বোরনের মিথাইল গ্রুপের মধ্যে স্টেরিক স্ট্রেনকে দায়ী করা হয়েছিল। সিন-পেন্টেন স্ট্রেন এমন পরিস্থিতি রয়েছে যেখানে আপাতদৃষ্টিতে অভিন্ন গঠনগুলি স্ট্রেন শক্তিতে সমান নয়। সিন-পেন্টেন স্ট্রেন এই পরিস্থিতির একটি উদাহরণ। এন-পেন্টেনের কেন্দ্রীয় বন্ধন উভয়কেই একটি গাউচে গঠনে রাখার দুটি ভিন্ন উপায় রয়েছে, যার মধ্যে একটি হল অন্যটির তুলনায় 3 কিলোক্যালরি মোল-1 বেশি শক্তি। যখন দুটি মিথাইল-প্রতিস্থাপিত বন্ধন বিপরীত দিকে অ্যান্টি থেকে গাউচে ঘোরানো হয়, তখন অণুটি একটি সাইক্লোপেন্টেন-এর মতো গঠন ধরে নেয় যেখানে দুটি টার্মিনাল মিথাইল গ্রুপকে কাছাকাছি আনা হয়। যদি বন্ধনগুলি একই দিকে ঘোরানো হয়, তবে এটি ঘটে না। দুটি টার্মিনাল মিথাইল গ্রুপের মধ্যে স্টেরিক স্ট্রেন দুটি অনুরূপ, তবুও খুব ভিন্ন গঠনের মধ্যে শক্তির পার্থক্যের জন্য দায়ী। অ্যালিলিক স্ট্রেন অ্যালিলিক স্ট্রেন বা এ1,3 স্ট্রেন সিন-পেন্টেন স্ট্রেনের সাথে ঘনিষ্ঠভাবে সম্পর্কিত। অ্যালিলিক স্ট্রেনের একটি উদাহরণ 2-পেন্টিন যৌগে দেখা যায়। অলিফিনের ইথাইল প্রতিস্থাপকের পক্ষে এমনভাবে ঘোরানো সম্ভব যে টার্মিনাল মিথাইল গ্রুপটি অলিফিনের ভিসিনাল মিথাইল গ্রুপের কাছাকাছি আনা হয়। এই ধরনের যৌগগুলি সাধারণত বিকল্পগুলির মধ্যে স্টেরিক স্ট্রেন এড়াতে আরও রৈখিক গঠন গ্রহণ করে। 1, 3-ডায়্যাক্সিয়াল স্ট্রেন 1,3-ডায়্যাক্সিয়াল স্ট্রেন হল সিন-পেন্টেনের অনুরূপ আরেকটি স্ট্রেন। এই ক্ষেত্রে, একটি সাইক্লোহেক্সেন বলয়ের ('α') বিকল্পের মধ্যে স্টেরিক মিথস্ক্রিয়ার কারণে স্ট্রেনটি ঘটে এবং আলফা বিকল্প এবং উভয় মিথাইলিন কার্বনের মধ্যে প্রশ্নযুক্ত বিকল্প থেকে দূরে দুটি বন্ধনের মধ্যে গাউচের মিথস্ক্রিয়া ঘটে (তাই, 1,3-ডায়্যাক্সিয়াল মিথস্ক্রিয়া)। যখন প্রতিস্থাপকটি অক্ষীয় হয়, তখন এটি একটি অক্ষীয় গামা হাইড্রোজেনের কাছাকাছি আনা হয়। স্ট্রেনের পরিমাণ মূলত প্রতিস্থাপকের আকারের উপর নির্ভরশীল এবং প্রতিস্থাপককে নিরক্ষীয় অবস্থানে রেখে প্রধান চেয়ার গঠনে গঠন করে উপশম করা যেতে পারে। গঠনগুলির মধ্যে শক্তির পার্থক্যকে এ মান বলা হয় এবং এটি বিভিন্ন বিকল্পের জন্য সুপরিচিত। এ মানটি একটি তাপগতিবিদ্যার পরামিতি এবং এটি মূলত গিবস মুক্ত শক্তি সমীকরণ ব্যবহার