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Entfernung von verzweigten und zyklischen Verbindungen durch Harnstoff-Adduktion für die U^k'₃₇-Paläothermometrie

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Removal of Branched and Cyclic Compounds by Urea Adduction for U^k’₃₇ Paleothermometry

3.8: An Overview of bGDGT Biomarker Analysis for Paleoclimatology

6,405 Views

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07:52 min

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April 30, 2023

Overview

Quelle: Labor von Jeff Salacup – University of Massachusetts Amherst

Wie bereits in vorherigen Videos, das Produkt ein Bio solvent-Extraktion, ist ein totale Lipid-Extrakt (TLE), oft eine komplexe Mischung von Hunderten, wenn nicht Tausende von verschiedenen Verbindungen. Der Forscher ist oft nur eine Handvoll Verbindungen interessiert. Bei unseren zwei Bio-Paleothermometers (U^k’₃₇ und MBT/CBT), das Interesse ist in nur 6 Verbindungen (2 Alkenone und 4 isoprenoider Glycerin Dialkylcarbonat Glycerin Tetraethers). Wie in den vorherigen zwei Videos in dieser Serie besprochen, können Reinigungstechniken angewendet werden, um die Anzahl der Verbindungen in einer untersuchten Probe pare. Diese Techniken können chemisch verändern die unerwünschten Komponenten (Verseifung), profitieren Sie von den verschiedenen zusammengesetzten Chemikalien (Säulenchromatographie) oder die verschiedenen Formen und Größen der Moleküle oder Ausschließen bestimmter Komponenten aus der Analyse (Harnstoff Adduktion). Die atomare Struktur von verschiedenen Chemikalien führt einige organischen Verbindungen zu bilden lange, schmale, gerade Ketten (n-Alkane und Alkenone), andere organischen Verbindungen zu komplexen zyklischen Strukturen, andere zu stark verzweigte Strukturen, und wieder andere bilden beide zyklischen und verzweigte Strukturen (GDGTs) (Abbildung 1). Die verschiedenen Formen und Größen der Verbindungen in einer Probe können verwendet werden, um sie voneinander zu trennen, in der gleichen Weise, wie ein Coin Sorter Münzen der verschiedenen Konfessionen (Größen) trennt.

Abbildung 1: Vergleich der verschiedenen chemischen Strukturen. Decane, einen geraden angekettet Alkan (A; von aus http://www.bpc.edu/mathscience/chemistry), Cyclohexan, eine zyklische Alkan (B; aus http://www.bpc.edu/mathscience/chemistry), ein Steroid, Poly-zyklischer Kohlenwasserstoff (C; aus www.wikiwand.com), und 2,2-Dimethylbutane, ein verzweigtes Alkan (D; www.wikimedia.com). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Principles

Harnstoff Adduktion ist eine Größe-Ausschluss-Technik, die gerade angekettet oder nur selten Verzweigungen Strukturen von stark verzweigte und zyklische Strukturen trennt. Dies geschieht aufgrund der besonderen Kristallstruktur von Harnstoff (Abbildung 2). Wenn ein Harnstoff Kristallformen schafft es winzige Zwischenräume zwischen den einzelnen Kristallen. Die Räume sind lang und schmal mit einem mittleren Durchmesser von fünf Angström (5 x 10^-10 m). Diese Räume sind groß genug, um gerade Kette oder nur selten Verzweigungen Verbindungen in das Kristallgitter, aber zu klein für stark verzweigt oder zyklische Strukturen integrieren. Diesen Strukturen sind somit ausgeschlossen. Die Kristalle können dann gewaschen werden, und die stark verzweigt oder zyklische Strukturen können die Probe entnommen werden. Anschließende Auflösung des Kristalls löst die geraden angekettet und nur selten Verzweigungen Verbindungen wieder in die Lösung, aus der sie extrahiert und analysiert werden können.

Abbildung 2: Darstellung der chemischen und Kristall Struktur der Harnstoff. (von www.imgkid.com) Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Harnstoff Adduktion ist eine Technik, die sehr verzweigte und zyklische Verbindungen gerade angekettet Alkenone trennt.

