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1第第十十五五章章、、标标记记化化合合物物的的制制备备1155..11示示踪踪原原子子自1912年G.Hevesy和F.Paneth将放射性核素作为示踪剂以来，示踪实验已成为目前科学研究的重要手段之一。特别是生物学、医学和农业科学等领域中，已得到了广泛的应用。随着示踪实验方法在各学科中被广泛采用，对带有示踪原子的标记化合物的需求量也愈来愈大。标记化合物的制备就成为示踪实验能否进行的前题。因此，几十年来，曾对标记化合物的制备作了大量研究。四十年代后期，人工放射性核素开始大规模生产，为制备放射性标记化合物提供了条件。采用放射性标记化合物进行示踪，具有方法简便、易于追踪、准确性和灵敏度高等特点，因而，在示踪实验中，至今它仍占有主导地位。近年来，快速制备方法与快速分离技术的发展，使制备短半衰期放射性标记化合物也成为可能。例如，为满足医学研究和临床上的需要，短半衰期的11C、13N、18F、15O、67Ga、77Br、111In及123I等核素所制备的标记化合物的品种和数量已愈来愈多。六十年代末期，生产稳定核素的方法不断改进，有效测定稳定核素的质谱仪和核磁共振谱仪技术的发展，以及某些元素缺少合适的放射性核素进行示踪等原因，使早在本世纪初就用在示踪实验中的稳定同位素标记化合物又重新引起人们的重视。目前常用的稳定同位素标记化合物是由2H、13C、17,18O、15N、33,44S等示踪原子所标记的。1155..22标标记记化化合合物物的的命命名名标记化合物是指原化合物分子中的一个或多个原子、化学基团，被易辨认的原子或基团取代后所得到的取代产物。标记化合物中一些易被辨认的原子或基团称为示踪原子（或基团）。根据示踪原子（或基团）的特点，可将标记化合物分成以下几类：（1）用放射性核素作为示踪剂的标记化合物称为放射性标记化合物。例如：NH2CHTCOOH、Na18F、14CH3COOOH等。（2）如果人为地改变化合物中某一元素的稳定同位素丰度到可以观测的程度，那么这类化合物就称为稳定核素标记化合物。例如，NH213CH2COOH、15NH3、等。NNH18ONH22（3）在特定条件下，还可用非同位素关系的示踪原子，取代化合物分子中的某些原子而构成非同位素标记化合物。例如用75Se取代半胱氨酸分子中的硫原子，制成硒标记的半胱氨酸，即（4）当在化合物分子中引入两种或多种示踪原子时，则称之类标记化合物为多标记化合物。例如：)COOHCH(NTCH2314、)COOHNTCH(CH215314、COOH)CH(NTCH132314等。标记化合物的命名法，目前尚无统一规定。下面仅介绍一些通常使用的符号与术语。定位标记（Specificlabeling），以符号“S”表示，在这类化合物中的标记原于是处在分子中的特定位置上，而且标记原子的数目也是一定的。定位标记化合物命名时，除了在化合物名称后（或前），要注明示踪原子的名称外，还需注明标记的位置与数目。例如用14C标记丙氨酸时，若在甲基上得到标记，即)COOHCH(NTCH2314，命名为丙氨酸－3－14C（S）；若在羧基上得到标记，即COOH)CH(NTCH1423命名为丙氨酸－1－14C（S）当甲基与羧基上得到标记时，则命名为丙氨酸－1,3－14C（S）,即COOH)CH(NTCH1423。其他定位标记化合物的命名法，可依此类推。例如腺嘌呤－8－T（S），表示氚标记化合物的命名法，可依此类推。例如腺嘌呤－8－T(S)，表示氚标记的位置仅局限于腺嘌呤分子中与第八位碳原子相联。通常已注明示踪原子的具体标记位置后，符号（S）亦可省略。在14C标记分子中，用符号（U）来表示“均匀标记”（uniformlabeling）。它是指14C或13C原子在被标记分子中，呈均匀分布，对于分子中的所有碳原子来讲，具有统计学的均一性，例如用14CO2通过植物的光合作用制得带标记的葡萄糖分子，其中14C被统计性地均匀分布在葡萄糖分子的六个碳原上，这种标记分子可命名为葡萄糖14C（U）。