मिथिलीन ब्लू आणि ल्युकोमिथिलीन ब्लू: एक रेडॉक्स जोडी, दोन रंग

एक विद्यार्थिनी फ्लास्कमध्ये निळ्या रंगद्रव्याचे काही थेंब घालते, तो गोलाकार हलवते आणि रंग नाहीसा होताना पाहते. ती फ्लास्क हलवते आणि निळा रंग परत येतो. या दोन अवस्थांदरम्यान इलेक्ट्रॉन आणि हवेचा संपर्क यांव्यतिरिक्त काहीही घातले किंवा काढले गेले नाही. या फ्लास्कमध्ये या लेखाचा संपूर्ण विषय सामावलेला आहे: मिथिलीन ब्लू आणि त्याचा अपचयित जोडीदार, ल्युकोमिथिलीन ब्लू, एका उत्क्रमणीय रेडॉक्स जोडीमध्ये एकमेकांत रूपांतरित होतात, आणि रंग हा त्या बदलाचा निदर्शक असतो.

आधी व्यावहारिक मुद्दा पाहू. येथे रंगबदल हा दुय्यम परिणाम नाही. तोच विश्लेषणात्मक संकेत आहे. मिथिलीन ब्लू वापरून फॉर्म्युलेशन तयार करणाऱ्या, त्याने अनुमापन करणाऱ्या किंवा त्याचा अध्यापनात वापर करणाऱ्या प्रत्येकाला अर्ध-अभिक्रिया पाठ लिहिता आली पाहिजे, ती डावीकडे किंवा उजवीकडे नेणाऱ्या परिस्थिती सांगता आल्या पाहिजेत आणि निकाल अस्पष्ट करणाऱ्या अशुद्धींची नावे देता आली पाहिजेत.

एका समीकरणातील जोडी

ऑक्सिडीकृत मिथिलीन ब्लू म्हणजे मिथिलथायोनिनियम धनायन: मध्यवर्ती वलयात सल्फर आणि नायट्रोजन असलेली सपाट फेनोथायाझिनियम प्रणाली, जिच्या प्रत्येक टोकाला डायमिथिलअमिनो गट असतो आणि जी क्लोराइड क्षाराच्या स्वरूपात पुरवली जाते. PubChem मध्ये त्याची नोंद मिथिलथायोनिनियम क्लोराइड, C.I. Basic Blue 9 अशी आहे. पाण्यात त्याचा मोनोमर 664 nm जवळ प्रकाश शोषतो; त्यामुळे डोळ्याला निळा रंग दिसतो.

अपचयित ल्युकोमिथिलीन ब्लू (LMB) चा मूळ संरचनात्मक सांगाडा तोच असतो, पण मध्यवर्ती वलयातील नायट्रोजन प्रोटोनीकृत झालेला असतो आणि क्रोमोफोरची सलगता तुटलेली असते. जवळजवळ उदासीन pH वर त्यावर विद्युतभार नसतो आणि ते जवळजवळ रंगहीन असते; दृश्यमान प्रकाशाचे शोषण नगण्य असते, तर 258 nm जवळ तीव्र अतिनील शोषण पट्टा असतो (ल्युकोमिथिलीन ब्लूसाठी PubChem नोंद, CAS 613-11-6). अर्ध-अभिक्रियेतील प्रोटॉनची संख्या pH वर अवलंबून असते, कारण आम्लीय माध्यमात अपचयित रूप प्रोटोनीकृत होते (अंदाजे pKa मूल्ये 4.5 आणि 5.8 जवळ). व्यावहारिक श्रेणी तीन अवस्थांनी व्यापली जाते:

MB(+) + 2 e(-) + H(+) <=> LMB, निळे <=> रंगहीन (जवळजवळ उदासीन pH, 1 प्रोटॉन)

MB(+) + 2 e(-) + 2 H(+) <=> LMBH(+), निळे <=> रंगहीन (मध्यम आम्लीय, 2 प्रोटॉन)

MB(+) + 2 e(-) + 3 H(+) <=> दुहेरी प्रोटोनीकृत ल्युको रूप (तीव्र आम्लीय, 3 प्रोटॉन)

