Сборник учебных программ по повышению квалификации персонала

Программа курса
Методы получения меченых органических соединений

Проф. Федосеев В. М.: доцент Бадун Г. А.
(до 120 учебных часов)

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Понятие о меченом веществе. Однократно и многократно меченые вещества. Равномерно меченые соединения. Номенклатура меченых органических соединений.
Ядерно-физическая характеристика радионуклидов, используемых для получения меченых соединений. Цель применения меченого соединения. Выбор радионуклида и пути его введения. Особенности работы с веществами, содержащими радионуклиды.
Принципиальные основы получения меченых соединений. Пути введения радионуклидов в органические молекулы. Химический синтез. Изотопный обмен. Биосинтез. Ядерно-физические и физико-химические методы.
Требования, предъявляемые к меченым веществам. Радионуклид-ная, химическая и радиохимическая чистота. Источники химических и радиохимических загрязнений исходных и конечных продуктов.
Радиационная устойчивость меченых соединений. Авторадиолиз. Предотвращение и ослабление авторадиолиза. Хранение меченых соединений. Применение "защитных" растворителей.
Идентификация меченых соединений. Методы контроля радионуклидной и радиохимической чистоты исходных и конечных соединений и способы их очистки. Использование методов хроматографии при установлении химической и радиохимической чистоты меченых веществ. Метод обратного изотопного разбавления.
Способы установления положения радионуклида в молекуле. Применение УФ-, ИК-спектров. ЯМР- и масс-спектроскопия. Использование химических превращений для локализации положения меченого атома в соединении. Возможные осложнения, связанные с протеканием побочных процессов (перегруппировки углеродного скелета, миграции или потери радионуклида и др.). Биологические методы деструкции меченых соединений.

2. ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СИНТЕЗА МЕЧЕНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Особенности работы при химическом синтезе меченых органических веществ. Исходные и ключевые соединения для получения меченых веществ. Расчет необходимой удельной радиоактивности конечного продукта синтеза. Химический и радиохимический выход.
Соединения, меченные нуклидами углерода. Изотопный состав углерода. Чувствительность определения атомов радионуклидов ¹¹С и ¹⁴С и стабильного нуклида ¹³С.
Получение и свойства ¹⁴С. Исходные соединения для синтеза соединений, меченных ¹⁴С. Получение ключевых веществ: диоксида углерода, цианистого калия, карбида бария, цианамида бария, метанола и уксусной кислоты.
Синтезы на основе цианистого калия. Получение ацетонитрила, роданида калия, диазометана, цианоуксусной кислоты, карбоновых кислот, оксикислот, алифатических аминов и аминокислот.
Синтезы на основе [1-¹⁴С]уксусной кислоты. Получение [2-¹⁴С]аце-тона, [2-¹⁴С]пропанола-2, [2-'⁴С]пировиноградной кислоты, [2-¹⁴С]про-пилена, [1-¹⁴С]этанолаи [2-¹⁴С]пропионовой кислоты.
Способы синтеза меченных ¹⁴С ароматических и гетероциклических соединений. Методы получения бензола из Ва¹⁴СО₃. Полимеризация [1,2-¹⁴С] ацетилена. Механизм взаимодействия [1-¹⁴С]хлорбензола с амидом калия и щелочью.
Молекулярные перегруппировки и синтез соединений, меченных ¹⁴С. Протонное дезаминирование алифатических аминов. Перегруппировка Демьянова. Трансаннулярная миграция водорода при сольволи-зе вицинального дибромида циклодекана. Изомеризация алифатических углеводородов. Перегруппировки аллилариловых эфиров (перегруппировка Кляйзена). Бензидиновая перегруппировка. Перегруппировка а-галогенкетонов в карбоновые кислоты (перегруппировка Фаворского). Расщепление амидов и азидов карбоновых кислот по Гофману и Курциусу.
Получение соединений, меченных изотопами водорода. Различия в физических свойствах протия, дейтерия и трития. Изотопный эффект.
Исходные и ключевые соединения в химических методах синтеза тритированных соединений. Их получение и свойства. Промышленное получение трития.
Основные способы введения трития в молекулы органических веществ. Реакции восстановления газообразным тритием, тритийсодер-жащими боргидридом и литийалюмогидридом. Гидрирование ненасыщенных соединений. Гидролиз тритиевой водой. Гидратация непредельных соединений. Каталитическое дегалоидирование. Получение алифатических и ароматических соединений на основе простых тритийорганических веществ. Каталитические синтезы.
Радионуклиды хлора: ³⁴С1,³⁶С1,³⁸С1. Получение ³⁶С1. Исходные соединения для синтезов. Синтез эпихлоргидрина.
Радионуклиды брома. Получение ⁸²Вг. Исходные вещества для синтезов. Получение элементарного брома из бромида щелочного металла. Особенности проведения химических синтезов с ⁸²Вг.
Радионуклиды иода: ¹²³1,¹²⁵1,¹³⁰1,¹³¹1. Получение радионуклидов иода. Исходные вещества для синтезов. Получение иодпроизводных с использованием реакции Финкельштейна. Реагенты для введения радионуклидов иода в белки.
Соединения, меченные радионуклидами серы. Изотопный состав серы. Получение, выделение и свойства радионуклидов  ³⁵S и ³⁸S. Исходные вещества для синтезов. Получение тиомочевины, роданида калия и сероуглерода. Возможности синтеза и использования соединений, меченных ³⁸S.
Химические синтезы с использованием ³⁵S. Основные методы синтеза алкантиолов. Получение сульфидов, дисульфидов, сульфокислот и гетероциклических соединений. Серосодержащие аминокислоты. Синтез цистеина и метионина.
Соединения, меченные радионуклидами фосфора. Получение, выделение и свойства радионуклидов ³²Р и ³³Р. Исходные вещества для синтезов. Основные методы получения фосфорорганических соединений. Синтез производных фосфиновой, фосфорной и тиофосфорной кислот. Этиленимиды фосфорной и тиофосфорной кислот. Получение фосфолипидов.
Короткоживущие радионуклиды ¹¹С, ¹³N, ¹⁵O, ¹⁸F. Получение и свойства. Исходные соединения для синтезов. Перспективы использования соединений, меченных короткоживущими радионуклидами. Позитронная эмиссионная томография. Особенности синтеза меченых соединений с использованием короткоживущих радионуклидов.
Получение многократно меченых соединений. Необходимые условия для синтеза многократно меченых веществ. Начальные концентрации радионуклидов в исходных веществах. Примеры синтеза соединений, многократно меченных ¹⁴С и тритием. Получение [1,2-¹⁴C₂]этана и [2,3-¹⁴C₂]янтарной кислоты. Синтез многократно меченого бензола тримеризацией ацетилена-¹⁴С на катализаторе Циглера.
Принципы получения соединений, одновременно меченных различными радионуклидами. Синтез толуола, содержащего тритий в кольце и ¹⁴С — в метильной группе. Получение этантиола и диэтилсульфида, меченых ¹⁴С и ³⁵S.