在放射性药品广告中，常用符号（UL）表示。对氚标记化合物，还有用符号（n）或（N）及（G）来表示“准定位标记”或“近似标记”（nominallabeling）与“全标记”（generallabeling）。准定位标记是指根据标记化合物的制备方法，理应获得定位标记分子。但实际测定结果表明，氚原子在指定位置上的分布低于化合物中总氚含量的95%。对这类化合物在其名称后可用符号(n)或(N)标明。例如尿嘧啶－5－T(n)，表示氚原子主要标记在分子的第五位上，但仍有5%以上的75SeHH2CCHNH2COOH3氚分布在尿嘧啶分子的其他位置上。全标记是指在分子中所有氢原子都有可能被氚取代，但由于氢原子在分子中的位置不同，而被氚取代的程度，也可能不同。例如用气体曝射法制备的氚标记胆固醇分子，在分子的环上、角甲基及侧链上的氢或多或少地被氚所标记，但各位置上氚标记的程度并不相同。在命名这类标记化合物时，应在其名称后注上符号（G），例如胆固醇－T－（G）。1155..33标标记记化化合合物物的的特特性性目前，作为商品供应的标记化合物已有种，其中绝大多数是放射性标记化合物。本节主要介绍有关放射性标记化合物的某些特性。1155..33..11对对标标记记化化合合物物的的选选择择进行标记时，采用那种形式化合物；示踪原子标记在分子的那个位置上；用稳定示踪原子，还是用放射性碘的标记化合物诊断甲状腺、肝脏、肾上腺等病症。由于甲状腺有吸收体内碘离子，而不积聚有机碘化物的特性。因此进行甲状腺诊治时，只能选择在体内形成碘离子的标记化合物如Na131I。而碘标记的有机化合物如131I－玫瑰红对甲状腺诊治的疗效较差。但它却能在肝脏中积聚，故可在肝脏扫描时使用。将示踪原子标记到化合物分子上时，一般应注意下列问题：(1)示踪原子应标记在化合物分子的稳定位置上，不至于在示踪过程中发生脱落或因同位素交换等因素而失去标记。一般讲，极性基团（如－COOH、－OH、－NH2及＝NH等）中的氢原子，位于羰基α位置的氢原子，苯环上与羟基处于邻位或对位的氢原子都不稳定。此外，连接在碳上的氧，较为活泼，易与水中的氧相互交换而失去标记。(2)示踪原子应标记在化合物的合适位置上。例如研究氨基酸的脱羧反应，标记必须在羧基的位置上。否则，就不可能观察到氨基酸脱羧而生成CO2的生化过程。另一方面，即使是同一化合物，但因需标记的位置不同，而使制备标记化合物的难易程度有很大的差别。例如，乙酸－1－14C的合成仅需一步格氏反应，就可完成。COOHCHCO143HMgI,CH2143而乙酸－2－14C的合成，却要经历以下四步反应后才得到标记产品。COOHCHCNCHICHOHCHCO314水解314KCN314HI14314LiAlH21444合成途径的长短、难易程度的不同，使标记化合物的产率和纯度会有很大的差别。因此，在选择标记位置时，既要注意到示踪研究中的需要和该位置上示踪原子的牢固性，又要注意到在这位置上标记时，合成方法的难易程序。在这一些实验中，为了揭示分子中不同基团所起的作用和特性，常选用多标记化合物进行示踪。例如，为了证实体内胆固醇是由简单的乙酸所合成的，并确定乙酸的每个碳原子在胆固醇生物合成中的作用，则需采用COOHCH13314或COOHCH14313双标记化合物。实验结果表明，乙酸中的两个碳原子都参与胆固醇的生物合成，并进入分子结构中。还表明胆固醇分子的环状结构中，由乙酸中甲基与羧基所提供碳原子的比值为10:9，而在侧链部分，两者比值为5:3，如下式所示（有*者为乙酸中的甲基酸）：(3)选择合适的示踪原子进行标记。用放射性示踪原子还是用稳定示踪原子标记，应根据实际情况来定。稳定标记化合物的优点在于无辐射损伤，制备和示踪时不受时间因素的限制，也不存在标记化合物的辐射自分解等弊病。但稳定同位素标记化合物的价格昂贵，观测所需的设备和它的灵敏度不如用放射性标记化合物那样迅速，简便和灵敏。