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

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.

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.

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.

Okres połowicznego rozpadu - T1/2 Jednostki tradycyjne: 1 Ci = 3,7 x 1010 rozp./sec 1 mCi = 3,7 x 107 rozp./sec 1 Ci = 3,7 x 104 rozp./sec w układzie SI: 1 Bq = rozp./sec i wielokr. np. MBq = 106 Bq, GBq = 109 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 - T1/2 Jest to czas po upływie którego aktywność próbki zmniejsza się o połowę.

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.

Nomenklatura związków znakowanych 2H – D (deuter) i 3H – T (tryt) 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 (14C, 13C, 125I, 2H, 3H itd.). Dla izotopów wodoru jest dopuszczalne użycie zamiast 2H – D (deuter) i 3H – T (tryt) Gdy pozycja izotopu jest nieokreślona używa się następujących oznaczeń, jak np. Kwas 14C-propionowy Kwas 3H-ascorbinowy

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 -14C]-L-fenyloalanina Gdy atomy 14C są w przypadkowy sposób rozmieszczone w całej cząsteczce to: [U- 14C]-L-fenyloalanina (U-uniformely)

Nomenklatura związków znakowanych c.d. Podobnie dla związków znakowanych izotopami wodoru [ring-3H]-L-fenyloalanina Związki równomiernie (niespecyficznie) 14C lub izotopami wodoru otrzymuje się głównie metodami klasycznej syntezy chemicznej lub w wyniku biosyntezy. Wówczas w pożywce dla bakterii lub glonów znajduje się 14CO2 lub woda trytowana, HTO lub deuterowana - DHO lub D2O.

Nazewnictwo specyficznie znakowanych związków Rozpatrzymy to na przykładzie L-fenyloalaniny [1-14C]-L-fenyloalanina – [114-C]-L-Phe [3-14C]-L-Phe [2’,6’-3H2]-L-Phe

Nazewnictwo specyficznie znakowanych związków c.d. [3R-3H]-L-Phe [3S-3H]-L-Phe Związki znakowane podwójnie Kwas 3-fenylo-[3-3H, 1-14C]-prop-2-enowy lub Kwas [3-3H, 1-14C]-cynamonowy

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 (Cl2, Br2, I2), 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. C2H5Br + Ag82Br  C2H582Br + AgBr

Wymiana izotopowa c. d. Za pomocą Li36Cl otrzymuje się chlorki alkilowe (butylu, heksylu) oraz 36Cl-chlo-robenzen Otrzymywanie związków znakowanych 14C CH314COONa + CH3COCl  CH3COONa + CH314COCl 14CO2 + KCN  K14CN + CO2 Otrzymywanie związków znakowanych 35S (NH4)2CS + 35S  (NH4)2C35S + S tiomocznik C6H5SH + 35S  C6H5 35SH + S

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.

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-3H]-RH. Ze względu na czas prowadzenia syntezy trzeba uwzględnić straty związane z radiolizą RH oraz opracować metody oczyszczenia RX od produktów radiolizy.

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.

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.

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 [3H]-metan w wyniku rozkładu węgliku glinu przez HTO, [3H]- acetylen w wyniku rozkładu acetylenku wapnia przez HTO. Z odczynnika Grignarda w wyniku rozkładu przez HTO otrzymuje się różnego rodzaju węglowodory alifatyczne oraz cykliczne.

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: 6Li(n, )3H W reaktorze sole litu (Li2CO3, Li2SO4, 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, H3H, 10-50% podstawia wodór w związku organicznym, a reszta stabilizuje się w postaci innych związków.

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

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

Synteza związków znakowanych 14C Substratem do tej syntezy jest Ba14CO3, który otrzymuje się w reaktorze w wyniku napromieniowania azotku berylu. Wykorzystuje się reakcję jądrową: 14N(n, p)14C Z Ba14CO3 otrzymuje się pięć podstawowych związków będących substratami do dalszej syntezy. Są to: 14CO2; K14CN; NH214CN (cyjanoamid); 14C2H2; 14CH3OH 14CO2 otrzymuje się przez rozkład Ba14CO3: 14C-cyjanoamid otrzymuje się działając amoniakiem na Ba14CO3 w temp. 850oC:

Synteza związków znakowanych 14C c. d. 14C-acetylen otrzymuje się przez redukcję Ba14CO3 magnezem i rozkład wodą powstałego 14C-węglika baru: 14C-metanol otrzymuje się przez redukcję 14CO2 przy pomocy LiAlH4:

Synteza 14C-alkanów Synteza 14C-metanu Synteza [1,2-14C2]-propanu

Synteza 14C-alkanów Synteza 14C-metanu Synteza [1,2-14C2]-propanu

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 (D2O). R C N H C H ( C O O R 1 2 E t ON a ) + R X R C N H - C R 2 ( C O O R 1 ) + + H H X X 2 2 E t OH, a b s O O 1 A D 2 O, D C l R 2 C C O O H HT O, HC l N H 2 Powstający carboanion RCONH-C(-)(COOR1)2 w reakcji z R2X daje produkt 1. Deacetylację i dekarboksylację 1 prowadzi się pod chłodnicą zwrotną ogrzewając 1 w ciągu 4 - 5 h w D2O (lub HTO) w obecności DCl lub D2SO4 (albo HCl lub H2SO4) Dekarboksylacji NH3CR2(COOH)2 w D2O (lub HTO) do końcowego aminokwasu towarzyszy inkorporacja deuteru (lub trytu) ze środowiska reakcji w pozycję .

Synteza [2-3H]-L-fenyloalaniny

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

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

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

Synteza kwasu [1-14C]-cynamonowego

Synteza kwasu [2-14C]-cynamonowego

Synteza kwasu [3-14C]-cynamonowego

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

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

Metody syntezy aldehydu [1- 14C ]-benzoesowego

Syntezy aldehydu benzoesowego selektywnie znakowanego 14C.

Syntezy aldehydu benzoesowego selektywnie znakowanego 14C. Otrzymywanie benzaldehydu znakowanego równomiernie atomami 14C

Rozszczepienie dibenzylu do aldehydu i kwasu benzoesowego

Synteza kwasu [1-14C]-malonowego. Synteza kwasu [1-14C]-cynamonowego poprzez reakcję Grignard’a