3. ПОЛУЧЕНИЕ МЕЧЕНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗОТОПНЫМ ОБМЕНОМ

Общая характеристика реакций изотопного обмена. Изотопное равновесие. Константа и коэффициент обмена (коэффициент разделения). Период полуобмена.
Гомогенный и гетерогенный изотопный обмен. Основные механизмы реакций изотопного обмена. Возможности использования изотопного обмена для синтеза меченых соединений. Преимущества и недостатки метода.
Обмен изотопов галогена в органических соединениях. Реакции ал-килгалогнидов с элементарными галогенами, галогенидами щелочных металлов и галогенидами алюминия. Механизм обмена. Радионуклиды галогенов в изучении механизмов реакций нуклеофильного замещения. Получение галогенсодержащих органических соединений методом изотопного обмена.
Изотопный обмен водорода в органических соединениях. Катализаторы, используемые в реакциях изотопного обмена водорода. Исходные соединения для получения тритированных веществ.
Гомогенный катализ для получения меченных тритием органических соединений. Преимущества и недостатки гомогенных каталитических реакций. Влияние катализатора и растворителя на молярную радиоактивность меченого продукта.
Гетерогенный катализ для получения меченных тритием органических соединений. Факторы, влияющие на радиохимический выход и молярную радиоактивность меченых продуктов.
Высокотемпературный твердофазный каталитический изотопный обмен с газообразным тритием. Механизм реакции изотопного обмена водорода на тритий. Спилловер водорода. Внутримолекулярное распределение трития и его зависимость от условий реакции. Условия получения кратномеченых соединений. Примеры получения биологически активных соединений.
Изотопный обмен серы в органических соединениях. Обмен с элементарной серой и сероводородом в тиолах, сульфидах, трисульфи-дах и соединениях, содержащих связь C=S. Обменные реакции между дисульфидами и тиолами. Степень обмена у различных солей ксанто-геновых кислот. Механизмы обмена. Органические вещества, содержащие ³⁵S, полученные методом изотопного обмена. Тиоуксусная и тиопенталовая кислоты, меченные ³⁵S.
Синтезы соединений, содержащих ¹⁴С, методом изотопного обмена. Получение K¹⁴CN из Ва¹⁴СО_з- и ¹⁴СО₂. Синтезы меченой глюкозы изотопным обменом с [¹⁴С]формальдегидом.
Возможность получения металлоорганических соединений, содержащих радионуклиды ²⁰³Нg и ²¹⁰РЬ.