या तिन्ही मांडण्या वेगवेगळ्या प्रोटोनीकरण अवस्थांतील त्याच जोडीचे वर्णन करतात; थायाझिन रंगद्रव्यांचे रेडॉक्स वर्तन यावरील साहित्यात हा मुद्दा पद्धतशीरपणे हाताळला आहे. pH वरील अवलंबित्व Ox + mH(+) + 2e(-) <=> Red साठीच्या नर्न्स्ट समीकरणानुसार असते, ज्यामुळे m = 1, 2, किंवा 3 साठी प्रत्येक pH एककामागे अनुक्रमे सुमारे 29.6, 59.2, किंवा 88.7 mV चा उतार मिळतो. मोजलेले उतार प्रत्येक pH एककामागे 28, 58, आणि 87 mV जवळ आढळतात आणि या मांडणीची पुष्टी करतात; त्यामुळे pH न सांगता नोंदवलेला विभव निरर्थक ठरतो.

हे समीकरण फॉर्म्युलेशन तयार करणाऱ्याला काय सांगते

अभिक्रियेतील प्रमाणसंबंधातून तीन तथ्ये स्पष्ट होतात. पहिले म्हणजे, प्रत्येक रेणूमागे दोन इलेक्ट्रॉन असल्याने मिथिलीन ब्लू त्याच्या एकूण अभिक्रियेत दोन-इलेक्ट्रॉन निर्देशक आणि मध्यस्थ आहे, एक-इलेक्ट्रॉन वाहक नाही. दुसरे म्हणजे, प्रोटॉन सहभागी होतात, त्यामुळे वर वर्णन केल्याप्रमाणे औपचारिक विभव pH नुसार बदलतो. तिसरे म्हणजे, pH 7 वर मानक हायड्रोजन इलेक्ट्रोडच्या तुलनेत औपचारिक विभव +0.011 V जवळ असतो (pH 0 वर सुमारे +0.53 V), त्यामुळे ही जोडी सौम्य ऑक्सिडीकारकांमध्ये मोडते: NAD(P)H किंवा अॅस्कॉर्बेटसारख्या चांगल्या दात्यांकडून इलेक्ट्रॉन स्वीकारण्याइतकी प्रबळ, पण ते विरघळलेल्या ऑक्सिजनला किंवा फेरिक केंद्रांना देण्याइतकी सौम्य. या मधल्या स्थानामुळेच रंगद्रव्य एका टोकाला अडकून न राहता चक्राकार रूपांतरित होत राहते.

सांद्रतेमुळे आणखी एक गुंतागुंत येते. पाण्यात साधारण शंभर मायक्रोमोलरपेक्षा जास्त सांद्रतेवर ऑक्सिडीकृत धनायन एकावर एक रचले जाऊन डायमर आणि मोठे समुच्चय तयार करतात; त्यांचा शोषण पट्टा 610 ते 615 nm जवळ सरकतो. हे pH 7 वर नोंदवलेल्या सुमारे 170 ते 250 uM च्या मोनोमर-डायमर वियोजन स्थिरांकाशी सुसंगत आहे. त्यामुळे अपेक्षित शिखरापासून सरकलेला वर्णपट दिसल्यास त्याचा अर्थ अशुद्धी असण्याऐवजी समुच्चयनही असू शकतो. आधी विरळ करा, मग निष्कर्ष काढा.

प्रत्येक दिशेला चालना देणाऱ्या परिस्थिती

खालील तक्ता प्रयोगशाळेतील कामासाठी संदर्भ आहे. अपचयनासाठी इलेक्ट्रॉनदाता लागतो; पुनःऑक्सिडीकरणासाठी इलेक्ट्रॉनग्राही लागतो आणि त्यासाठी हवा सहसा पुरेशी असते.

प्रत्येक नोंद त्याच समीकरणाचे पालन करते. बदलते ते फक्त अभिक्रियेला चालना देणारे बल. या अर्थाने ही जोडी उत्क्रमणीय आहे: मार्ग तोच असतो, पण विरुद्ध परिस्थितींमध्ये विरुद्ध दिशांनी प्रवास होतो.

