Введение
Молекулы, отличающиеся только изотопным составом В химии, изотопологи - это молекулы, отличающиеся только изотопным составом. У них одинаковая химическая формула и соединения атомов, но по крайней мере один атом имеет другое количество нейтронов, чем родительский. Примером является вода, связанные с водородом изотопологи которой: "легкая вода" (HOH или H2O), "полутяжелая вода" с изотопом дейтерия в равной пропорции к протию (HDO или H2O), "тяжелая вода" с двумя изотопами дейтерия водорода на молекулу (D2O или H2O), и "супертяжелая вода" или тритированная вода (H2O или H2O, а также HTO и DTO, где некоторые или все атомы водорода заменены радиоактивным изотопом тротита). С кислородом связанные изотопологи воды включают в себя обычно доступную форму тяжелой кислородной воды (H2O) и более сложную для отделения версию с изотопом 17O. Оба элемента могут быть заменены изотопами, например, в двухзначном изотопологе воды. Всего существует 9 различных стабильных изотопологов воды и 9 радиоактивных изотопологов, включающих тритий, в общей сложности 18. Однако в смеси возможны только определенные соотношения, из-за распространенного обмена водородом. Атом разных изотопов может находиться в любом месте молекулы, поэтому разница заключается в чистой химической формуле. Если соединение имеет несколько атомов одного и того же элемента, любой из них может быть измененным, и это все равно будет тот же изотополог. При рассмотрении различных местоположений одного и того же изотопически модифицированного элемента используется термин изотопомер, впервые предложенный Симаном и Пейном в 1992 году. Изотопомеризм аналогичен конституционному изомеризму различных элементов в структуре. В зависимости от формулы и симметрии структуры может быть несколько изотопомеров одного изотополога. Например, молекулярная формула этанола - C2H6O. Монодеутерированный этанол, C2H5DO, является его изотопологом. Структурные формулы CH3\sCH2\sO\sD и CH2D\sCH2\sO\sH - два изотомера этого изотополога.
In chemistry, isotopologues are molecules that differ only in their isotopic composition. They have the same chemical formula and bonding arrangement of atoms, but at least one atom has a different number of neutrons than the parent. An example is water, whose hydrogen related isotopologues are: "light water" (HOH or |H2O), "semi heavy water" with the deuterium isotope in equal proportion to protium (HDO or |^{1}H^{2}HO), "heavy water" with two deuterium isotopes of hydrogen per molecule (|D2O or |^{2}H2O), and "super heavy water" or tritiated water (|T2O or |^{3}H2O, as well as |HTO [^{1}H^{3}HO] and |DTO [^{2}H^{3}HO], where some or all of the hydrogen atoms are replaced with the radioactive tritium isotope). Oxygen related isotopologues of water include the commonly available form of heavy oxygen water (|H2^{18}O) and the more difficult to separate version with the |^{17}O isotope. Both elements may be replaced by isotopes, for example in the doubly labeled water isotopologue |D2^{18}O. All taken together, there are 9 different stable water isotopologues, and 9 radioactive isotopologues involving tritium, for a total of 18. However only certain ratios are possible in mixture, due to prevalent hydrogen swapping. The atom(s) of the different isotope may be anywhere in a molecule, so the difference is in the net chemical formula. If a compound has several atoms of the same element, any one of them could be the altered one, and it would still be the same isotopologue. When considering the different locations of the same isotopically modified element, the term isotopomer, first proposed by Seeman and Paine in 1992, is used. Isotopomerism is analogous to constitutional isomerism of different elements in a structure. Depending on the formula and the symmetry of the structure, there might be several isotopomers of one isotopologue. For example, ethanol has the molecular formula |C2H6O. Mono deuterated ethanol, |C2H5DO, is an isotopologue of it. The structural formulas |CH3\sCH2\sO\sD and |CH2D\sCH2\sO\sH are two isotopomers of that isotopologue.
