ZTPVÁ VÝMĚNA V RGANCKÉ SLUČENNĚ 1.1.ÚVD zotopová výměna je reciproký výměnný proces mezi atomy nebo ionty vázanými v určité molekule a atomy nebo ionty téhož atomového čísla vázanými v molekule jiné. Jedná se tedy o výměnu atomů téhož druhu mezi dvěma různými sloučeninami. becně lze tento proces charakterizovat rovnicí AX 1 + BX 2 AX 2 + BX 1 ( ) kde X 1 a X 2 musí být nutně izotopy téhož prvku, aby byla splněna podmínka dána definicí. Metoda je hojně využívána v syntéze radioaktivně značených sloučenin, kdy mohou být vyměněny určité atomy ve sloučenině za jejich radioaktivní analogy. Metoda má výhodu především v jednoduchosti vlastního provedení, protože se jedná pouze o jednostupňovou reakci neznačené sloučeniny a zdroje radioaktivního izotopu obvykle v rozpouštědle či tavenině pomocné látky, často v přítomnosti jednoduchého katalyzátoru. Při vhodné volbě rozpouštědla a zdroje radioizotopu ani izolace čistého produktu nebývá obtížná. Další výhoda postupu vyplývá z užití radioaktivně značených sloučenin, které v naprosté většině slouží jako substráty pro biomedicinské či ekologické studie. zotopovou výměnou získáváme látku, kde jeden či více původních atomů jsou zaměněny za radioaktivní analogy a struktura sloučeniny zůstává stejná (izotopicky modifikované sloučeniny). To je důležité z hlediska dalšího použití připravených značených sloučenin, neboť cílový bioexperiment je prováděn s molekulou, kterou můžeme díky přítomnosti radioaktivní značky snadno identifikovat a kvantifikovat a zároveň biosystém ji není schopen odlišit od neaktivního substrátu (stopovací metody). Toto je velká výhoda oproti tzv. externímu značení, kdy do molekuly je chemickou metodou vnášen radioaktivní atom, či skupina nesoucí radioaktivní atom ( 125, 14 C-methyl apod.) a původní struktura je více či méně modifikována (externě značené sloučeniny). Takto modifikované molekuly mohou vykazovat změněnou biologickou aktivitu, imunoreaktivitu apod. Z hlediska fázového uspořádání může izotopová výměna probíhat buď v homogenním nebo heterogenním systému, z hlediska mechanismu reakce se zpravidla uvažuje mechanismus disociační, asociační a mechanismus provázený přenosem elektronů. Disociační mechanismus předpokládá vzhledem k základní rovnici izotopové výměny elektrolytickou či termickou disociaci reaktantů AX 1 a BX 2 následovanou rekombinací vzniklých částic za vzniku produktů AX 2 a BX 1. Konkrétní případ takové reakce může představovat výměna bromidového aniontu v bromidu stříbrném za radioizotop bromu ze zdrojového radioaktivního bromidu sodného, nebo záměna jednoho atomu bromu za jeho radioaktivní izotop v hexabromoplatičitanovém ligandu. Asociační mechanismus vyžaduje tvorbu přechodového stavu v němž jsou jednotlivé reakční komponenty spolu asociovány a takto vzniklý útvar se následně rozpadá za vzniku produktu izotopové výměny. Příkladem může být izotopová výměna atomu bromu v alkylhalogenidu. R Br + AlBr 2 Br* R + [AlBr 3 Br*] - R Br* + AlBr 3 Z obecného hlediska je možné charakterizovat disociační mechanismus izotopové výměny jako analog substitučního monomolekulárního mechanismu a asociační proces jako obdobu bimolekulární substituce. Zákonitosti odvozené pro tyto mechanismy v organické chemii lze aplikovat i při výběru strategie pro provedení vlastní izotopové výměny, samozřejmě se zřetelem k převedení reakce z makro do mikroměřítka.
