Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Zastosowanie izotopów w chemii organicznej Wykład specjalizacyjny Prof. dr hab. Marianna Kańska.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Zastosowanie izotopów w chemii organicznej Wykład specjalizacyjny Prof. dr hab. Marianna Kańska."— Zapis prezentacji:

1 Zastosowanie izotopów w chemii organicznej Wykład specjalizacyjny Prof. dr hab. Marianna Kańska

2 Metody syntezy związków znakowanych izotopami 1. Prosta synteza chemiczna. 2. Synteza na drodze wymiany izotopowej. 3. Synteza metodą atomów odrzutu. 4. Synteza w wyniku rozpadu (beta). 5. Biosynteza. 6. Syntezy metodami enzymatycznymi. W praktyce podstawowe znaczenie ma prosta synteza chemiczna, biosynteza, synteza metodą wymiany izotopowej i metody enzymatyczne.

3 Właściwości syntezy związków znakowanych Synteza związków znakowanych ma swoje specyficzne właściwości. 1. Substancją wyjściową do syntezy nie jest dowolny, najbardziej odpowiedni związek, lecz związek otrzymywany w procesie produkcji izotopu. 2. Ilości substancji stosowane do syntezy są małe, ponieważ ilości izotopu promieniotwórczego jest ograniczona, a rozcieńczenie substancją nieaktywną jest niepożądane, gdyż prowadziłoby do zmniejszenia aktywności właściwej. 3. Ze względu na mikroskalę należy stosować specjalne techniki. 4. Podczas reakcji występują efekty radiacyjne. 5. Czas syntezy powinien być krótki.

4 Właściwości syntezy związków znakowanych (c. d.) 6. Nie powinno być reakcji ubocznych. 7. Syntezę należy prowadzić w warunkach odpowiadającym przepisom BHP. 8. Należy opracować warunki syntezy na związkach nieaktywnych tzn. przeprowadzić syntezę zimną. a) W celu opracowania warunków syntezy. b) W celu ustalenia totalnej wydajności: - chemicznej, - radiochemicznej.

5 Jednostki tradycyjne: 1 Ci = 3,7 x rozp./sec 1 mCi = 3,7 x 10 7 rozp./sec 1 Ci = 3,7 x 10 4 rozp./sec w układzie SI: 1 Bq = rozp./sec i wielokr. np. MBq = 10 6 Bq, GBq = 10 9 Bq W wyniku pomiaru w otrzymujemy wynik w CPM (count per minute) lub w DPM (decay per minute). Aktywność właściwa Aktywność na jednostkę masy np. mCi/mg, MBq/g Aktywność molowa jest to aktywność przypadająca na jeden mol, milimol, mikromol. Np. mCi/mole, DPM/mmole, MBq/mmol Okres połowicznego rozpadu - T 1/2 Jest to czas po upływie którego aktywność próbki zmniejsza się o połowę.

6 Synteza metodą wymiany izotopowej Wymianę izotopową stosuje się do otrzymywania związków organicznych znakowanych izotopami wodoru, węgla, siarki i fluorowców. W celu przeprowadzenia syntezy należy zapewnić kontakt pomiędzy wymieniającymi się substancjami, a następnie je rozdzielić. Metodą wymiany izotopowej można otrzymać takie związki, które nie można zsyntezować na drodze klasycznej syntezy organicznej. Metodą wymiany izotopowej tylko w bardzo rzadkich przypadkach można znakować związek w ściśle określonym miejscu.

7 Nomenklatura związków znakowanych Stosuje się nazewnictwo związków zgodnie z regułami Konwencji Genewskiej. Podaje się przy tym położenie danego izotopu w cząsteczce. Korzysta się przy tym z niepełnego symbol chemicznego izotopu ( 14 C, 13 C, 125 I, 2 H, 3 H itd.). Dla izotopów wodoru jest dopuszczalne użycie zamiast 2 H – D (deuter) i 3 H – T (tryt) Gdy pozycja izotopu jest nieokreślona używa się następujących oznaczeń, jak np. Kwas 14 C-propionowy Kwas 3 H-ascorbinowy

8 Nomenklatura związków znakowanych c.d. W przypadku związków znakowanych izotopami wodoru lub węgla, gdzie atomy danego izotopu są rozmieszczone w sposób przypadkowy po całym pierścieniu, dopuszcza się jeszcze inny sposób zapisu. [ring - 14 C]-L-fenyloalanina [U- 14 C]-L-fenyloalanina (U-uniformely ) Gdy atomy 14 C są w przypadkowy sposób rozmieszczone w całej cząsteczce to:

9 Nomenklatura związków znakowanych c.d. Podobnie dla związków znakowanych izotopami wodoru [ring- 3 H]-L-fenyloalanina Związki równomiernie (niespecyficznie) 14 C lub izotopami wodoru otrzymuje się głównie metodami klasycznej syntezy chemicznej lub w wyniku biosyntezy. Wówczas w pożywce dla bakterii lub glonów znajduje się 14 CO 2 lub woda trytowana, HTO lub deuterowana - DHO lub D 2 O.