4.  БИОСИНТЕЗ МЕЧЕНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Общая характеристика и особенности метода биосинтеза в получении меченых органических соединений. Преимущества и недостатки метода. Образование органических соединений с равномерным распределением изотопа в молекуле. Получение веществ с высокой удельной радиоактивностью. Синтез оптически активных меченых соединений. Исходные соединения для биосинтеза веществ, меченных радионуклидами углерода, водорода и фосфора.
Биосинтез органических соединений, меченных "С. Особенности биосинтеза меченых аминокислот, пептидов, белков. Получение глюкозы, меченной ¹⁴С, с использованием фотосинтеза.
Ферментативные методы получения меченых соединений. Получение нуклеозидов и нуклеотидов, меченных тритием, ¹⁴С, ³²Р, ³³Р с помощью ферментативных реакций.

5.  ЯДЕРНО-ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ПОЛУЧЕНИЯ МЕЧЕНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

5.1. МЕТОД АТОМОВ ОТДАЧИ ("ГОРЯЧИЙ" СИНТЕЗ)

Общая характеристика метода атомов отдачи. Основные стадии взаимодействия "горячих" атомов с окружающими молекулами.
Возможность получения меченых соединений с использованием атомов отдачи. Достоинства метода. Получение меченых соединений без носителя. Использование короткоживущих радионуклидов. Недостатки метода. Протекание конкурирующих реакций атомов отдачи с молекулами среды.
Получение химических соединений, меченных радионуклидами галогенов. Облучение нейтронами хлор- и бромбензола. Синтез 4-[⁸²Вг]броманилина. Получение йодистого метила и бромистого этилена. Механизм реакции с участием атомов отдачи галогенов.
Получение соединений, меченных тритием. Исходные вещества при нейтронном облучении. Продукты облучения бензола, содержащие тритий. Получение бензола с высокой удельной радиоактивностью.
Соединения, меченные ¹⁴С. Облучение нейтронами ацетамида. [¹⁴С]Уксусная и [¹⁴С]пропионовая кислоты. "Горячий" синтез [¹⁴С]холестерина и [¹⁴С]индола.
Соединения, меченные радионуклидами серы. Получение пентаме-тилсульфида и циклогексантиола при нейтронном облучении смеси циклогексана и четыреххлористого углерода. Цистеин, меченный ³⁸S.
Соединения, меченные ³²Р. Получение тиофосфамида, меченного ¹⁴С и ³⁵S.
Соединения, меченные ¹³N. Получение [¹³N]пиридина.

5.2. МЕТОДЫ, ОСНОВАНННЫЕ НА ХИМИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЯХ БЕТА-РАСПАДА МЕЧЕНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Образование устойчивых молекулярных форм после бета-распада меченых соединений. Получение меченных по центральному атому элементо-органических соединений сурьмы, висмута, теллура и других элементов. Элементоорганические соединения ксенона, меченные различными изотопами этого элемента.
Возможность получения меченых соединений при бета-распаде многократно меченных тритием органических соединений. Процессы, сопровождающие бета-распад трития в составе углеводородов. Образование органических соединений при ион-молекулярных реакциях тритийсодержащих карбениевых ионов. Полностью тритированный бензол в синтезе меченых тритием дифенилиодония, бромония, фторония, галогенбензолов и дифенила.
Получение соединений, меченных тритием, методом Вильцбаха (метод экспозиции в газообразном тритие). Принцип метода и его модификации. Аппаратурное оформление. Механизм включения трития в молекулы. Преимущества и недостатки метода.
Получение меченых соединений при бета-распаде ¹⁴С и ³⁵S. Получение аминов и аминокислот, меченных тритием и ¹⁴С, исходя из кратно-меченных углеводородов и карбоновых кислот. Синтез хлористого этила высокой удельной активности при бета-распаде ³⁵Sв молекуле диэтилсульфида, одновременно меченного ¹⁴С и ³⁵S.