Harnstoff ist eine organische Verbindung, die eine poröse kristalline Struktur bildet. Der Kristall kann bestimmte Moleküle bilden ein Addukt, während andere nicht innerhalb der Struktur passen Falle.

Harnstoff Adduktion nutzt die verschiedenen Größen und Formen von Verbindungen trennen sie – ähnlich wie eine Münze Maschine zählen ein Glas mit Kleingeld sortiert werden.

Dieses Video ist Teil einer Serie über Lipid-Extraktion, Reinigung und Analyse von Sedimenten. Es wird die Verwendung von Harnstoff Adduktion Ausführung Größe Ausgrenzung Reinigung an eine Probe für Alkenone Paleothermometry veranschaulichen.

Harnstoff Adduktion ist eine Reinigung-Methode basiert auf Größe Ausgrenzung. Es trennt gerade angekettet oder nur selten Verzweigungen Verbindungen – wie n-Alkanen und Alkenone – von denen, die stark verzweigt und/oder zyklische sind.

Dies ist möglich aufgrund der Harnstoff spezielle kristalline Struktur. Wenn ein Harnstoff Kristallformen entstehen winzige Räume zwischen den einzelnen Molekülen. Diese Räume sind lang und schmal – also gerade Kette oder nur selten Verzweigungen Verbindungen können in das Kristallgitter passen, während stark verzweigte und zyklische Verbindungen zu groß sind.

Die Harnstoff-Kristalle werden dann mit einem apolaren Lösungsmittel, trennt die ausgeschlossenen Moleküle von den enthalten lineare gewaschen. Die gewaschenen Moleküle können extrahiert und analysiert direkt, während die Kristalle in Wasser, lösen Sie die lineare Verbindungen wieder in Lösung zuerst gelöst werden müssen. Einem anderen apolaren Lösungsmittel wird dann verwendet, um die gewünschten Verbindungen aus dem Wasser zu extrahieren.

Die eingeschlossen und ausgeschlossen Moleküle können wertvolle Informationen liefern. Beispielsweise können stark verzweigten Isoprenoids, produziert von Meer Eis Diatomeen, einen Proxy für die Existenz von saisonalen Meereis in hohen Breitengraden werden. Zyklische Verbindungen können das Vorhandensein von vergangenen Bränden widerspiegeln. Gerade angekettet Alkane und Alkenone sind gemeinsame Proxies für Struktur und Meer Oberflächentemperatur Ökosystem.

Die Reinigung von Harnstoff Adduktion bereitgestellt ist nicht immer notwendig, da einige Verbindungen des Interesses direkt aus der unveränderten extrahierten organischen Probe analysiert werden können. In extremen Fällen – wie z. B. in Sedimenten von hoch belasteten Bereichen, wie Flussmündungen in der Nähe von industriellen Zentren – erworben eventuell eine Harnstoff-Adduktion unbekannte Verbindungen zu entfernen, die während der Analyse coelute.

Jetzt, wo Sie Harnstoff Adduktion verstehen, sind Sie bereit, das Verfahren zu beginnen.

Zunächst erwerben Sie eine getrocknete insgesamt Lipid-Extrakt – oder TLE –, der die Probe entnommen und mit Verseifung und Spalte Chromatographie gereinigt wurde.

Als nächstes bereiten Sie den Harnstoff Adduktion Lösungen wie im Text Protokoll beschrieben. Stellen Sie sicher, dass alle Komponenten rein und frei von Kohlenwasserstoffen sind.