করে অন্যান্য পদ্ধতির সাথে পরিমাপ করা হয়েছিল এবং উদাহরণস্বরূপ, সাইক্লোহেক্সানোন/সাইক্লোহেক্সানোলের অক্ষীয় বনাম নিরক্ষীয় মান পরিমাপের জন্য মীরউইন-পন্ডর্ফ-ভার্লি হ্রাস/ওপেনাউয়ার জারণ ভারসাম্য। টর্সোনাল স্ট্রেন হল বন্ধন মোচড়ের প্রতিরোধ। চক্রাকার অণুতে, এটিকে পিটজার স্ট্রেনও বলা হয়। টর্সোনাল স্ট্রেন তখন ঘটে যখন তিনটি বন্ধন দ্বারা পৃথক পরমাণুগুলিকে আরও স্থিতিশীল স্তম্ভিত গঠনের পরিবর্তে একটি গ্রহনযোগ্য গঠনে স্থাপন করা হয়। ইথেনের স্তম্ভিত গঠনগুলির মধ্যে ঘূর্ণনের বাধা প্রায় 2.9 কিলোক্যালরি মোল-1। প্রাথমিকভাবে বিশ্বাস করা হয়েছিল যে ঘূর্ণনের বাধাটি ভিসিনাল হাইড্রোজেনের মধ্যে স্টেরিক মিথস্ক্রিয়ার কারণে হয়েছিল, তবে হাইড্রোজেনের ভ্যান ডার ওয়ালস ব্যাসার্ধটি এই ক্ষেত্রে খুব ছোট। সাম্প্রতিক গবেষণায় দেখা গেছে যে হাইপারকনজুগেটিভ প্রভাবের কারণে স্তম্ভিত গঠন আরও স্থিতিশীল হতে পারে। স্তম্ভিত গঠন থেকে দূরে ঘূর্ণন এই স্থিতিশীল শক্তিকে বাধা দেয়। বিউটেনের মতো আরও জটিল অণুগুলির একাধিক সম্ভাব্য স্তম্ভিত গঠন রয়েছে। বিউটেনের অ্যান্টি কনফরমেশন প্রায় 0.9 কিলোক্যালরি মোল-1 (3.8 কিলোক্যালরি মোল-1) গজ কনফরমেশনের চেয়ে বেশি স্থিতিশীল। এই উভয় স্তম্ভিত গঠনই গ্রহন করা বিন্যাসের তুলনায় অনেক বেশি স্থিতিশীল। একটি হাইপারকনজুগেটিভ প্রভাবের পরিবর্তে, যেমন ইথেনে, বিউটেনে স্ট্রেন শক্তি মিথাইল গ্রুপের মধ্যে স্টেরিক মিথস্ক্রিয়া এবং এই মিথস্ক্রিয়া দ্বারা সৃষ্ট কোণ স্ট্রেন উভয়ের কারণে হয়। রিং স্ট্রেন আণবিক বন্ধনের ভি. এস. ই. পি. আর তত্ত্ব অনুসারে, একটি অণুর পছন্দের জ্যামিতি হল যেখানে বন্ধন এবং অ-বন্ধন উভয় ইলেকট্রনই যতটা সম্ভব দূরে থাকে। অণুতে, এই কোণগুলি তাদের সর্বোত্তম মানের তুলনায় কিছুটা সংকুচিত বা প্রসারিত হওয়া বেশ সাধারণ। এই স্ট্রেনকে অ্যাঙ্গেল স্ট্রেন বা বেয়ার স্ট্রেন বলা হয়। কোণ স্ট্রেনের সহজতম উদাহরণ হল সাইক্লোপ্রোপেন এবং সাইক্লোবুটেনের মতো ছোট সাইক্লোআলকেন, যা নীচে আলোচনা করা হয়েছে। উপরন্তু, প্রায়শই চক্রাকার সিস্টেমে গ্রহন বা পিটজার স্ট্রেন থাকে। এগুলি এবং সম্ভাব্য ট্রান্সানুলার মিথস্ক্রিয়াগুলি এইচ. সি. ব্রাউন দ্বারা প্রাথমিকভাবে অভ্যন্তরীণ স্ট্রেন বা আই-স্ট্রেইন হিসাবে সংক্ষিপ্ত করা হয়েছিল। আণবিক বলবিজ্ঞান বা বল ক্ষেত্রের পদ্ধতিগুলি এই ধরনের স্ট্রেনের অবদানগুলি গণনা করার অনুমতি দেয়, যা তখন পরস্পর সম্পর্কিত হতে পারে যেমন। প্রতিক্রিয়া হার বা ভারসাম্য সহ। অ্যালিসাইক্লিক যৌগগুলির অনেক প্রতিক্রিয়া, যেমন ইকুইলিব্রিয়া, রেডক্স এবং সলভোলাইসিস প্রতিক্রিয়া, যা প্রতিক্রিয়া কেন্দ্রে sp2 এবং sp3 অবস্থার মধ্যে রূপান্তর দ্বারা চিহ্নিত করা হয়, সংশ্লিষ্ট স্ট্রেন শক্তির পার্থক্যের সাথে সম্পর্কযুক্ত। তথ্যগুলি মূলত মাঝারি বলয়ের প্রতিকূল ভিসিনাল কোণগুলি প্রতিফলিত করে, যা ক্রমবর্ধমান এস. আই (চিত্র 1)-এর সাথে কিটোন হ্রাস হারের তীব্র বৃদ্ধি দ্বারা চিত্রিত হয়। আরেকটি উদাহরণ হল ট্রানজিশন অবস্থার জন্য সংশ্লিষ্ট ব্রোমাইড ডেরিভেটিভস (এস. পি. 3) এবং এস. পি. 2-মডেল হিসাবে কার্বেনিয়াম আয়ন-এর মধ্যে স্টেরিক শক্তির পার্থক্য সহ ব্রিজহেড টসাইলেটের সলভোলাইসিস। (চিত্র 2) নীতিগতভাবে, অ্যাসাইক্লিক যৌগগুলিতে কোণের স্ট্রেন ঘটতে পারে, তবে ঘটনাটি বিরল। ছোট রিং সাইক্লোহেক্সেনকে সাইক্লোআলকেনে রিং স্ট্রেন নির্ধারণে একটি মানদণ্ড হিসাবে বিবেচনা করা হয় এবং এটি সাধারণত গৃহীত হয় যে খুব কম বা কোনও স্ট্রেন শক্তি নেই। তুলনায়, বর্ধিত চাপের কারণে ছোট সাইক্লোঅ্যালকেনগুলির শক্তি অনেক বেশি। সাইক্লোপ্রোপেন একটি ত্রিভুজের অনুরূপ এবং এইভাবে এর বন্ধন কোণ 60°, যা একটি sp3 সংকরিত কার্বনের পছন্দসই 109.5°-এর তুলনায় অনেক কম। উপরন্তু, সাইক্লোপ্রোপেন-এ হাইড্রোজেনগুলি গ্রহন করা হয়। সাইক্লোবুটেন প্রায় 88° বন্ড কোণ (এটি সম্পূর্ণ সমতল নয়) এবং গ্রহনযোগ্য হাইড্রোজেন সহ অনুরূপ স্ট্রেন অনুভব করে। সাইক্লোপ্রোপেন এবং সাইক্লোব্যুটেনের স্ট্রেন শক্তি যথাক্রমে 27.5 এবং 26.3 কিলোক্যালরি মোল-1। সাইক্লোপেন্টেন অনেক কম চাপ অনুভব করে, প্রধানত গ্রহন করা হাইড্রোজেন থেকে টর্সোনাল স্ট্রেনের কারণেঃ এর পছন্দের গঠনগুলি সিউডোরোটেশন নামে একটি প্রক্রিয়া দ্বারা আন্তঃপরিবর্তিত হয়। বাইসাইক্লিক সিস্টেমে রিং স্ট্রেন যথেষ্ট বেশি হতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, বাইসাইক্লোবুটেন, সি4এইচ6, সবচেয়ে বেশি চাপযুক্ত যৌগগুলির মধ্যে একটি হিসাবে