Синтез в потоке ускоренных ионов

При помощи ионов, содержащих радиоактивные атомы, можно синтезировать меченые соединения, например, метить углерод в органических соединениях. Здесь трудно обеспечить направленный синтез. Продукты реакций ускоренных ионов качественно сходны с продуктами реакций горячих атомов.

Синтез в электрическом разряде.

Электрический разряд, проходящий в парах органических веществ, порождает ионы и радикалы, в результате взаимодействия которых образуются новые вещества. Если электрический разряд проходит в парах радиоактивного вещества или в смеси веществ, то образуется смесь меченых соединений. Этот способ имеет тс же преимущества и недостатки, что и радиационный синтез.

Горячий синтез.

Иод «горячим» синтезом понимается синтез, происходящий в результате взаимодействия радиоактивных атомов отдачи, получающихся при ядерных реакциях с окружающими молекулами или в результате радиоактивного распада. При этом образуются меченые более сложные соединения — продукты присоединения или конденсации, и более простые соединения — продукты разложения исходного вещества. Образовавшаяся сложная смесь меченых продуктов требует эффективных методов разделения.

Одна из основных реакций горячих атомов углерода, образующихся по реакции ¹⁴N (rc, р)^иС — реакция замещения. При этом для атомов отдачи углерода замещение углерода, азота, кислорода, галоидов возможно при столкновениях тина биллиардных шаров. Примерами являются замещения на ¹⁴С стабильных ¹²С и ¹⁴N в кольце ароматических соединений. При бомбардировке нейтронами акридина в ядерном реакторе из облученного образца выделяются меченые антрацен и акридин. Оба продукта образуются путем замещения атомов углерода и азота в исходном соединении на ¹⁴С:

Важным реакторным изотопом является тритий, получаемый по реакции ⁽ⁱLi(п_} а)³Н. Газообразный тритий производится в виде чистого изотопа с удельной активностью примерно 2,79 Ки/мл (при нормальных условиях), что позволяет готовить его соединения с весьма высокой активностью. Тритий поставляется в запаянных стеклянных ампулах или в виде тритида урана (III) UT₃, из которого тритий извлекают контролируемым нагревом. К сожалению, значительная радиационная нестойкость высококонцентрированных соединений трития мешает его использованию без носителя в химических и биологических исследованиях. Помимо Т₂ тритий выпускается в виде НТО и Т₂0.

Тритий удается вводить в молекулы довольно простыми способами, например

Для введения трития в ненасыщенные органические соединения применяют реакции восстановления либо газообразным тритием в условиях гетерогенного катализа, либо тритием «в момент выделения», либо тритированием лигийалюмогидридом.

Часто, чтобы заместить на тритий водород органической молекулы, предварительно замещают его атомом галогена, например:

Иногда используется гидратация органических веществ тритиевой водой, например:

Третированные органические соединения часто синтезируют методами изотопного обмена водорода. Как известно, с атомом трития в Т₂0 легко обмениваются атомы водорода, связанные в органических соединениях с атомами кислорода, азота или серы, тогда как атомы водорода, связанные с атомами углерода, обмениваются крайне медленно или вообще не обмениваются. Большие возможности получения третированных органических соединений дает изотопный обмен в кислых и основных неводных средах. Примерами являются обменные реакции тритийсерной кислоты с бензолом, нафталином или с насыщенными углеводородами, в молекулах которых имеется третичный атом углерода.

Если в молекуле, подлежащей пометке, содержится ряд одинаковых атомов в одинаковом положении, то происходит пометка всех одновременно. Если связи не одинаковы, то степень вхождения радиоактивных атомов в процессе обмена для каждого положения своя и удельная активность соединения по разным связям неодинакова. При контакте различных веществ с газообразным тритием происходит обмен водорода на тритий. Он имеет место у метана, этана, толуола, 3,5-динитробензамида, витамина В12 идр. В процессе обмена в результате распада трития в молекуле Т₂ происходит образование и ряда других меченых по тритию продуктов. Например, из метана в присутствии Т₂ образуются молекулы углеводородов, содержащие тритий с числом углеродных атомов от 1 до 6.

Метод, основанный на обмене газообразного трития с протием в органическом веществе, позволяет получать высокоактивные препараты соединений, имеющих алифатические и ароматические связи С—Н (гексан, толуол, сахароза, холестерин).

В отдельных случаях введение трития в органические молекулы осуществляется при облучении нейтронами порошкообразных смесей органического вещества и солей лития. Тритиевые ядра отдачи, возникающие вследствие реакции ^eLi (/?, а) Т, замещают атомы водорода органических молекул. Недостатками последних двух методов введения метки является неопределенность расположения атомов трития в молекуле и образование загрязнений высокой активности вследствие радиационных разрушений.

Удельная активность, которую можно ввести в молекулу, зависит от используемого радионуклида и числа замещенных атомов в молекуле. В теории максимально возможная удельная активность ¹⁴С равна 62,4 мКи на ммоль. На практике при введении в молекулу одного атома ¹⁴С в лучшем случае достигается 40—60 мКи на ммоль. Если в молекулу удается ввести два атома ¹⁴С, то можно получить удельную активность порядка 100 мКи/ммоль.

Синтез меченых соединений требует постоянного контроля за составом и радиоактивностью получаемых продуктов. Периодический контроль особенно необходим при длительном хранении меченых веществ из-за возможных процессов радиолитического разложения. Аналитический контроль за мечеными соединениями включает определение таких параметров, как химическая идентичность молекулы; химическая чистота; радиохимическая чистота (иногда — радионуклидная и изотопная чистота); удельная активность; место (места) расположения метки внутри молекулы.

Идентификацию меченых соединений проводят методами радиохроматографии и масс-спектрометрии. Метод ионнообменной хроматографии позволяет, но времени удержания.

(в сравнении с эталоном) судить о типе химического соединения, а по площади хроматографического пика определять его активность, тем самым находя удельную радиоактивность соединения. Одновременно определяется химическая чистота продукта. В некоторых случаях хорошие результаты дает метод тонкослойной хроматографии. Часто химическую идентификацию, определение удельной радиоактивности и радиохимической чистоты продукта проводят методом электрофореза в слое геля. Различают два варианта этого метода: одномерный (многониточным счетчиком Гейгера измеряется удаление меченого вещества от линии старта) и двумерный (радиационное поле регистрируется приложенной к гелю пластинкой с ядерной фотоэмульсией или методом радиолюминисценции с цифровой фоторегистрацией).

Радиохимическую чистоту продукта (наличие посторонних радионуклидов) определяют спектроскопией ионизирующих излучений. Спектроскопия и радиохроматография используется и для контроля радиоизотопной чистоты, которая важна, если в одну молекулу вводятся два разных изотопа одного и того же элемента. При этом определяется доля конкретного радионуклида в смеси всех изотопов. Термин «изотопная чистота» обычно относится к стабильным изотопам. Отсутствие нерадиоактивных примесей проверяется путем очистки препаратом методами перекристаллизации, экстракции или хроматографии. При отсутствии примесей удельная активность должна сохраняться постоянной после каждой последовательной стадии очистки.