Удаление разветвленных и циклических соединений путем индукции мочевины для палеотермометрии Uk'37

Removal of Branched and Cyclic Compounds by Urea Adduction for U<sup>k’</sup><sub>37</sub> Paleothermometry
JoVE Science Education
Earth Science
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Science Education Earth Science
Removal of Branched and Cyclic Compounds by Urea Adduction for Uk’37 Paleothermometry

6,492 Views

07:52 min
February 27, 2015
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Overview

Источник: Лаборатория Джеффа Салакапа – Массачусетский университет в Амхерсте

Как упоминалось в предыдущих видео, продукт экстракции органическим растворителем, общий липидный экстракт (TLE), часто представляет собой сложную смесь сотен, если не тысяч, различных соединений. Исследователя часто интересует лишь горстка соединений. В случае с нашими двумя органическими палеотермометрами (Uk’37 и MBT/CBT), интерес представляют только 6 соединений (2 алкенона и 4 изопреноидальных тетраэфира глицерина диалкилглицерина). Как обсуждалось в предыдущих двух видеороликах этой серии, методы очистки могут применяться для того, чтобы уменьшить количество соединений в анализируемом образце. Эти методы могут химически изменять нежелательные компоненты (омыление), использовать преимущества различных химических составов (колоночная хроматография) или использовать различные формы и размеры молекул для включения или исключения определенных компонентов из анализа (аддукция мочевины). Атомная структура различных химических веществ приводит к тому, что некоторые органические соединения образуют длинные, узкие, прямые цепи (n-алканы и алкеноны), другие органические соединения образуют сложные циклические структуры, другие образуют сильно разветвленные структуры, а третьи образуют как циклические, так и разветвленные структуры (GDGT) (Рисунок 1). Различные формы и размеры соединений в образце могут быть использованы для их отделения друг от друга, во многом так же, как сортировщик монет разделяет монеты разных номиналов (размеров).

Figure 1
Рисунок 1. Сравнение различных химических структур. Декан — алкан с прямой цепью (А; от http://www.bpc.edu/mathscience/chemistry), циклогексан — циклический алкан (В; от http://www.bpc.edu/mathscience/chemistry), стероид — полициклический углеводород (С; от www.wikiwand.com) и 2,2-диметилбутан — разветвленный алкан (D; www.wikimedia.com). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Principles

Аддукция мочевины – это метод исключения размера, который отделяет прямолинейные или редко ветвящиеся структуры от сильно разветвленных и циклических структур. Это происходит из-за особой кристаллической структуры мочевины (рис. 2). Когда образуется кристалл мочевины, он создает крошечные пространства между отдельными кристаллами. Пространства длинные и узкие, средний диаметр составляет пять ангстрем (5 х 10-10 м). Эти пространства достаточно велики для того, чтобы включать в кристаллическую решетку соединения с прямой цепью или редко разветвляющиеся соединения, но слишком малы для сильно разветвленных или циклических структур. Таким образом, последние структуры исключаются. Затем кристаллы могут быть промыты, а сильно разветвленные или циклические структуры могут быть удалены из образца. Последующее растворение кристалла высвобождает соединения с прямой цепью и редко разветвляющиеся обратно в раствор, из которого они могут быть извлечены и проанализированы.

Figure 1

Рисунок 2. Изображение химической и кристаллической структуры мочевины. (из www.imgkid.com) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Аддукция мочевины — это метод, который отделяет алькеноны с прямой цепью от сильно разветвленных и циклических соединений.

Мочевина – это органическое соединение, которое образует пористую кристаллическую структуру. Кристалл может захватывать определенные молекулы, образуя аддукт, в то время как другие не могут поместиться в структуре.

Аддукция мочевины использует различные размеры и формы соединений для их разделения — подобно тому, как машина для подсчета монет сортирует банку с мелочью.

Это видео является частью серии о извлечении, очистке и анализе липидов из отложений. В нем будет проиллюстрировано использование аддукции мочевины для выполнения исключения из размера образца для алкеноновой палеотермометрии.

Аддукция мочевины – это метод очистки, основанный на исключении из размера. Он отделяет соединения с прямой цепью или редко ветвящиеся соединения, такие как н-алканы и алкеноны, от тех, которые являются сильно разветвленными и/или циклическими.