निळ्या बाटलीचे स्पष्टीकरण

या प्रात्यक्षिकाची अभिक्रिया-यंत्रणा स्पष्टपणे सांगणे आवश्यक आहे, कारण ते या जोडीचे लघुरूप आहे. क्षारीय ग्लुकोज द्रावणात क्षारक ग्लुकोजच्या एनोल रूपात रूपांतराला चालना देतो आणि तयार होणारे एनिडायोलेट मिथिलीन ब्लूचे ल्युकोमिथिलीन ब्लूमध्ये अपचयन करते; त्यामुळे फ्लास्क रंगहीन होतो. हलवल्यावर द्रवावरील रिकाम्या जागेतील ऑक्सिजन द्रावणात विरघळतो, तो ल्युको रूपाचे पुनःऑक्सिडीकरण करतो आणि निळा रंग परत येतो. स्थिर ठेवल्यावर पृष्ठभागाजवळील अभिक्रिया क्षेत्रातील विरघळलेला ऑक्सिजन कमी होतो आणि पुन्हा ग्लुकोजची अभिक्रिया वरचढ ठरते. ग्लुकोज संपेपर्यंत हे चक्र चालू राहते, आणि प्रत्येक वेळी हलवणे म्हणजे नर्न्स्ट समीकरणाचे दृश्यमान रूप असते: ऑक्सिडीकारकाची सक्रियता वाढवा आणि समतोल निळ्या रूपाकडे सरकतो.

मधले मुक्त मूलक

एकूण अभिक्रियेत दोन इलेक्ट्रॉनांचे हस्तांतरण होते, पण प्राथमिक टप्प्यांमध्ये एका वेळी एकच इलेक्ट्रॉन हस्तांतरित होतो. निळे धनायन आणि रंगहीन ल्युको रूप यांच्या मध्ये सेमिक्विनोन मुक्त मूलकाचे मध्यवर्ती रूप असते; ते साठण्याऐवजी बहुतांश वेळा विषमानुपातीकरणातून पुन्हा या जोडीतील दोन रूपांत बदलते. pH 7 वर त्याचा एक-इलेक्ट्रॉन विभव उणे 0.23 V जवळ असतो, जो एकूण दोन-इलेक्ट्रॉन मध्यबिंदू विभवापेक्षा खूप कमी आहे; त्यामुळे स्थिर अवस्थेत मुक्त मूलकाचे प्रमाण अल्प राहते. हे दोन कारणांसाठी महत्त्वाचे आहे. प्रकाश पडल्यावर रंगद्रव्य उत्तेजित अवस्थांत जाते आणि मुक्त मूलकांचे अभिक्रिया मार्ग खुले होतात; म्हणूनच मिथिलीन ब्लूची द्रावणे प्रकाशसंवेदनशील असतात आणि कोणत्याही स्थैर्य चाचणीच्या कार्यपद्धतीत प्रकाशरसायनशास्त्राचा समावेश हवा. तसेच, उच्च सांद्रतेवर ऑक्सिडीकृत रूपाचे डायमर तयार होतात, ज्यामुळे मूळ जोडी न बदलता वर्णपट आणि निरीक्षित अभिक्रिया गतिकी बदलते. यांपैकी कोणतीही बाब उत्क्रमणीयता मोडत नाही. दोन्ही बाबी अशा निरीक्षणांचे स्पष्टीकरण देतात जी अन्यथा अनुत्क्रमणीय वाटू शकतात.