Приложения в аналитической химии
Одиночные замещенные изотопологи могут использоваться для ядерного магнитного резонанса, где деутерированные растворители, такие как деутерированный хлороформ (CDCl3), не мешают сигналам 1H растворенных веществ, а также в исследованиях кинетического изотопного эффекта.
Геохимические применения
В области геохимии устойчивых изотопов изотопологи простых молекул, содержащих редкие тяжелые изотопы углерода, кислорода, водорода, азота и серы, используются для отслеживания равновесия и кинетических процессов в естественной среде и в прошлом Земли.
Аналитические требования
Из-за относительной редкости тяжелых изотопов С, Н и О, изотопная соотношение массовой спектрометрии (IRMS) двойным замещенных видов требует больших объемов образцов газа и более длительных сроков анализа, чем традиционные стабильные изотопы измерений, тем самым требуя чрезвычайно стабильных приборов. Кроме того, двойственно замещенные изотопологи часто подвергаются изобарическим интерференциям, как в системе метана, где ионы 13CH5+ и 12CH3D+ мешают измерению видов 12CH2D2+ и 13CH3D+ при массе 18. Измерение таких видов требует либо очень высокой мощности разрешения массы для отделения одного изобара от другого, либо моделирования вклада вмешивающегося вида в обилие интересующего вида. Эти аналитические проблемы являются значительными: первая публикация, точно измеряющая двойные замещенные изотопологи, появилась только в 2004 году, хотя одиночные замещенные изотопологи измерялись десятилетиями ранее. В качестве альтернативы более традиционным приборам IRMS с газовым источником, настраиваемая диодная лазерная абсорбционная спектроскопия также появилась как метод измерения двойных замещенных видов, свободных от изобарных помех, и была применена к изотопологу метана 13CH3D.
Равновесная фракционирование
Когда легкий изотоп заменяется тяжелым изотопом (например, 13C на 12C), связь между двумя атомами будет вибрировать медленнее, тем самым снижая энергию нулевой точки связи и стабилизируя молекулу. Изотополог с двойной замещенной связью, следовательно, немного более термодинамически стабилен, что будет иметь тенденцию к производству более высокого количества двойным замещенных (или "сгущенных") видов, чем прогнозируется статистическим количеством каждого тяжелого изотопа (известного как стохастическое распределение изотопов). Этот эффект увеличивается с понижением температуры, поэтому обилие сгущенных видов связано с температурой, при которой газ образовался или находился в равновесии. Измеряя обилие сгущенных видов в стандартных газах, образованных в равновесии при известных температурах, термометр может быть калиброван и применен к образцам с неизвестными количествами.
Кинетическая фракционирование
На обилие многократно замещенных изотопологов также могут влиять кинетические процессы. Как и для однозамещенных изотопологов, отклонения от термодинамического равновесия в двойственно замещенных видах могут подразумевать наличие конкретной реакции. Было показано, что фотохимия, происходящая в атмосфере, изменяет обилие 18O2 от равновесия, как и фотосинтез. Измерения 13CH3D и 12CH2D2 позволяют определить микробиологическую обработку метана и были использованы для демонстрации значимости квантового туннелирования в образовании метана, а также смешивания и уравновешивания нескольких резервуаров метана. Изменения в относительных количествах двух изотопов 14N15N18O и 15N14N18O могут различать, был ли N2O получен бактериальной денитрификацией или бактериальной нитрификацией.
Биохимические применения
Для ядерного магнитного резонанса или экспериментов массовой спектрометрии могут использоваться несколько замещенных изотопологов, где изотопологи используются для выяснения метаболических путей в качественном (открытие новых путей) или количественном (открытие количественной доли пути) подходе. Популярным примером в биохимии является использование однородной маркированной глюкозы (U 13C глюкозы), которая метаболизируется исследуемым организмом (например, бактерией, растением или животным) и чьи сигнатуры позже могут быть обнаружены в вновь сформированных аминокислотах или продуктах метаболического цикла.
Приложения массовой спектрометрии
В результате естественного или искусственного изотопного маркирования изотопологи могут использоваться в различных приложениях массовой спектрометрии.