Это возможно благодаря особой кристаллической структуре мочевины. Когда образуется кристалл мочевины, между отдельными молекулами образуются крошечные пространства. Эти пространства длинные и узкие, поэтому в кристаллическую решетку могут помещаться соединения с прямой цепью или редко разветвляющиеся соединения, в то время как сильно разветвленные и циклические соединения слишком велики.

Затем кристаллы мочевины промываются аполярным растворителем, отделяя исключенные молекулы от включенных линейных. Отмытые молекулы могут быть экстрагированы и проанализированы напрямую, в то время как кристаллы должны быть растворены в воде, чтобы сначала высвободить линейные соединения обратно в раствор. Затем используется другой аполярный растворитель для извлечения нужных соединений из воды.

Как включенные, так и исключенные молекулы могут предоставить ценную информацию. Например, сильно разветвленные изопреноиды, производимые диатомовыми водорослями морского льда, могут быть показателем существования сезонного морского льда в высоких широтах. Циклические соединения могут отражать наличие прошлых пожаров. Алканы и алкеноны с прямой цепью являются распространенными показателями структуры экосистемы и температуры поверхности моря.

Очистка, обеспечиваемая аддукцией мочевины, не всегда необходима, так как некоторые представляющие интерес соединения могут быть проанализированы непосредственно из неизмененного экстрагированного органического образца. В крайних случаях, например, в отложениях, полученных в сильно загрязненных районах, таких как эстуарии вблизи промышленных центров, может потребоваться аддукция мочевины для удаления неизвестных соединений, которые коэлюируют во время анализа.

Теперь, когда вы понимаете, что такое приведение мочевины, вы готовы начать процедуру.

Для начала приобретите высушенный экстракт общего липида (TLE), который был извлечен из образца и очищен с помощью омыления и колоночной хроматографии.

Далее приготовьте растворы для приведения мочевины, как указано в текстовом протоколе. Убедитесь, что все компоненты чистые и не содержат углеводородов.

Суспендируйте образец в 1,5 мл раствора DCM/гексана. Если TLE растворяется не полностью, ультразвуком в течение 5 мин. Добавьте по 1,5 мл раствора мочевины и метанола. Следите за образованием белого осадка, так как это сигнализирует о создании кристаллов мочевины. Далее аккуратно высушите кристаллы мочевины под азотом, используя слабый нагрев. Обязательно выпарите весь растворитель. Как только кристаллы полностью высохнут, промойте их 3 раза примерно 1 мл гексана. Используйте стеклянную пипетку, чтобы удалить гексан между каждым полосканием, и переложите его в свежий флакон. Это помечено как «без аддукта». Далее растворите кристаллы в 2 мл чистой воды. Встряхните, чтобы обеспечить полное растворение.

Чтобы извлечь биомаркеры из добавленной воды, добавьте 1 мл гексана, колпачок и осторожно встряхивайте в течение 5 секунд.

Дайте раствору отдохнуть до полного отделения гексана и воды. Затем с помощью стеклянной пипетки удалите примерно 75% гексана и переложите его в новый флакон. Это называется «аддуктом».

Повторите этот процесс экстракции дважды, каждый раз добавляя 1 мл гексана. Соедините три аддуктов в один флакон. Слейте воду и раствор мочевины в соответствующий контейнер для отходов. Теперь образец готов к анализу.

Аддукция мочевины имеет несколько применений для разделения и очистки органических молекул.

Изотоп – это вариант химического элемента, который различается по количеству нейтронов, а значит, различается по своей атомной массе. Элемент может иметь несколько изотопов, каждый из которых имеет разную массу. Изотопы также могут иметь химические и молекулярные свойства, которые отличаются друг от друга, поэтому может быть важно определить, какие изотопы присутствуют в конкретном образце. В этом примере были измерены соотношения изотопов углерода и водорода в воске листьев, чтобы собрать информацию о метаболических путях растения. Для определения соотношения изотопов требуется очень большое количество материала, и соединения, которые имеют аналогичные обнаружения при низких концентрациях, могут перекрываться при анализе больших количеств.