5.3. МЕТОД ТЕРМИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ ТРИТИЯ

Способы получения атомарного трития. Каталитическая диссоциация водорода на вольфраме. Факторы, определяющие интенсивность потока атомарного трития на мишень и его энергетические характеристики.
Химические процессы в мишени, приводящие к образованию меченых соединений под действием атомарного трития. Основные и побочные реакции. Влияния свойств мишени, энергетических характеристик атомарного потока и его интенсивности на выход меченого продукта.
Реакционная способность атомарного трития. Энергетический барьер для реакции отрыва атома водорода атомарным тритием в углеводородах. Активационный и туннельный механизм реакции и их соотношение при различных температурах. Низкотемпературный предел скорости реакции, как проявление квантовых свойств материи.
Взаимодействие атомарного трития с функциональными группами. Реакции дезаминирования, декарбоксилирования, замещения галогенов, гидроксильных и тиольных групп. Побочные продукты, пути минимизации их образования. Специфика очистки меченых соединений, полученных по методу термической активации трития. Получение меченых соединений с высокой молярной радиоактивностью путем модификации материнского соединения.
Энергия связи С-Н и скорость замещения протия на тритий в разных положениях молекулы. Влияние функциональных групп и стериче-ских затруднений. Внутримолекулярное распределение трития.
Применение метода термической активации трития для получения меченых соединений различных классов. Получение меченых биологически активных соединений. Преимущества и недостатки метода. Аппаратурное оформление, требования к классу работ в лаборатории.
Глубина проникновения атомарного трития в мишень. Изменение энергии атомов при взаимодействии с молекулами мишени. Реакционные и нереакционные столкновения. Теоретические оценки глубины зоны реакции и их экспериментальные подтверждения. Явление преимущественного включения трития в поверхностные участки макромолекул.
Тритиевая планиграфия. Возможности метода в исследовании доступной поверхности белков. Моделирование пространственной структуры белков по данным доступности аминокислотных остатков атомарному тритию. Исследование структуры рибосомы, вируса табачной мозаики, вируса гриппа.
Использование атомарного трития для исследования адсорбционных слоев ПАВ. Техника постановки эксперимента и возможности метода. Исследование состава адсорбционного слоя для смеси ПАВ.
Тритиевый зонд в исследовании материалов. Выявления неодно-родностей в структуре металлов, сплавов, композиционных материалов. Использование метода авторадиографии для этих исследований.

5.4. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДРУГИХ СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЧЕНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Радиационный синтез. Принцип метода. Использование внешнего облучения или излучения радионуклида, входящего в состав исходной смеси веществ. Преимущества и недостатки метода. Примеры радиационного синтеза. Образование кислородсодержащих органических соединений, меченных ¹⁴С, при облучении ¹⁴СО и ¹⁴СО₂.
Электрохимический синтез. Принцип метода. Электрохимическое получение соединений, содержащих радионуклиды иода. Синтез йодоформа и "иодогноста" (натриевой соли тетраиодфенолфталеина), меченных ¹³¹1. Получение биополимеров, содержащих радионуклиды иода.
Синтез в электрическом разряде. Принцип метода. Его достоинства и недостатки. Получение альдегидов и кислот, исходя из ¹⁴СО или ¹⁴СО₂ в смеси с метаном или ацетиленом. Возможности синтеза меченых аминокислот. Использование ВЧ и СВЧ-разряда в атмосфере молекулярного трития для получения меченых соединений.
Фотолиз. Фотолитическая диссоциация молекул как источник активных частиц с высокой энергией. Получение "горячих" атомов с определенной энергией. Исследование механизма и энергетики химических реакций с помощью техники фотолиза.
Химические ускорители. Использование ионных пучков для исследования механизмов ионных и ион-молекулярных реакций. Технические сложности, ограничивающие возможность использование ускорителей ионов для получения меченых соединений.

Литература:

1.Ан. Н. Несмеянов. Радиохимия. Изд. второе,перераб. М.: Химия,1978.
2. А. Мэррей, Д. Л. Уильяме. Часть 1. Синтезы органических соединений с изотопами углерода. М.: Изд. ИЛ, 1961.
3.А. Мэррей, Д. Л. Уильяме. Часть 2. Синтезы органических соединений с изотопами водорода. М.: Изд. ИЛ,1961.
4.А. Мэррей, Д. Л. Уильяме. Часть 3. Синтезы органических соединений с изотопами голоидов, азота, кислорода, фосфора, серы.М.: Изд. ИЛ, 1962.
5.В. М.. Федосеев. Исследование органических реакций с помощью соединений радиоактивной серы. В кн.: Химия органических соединений серы. Общие вопросы. М.: Химия, 1988.
6. А. Б. Малинин, Н. С. Марченков. Современные тенденции в производстве радионуклидов для медицины. В сб.: Производство радионуклидов и их использование в медицине. М.: 1988.
7. Э. Эванс. Тритий и его соединения. М.: Атомиздат, 1966.
8.Б. М. Андреев, Э. П. Магомедбеков, М. Б. Розенкевич, Ю. А. Сахаровский. Гетерогеные реакции изотопного обмена трития. М.: ЭдиториалУРСС, 1999.
9.Э. С. Филатов, Е. Ф. Симонов. Физико-химические и ядерно-химические способы получения меченых органических соединений и их идентификация. М.: Наука, 1987.
10.  Л. А. Баратова, Е. Н. Богачева, В. И. Гольданский, В. А. Колб,А. С. Спирин, А. В. Шишков. Тритиевая планиграфия биологических макромолекул. М.; Наука, 1999.