Начальные представления о меченых веществах

АтомЧтобы иметь начальное представление о меченых веществах, постараемся ответить простым языком на следующие простые вопросы:

1) Что такое меченые вещества?
2) Как их правильно называть?
3) Для чего они нужны?
4) Как их можно получить?
5) Как узнать в каком атоме метка?

Большая часть информации почерпнута из следующих книг:

Ан. Н. Несмеянов Радиохимия
В. Б. Лукьянов Радиоактивные индикаторы в химии
А. Мэррей Синтезы органических соединений с изотопами углерода (Ч. 1)
А. Мэррей Синтезы органических соединений с изотопами углерода (Ч. 2)
Ю. Я. Фиалков Применение изотопов в химии и химической промышленности
Ан. Н. Несмеянов Прошлое и настоящее радиохимии
Ан. Н. Несмеянов Радиоактивные изотопы в природе

Эти книги так же можно использовать в качестве отправной точки для начала изучения радиохимии.


1. Что такое меченые вещества?

Меченые cоединения - химические соединения, которые отличаются изотопным составом от соединений, полученных из природного сырья.

Изотопный состав - соотношение изотопов в веществе.

Изотопы это атомы, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа, т. е. они проявляют одинаковые химические, но имеют немного разные физические свойства. Примеры изотопов: 12C, 14C, 16O, 17O, 18O.

Природные вещества состоят из смеси изотопов в определенных соотношениях, причем можно принять, что эти соотношения для большинства химических элементов на земле одинаковы во всех материалах. Если в каком-то веществе соотношение изотопов стало отличаться от природного, то его можно считать меченым. Входящие в это вещество атомы, представляющие собой более редкий природный изотоп, называют мечеными атомами.

Все изотопы какого-либо элемента попадают в одну клетку периодической таблицы, поскольку являются одним и тем же элементом, и из-за этого при расчетах мы работаем с относительной атомной массой элемента – усредненной массой, соответствующей распределению изотопов в природе.

Если в молекуле один меченый атом, то это однократно меченая молекула, если более одного – многократно меченая.


2. Как их правильно называть?

Название меченого соединения, во-первых, должно показывать какие атомы являются мечеными и, во-вторых, обозначать где эти атомы находятся.

а) Вещество с одной изотопной меткой в одном фиксированном положении. При этом через дефис после названия соединения записывают изотоп-метку, указав его массовое число. Например, название мочевины, меченой изотопом углерода 14С, можно записать как карбамид‑14С. Если метка может быть в нескольких положениях, нужное положение записывают числом после названия соединения. Например этилбромид, меченый изотопом 2H по второму положению (2HCH2CH2Br) называется этилбромид-2-2H.

б) Вещество с одной изотопной меткой в разных положениях в молекулах. Если вещество представляет собой смесь молекул, имеющих одну изотопную метку, но в разных положениях, например, смесь меченых пропионовых кислот H3C-CH3-14COOH, H3C-14CH3-COOH и H314C-CH3-COOH, то в таком случае после названия вещества перечисляют через запятую все положения, в которых может находиться метка – пропионовая-1,2,3-14С кислота.

в) Соединение с несколькими изотопными метками. Если метки одного рода, т. е. это один и тот же изотоп, то после названия вещества указывают через дефис положения меток, а к символу изотопа добавляют нижним правым индексом число меток в молекуле. Например, трехкратно меченая пропионовая кислота H314C-14CH3-14COOH будет называться пропионовая-1,2,3-14C3 кислота.

Если метки разного рода, например изотоп водорода 2H, дейтерий (обозначается D) и 14С, то после названия соединений записывают группами характеристики меток, начиная от тяжелых к легким, например, меченый бромэтан D14CH2-CH2-Br называют бромэтан-2-14С-2-2H или бромэтан-2-14C-2-D


3. Для чего они нужны?

Меченые вещества имеют очень большую область применения и их описание, даже обзорное, достойно учебника. Мы же опишем основные области применения. Как уже было сказано, изотопы являются одним химическим элементом, но массовые числа изотопов-меток отличаются от наиболее распространенных природных изотопов (могут быть как меньше так и больше). Небольшая разница в массе изотопов приводит к двум эффектам:

а) Кинетический изотопный эффект (КИЭ). Изотопы проявляют одинаковые химические свойства, но скорости реакций изотопов отличаются. Для водорода, из-за того что массы изотопов относительно друг-друга различаются очень сильно, этот эффект наиболее выражен, но он характерен для всех без исключения изотопов в той или иной степени. Однако нужно помнить, что если реакция протекает по многостадийному механизму и самая медленная стадия реакции будет протекать без участия изотопа-метки, то КИЭ может не наблюдаться.

б) Термодинамический изотопный эффект. Проявляется во множестве показателей: различной скорости диффузии через мембраны, различном коэффициенте распределения между фазами и пр. Именно его используют для разделения изотопов в промышленности.

На эти свойства изотопов опираются при их использовании. Очертим основные области применения изотопов.