Поэтому для отделения представляющих интерес н-алканов от любых интерферирующих соединений использовали аддукцию мочевины. Удаление этих нежелательных материалов позволило определить точное соотношение изотопов.

Нефть представляет собой сложную смесь углеводородов, каждая из которых обладает уникальными свойствами и применением. Отделение этих соединений от нефти очень важно в химической промышленности – алканы с разветвленной цепью часто используются в качестве легких смазочных материалов, в то время как алканы с прямой цепью в основном используются в процессах алкилирования. В этом примере для отделения алканов от керосина использовалась аддукция мочевины. Используя последовательную серию аддуктов мочевины, эти алканы отделяли от керосина с чистотой 99 процентов.

Вы только что посмотрели представление компании JoVE об очистке сложных органических смесей с помощью аддукции мочевины. Теперь вы должны понимать исключение из размера, важность очистки образцов для точного измерения компонентов и аддукцию мочевины.

Спасибо за просмотр!

Procedure

1. Настройка и подготовка материалов

  1. Получить общий липидный экстракт (TLE) с помощью метода экстракции растворителем (Sonation, Soxhlet или Accelerated Solvent Extraction (ASE)).
  2. Приобретайте следующие материалы в любом розничном магазине химической продукции: пипетки и лампы из боросиликатного стекла; чистая вода; гексан; Дихлорметан (ДХМ); метанол; мочевина.
    1. Реагенты должны быть чистыми и не содержать углеводородов. В качестве альтернативы чистая вода может быть получена в лаборатории с использованием системы очистки воды.
  3. Получите флаконы из боросиликатного стекла объемом 4 мл с крышками, покрытыми ПТФЭ.

2. Методы

  1. Приготовьте смесь 2:1 DCM:Hexane (v:v).
    1. В колбе Эрленмейера смешайте 200 мл DCM и 100 мл гексана.
  2. Сделайте смесь мочевины в метаноле (100 мг/мл).
    1. Налейте 300 мл метанола в колбу Эрленмейера.
    2. Добавьте 300 мг мочевины.
    3. Перемешивайте на автоматической мешалке до полного растворения мочевины.
  3. Начните с сухого образца во флаконе объемом 4 мл.
  4. Суспендируйте образец в 1,5 мл смеси DCM:Hexane (v:v) в соотношении 2:1.
    1. Если образец растворяется не полностью, проводить ультразвуковую обработку в течение 5 мин.
  5. К этой смеси добавьте 1,5 мл мочевины в метаноле.
    1. После этого добавления следите за тем, чтобы образовался белый осадок. Это сигнализирует о создании кристаллов мочевины.
  6. Аккуратно высушите кристаллы под азотом, используя слабый нагрев. Убедитесь, что весь растворитель испарился, прежде чем переходить к следующему этапу.
  7. Промойте кристаллы 3 раза примерно 1 мл гексана. Удаляйте гексан между каждым полосканием с помощью стеклянной пипетки, чтобы перелить его во флакон с надписью «без аддукта».
  8. Растворите кристаллы в 2 мл чистой воды. Встряхните, чтобы обеспечить полное растворение.
  9. Экстрагируйте водную фазу гексаном, добавив 1 мл и осторожно встряхивая в течение 5 с.
  10. Дайте гексану и воде полностью разделиться, прежде чем удалить примерно 75% гексана с помощью стеклянной пипетки и переложить его во флакон с надписью «аддук».
  11. Повторите шаг 2.10 дважды.
  12. Слейте воду и раствор мочевины в соответствующий контейнер для отходов.

Аддукция мочевины — это метод, который отделяет алькеноны с прямой цепью от сильно разветвленных и циклических соединений.

Мочевина – это органическое соединение, которое образует пористую кристаллическую структуру. Кристалл может захватывать определенные молекулы, образуя аддукт, в то время как другие не могут поместиться в структуре.

Аддукция мочевины использует различные размеры и формы соединений для их разделения — подобно тому, как машина для подсчета монет сортирует банку с мелочью.

Это видео является частью серии о извлечении, очистке и анализе липидов из отложений. В нем будет проиллюстрировано использование аддукции мочевины для выполнения исключения из размера образца для алкеноновой палеотермометрии.