特别是自然界中如P、Na、I、Co、Au等15种元素，只有一种稳定核素，对它们就只能用放射性核素来示踪。另外，稳定同位素标记化合物虽不存在辐射操作，但亦不是绝对没有毒性而能被生物体所接受。例如重水（D2O）占体内含水量的15－20%时，则会出现阻碍细胞呼吸及酵解作用，使生物体功能失调。鉴于上述原因，只是在缺乏合适放射性核素作为示踪剂；对某些禁用放射性示踪的领域或在放射性标记化合物供货不便的情况下，稳定同位素标记化合物才被优先采用。(4)正如上一章所述，选择放射性标记化合物时需考虑到放射性核素来源的难易、释放出射线的类型和能量、半衰期的长短以及它的毒性和可能引起的辐射损伤。还应注意到标记化合物自射的稳定性及示踪时同位素效应的影响。CH3CH3H3CHO****CH3CH3***********5碳和氢是构成有机化合物的基本成分，以14C或3H作为示踪原子具有许多突出的优点。因此，至今14C或3H的标记化合物仍是应用得最多的示踪剂。用14C或3H标记的优点在于它们都只放射能量较低的β粒子，外照射的影响小，但又不难探测。14C或3H在体内的生物半衰期短，都属于低毒组的放射性核素。它们可由反应堆生产，无论在数量或比活度方面，都能满足标记化合物制备的需要。14C或3H均有较长的半衰其（14C:5715年,3H:12.32年），使制备和使用时可不受时间因素的限制。用14C标记或用3H标记化合物各有利弊。化合物分子中的C－H键比C－C键弱，故3H标记脱落的可能性较大。在蛋白质、生物碱等复杂标记化合物的制备中，用14C标记往往很困难，而用3H标记就较方便。但当分子的稳定位置上不含有氢原子时（如8－氮杂－鸟嘌呤），则不能进行3H标记。制备3H标记化合物时的放射性产率一般比14C标记要低得多。且3H在分子中的标记位置及其具体分布，在制备时不易控制。在标记分子中，引进一个3H标记原子的产品，其理论比活度为29.2Ci.mmol-1,而引进一个14C标记原子仅为62.4mCi.mmol-1。3H标记化合物的比活度一般比14C标记化合物要高的多。在比活度相同时，3H标记化合物的辐射自分解比14C标记化合物要严重。3H标记化合物在示踪时出现的同位素效应也比14C标记化合物显著。再从放射性防护的角度来比较，14C标记比3H标记安全得多。为满足各领域科学研究和应用上的需要，对非同位素标记化合物的使用也愈来愈多。如32P、59Fe、75Se、77Br、87Srm、99Tcm、111In、113Inm、123,125,131I、169Yb、197Hg及198Au等放射性核素常用于制备非同位素标记化合物。这类标记化合物有时也称为“外来”标记化合物（“forging”labeledcompound）。1155..33..22标标记记化化合合物物的的同同位位素素效效应应与与辐辐射射自自分分解解标记化合物的同位素效应与辐射自分解，对标记化合物的制备、使用和贮存有显著的影响。1、同位素效应不能忽略因同位素效应引起标记化合物与原化合物之间产生性质上的差异。对3H或14C这类轻核所标记的化合物，同位素效应更为明显。在有共价键结构的有机化合物分子中，正常C－C键的键能为82.6kcal.Mol-1,而测6得14C－C键的键能比正常的要高出6－10％。质量为氢原子三倍的3H，它与氧、氮、碳结合所形成的氚键比正常氢键要稳定得多。这些效应使3H或14C标记化合物，在一些反应中所表现出来的反应速度较原化合物要慢。例如，用HTO水解Grignard试剂，发生如下反应：2RMgX+2HTO→RH+MgXOH+RT+MgXOT当R=C6H5、CH3C6H4时，制得RT标记化合物的比活度仅是理论值的40%左右。由于Grignard试剂优先与键能较低的普通水分子反应，从而造成产品RT比活度低于理论值。又如，在生化反应中，甲基氧化酶在氧化14C标记的甲基（－14CH3）和氚标记的甲基（－CTH2）时有明显的选择性，它优先氧化－14CH3中的氢。另外，在色层