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Aufklärung von Reaktionsmechanismen (gesamt)

Isotopenmarkierung - Einführung

Bei Isotopenmarkierungs-Experimenten werden Edukte eingesetzt, in denen gezielt einzelne Atome gegen eines ihrer Isotope ausgetauscht wurden. Diese Isotope werden dann in den Produkten und wenn möglich auch in Zwischenprodukten mit speziellen Analysemethoden nachgewiesen und lokalisiert. Auf diese Weise lassen sich für einzelne Atome die Positionen in Molekülen, die Verschiebungen innerhalb eines Moleküls und/oder die Übertragung zwischen verschiedenen Molekülen verfolgen.

In der organischen Chemie und in der Biochemie werden dafür vor allem die Isotope 2H (Deuterium), 3H (Tritium), 13C, 14C, 15N und 18O eingesetzt.

Abb.1
Blick in einen Szintillationszähler

Die Isotope 3H und 14C sind β-Strahler, sie sind also radioaktiv und emittieren Elektronen mit Halbwertzeiten von 12,26 Jahren (3H) bzw. 5600 Jahren (14C). Sie können in den Produkten mit Hilfe der Szintillationsmesstechnik detektiert werden. Diese Methode ist äußerst empfindlich, allerdings liefert sie keine strukturellen Informationen. Will man also feststellen, in welchem Produkt sich das Isotop nach der Reaktion befindet, müssen die Produkte getrennt und einzeln auf mögliche Radioaktivität untersucht werden. Soll das Isotop innerhalb eines Moleküls genau lokalisert werden, sind aufwändige, eindeutig verlaufende Abbaureaktionen mit anschließender Vermessung der einzelnen Abbauprodukte erforderlich.

Abb.2
Photo eines NMR-Spektrometers

Die Isotope 2H, 13C, 15N und 18O sind nicht radioaktiv, sondern stabil. 13C und 15N sind direkt durch NMR-Spektroskopie zu identifizieren. 2H ist nicht NMR-aktiv, kann aber indirekt durch das Fehlen eines entsprechenden Signals im 1H-NMR-Spektrum erfasst werden. 18O ist ebenfalls nicht NMR-aktiv, kann aber indirekt durch charakteristische Verschiebungen der 13C-Signale der 18O-bindenden C-Atome im 13C-NMR-Spektrum gefunden werden. Häufiger kommt zum Nachweis von 18O allerdings die Massenspektrometrie zum Einsatz.

Diese Methoden sind nicht so empfindlich wie die Messung der Radioaktivität. Gerade die NMR-Spektroskopie hat aber den enormen Vorteil, auch umfangreiche strukturelle Informationen zu liefern, so dass zur Lokalisation des Isotops innerhalb eines Moleküls in der Regel keine aufwändigen Abbaureaktionen durchgeführt werden müssen.

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