Pro provedení vlastní reakce je ve většině případů potřebný katalyzátor, který bývá vlastním přenašečem reagující částice izotopu. Reakce izotopové výměny způsobené přechodem elektronů je vlastně redoxní reakcí a týká se anorganických sloučenin, jako např. reakce * * + + FeCl 2 FeCl 3 FeCl 2 FeCl 3 Jak vyplývá ze základní rovnice () je reakce izotopové výměny rovnovážnou reakcí. značíme li rychlostní konstantu reakce ve směru zprava doleva symbolem k1 a opačný proces symbolem k2, lze definovat rovnovážnou konstantu K = k1/k2 = [AX 2 ] [BX 1 ]/[AX 1 ] [BX 2 ], přičemž parametry v hranatých závorkách představují molární koncentrace příslušných látek a X 1 a X 2 izotopy téhož prvku. V této souvislosti se potom definuje stupeň výměny F, který vyjadřuje jak daleko reakce dospěla, či kolik chybí do ustavení rovnovážného stavu. Vyjádříme-li např. měrnou aktivitu produktu pomocí molárních zlomků y = [BX 1 ]/([BX 1 ] + [BX 2 ]), platí pro stupeň výměny F = (y y o )/(y - y o ) a v případě, že měrná aktivita látky je na počátku nulová (y o = 0) a vztah přechází na tvar F = y /y Z kinetického hlediska lze reakci popsat rovnicí podle Mc Kaye, jejíž odvození vychází z definice reakční rychlosti d[bx 1 )/dt = R (y x), () kde R je rychlost reakce v rovnováze a y a x jsou molární zlomky látek AX 1 a BX 1 v systému daném rovnicí (). Úpravou a integrací vztahu dostaneme vztah ln(1 F) = - kt, kde F má význam stupně výměny jako v předchozí úvaze o rovnováze a k je rychlostní konstanta nezávislá na koncentracích. Uvedený vztah platí pro homogenní izotopovou výměnu, pro heterogenní systémy je nutné do vztahu zavést člen, který bude parametrem difuze, resp. samodifuze V syntéze značených sloučenin je praktické využití výměnných reakcí směřováno především do přípravy tritiovaných molekul. Vlastní reakce spočívá v interakci plynného tritia s roztokem neaktivního substrátu v přítomnosti klasických hydrogenačních katalyzátorů. Nevýhodou je samozřejmě fakt, že taková reakce je nespecifická a o polohách kde došlo na uhlíkatém skeletu lze jen spekulovat (poměrně dobře se mění vodíkové atomy na aromatických skeletech). Naopak téměř s jistotou lze tvrdit, že všechny redukovatelné funkce v molekule byly tritiaci změněny na redukované formy (dvojná vazba na nasycený útvar, nitroskupina redukována na aminoskupinu, velmi pravděpodobné je odredukování halogenu na vazbě C-X) Moderní metody izotopové výměny tritia využívají mnohdy jako katalyzátorů organokovových komplexů, což může přinést zvýšení selektivity nebo zvýšení radiochemických výtěžků. Další skupinou látek, které se často připravují metodou izotopové výměny jsou aromatické halogenderiváty, převážně jodderiváty. Neradioaktivní jodderivát je v tomto případě připraven klasickou syntetickou cestou a v následném kroku je převeden na radioaktivní 125 (nebo 131 ) značenou sloučeninu reakcí s radioaktivním Na. Reakce se provádí zpravidla v roztoku výševroucího rozpouštědla, za kyselé katalýzy, v tavenině kyseliny pivalové nebo katalyticky za přítomnosti solí přechodných kovů.