Аддукция мочевины – это метод очистки, основанный на исключении из размера. Он отделяет соединения с прямой цепью или редко ветвящиеся соединения, такие как н-алканы и алкеноны, от тех, которые являются сильно разветвленными и/или циклическими.

Это возможно благодаря особой кристаллической структуре мочевины. Когда образуется кристалл мочевины, между отдельными молекулами образуются крошечные пространства. Эти пространства длинные и узкие, поэтому в кристаллическую решетку могут помещаться соединения с прямой цепью или редко разветвляющиеся соединения, в то время как сильно разветвленные и циклические соединения слишком велики.

Затем кристаллы мочевины промываются аполярным растворителем, отделяя исключенные молекулы от включенных линейных. Отмытые молекулы могут быть экстрагированы и проанализированы напрямую, в то время как кристаллы должны быть растворены в воде, чтобы сначала высвободить линейные соединения обратно в раствор. Затем используется другой аполярный растворитель для извлечения нужных соединений из воды.

Как включенные, так и исключенные молекулы могут предоставить ценную информацию. Например, сильно разветвленные изопреноиды, производимые диатомовыми водорослями морского льда, могут быть показателем существования сезонного морского льда в высоких широтах. Циклические соединения могут отражать наличие прошлых пожаров. Алканы и алкеноны с прямой цепью являются распространенными показателями структуры экосистемы и температуры поверхности моря.

Очистка, обеспечиваемая аддукцией мочевины, не всегда необходима, так как некоторые представляющие интерес соединения могут быть проанализированы непосредственно из неизмененного экстрагированного органического образца. В крайних случаях, например, в отложениях, полученных в сильно загрязненных районах, таких как эстуарии вблизи промышленных центров, может потребоваться аддукция мочевины для удаления неизвестных соединений, которые коэлюируют во время анализа.

Теперь, когда вы понимаете, что такое приведение мочевины, вы готовы начать процедуру.

Для начала приобретите высушенный экстракт общего липида (TLE), который был извлечен из образца и очищен с помощью омыления и колоночной хроматографии.

Далее приготовьте растворы для приведения мочевины, как указано в текстовом протоколе. Убедитесь, что все компоненты чистые и не содержат углеводородов.

Суспендируйте образец в 1,5 мл раствора DCM/гексана. Если TLE растворяется не полностью, ультразвуком в течение 5 мин. Добавьте по 1,5 мл раствора мочевины и метанола. Следите за образованием белого осадка, так как это сигнализирует о создании кристаллов мочевины. Далее аккуратно высушите кристаллы мочевины под азотом, используя слабый нагрев. Обязательно выпарите весь растворитель. Как только кристаллы полностью высохнут, промойте их 3 раза примерно 1 мл гексана. Используйте стеклянную пипетку, чтобы удалить гексан между каждым полосканием, и переложите его в свежий флакон. Это помечено как «без аддукта». Далее растворите кристаллы в 2 мл чистой воды. Встряхните, чтобы обеспечить полное растворение.

Чтобы извлечь биомаркеры из добавленной воды, добавьте 1 мл гексана, колпачок и осторожно встряхивайте в течение 5 секунд.

Дайте раствору отдохнуть до полного отделения гексана и воды. Затем с помощью стеклянной пипетки удалите примерно 75% гексана и переложите его в новый флакон. Это называется «аддуктом».

Повторите этот процесс экстракции дважды, каждый раз добавляя 1 мл гексана. Соедините три аддуктов в один флакон. Слейте воду и раствор мочевины в соответствующий контейнер для отходов. Теперь образец готов к анализу.

Аддукция мочевины имеет несколько применений для разделения и очистки органических молекул.

Изотоп – это вариант химического элемента, который различается по количеству нейтронов, а значит, различается по своей атомной массе. Элемент может иметь несколько изотопов, каждый из которых имеет разную массу.  Изотопы также могут иметь химические и молекулярные свойства, которые отличаются друг от друга, поэтому может быть важно определить, какие изотопы присутствуют в конкретном образце. В этом примере были измерены соотношения изотопов углерода и водорода в воске листьев, чтобы собрать информацию о метаболических путях растения. Для определения соотношения изотопов требуется очень большое количество материала, и соединения, которые имеют аналогичные обнаружения при низких концентрациях, могут перекрываться при анализе больших количеств.

