В.Б. Лукьянов - Радиоактивные индикаторы в химии (1133872), страница 67
Текст из файла (страница 67)
Примером может служить обмен между газообразным 14 СО 2 и расплавомKCN с образованием меченого K14CN:650° СKCN + i4CO 2 ^H!: К14CN + СО2Часто меченные углеродом-14 органические соединения получаются в результате обмена отдельных частей органических молекул.Например:14СН 2 =С—СООСНзСН 3 ОН14•-+ СН 2 =С -СОО СН 3СН 3СН 3Изотопный обмен нередко используют для получения органическихвеществ, меченных по сере и галогенам. Классическим примером35введения S в органическое соединение служит синтез меченой тиомочевины:S35SгII_^I!35NH 2 —С—NH 2 + S ЦШ± NH 2 —C-NH 2 +SСинтез осуществляется предельно просто — посредством продолжительного кипячения реакционной смеси, содержащей исходныепродукты, в органическом растворителе (в данном случае — в ксило268ле). Обычный же химический синтез меченой тиомочевины через взаимодействие меченого сероводорода с цианамидом (см.
с. 266) гораздоболее трудоемок.Галогенводородные кислоты и их соли (так же как и галогены вмолекулярной форме) легко вступают в реакции изотопного обменас галогенпроизводными углеводородов при нагревании. Например:сн2=сн—сн2с1+1л з б а:щ1^:сн 2 =сн—сн 2 seci ч- LICIвинилхлоридМетод атомов отдачи. В гл. IV, § 4 было показано, что при протекании ядерных реакций может происходить разрыв химическойсвязи образовавшегося радиоактивного атома с материнской молекулой. В результате последующих реакций атома отдачи с молекуламисреды возможно образование меченых органических соединений, получение которых другими путями трудно осуществимо или нецелесообразно.Достоинством данного метода является быстрота (получение радионуклида и введение его в молекулу соединения происходит в одинакт с исключением многостадийного химического синтеза).
Существенно также, что образующиеся меченые соединения могут быть выделены практически без носителя. Так, например, при облучении нейтронами раствора молекулярного иода в бензоле получают иодбензол,меченный по иоду, с очень высокой удельной активностью.Метод атомов отдачи пригоден главным образом для получениясоединений, меченных такими радионуклидами, которые образуютсяпри (п, у)-реакциях (36С1, 82Вг и др.), но в ряде случаев его используюти для синтеза соединений, меченных 14 С и Т.При синтезе с использованием эффекта отдачи обычно получаютсмесь меченых органических соединений.
Так, при облучении нейтронами бромуксусной кислоты [реакция 81Вг (п, 7)82Вг] наряду с мечеными молекулами материнского вещества образуются дибромпроизводные и бромистые алкилы, меченные 82Вг. При облучении ацетамидаCH3CONH2 нейтронами [реакция 14 N(n, р)ыС] получают кроме меченого исходного вещества целый ряд других меченых соединений: формальдегид, муравьиную кислоту, метиловый спирт, ацетон, атакже более сложные соединения, например диацетилгидразинCH3CONHNHCOCH3 и др. Из бензола, облученного нейтронами в6смеси с карбонатом лития [реакция 1л(/г, а)Т] , образуются крометритированного бензола заметные количества продуктов гидрирования — циклогексена и циклогексадиена.
Недостатки методов синтеза, основанных на эффекте отдачи, обусловлены трудностью количественного разделения подобных сложных смесей образующихсявеществ при малых выходах каждого из них.3. БиосинтезБиосинтез широко используется при введении метки в сложныеорганические вещества природного происхождения (белки, углеводы,269нуклеиновые кислоты и др.), когда химический синтез невозможен илиего трудно осуществить.
В меченых соединениях, образующихся прибиосинтезе, как правило, радиоактивный индикатор распределяетсяпо всем атомам элемента, который хотят пометить. Важной особенностью биосинтеза является то, что в случае получения меченыхсоединений с асимметричными атомами углерода он приводит к образованию исключительно L-формы.Примером применения биосинтеза является получение меченыхаминокислот с помощью одноклеточных водорослей вида хлорелла,культивируемых на среде, содержащей углерод-14. В ходе биосинтеза 14 С концентрируется в белковом веществе хлореллы. Затем проводят кислотный гидролиз этого белка, в результате чего образуютсяаминокислоты, меченные по углероду.Другой пример биосинтеза — получение меченой глюкозы и других углеводов в процессе фотосинтеза. Освещенные зеленые листьярастущего растения помещают в атмосферу, содержащую меченыйдиоксид углерода 14 СО 2 .
Образовавшиеся меченые сахара выделяютзатем из растений, используя обычные химические и биохимическиеоперации. Исходя из меченых Сахаров, можно получить и более простые меченые продукты, такие, как этиловый спирт, уксусную кислоту и т. п.§ 3. ИЗУЧЕНИЕМЕХАНИЗМА ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙПрименение метода радиоактивных индикаторов для изучениямеханизма органических реакций включает, как правило, следующиеэтапы.
Проводят изучаемую реакцию, используя в качестве одногоиз исходных веществ органическое соединение, радиоактивная меткав молекуле которого занимает строго определенное положение. Образовавшиеся меченые продукты реакции выделяют, а затем подвергают расщеплению таким образом, чтобы одноименные атомы оказалисьраспределены по различным осколкам расщепляемой молекулы. Порезультатам измерения содержания радиоактивного индикатора вотдельных осколках молекулы судят о распределении меченых атомов,между продуктами расщепления.