3.1. Сравнение равноценности химической связи в молекулах
3.1.1 Метод синтеза-разложения

Меченое соединение А вводят в реакцию с немеченым соединением Б. Затем получившийся аддукт разлагают на исходные соединения. Если метка полностью или преимущественно оказывается в А, то в образовавшийся в ходе реакции молекуле связи были неравноценны. Если метка распределена поровну между А и Б – связи в молекуле были равноценны. Например:

SO32- + S* = S*2O32-
S*2O32- + 2Ag+ + H2O = Ag2S* + SO42- + 2H+, связи были неравноценны,

S2- + S* = S*22-
S*22- + 2H+ = H2S* + S*, связи были равноценны.

3.1.2. Метод изотопного обмена

Если возможен изотопный обмен в молекуле А с внешним меченым соединением Б, то атомы, занимающие неравноценные положения в А будут обмениваться с разной скоростью. Например, при исследовании изотопного обмена хлора в молекуле PCl5 с меченым Cl2 в четыреххлористом углероде выяснилось, что два атома хлора из пяти обмениваются быстро, а три медленно, из чего следует, что в молекуле три атома хлора связаны с фосфором одним типом связи, а остальные — другим. Исходя из этого предположили, что молекула PCl5 представляет собой тригональную бипирамиду:

Хлорид фосфора

При изотопном обмене кислорода между солями кремниевых кислот и меченой водой оказалось, что все атомы кислорода в кислоте обмениваются с одинаковой скоростью. Это означает, что структурная формула кремниевой кислоты, записываемая для мономера, неверна:

Кремниевая кислота

3.2. Исследование таутомерии

Изотопный обмен водорода между органическими соединениями и водой возможен по принципу водородной связи через циклическое шестичленное переходное состояние:

Перенос водорода

Это означает, что обмениваться могут лишь те атомы водорода, которые входят в соответствующие функциональные группы, способные к обмену: OH, SH, NH. Обмен водорода при атоме углерода как правило не происходит. Существование такого обмена может указать, имеет ли место таутомерия для этого соединения. Этот метод позволил в свое время разрешить множество жарких споров о некоторых молекулах. Например, горячо обсуждался вопрос, существует ли таутомерия в молекуле фосфористой кислоты H3PO3? Данная кислота формально является трехосновной, но способна реагировать лишь с двумя эквивалентами основания. В качестве таутомерного превращения для этой кислоты предлагалась схема:

Таутомерия фосфористой кислоты

Однако эксперименты четко показали, что в изотопный обмен вступают только два из трех атомов водорода. А вот в фосфорноватистой кислоте H3PO2 таутомерные превращения происходят, и все атомы водорода обмениваются на дейтерий:

Таутомерия фосфорноватистой кислоты

Ещё один пример: глиоксаль не способен к таутомерным превращениям и не обменивает водород на дейтерий по следующей схеме:

Таутомерия глиоксаля

3.3. Исследование механизмов реакций

Классическое применение меченых атомов. Главной особенностью органических соединений является то, что они содержат сразу несколько атомов одного элемента, которые проявляют разные химические свойства. Использование меток позволяет проследить за атомами, занимающими определенное положение в молекуле. Для этого молекула должна быть синтезирована с точным расположением метки, а эксперимент спланирован так, чтобы положение этой метки впоследствии было однозначно определено. Для того, чтобы понять суть этого применения изотопов, рассмотрим три примера.

Всем известная перегруппировка Кляйзена – превращение фенилаллиловых эфиров в аллилфенолы при нагревании:

Перегруппировка Кляйзена

Если оба орто-положения заняты, алкильная группа перемещается в пара-положение.

Для того, чтобы определить, является ли перегруппировка внутри- или межмолекулярной синтезировали два эфира с близкими скоростями этой реакции, причем первый эфир был мечен в алифатической цепи:

Меченые эфиры

Эти эфиры смешали вместе и провели пиролиз, после чего продукты перегруппировки разделили и определили активность каждого из них. Вся активность оказалась сосредоточена в 2-аллил-4-метилфеноле — продукте перегруппировки меченого эфира. Меченых атомов в продукте перегруппировки немеченого эфира не оказалось. Это означало, что перегруппировка Кляйзена происходит исключительно по внутримолекулярному механизму, но какому? Чтобы прояснить это необходимо было выяснить, где именно расположена метка в продукте перегруппировки. Это было сделано так:

Поиск метки

Расположение метки в исходном эфире на конце цепи, а в продукте перегруппировке рядом с бензольным кольцом показало, что в ходе перегруппировки происходит инверсия. Наиболее приемлемым для этого сейчас считают механизм [3,3]-сигматропного сдвига, протекающий через шестичленное переходное ароматическое состояние:

[3,3]-сигматропный сдвиг

В качестве второго примера рассмотрим пиролиз эфиров пировиноградной кислоты. Например, при нагревании этиловый эфир пировиноградной кислоты разлагается на монооксид углерода и уксусноэтиловый эфир:

Пиролиз эфиров пировиноградной кислоты

Элиминирование какой карбонильной группы происходит? Был синтезирован меченый по кетонной группе эфир пировиноградной кислоты:

Синтез меченого пирувата

Меченый эфир пиролизовали, выделившийся СО доокислили до CO2. Углекислый газ пропустили через раствор гидроксида бария. Полученный карбонат бария не проявлял активности. Активность проявляла уксусная кислота — продукт пиролиза. Таким образом, СО всегда отщепляется только от карбоксильной группы.