Поэтому для отделения представляющих интерес н-алканов от любых интерферирующих соединений использовали аддукцию мочевины. Удаление этих нежелательных материалов позволило определить точное соотношение изотопов.

Нефть представляет собой сложную смесь углеводородов, каждая из которых обладает уникальными свойствами и применением. Отделение этих соединений от нефти очень важно в химической промышленности – алканы с разветвленной цепью часто используются в качестве легких смазочных материалов, в то время как алканы с прямой цепью в основном используются в процессах алкилирования. В этом примере для отделения алканов от керосина использовалась аддукция мочевины. Используя последовательную серию аддуктов мочевины, эти алканы отделяли от керосина с чистотой 99 процентов.

Вы только что посмотрели представление компании JoVE об очистке сложных органических смесей с помощью аддукции мочевины. Теперь вы должны понимать исключение из размера, важность очистки образцов для точного измерения компонентов и аддукцию мочевины.

Спасибо за просмотр!

Results

При этой технике очистки получаются два разных флакона; Один меченый аддукт, содержащий соединения с прямой цепью и редко ветвящиеся, а другой меченый неаддукт, содержащий сильно разветвленные и циклические соединения. Эта процедура значительно упростила любой образец, подлежащий анализу с помощью прибора. Такое снижение сложности часто имеет решающее значение для точного анализа целевых соединений. Например, в прибрежных районах примерно после 1850 года алкеноны коэлюируются с проблемными соединениями, якобы загрязняющими веществами, введенными после промышленной революции, которые не удаляются только с помощью колоночной хроматографии или омыления. По-видимому, загрязняющие вещества являются цикличными или разветвленными, потому что аддукция мочевины удаляет их из пробы. Первые 160 лет некоторых из этих архивов осадочных пород могут быть с уверенностью проанализированы на Uk’37 только из-за применения аддукции мочевины.

Applications and Summary

Urea adduction is often used in the purification of n-alkanes, common constituents of leaf wax, in order to remove co-eluting compounds before isotope analysis. The carbon and hydrogen isotope ratios of leaf waxes in plants contain information on the metabolic pathways and environmental conditions the plant used and lived in, respectively. In order to determine the isotope ratios, very large quantities of compound must be loaded onto a GC. Such large quantities often cause compounds that elute close to one another at lower concentrations to co-elute. Often, the compounds co-eluting with alkanes are branched or cyclic moieties of that alkane and can thus be removed using urea adduction.

Transcript

Аддукция мочевины — это метод, который отделяет алькеноны с прямой цепью от сильно разветвленных и циклических соединений.

Мочевина – это органическое соединение, которое образует пористую кристаллическую структуру. Кристалл может захватывать определенные молекулы, образуя аддукт, в то время как другие не могут поместиться в структуре.

Аддукция мочевины использует соединения различных размеров и форм для их разделения ? Подобно тому, как машина для подсчета монет будет сортировать банку с мелочью.

Это видео является частью серии статей об экстракции, очистке и анализе липидов из отложений. В нем будет проиллюстрировано использование аддукции мочевины для выполнения исключения из размера образца для алкеноновой палеотермометрии.

Аддукция мочевины – это метод очистки, основанный на исключении из размера. Он разделяет прямоцепочечные или редко ветвящиеся соединения ? Такие как N-алканы и алкеноны – из тех, которые сильно разветвлены и/или цикличны. ? ? ? ??

Это возможно благодаря особой кристаллической структуре мочевины. Когда образуется кристалл мочевины, между отдельными молекулами образуются крошечные пространства. Эти пространства длинные и узкие, поэтому в кристаллическую решетку могут поместиться соединения с прямой цепью или редко разветвляющиеся соединения, в то время как сильно разветвленные и циклические соединения слишком велики.

Затем кристаллы мочевины промывают аполярным растворителем, отделяя исключенные молекулы от включенных линейных. Отмытые молекулы могут быть экстрагированы и проанализированы напрямую, в то время как кристаллы должны быть растворены в воде, чтобы сначала высвободить линейные соединения обратно в раствор. Затем используется другой аполярный растворитель для извлечения нужных соединений из воды.