পরিচিত যা বড় আকারে বিচ্ছিন্নযোগ্য; এর চাপ শক্তি 63.9 কিলোক্যালরি মোল-1 (267 কেজে মোল-1) হিসাবে অনুমান করা হয়। ট্রান্সানুলার স্ট্রেন মাঝারি আকারের বলয়গুলি (7-13 কার্বন) সাইক্লোহেক্সেন-এর চেয়ে বেশি স্ট্রেন শক্তি অনুভব করে, বেশিরভাগ আদর্শ ভিসিনাল কোণ বা পিটজার স্ট্রেন থেকে বিচ্যুতির কারণে। আণবিক বলবিজ্ঞানের গণনাগুলি ইঙ্গিত দেয় যে ট্রান্সানুলার স্ট্রেন, যা প্রিলগ স্ট্রেন নামেও পরিচিত, একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে না। তবে ট্রান্স্যানুলার প্রতিক্রিয়া, যেমন সাইক্লোঅক্টেন প্রতিস্থাপন প্রতিক্রিয়ায় 1,5-স্থানান্তর, সুপরিচিত। বাইসাইক্লিক সিস্টেম বাইসাইক্লিক সিস্টেমে স্ট্রেন শক্তির পরিমাণ সাধারণত প্রতিটি পৃথক রিংয়ের স্ট্রেন শক্তির সমষ্টি। এটি সবসময় হয় না, কারণ কখনও কখনও বলয়ের সংমিশ্রণ কিছু অতিরিক্ত চাপকে প্ররোচিত করে। অ্যালোস্টেরিক সিস্টেমে স্ট্রেন সিন্থেটিক অ্যালোস্টেরিক সিস্টেমে স্ট্রেন অবদানের কারণে স্থিতিশীলতার পার্থক্য সহ সাধারণত দুই বা ততোধিক কনফর্মার থাকে। উদাহরণস্বরূপ, পজিটিভ কো-অপারেটিভিটি ফলস্বরূপ একটি সাবস্ট্রেট A-এর সাথে একটি কনফর্মার C2-এর বন্ধন বৃদ্ধি পায় যা একটি প্রভাবক অণু E-এর বন্ধন দ্বারা উত্পাদিত হয়। যদি কনফর্মার C2-এর আরেকটি ভারসাম্যপূর্ণ কনফর্মার C1-এর মতো একই স্থিতিশীলতা থাকে যা সাবস্ট্রেট A দ্বারা প্ররোচিত একটি ফিট প্রভাবক E-এর অনুপস্থিতিতেও A-এর সাথে C2-এর বন্ধন ঘটায়। শুধুমাত্র যদি কনফর্মার C2-এর স্থিতিশীলতা উল্লেখযোগ্যভাবে কম হয়, যার অর্থ হল যে একটি প্রভাবক E-এর অনুপস্থিতিতে C2-এর জনসংখ্যা C1-এর তুলনায় অনেক কম হয়, তবে K2/K1 অনুপাত যা অ্যালোস্টেরিক সংকেতের দক্ষতা পরিমাপ করে তা বৃদ্ধি পাবে। K2/K1 অনুপাতটি সরাসরি কনফর্মার C1 এবং C2-এর মধ্যে স্ট্রেন শক্তির পার্থক্যের সাথে সম্পর্কিত হতে পারে; যদি এটি ছোট হয় তবে A-এর উচ্চতর ঘনত্ব সরাসরি C2-এর সাথে আবদ্ধ হবে এবং প্রভাবক E-কে অকার্যকর করে তুলবে। উপরন্তু, এই ধরনের অ্যালোস্টেরিক সুইচগুলির প্রতিক্রিয়া সময় কনফর্মার আন্তঃকন্ভার্শন ট্রানজিশন অবস্থার স্ট্রেনের উপর নির্ভর করে। আরও দেখুন স্ট্রেন (উপকরণ বিজ্ঞান) রেফারেন্স স্টেরিওকেমিস্ট্রি