10 Nazewnictwo specyficznie znakowanych związków Rozpatrzymy to na przykładzie L-fenyloalaniny [1- 14 C]-L-fenyloalanina – [1 14 -C]-L-Phe [3- 14 C]-L-Phe [2,6- 3 H 2 ]-L-Phe

11 Nazewnictwo specyficznie znakowanych związków c.d. [3R- 3 H]-L-Phe [3S- 3 H]-L-Phe Związki znakowane podwójnie Kwas 3-fenylo-[3- 3 H, C]-prop-2-enowy lub Kwas [3- 3 H, C]-cynamonowy

12 Wymiana izotopowa Metoda wymiany izotopowej jest szeroko stosowana do otrzymywania związków organicznych znakowanych izotopami stabilnymi lub radioaktywnymi. Polega ona na zapewnieniu kontaktu między dwoma wymieniającymi się substancjami. Stosuje się przy tym podwyższoną temperaturę, katalizatory itp. Tą metodą nie zawsze otrzymuje się związki znakowane selektywnie Głównie stosuje się wymianę izotopowa do otrzymania związków znakowanych izotopami fluorowców lub wodoru. Fluorowce (Cl 2, Br 2, I 2 ), kwasy fluorowcowodorowe (HCl, HBr, HI) oraz ich sole alkaliczne łatwo wchodzą w reakcję wymiany z fluorowco- pochodnymi węglowodorów. Wymianę prowadzi się w roztworze lub w stanie stopionym. I tak np. C 2 H 5 Br + Ag 82 Br C 2 H 5 82 Br + AgBr

13 Wymiana izotopowa c. d. Za pomocą Li 36 Cl otrzymuje się chlorki alkilowe (butylu, heksylu) oraz 36 Cl-chlo- robenzen Otrzymywanie związków znakowanych 14 C CH 3 14 COONa + CH 3 COCl CH 3 COONa + CH 3 14 COCl 14 CO 2 + KCN K 14 CN + CO 2 Otrzymywanie związków znakowanych 35 S (NH 4 ) 2 CS + 35 S (NH 4 ) 2 C 35 S + S tiomocznik C 6 H 5 SH + 35 S C 6 H 5 35 SH + S

14 Znakowanie izotopami wodoru Otrzymanie związków organicznych znakowanych izotopami wodoru w miejscach labilnych (gdy atom wodoru jest związany z atomem azotu tlenu, siarki) nie stanowi problemu, gdyż wymiana następuje szybko podczas prostego kontaktu np. z wodą deuterowaną czy trytowaną. Jednak związki znakowane w miejscach labilnych nie przedstawiają większej wartości w badaniach chemicznych, ze względu na odwrotną wymianę izotopową i stratę atomów znaczonych. Wymiana atomów trytu czy deuteru w pozycjach trwałych (tj. związanie go z atomem węgla w szkielecie cząsteczki) następuje w specyficznych warunkach. Wymiana może przebiegać w podwyższonej temperaturze, w warunkach katalizy kwaśnej lub zasadowej, często też stosuje się jako katalizator sole platynowców.

15 Metoda Wiltzbacha Do wprowadzenia trytu w skład cząsteczki stosuje się pewien rodzaj wymiany izotopowej zwanej Wiltzbacha metodą. Związek organiczny poddawany znakowaniu, rozpylony jest w postaci cieńkiego filmu na ścianach naczynia, poddaje się działaniu gazowego 100% trytu. W wyniku rekcji rozpadu jednego atomu trytu w cząsteczce gazowej powstaje bardzo reaktywne indywiduum: które wchodzi w reakcje ze związkiem poddawanym znakowaniu, RH wg reakcji: Wadą tej metody jest jej niespecyficzność, otrzymuje się [U- 3 H]-RH. Ze względu na czas prowadzenia syntezy trzeba uwzględnić straty związane z radiolizą RH oraz opracować metody oczyszczenia RX od produktów radiolizy.