मिथिल गट गमावलेली संबंधित संयुगे मापपट्टी बदलतात

दोन डायमिथिलअमिनो शाखांमधील मिथिल गट काढल्यावरही ही जोडी टिकते, पण तिचे गुणधर्म बदलतात. प्रत्येक डीमिथिलीकरणासोबत शोषण कमाल सातत्याने निळ्या, म्हणजे कमी तरंगलांबीच्या दिशेने सरकते: मिथिलीन ब्लू सुमारे 664 nm, Azure B सुमारे 654, अझ्यूर A सुमारे 630, अझ्यूर C सुमारे 615, आणि थायोनिन सुमारे 600 nm. एक मिथिल गट कमी असलेले Azure B हे सर्वात जवळचे संबंधित संयुग आहे: मिथिलीन ब्लूचा एक प्रमुख चयापचयज पदार्थ आणि मिथिलीन ब्लू सामग्रीतील नोंदवलेली अशुद्धी. अझ्यूर A आणि अझ्यूर C त्याच रेडॉक्स-सक्रिय सांगाड्यासह ही मालिका पुढे नेतात. दोन्ही अमिनो गटांचे पूर्ण डीमिथिलीकरण झालेले थायोनिन या मालिकेच्या शेवटी येते; pH 7 वर त्याचा औपचारिक विभव सुमारे +0.06 V असतो, तर मिथिलीन ब्लूचा +0.011 V असतो, त्यामुळे थायोनिनचे अपचयन लक्षणीयरीत्या सोपे असते. या मालिकेतील रेडॉक्स विभव माध्यम आणि इलेक्ट्रोडवर अवलंबून असतात, म्हणून मूल्यांची तुलना एकाच परिस्थिती-संचात करा. म्हणूनच अशुद्धींचे स्वरूप तपासणे हा रेडॉक्सचा मुद्दा आहे, केवळ शुद्धतेच्या यादीतील एक खूण नाही. Azure B चे काही टक्के प्रमाण म्हणजे बाटलीत वेगळ्या रेडॉक्स जोडीचे काही टक्के प्रमाण, आणि अशुद्धी व चयापचयज पदार्थ म्हणून Azure B मध्ये हा अंश कसा नियंत्रित केला जातो याची नोंद आहे.

जीवशास्त्राशी संबंध कुठे येतो

लाल रक्तपेशीच्या आत NADPH मिथिलीन ब्लूचे ल्युकोमिथिलीन ब्लूमध्ये अपचयन करते आणि ल्युको रूप फेरिक हीम लोहाला इलेक्ट्रॉन देऊन हिमोग्लोबिनमधील फेरस अवस्था पुनर्स्थापित करते. इलेक्ट्रॉन हस्तांतरणाची ही एकच साखळी अर्जित मेथेमोग्लोबिनेमियामध्ये मिथिलीन ब्लूच्या वापराचा रासायनिक आधार आहे. या हस्तांतरणानंतरच्या सर्व बाबी—ऊर्जा चयापचय, मायटोकॉन्ड्रियातील इलेक्ट्रॉन प्रवाह आणि कोणताही जैविक परिणाम—मायटोकॉन्ड्रियातील इलेक्ट्रॉन वाहतूक या विषयात येतात आणि त्या जाणीवपूर्वक तिथेच ठेवल्या आहेत.

केवळ रंग नव्हे, जोडी खरेदी करा

रेडॉक्स रंगद्रव्याची गुणवत्ता त्याच्या विनिर्देशांइतकीच चांगली असते. उच्च शुद्धता महत्त्वाची आहे, कारण USP मानकांचे पालन न करणारे मिथिलीन ब्लू सामान्यतः वस्त्रोद्योग दर्जाचे असते आणि त्यात Azure B, जड धातू किंवा अवशिष्ट विद्रावक असू शकतात. ते रेडॉक्स मोजमाप बदलतात आणि अनुमापनाचे अंतिम बिंदू अस्पष्ट करतात; कोणत्याही अभिरंजन कार्यपद्धतीत यांची तपासणी केली जात नाही. USP अनुरूपतेचा दावा करणारे बहुतेक विक्रेते फक्त जड धातूंची चाचणी करतात आणि काम पूर्ण झाल्याचे जाहीर करतात. पूर्ण अनुरूपतेमध्ये ओळख, प्रमाणनिर्धारण, सेंद्रिय अशुद्धी, अवशिष्ट विद्रावक, मूलद्रव्यीय अशुद्धी, प्रज्वलनानंतरचा अवशेष, सूक्ष्मजीव मर्यादा आणि जीवाणूजन्य एंडोटॉक्सिन यांचा समावेश होतो; औषधनिर्मिती दर्जाचे मिथिलीन ब्लू कसे निवडावे मध्ये ही कागदपत्रे कशी वाचावीत हे समजावले आहे. Blupreme मिथिलीन ब्लूच्या औषधनिर्मिती क्षेत्रातील उत्पादकासोबत काम करते, संपूर्ण USP विनिर्देशांनुसार चाचण्या करते आणि पूर्ण COA प्रकाशित करते. जेव्हा रंग हेच मोजमाप असते, तेव्हा ही कागदपत्रे मापन उपकरणाचाच भाग असतात.