В результате удается идентифицировать места разрыва или образования химических связей, определить,какое из двух или нескольких альтернативных направлений реакцииотвечает истинному, и т. д. Однозначные результаты, однако, могутбыть получены лишь в тех случаях, когда исключена вероятностьперераспределения радиоактивного индикатора между одноименнымиатомами вследствие изотопного обмена.Рассмотрим некоторые характерные примеры.1. Идентификация места разрыва или образованияхимических связейАминирование хлорбензола.
Ранее считалось, что при взаимодействии хлорбензола с амидом натрия в жидком аммиаке происходиттолько замещение хлора на аминогруппу. Позднее была предположена270возможность одновременного вхождения аминогруппы в бензольноеядро — в соседнее по отношению к хлору положение. Для подтверждения этого был синтезирован меченый хлорбензол, в котором радиоактивным изотопом 14 С был помечен атом углерода, непосредственносвязанный с хлором (способ синтеза приведен на с.
265—266).Ниже приводится последовательность реакций, с помощью которыхбыл обоснован механизм аминирования. Этот пример типичен для случаев, когда требуется установить местонахождение метки в продуктепревращения для того, чтобы идентифицировать место разрыва илиобразования химических связей. В частности, приводимая ниже схема исследования продуктов реакции, образующихся в результатеаминирования меченого хлорбензола, построена таким образом, чтобыможно было выделить (в виде СО2) как атомы углерода, которые былинепосредственно связаны с атомами хлора в хлорбензоле, так и атомыуглерода, находящиеся в соседнем положении по отношению к связанным с хлором атомам:14С-С1(в NH 3 )NaNH 2I14С—NFL,С—NHoHNO,H 2 O, t°4"С—ОНC-OHH2(Ni-кат.)14C-OHC-OHK 2 Cr 2 0 7(H2SO4)2711414СС=0(НС1,Н 2 0)/О-NH 2HN3 в СНС1з (H2SO4)14l4NH 2 CH 2 (CH 2 ) 4 NH 2 +CO 2 NH 2 (CH 2 ) 5 NH 2 + CO,Продукты расщепления СО2 и NH2(CH2)5NH2 содержали приблизительно по 50% введенного радиоактивного углерода, на основаниичего и было сделано заключение о равновероятности обоих путей реакции.
Позднее было показано, что равновероятность двух направлений реакции аминирования хлорбензола обусловлена образованиемпромежуточного продукта — дегидробензола — с тройной связьюмежду атомами углерода в ядре. Из структуры этого соединения ясно,аминогруппа может с равной вероятностью присоединиться кЧхолюбому «концу» тройной связи:14С—С1г-14С14С14СC-NH,NaNH 2/ .деридробензолПиролиз эфировпировинограднойкислоты.При термическомразложении этилового эфира пировиноградной кислоты образуютсяQQ и уксусноэтиловый эфир:О ОII IIСН3—С—С-О-С2Н5оIIКХ)+СН 3 —С-О-С 2 Н 5Необходимо было выяснить, от какой части молекулы отщепляется при реакции СО — от кетонной или от карбоксильной группы.Изучение механизма реакции проводилось следующим образом.
Сначала по схеме, приведенной на с. 264, был синтезирован исходныйэфир пировиноградной кислоты, меченный в кетонной группе,СН314СОСООС2Н5. Меченый эфир подвергли пиролизу, выделившийсяСО окислили до СО2, а последний поглотили раствором Ва(ОН)2.В осадке ВаСО3небыло обнаружено активности; вся радиоактивностьоказалась сосредоточенной в уксусной кислоте, которая образовыва272лась при гидролизе уксусноэтилового эфира. Таким образом, былонайдено, что при пиролизе эфира СО образуется исключительно изкарбоксильной группы, и, следовательно, реакция протекает по схемеОО]'Ь"II i l l !СН3- 14С-|С !-О—IIКЮ+СН3-14С—О-С2Н5гС2Н5Окисление алифатических кислот. Метод радиоактивных индика-торов позволил получить ценные сведения, касающиеся механизмареакций окисления органических веществ.Мягкое окисление алифатической кислоты в водном растворе приводит к образованию СО2 и кислоты с меньшим, чем у исходной, числом углеродных атомов в скелете.
Так, окисление пропионовойкислоты перманганатом в щелочном растворе протекает по следующей схеме:сн 3 —сн 2 —соо-7+ ОН-+2Н2О2Для понимания механизма процесса важно установить, где происходит разрыв связей в углеродной цепочке, или, иначе говоря, каковапроисхождение карбонат-иона: образуется ли он из углерода карбоксильной группы окисляемой кислоты или в результате окислениядругих углеродных атомов цепи. Для решения этого вопроса провелиокисление пропионовой кислоты, меченной 14 С в карбоксильной группе. Образовавшийся оксалат-ион осадили в виде оксалата кальция,а карбонат-ион — в виде карбоната бария.
Измерения показали, чтооколо 30% исходной активности перешло в карбонат бария и около70% — в оксалат кальция. Следовательно, отношение вероятностейразрыва связей СН2—СОО и СН 3 —СН 2 равно 3 / 7 :СН3сн 21114соо-КМпО4он-соо-сн 31соо"со*-11КМпО4со 3 2соо-сн 2(30%)1114СОО-(70%)Аналогичным образом было изучено окисление пропионовой кислоты под действием дихромата калия в кислом растворе. Здесь механизм иной: разрыв связей идет исключительно между СООН и СН 2 ,в результате чего вся радиоактивность сосредоточивается в СО2; другим продуктом реакции является неактивная уксусная кислота:СН3IСН 214IСООНСН 3гК 2 сг 2 о 71СООНi 4 CO 2 (100%)Окисление углеводородов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