Unterbrechen Sie die Probe in 1,5 mL der Lösung DCM/Hexan. Wenn die TLE nicht vollständig löst, beschallen Sie für 5 min. Add 1,5 mL Methanol-Harnstoff-Lösung. Sehen Sie für die Bildung von einen weißen Niederschlag, wie dies die Schaffung von Harnstoff Kristalle signalisiert. Als nächstes trocknen Sie sanft die Harnstoff-Kristalle unter Stickstoff, mit sanfter Wärme. Achten Sie darauf, alle die Lösungsmittel verdunsten. Sobald die Kristalle vollständig getrocknet sind, spülen Sie sie 3-Mal mit etwa 1 mL Hexan. Das Hexan zwischen jedem Spülen entfernen mit einer Glaspipette, und übertragen Sie es auf ein frisches Fläschchen. Dies ist mit der Bezeichnung der “nicht-Addukt”. Als nächstes lösen sich die Kristalle in 2 mL reines Wasser. Schütteln Sie, um vollständige Auflösung zu gewährleisten.

Um die Biomarker von der Zugabe von Wasser zu extrahieren, geben Sie 1 mL Hexan, Kappe und schütteln für 5 s.

Lassen Sie die Lösung zu ruhen, bis das Hexan und Wasser vollständig zu trennen. Dann mit einer Glaspipette, etwa 75 % der das Hexan zu entfernen und in ein neues Fläschchen zu übertragen. Dies ist mit der Bezeichnung die “Addukt”.

Wiederholen Sie diese Extraktion zweimal, 1 mL Hexan jedes Mal hinzufügen. Kombinieren Sie die drei Addukte in einer Durchstechflasche. Die Wasser und Harnstoff Lösung in einen geeigneten Abfallbehälter entsorgen. Die Probe ist nun bereit für die Analyse.

Harnstoff Adduktion hat mehrere Anwendungen in der Trennung und Reinigung von organischen Molekülen.

Ein Isotop ist eine Variante des ein chemisches Element, das unterscheidet sich in der Menge der Neutronen, und unterscheidet sich damit in die Atommasse. Ein Element kann mehrere Isotope, jeder mit einer anderen Masse haben. Isotope haben auch chemische und molekularen Eigenschaften, die sich voneinander unterscheiden, so ist es wichtig zu bestimmen, welche Isotope in einer bestimmten Probe vorhanden sind. In diesem Beispiel wurden die Kohlenstoff und Wasserstoff Isotopenverhältnisse im Blatt Wachse gemessen, um Informationen über eine Pflanze Stoffwechselwege zu sammeln. Sehr große Mengen an Material sind erforderlich, um Isotopenverhältnisse bestimmen, und Verbindungen, die ähnliche Entdeckungen in geringen Konzentrationen können sich überschneiden, wenn große Mengen analysiert werden.

Daher wurde Harnstoff Adduktion verwendet, um die n-Alkane von Interesse von jedem störenden Verbindungen trennen. Entfernen diese unerwünschten Materialien erlaubt eine genaue Isotopenverhältnis ermittelt werden.

Erdöl ist ein komplexes Gemisch von Kohlenwasserstoffen, jede mit einzigartigen Eigenschaften und Verwendungen. Die Trennung dieser Verbindungen aus Erdöl ist sehr wichtig in der chemischen Industrie – verzweigtkettigen Alkane werden oft als leichtes Schmiermittel verwendet, während gerade-Chain Alkane hauptsächlich in Alkylierung Prozesse eingesetzt werden. In diesem Beispiel wurde Harnstoff Adduktion zur Alkane von Kerosin zu trennen. Verwenden eine aufeinanderfolgende Reihe von Harnstoff Adductions, wurden diese Alkane von Kerosin zu einer Reinheit von 99 Prozent getrennt.

Sie habe nur Jupiters Einführung in die Reinigung von komplexen organischen Gemischen über Harnstoff Adduktion beobachtet. Sie sollten jetzt Größe Ausgrenzung, die Bedeutung der Reinigung von Proben für genaue Bauteilvermessung und Harnstoff Adduktion verstehen.

Danke fürs Zuschauen!