16 Synteza związków znakowych trytem Tryt na skalę przemysłową otrzymuje się: - w postaci trytku uranu - w postaci wody trytowej - trytu Tryt w trytku uranu nie zawiera protu (jest preparatem beznośnikowym). Woda trytowa jest rozcieńczana wodą zwykłą, aby uniknąć znacznego rozkładu wody trytowej pod wpływem własnego promieniowania (autoradioliza). Tryt wprowadza się w skład cząsteczek organicznych metodą prostej syntezy chemicznej następującymi metodami: 1. Uwodornienie za pomocą trytu cząsteczkowego. 2. Uwodornienie za pomocą wodorku litowo-glinowego. 3. Hydroliza za pomocą wody trytowej. 4. Hydratacja.

17 Synteza związków znakowych trytem c.d. Atomy wodoru związane z tlenem, azotem, siarką w cząsteczkach organicznych są ruchliwe (labilne). Wprowadzenie trytu na miejsce ruchliwego (labilnego) wodoru w cząsteczce jest niepożądane, gdyż podczas badań taki atom trytu zostaje utracony w wyniku wymiany izotopowej z rozpuszczalnikiem. Związki takie nie mogą być wykorzystane do badania mechanizmu reakcji i kinetyki. Trudno ruchliwy (nielabilny) wodór występuje w węglowodorach i grupach węglowodorowych. Dlatego też podstawowym zadaniem przy wprowadzeniu atomu trytu w skład cząsteczek jest otrzymanie węglowodorów i ich pochodnych.

18 Synteza związków znakowych trytem c.d. Węglowodory znakowane trytem otrzymuje się: Przez uwodornienie węglowodorów nienasyconych gazowym trytem w obecności katalizatora. Przez redukcję dwutlenku węgla gazowym trytem. Z wody trytowej: otrzymuje się [ 3 H]-metan w wyniku rozkładu węgliku glinu przez HTO, [ 3 H]- acetylen w wyniku rozkładu acetylenku wapnia przez HTO. Z odczynnika Grignarda w wyniku rozkładu przez HTO otrzymuje się różnego rodzaju węglowodory alifatyczne oraz cykliczne.

19 Metoda atomów odrzutu tzw. synteza gorąca Metoda polega na reakcji tzw. atomów odrzutu z otaczającymi je cząsteczkami. Atom odrzutu (posiadający dużą energię kinetyczną) powstaje w wyniku rozpadu promieniotwórczego. Wówczas z jądra atomu wylatuje lekka cząsteczka (neutron, elektron, -cząstka) a jądro powstającego pierwiastka jest odrzucane w stronę przeciwną otrzymując równoważną porcje energii kinetycznej. Atomy odrzutu, w wyniku reakcji jądrowej, są też wzbudzone na powłokach elektronowych, a więc bardzo reaktywne. Do znakowania związków trytem wykorzystuje się reakcję: 6 Li(n, ) 3 H W reaktorze sole litu (Li 2 CO 3, Li 2 SO 4, LiF) w mieszaninie ze związkiem organicznym napromieniowuje się w strumieniu wolnych neutronów. W trakcie syntezy 30-50% atomów trytu stabilizuje się w postaci wodoru cząsteczkowego, H 3 H, 10-50% podstawia wodór w związku organicznym, a reszta stabilizuje się w postaci innych związków.

20 Metoda atomów odrzutu tzw. synteza gorąca c.d. Znakowanie węglem Do znakowania 14 C stosuje się związki zawierające azot, lub mieszaniny związków organicznych z substancjami zawierającymi azot. Wykorzystuje się reakcję: 14 N(n,p) 14 C Ze względu na duży ciężar, nie wszystkie atomu 14 C opuszczają cząsteczkę. Przy znakowaniu siarką stosuje się reakcję: 35 Cl(n,p) 35 S Przy znakowaniu fluorowcami, korzysta się z reakcji: M X(n, ) M+1 X Atomy odrzutu fluorowców podstawiają atomy wodoru lub grupy atomów w związkach organicznych. Tak otrzymuje się związki znakowane 38 C, 82 Br, 128 I.

21 Metoda atomów odrzutu tzw. synteza gorąca c.d. Zalety metody Możliwość otrzymania związku w jednym etapie. Odpada wiele żmudnych, wieloetapowych syntez. Uniwersalność metody. Możliwość otrzymania związków beznośnikowych. W jednym procesie można otrzymać dużą ilość związku. Z dobrą wydajnością otrzymuje się związki znakowane izotopami krótkożyciowymi. Wady Nie można otrzymać związków specyficznie znakowanych. Trudności w wydzieleniu i oczyszczeniu znakowanych związków. Synteza musi być prowadzona w silnym strumieniu neutronów (kanał reaktora

22 Synteza związków znakowanych 14 C Substratem do tej syntezy jest Ba 14 CO 3, który otrzymuje się w reaktorze w wyniku napromieniowania azotku berylu. Wykorzystuje się reakcję jądrową : 14 N(n, p) 14 C Z Ba 14 CO 3 otrzymuje się pięć podstawowych związków będących substratami do dalszej syntezy. Są to: 14 CO 2 ; K 14 CN; NH 2 14 CN (cyjanoamid); 14 C 2 H 2 ; 14 CH 3 OH 14 CO 2 otrzymuje się przez rozkład Ba 14 CO 3 : 14 C-cyjanoamid otrzymuje się działając amoniakiem na Ba 14 CO 3 w temp. 850 o C:

23 Synteza związków znakowanych 14 C c. d. 14 C-acetylen otrzymuje się przez redukcję Ba 14 CO 3 magnezem i rozkład wodą powstałego 14 C-węglika baru: 14 C-metanol otrzymuje się przez redukcję 14 CO 2 przy pomocy LiAlH 4 :

24 Synteza 14 C-alkanów Synteza 14 C-metanu Synteza [1,2- 14 C 2 ]-propanu

25 Synteza 14 C-alkanów Synteza 14 C-metanu Synteza [1,2- 14 C 2 ]-propanu

26 Synteza aminokwasów deuterowanych lub trytowanych w pozycji (inkorporacja deuteru lub trytu z rozpuszczalnika) Do syntezy korzysta się z dekarboksylacji aminokwas dwukarboksylowego w środowisko HTO i stężonego HCl lub stężonego DCl (D 2 O). RCNHCH(COOR 1 ) 2 O + R 2 X EtONa EtOH, abs RCNH-CR 2 (COOR 1 ) 2 O + HX+ HX D 2 O, DCl HTO, HCl C A NH 2 R 2 COOH 1 Powstający carboanion RCONH-C (-) (COOR 1 ) 2 w reakcji z R 2 X daje produkt 1. Deacetylację i dekarboksylację 1 prowadzi się pod chłodnicą zwrotną ogrzewając 1 w ciągu h w D 2 O (lub HTO) w obecności DCl lub D 2 SO 4 (albo HCl lub H 2 SO 4 ) Dekarboksylacji NH 3 CR 2 (COOH) 2 w D 2 O (lub HTO) do końcowego aminokwasu towarzyszy inkorporacja deuteru (lub trytu) ze środowiska reakcji w pozycję.

27 Synteza [2- 3 H]-L-fenyloalaniny

28 Enzymatyczna synteza L-tryptofanu i 5-hydroksy-L- tryptofanu znakowanego izotopami wodoru w pozycji

29 Synteza [3R- 3 H]-L-fenyloalaniny

30 Synteza [3S- 3 H]-L-fenyloalaniny

31 Synteza kwasu [1- 14 C]-cynamonowego

32 Synteza kwasu [2- 14 C]-cynamonowego

33 Synteza kwasu [3- 14 C]-cynamonowego

34 Synteza L-fenyloalaniny i L-tyrozyn znakowanych 14 C w łańcuchu bocznym

35 Synteza [1- 14 C]-L-tryptofanu i 5-hydroksy-[1- 14 C]-L-tryptofanu

36 Metody syntezy aldehydu [1- 14 C ]-benzoesowego

37 Syntezy aldehydu benzoesowego selektywnie znakowanego 14 C.

38 Otrzymywanie benzaldehydu znakowanego równomiernie atomami 14 C

39 Rozszczepienie dibenzylu do aldehydu i kwasu benzoesowego

40 Synteza kwasu [1- 14 C]-malonowego. Synteza kwasu [1- 14 C]-cynamonowego poprzez reakcję Grignarda


Pobierz ppt "Zastosowanie izotopów w chemii organicznej Wykład specjalizacyjny Prof. dr hab. Marianna Kańska."

Podobne prezentacje


Reklamy Google