В качестве третьего примера покажем, что окисление алкенов перманганатом калия в кислой и щелочной среде идет по принципиально разным механизмам:

Окисление перманганатом калия


4. Как их можно получить?

Имеется множество методов, из которых подробно рассмотрим прямой химический синтез. С остальными вы можете познакомиться в учебниках, приведенных в начале статьи. Упомянем их. Наряду с прямым химическим синтезом меченые соединения получают: изотопным обменом, биосинтезом, горячим синтезом (иногда называют методом атомов отдачи), синтез при β-распаде изотопов, входящих в состав молекулы, физико-химическими методами синтеза.

Основная часть меченых соединений синтезируется прямым химическим синтезом. Нужно очень четко понимать, что синтез может проходить не из произвольного предшественника, а только из веществ, которые получают в процессе производства изотопа, являющегося меткой. Круг этих соединений ограничен, и они обычно являются веществами простого состава, например 14CO2, Na125I, 35S, Т2O и т. п. Кроме того, синтез должен быть максимально коротким, так как количества меченого вещества, как правило, очень малы.

4.1. Синтез соединений, содержащих 14С

Почти все соединения, содержащие 14С исходят из одного предшественника – карбоната-14С бария, который получают из нитрида бериллия в реакторе. Из карбоната бария затем получают пять главных ключевых веществ. Вот эти соединения: K14CN, 14CO2, 14C2H2, 14CH3OH, 14CNNH2. Их получение показано на схеме:

Получение исходных соединений меченого углерода

Эти соединения служат предшественниками для получения строительных блоков – простых органических соединений, который потом используются для синтеза сложных соединений, используемых для решения научных задач.

Синтезы из цианида калия

Синтезы из диоксида углерода

Синтезы из ацетилена

Для получения бензола, меченого по одному атому углерода обычно используют следующий способ:

Синтез меченого бензола

Если нужен замещенный бензол с меченым атомом у заместителя, то можно просто прохлорировать метилциклопентан из представленной цепочки превращений в боковую цепь. Последующая изомеризация проходит так, что именно атом боковой цепи окажется у заместителя.

4.2. Синтез соединений, содержащих 3H (T)

Соединения, меченые тритием, имеют двух предшественников, получаемых в производстве: гидрид урана UT3 и тритиевую воду T2O. Гидрид не содержит протия 1H, а тритиевая вода разбавлена обычной водой, чтобы избежать разложения из-за собственного излучения. Обычно используют три способа введения трития:

а) Гидрирование молекулярным тритием.
б) Восстановление алюмогидридом-3H4 лития.
в) Взаимодействие тритиевой воды с анионами и веществами, способными к гидратации.

Синтезы соединений трития

4.3. Синтез соединений с 35S

Исходные соединения для введения этой метки – элементарная сера и сульфид бария. От них переходят к тиолам и тиомочевине. Тиолы — это основной реагент для введения метки, обычно используют присоединение по кратным связям. Тиомочевину часто используют для построения циклических систем, содержащих метку.

Синтез соединений серы

4.4. Синтез соединений, содержащих 36Cl, 82Br и 131I

Здесь все очень просто. Исходят из меченых молекулярных галогенов или галогенидов щелочных металлов, первые потом используют для радикального или электрофильного замещения водорода, а вторые для нуклеофильного замещения.

Синтез соединений с мечеными галогенами

Для введения йода не стоит забывать о смешанных галогенах, например 131ICl, для которых в условиях радикальных реакций происходит йодирование с селективностью хлорирования.

4.5. Вещества, меченые 32P

Исходным веществом выступает красный фосфор. Он, в свою очередь служит для получения 32PCl3, 32POCl3, 32PSCl3 и других базовых соединений.


5. Как узнать в каком атоме метка?

При исследовании механизмов реакций часто помечают определенные положения в молекуле, чтобы затем выяснить, где эти атомы окажутся в продуктах реакции. Если важно узнать, в каком именно веществе оказалась метка, продукты реакции разделяют обычными методами: экстракцией, хроматографией, перегонкой, а затем измеряют активность каждого продукта по отдельности.

Если нужно понять, в каком именно положении в молекуле находится меченый атом, то молекулу упрощают при помощи химических реакций таким образом, чтобы можно было идентифицировать положение атома по продуктам реакции. Например, чтобы понять какой атом углерода в молекуле уксусной кислоты меченый, её нужно декарбоксилировать. Если радиоактивным окажется диосксид углерода или карбонат (в зависимости от того как декарбоксилируем), то метка была в карбоксильном атоме, если нет, то в метильном.


Опубликовано Автор: