khimie.ru

Мы уже рассказывали о некоторых трудностях, с которыми приходится сталкиваться химикам в процессе идентификации неизвестных веществ. Остановимся еще на одном случае, когда на анализ поступило вещество, о составе которого практически ничего не было известно. Правда, в распоряжении экспертов находился богатый ар­сенал аналитических приборов, и они могли применять их по своему усмотрению.

В начале 1980 г. в США стала свирепствовать неизвестная болезнь, унесшая много человеческих жизней. Врачи были бессильны в борьбе с эпидемией. Выяснилось только, что болезнь поражает прежде всего наркоманов, а по симптомам напоминает отравление при приеме большой дозы боле­утоляющих препаратов. Однако анализ телесных жидкостей и отдельных органов умерших не выявил присутствия каких-либо известных транквилизаторов или следов принятия сверхдозы наркотиков.

Полиции стало известно, что почти одновременно с волной подозрительных смертей на «рынке» наркотиков появилась «новинка» — порошок, содержащий героин, извест­ный у наркоманов как «китайский белок». Предположили, что таинственная болезнь может быть как-то связана с появлением этого нового «товара». Вскоре калифорнийская полиция конфисковала одну-единственную дозу порошка «китайского белка». Сотрудникам криминалистической лаборатории предстояло «раскусить твердый орешек».

Работа закипела. С помощью оптического микроскопа в исследуемом образце было обнаружено множество разнородных кристаллов; по-видимому, наркотик представлял собой смесь различных соединений. Методом тонкослойной хроматографии в варианте, специально разработанном для наркотических веществ, химики проанализировали образец, но, кроме молочного сахара, в нем ничего не нашли. Этот сахар добавляют к сильнодействующим наркотикам, потребляемым малыми дозами: добавка сахара увеличивает массу препарата и упрощает процедуру деления товара на отдельные дозы. Малоутешительный результат неожиданным не был, так как еще при исследовании органов погибших от болезни не удалось обнаружить присутствия известных фармацевтических препаратов даже в виде следов. От остатков образца отделили молочный сахар и полученный концентрат проанализировали на газовом хроматографе, соединенным с масс-спектрометром. Данная методика анализа отличается очень высокой чувствительностью и исследование даже небольшого по массе образца позволило сделать два важных вывода: во-первых, в руки полиции попал наркотик совершенно нового типа, а во-вторых, это наркотическое средство помимо молочного сахара содержит два компонента. Но третьего, решающего вывода сделать не удалось, так как материала для исследования больше не было.

Ожидать следующий образец долго не пришлось; вскоре в лабораторию передали новую порцию белого порошка массой не меньше 200 мг (0,2 г). Заинтригованные химики не скрывали своего удовлетворения: с таким количеством ве­щества можно было приступить к настоящей работе. Как и в первый раз, образец очистили от молочного сахара, с по­мощью газовой хроматографии разделили на отдельные компоненты и зарегистрировали масс-спектры. К сожалению, новая информация не слишком отличалась от старой. Располагая значительным количеством материала, химики теперь просто с большей уверенностью смогли утверждать, что в состав образца помимо молочного сахара входят два вещества, которые до сих пор при исследовании наркотиков не встречались. Идентифицировав наиболее тяжелые ионы, аналитики смогли установить относительные молекулярные массы неизвестных соединений. Интересные результаты дало изучение инфракрасных спектров, полученных после газохроматографического разделения веществ. Оказалось, что по спектрам оба вещества были близки к производным амфетамина, хотя и содержали группу С‒О. Такой результат позволил уточнить направление расследования: «изобрета­телей» нового вида наркотической отравы надо было искать в первую очередь в тех лабораториях, где налажен выпуск амфетамина.

Итак, химики определили размеры неизвестных молекул, выяснили, из каких групп атомов они состоят, но пока не представляли себе, как эти группы соединяются между собой. Для того чтобы получить более полные сведения о веществах, составляющих основу нового наркотика, решено было при­влечь еще один высокочувствительный метод спектроскопического анализа — исследование спектров магнитного резонанса протонов (ПМР-спектроскопию). Спектры ПМР дают важные сведения о характере связи соседних атомов, и для расшифровки структуры неизвестных молекул этот метод успешно применяют в комбинации с ИК-спектроскопией.

Напомним, что с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) можно исследовать движение атомных ядер под действием радиочастотного излучения и определить энергию излучения, которую способно поглотить данное атомное ядро. ПМР-спектроскопия имеет дело только с ядрами атомов водорода. Как же этот метод может помочь установить структуру химического соединения? В молекуле водорода находятся две молекулярные орбитали, по которым вращаются два электрона, и эти движущиеся отрицательные заряды экранируют положительные заряды атомных ядер. Водород может вступить в связь с различными атомами и в зависимости от природы соседнего атома изменится характер электронной плотности в пространстве вокруг обоих ядер. Если вблизи одного атома электрон проводит больше времени, чем около другого, одно атомное ядро окажется экранированным лучше, а другое хуже (рис. 1). 

  Рис. 1. Распределение электронной плотности при образовании молекулы:

а — симметричное электронное облако между одинаковыми атомами,

б — симметричное электронное облако между различными атомами.

Если ядра водорода поместить во внешнее магнитное поле, то магнитное окружение ядер водорода с разной степенью экранирования будет немного различаться. Чтобы перевести ядра всех атомов водорода в возбужденное состояние, им необходимо сообщить какую-то энергию, и тогда резонансный сигнал от атомов водорода каждого типа будет наблюдаться при различных напряженностях внешнего поля.

В результате атомные ядра водорода, связанные с другими атомами водорода или с атомами углерода, кислорода и т. д., будут переходить в возбужденное состояние при различной величине энергии внешнего излучения. На распределение электронной плотности вокруг ядер атомов водорода могут влиять не только атомы находящиеся в ближайшем окружении, но и более удаленные соседние атомы. Поэтому интерпретация спектров ПМР (рис. 2) дает возможность раскрыть многие важные детали строения исследуемого соединения.

 Рис. 2. Спектр ЯМР на ядрах препарата водорода, вызывающего тотальный исход

После получения спектров ПМР «в руках» химиков оказалась вся информация, необходимая для установления структуры: относительные молекулярные массы, сведения о функциональных атомных группировках и данные о характере связей между отдельными атомами. Теперь можно было приступать к «сборке» молекул из отдельных блоков. Вначале идентифицировали соединение со сравнительно низкой молекулярной массой, которое по содержанию составляло основную часть нового наркотического средства. Установлено, что это анилид пропионовои кислоты (рис 3); по действию на человеческий организм это соединение, однако, никак нельзя было относить к смертельным ядам, поскольку для человеческого организма массой 70 кг летальной дозой является 770 г этого соединения. Возникло предположение, что в наркотическом средстве, которое состояло главным образом из анилида пропионовои кислоты, действующим началом является другой более сильно действующий наркотик, а анилид можно считать второстепенным компонентом, например, не до конца прореагировавшим исходным веществом.

Рис. 3. Структурная формула исходного вещества, которое используется при синтезе

наркотиков и остается в нем в виде значительной примеси

К сожалению, ни в одном атласе спектров не удалось найти спектра вещества, соответствующего более крупным молекулам и встречающегося в исследованном образце в небольшом количестве. В то же время результаты совмест­ного применения трех «главных» методов идентификации были отнюдь не однозначными и допускали сразу несколько вариантов структуры исследуемого вещества. Какой же из них соответствует истине? Ответ принес новый подход к идентификации. Называется этот подход встречным синтезом. Заключается он в следующем. Задавшись определенным набором структур, химики начинают синтезировать одну за другой молекулы с заранее заданным строением. Свойства каждого продукта синтеза изучают с помощью всевозможных физических методов и затем сравнивают со свойствами исследуемого вещества. Если налицо совпадение свойств, предположение о структуре подтверждается, если совпадения нет, приходится вновь начинать синтез и проводить новые сопоставления.