Parametry udávané k charakterizaci radiochemické reakci a získaného produktu: Radiochemický výtěžek je procentuálním vyjádřením inkorporované aktivity během radiochemické reakce vzhledem k celkové vnesené aktivitě. Stanovuje se na základě separace kýžené látky z analytického vzorku, následným měřením aktivity a porovnáním této aktivity s aktivitou vzorku před zpracováním. Jako separační krok se používají chromatografické metody. Chemická čistota procentuální vyjádření obsahu připravené látky vzhledem k ostatním sloučeninám přítomným v produktu po jeho isolaci. Stanovuje se obvykle na základě separačního procesu se spektrofotometrickou či hmotnostně spektrometrickou detekcí. Radiochemická čistota procentuální vyjádření množství aktivity příslušející radioaktivitě v požadované chemické formě (charakterizuje množství radioaktivních nečistot). Stanovuje se měřením aktivity po předchozí analytické separaci (většinou vysokoúčinná kapalinová chromatografie, nebo kombinace tenkovrstvé chromatografie s elektronickou autoradiografií). Měrná aktivita získané radioaktivně značené sloučeniny představuje množství radioaktivity vztažené na jednotku látkového množství. Stanovuje se na základě měření radioaktivity alikvotu připravené sloučeniny a stanovení hmotnosti měřeného vzorku. Protože radioaktivně značené sloučeniny bývají nejčastěj izolovány a přechovávány v roztoku, je optimální metodou pro stanovení množství látky spektrofotometrická metoda (UV absorpce). 1.2. ÚLHA Příprava a charakterizace průběhu reakce při izotopové výměně jodu v N-(4- jodfenyl)acetamidu Rovnice: Cu /DMF NaH 125 H + + Na 125 1.3. PTŘEBY A PMŮCKY N-(4-jodfenyl)acetamid (pevná substance) N,N-dimethylformamid (bezvodý) roztok Na 125 ve vodném acetonitrilu (vznikne naředěním komerčně dodávaného preparátu) o objemové aktivitě 50 kbq/µl roztok Na v acetonitrilu (10 mg/ml) chlorid měďný bezvodý automatická pipeta (250 ml) mikrostříkačka (1 10 ml) skleněné kapiláry (nebo mikostříkačka)
TLC desky, Si2/UV254 reakční nádobka s konickým dnem a magnetickým míchadlem (objem 2 5 ml) magnetická míchačka s regulací teploty a kovovým blokem pro umístění reakčních nádobek LSC spektrometr nebo přístroj pro elektronickou autoradiografii ethyl-acetát, n-hexan nádobka pro vyvíjení TLC 1.4. PRACVNÍ PSTUP Do dvou reakčních nádobek navažte po 1 mg N-(4-jodfenyl)acetamidu a 0,5 mg CuCl 2 a přidejte 250 µl N,N-dimethylformamidu. Do první nádobky poté přidejte mikrostříkačkou 1 µl (50 kb) roztoku Na 125, do druhé přidejte kromě Na 125 ještě 5 ml roztoku Na (nosiče). Reakční nádobky uzavřete a zahřívejte na 130 C po dobu 120 minut. Během zahřívání odbírejte skleněnou kapilárou vzorky v intervalu 20 minut. debrané vzorky přímo kapilárou nanášejte na připravené TLC desky (nastříhané na velikost 1,5 x 8 cm, označený start) a vyvíjejte v soustavě ethyl-acetát-hexan. Polohu skvrny produktu vyhodnoťte detekcí UV (R f produktu je cca. 0,5 Na zůstává na startu), radioaktivitu vyhodnoťte pomocí elektronické autoradiografie, kde lze odečíst přímo aktivity jednotlivých oblastí chromatogramu. Z poměru aktivity ve skvrně produktu a celkové aktivity na chromatogramu vypočtěte radiochemický výtěžek a vyneste do grafu proti reakčnímu času. Zpracováním všech bodů vznikne kinetická závislost pro reakci v beznosičovém provedení a za přítomnosti nosiče (příklady výsledků udávají následující obrázky). Na 125 + Cu/DMF + Na 125 br. 1 Schema reakce
br. 2 Příklad výsledku z autoradiografie br. 3 Příklad kinetické křivky (V případě nedostupnosti elektronické autoradiografie lze chromatogram charakterizovat po rozstříhání na cca. 1 cm proužky měřením LSC a grafy konstruovat ručně.) Na základě získaných údajů vypočtěte: a) radiochemický výtěžek po 120 minutách reakce pro obě reakce b) z grafu stanovte optimální reakční čas k získání maximálního radiochemického výtěžku c) porovnejte průběh reakce v beznosičovém provedení a v provedení s nosičem d) vypočtěte hmotnostní (molární) poměr radiojodidu a neaktivního jodidu v reakci s nosičem. e) k protokolu přiložte výpisy z měření aktivity a graf závislosti radiochemického výtěžku na čase (izolaci a ostatní parametry připravené sloučeniny stanovíte v úloze chromatografie značených sloučenin).