Как включенные, так и исключенные молекулы могут предоставить ценную информацию. Например, сильно разветвленные изопреноиды, производимые диатомовыми водорослями морского льда, могут быть показателем существования сезонного морского льда в высоких широтах. Циклические соединения могут отражать наличие прошлых пожаров. Алканы и алкеноны с прямой цепью являются распространенными показателями структуры экосистемы и температуры поверхности моря.

Очистка, обеспечиваемая аддукцией мочевины, не всегда необходима, так как некоторые представляющие интерес соединения могут быть проанализированы непосредственно из неизмененного экстрагированного органического образца. В крайних случаях, например, в отложениях, полученных в сильно загрязненных районах, таких как эстуарии вблизи промышленных центров, может потребоваться аддукция мочевины для удаления неизвестных соединений, которые коэлюируют во время анализа.

Теперь, когда вы понимаете, что такое приведение мочевины, вы готовы начать процедуру.

Для начала приобретите высушенный экстракт общих липидов? или TLE ? Он был извлечен из образца и очищен с помощью омыления и колоночной хроматографии.

Далее приготовьте растворы для приведения мочевины, как указано в текстовом протоколе. Убедитесь, что все компоненты чистые и не содержат углеводородов.

Суспендируйте образец в 1,5 мл раствора DCM/гексана. Если TLE растворяется не полностью, ультразвуком в течение 5 мин. Добавьте по 1,5 мл раствора мочевины и метанола. Следите за образованием белого осадка, так как это сигнализирует о создании кристаллов мочевины. Далее аккуратно высушите кристаллы мочевины под азотом, используя слабый нагрев. Обязательно выпарите весь растворитель. Как только кристаллы полностью высохнут, промойте их 3 раза примерно 1 мл гексана. Используйте стеклянную пипетку, чтобы удалить гексан между каждым полосканием, и переложите его в свежий флакон. Это помечено как «без аддукта». Далее растворите кристаллы в 2 мл чистой воды. Встряхните, чтобы обеспечить полное растворение.

Чтобы извлечь биомаркеры из добавленной воды, добавьте 1 мл гексана, колпачок и осторожно встряхивайте в течение 5 с.

Дайте раствору отстояться, пока гексан и вода полностью не разделятся. Затем с помощью стеклянной пипетки удалите примерно 75% гексана и переложите его в новый флакон. Это называется «аддуктом».

Повторите этот процесс экстракции дважды, каждый раз добавляя 1 мл гексана. Соедините три аддуктов в один флакон. Слейте воду и раствор мочевины в соответствующий контейнер для отходов. Теперь образец готов к анализу.

Аддукция мочевины имеет несколько применений для разделения и очистки органических молекул.

Изотоп – это вариант химического элемента, который различается по количеству нейтронов, а значит, различается по своей атомной массе. Элемент может иметь несколько изотопов, каждый из которых имеет разную массу. Изотопы также могут иметь химические и молекулярные свойства, которые отличаются друг от друга, поэтому может быть важно определить, какие изотопы присутствуют в конкретном образце. В этом примере соотношение изотопов углерода и водорода в воске листьев было измерено для того, чтобы собрать информацию о метаболических путях растения. Для определения изотопных соотношений требуется очень большое количество материала, а соединения, которые обнаруживают аналогичные вещества при низких концентрациях, могут перекрываться при анализе больших количеств.

Поэтому для отделения представляющих интерес н-алканов от любых интерферирующих соединений использовали аддукцию мочевины. Удаление этих нежелательных материалов позволило определить точное соотношение изотопов.

Нефть представляет собой сложную смесь углеводородов, каждая из которых обладает уникальными свойствами и применением. Отделение этих соединений от нефти очень важно в химической промышленности – алканы с разветвленной цепью часто используются в качестве легких смазочных материалов, в то время как алканы с прямой цепью в основном используются в процессах алкилирования. В этом примере для отделения алканов от керосина использовалась аддукция мочевины. Используя последовательную серию аддуктов мочевины, эти алканы отделяли от керосина с чистотой 99 процентов.

Вы только что посмотрели представление JoVE об очистке сложных органических смесей с помощью аддукции мочевины. Теперь вы должны понимать исключение из размера, важность очистки образцов для точного измерения компонентов и аддукцию мочевины.

Спасибо за просмотр!