Procedure

1. Setup und Vorbereitung der Materialien

Erhalten Sie eine totale Lipid Extrakt (TLE) Lösemittelextraktion Verfahren (Ultraschall, Soxhlet oder beschleunigte Lösungsmittel Extraktion (ASE)).
Die folgenden Materialien bei jedem chemischen Händler erwerben: verbrannt Borosilikat Glas, Pipetten und Birnen; reines Wasser; Hexan; Dichlormethan (DCM); Methanol; Harnstoff.
1. Die Reagenzien sollte rein und frei von Kohlenwasserstoffen. Alternativ kann reines Wasser in einem Labor mit einer Wasseraufbereitungsanlage erfolgen.
Erhalten Sie Borosilikatglas 4 mL Fläschchen mit PTFE-ausgekleidet Kappen.

(2) Methoden

Machen Sie eine Mischung von 2:1 DCM:Hexane (V: V).
1. Mischen Sie in einem Erlenmeyerkolben 200 mL von DCM und 100 mL Hexan.
Machen Sie eine Mischung von Harnstoff in Methanol (100 mg/mL).
1. Ein Erlenmeyerkolben Gießen Sie 300 mL Methanol.
2. Fügen Sie 300 mg Harnstoff.
3. Unter Rühren auf eine automatische Platte Rühren der Harnstoff vollständig gelöst ist.
Beginnen Sie mit der trockenen Probe in einem 4-mL-Fläschchen.
Unterbrechen Sie die Probe in 1,5 mL einer 2:1-Mischung aus DCM:Hexane (V: V).
1. Wenn die Probe nicht vollständig löst, für 5 min beschallen.
Diese Mischung fügen Sie 1,5 mL von Harnstoff in Methanol hinzu.
1. Achten Sie nach dieser Zusatz auf einen weißen Niederschlag zu bilden. Dies signalisiert die Schaffung von Harnstoff Kristalle.
Trocknen Sie schonend die Kristalle unter Stickstoff, mit sanfter Wärme. Stellen Sie sicher, alle Lösungsmittel verdunstet ist, bevor Sie mit dem nächsten Schritt fortfahren.
Spülen Sie die Kristalle 3 X mit ca. 1 mL Hexan. Entfernen Sie das Hexan zwischen jedem Spülen mit einer Glaspipette übertragen in ein Fläschchen mit der Bezeichnung “nicht-Addukt.”
Lösen sich die Kristalle in 2 mL reines Wasser. Schütteln Sie, um vollständige Auflösung zu gewährleisten.
Extrahieren die wässrige Phase mit Hexan durch Hinzufügen von 1 mL und sanft schütteln für 5 s.
Ermöglichen Sie das Hexan und Wasser, völlig getrennt vor dem Entfernen von etwa 75 % der das Hexan mit einer Glaspipette und übertragen sie in ein Fläschchen mit der Aufschrift “Addukt.”
Wiederholen Sie Schritt 2.10 zweimal.
Die Wasser und Harnstoff Lösung in einen geeigneten Abfallbehälter entsorgen.

Results

Diese Reinigung Technik produziert zwei verschiedene Fläschchen; eine mit der Bezeichnung Addukt, mit geraden angekettet und nur selten Verzweigungen Verbindungen, und eine andere mit der Bezeichnung nicht Addukt, stark verzweigte und zyklische Verbindungen enthalten. Dieses Verfahren hat sich die Komplexität einer Probe auf einem Instrument analysiert werden erheblich verringert. Diese Abnahme der Komplexität ist oft entscheidend für die genaue Analyse der Ziel-Verbindungen. Z. B. eluieren Co in Nearshore-Einstellungen nach ca. 1850 Alkenone mit lästigen Verbindungen, angeblich Schadstoffe eingeführt, nach der industriellen Revolution, die mit Säulenchromatographie oder Verseifung allein nicht entfernt werden. Offenbar sind die Schadstoffe zyklische oder verzweigt, weil Harnstoff Adduktion aus der Probe entfernt. Oben 160 Jahren von einigen dieser Sedimente Archive analysiert werden kann getrost für U^k’₃₇ nur aufgrund der Anwendung von Harnstoff Adduktion.

Applications and Summary

Harnstoff Adduktion ist oft bei der Reinigung von n-Alkanen, gemeinsame Bestandteile der Blatt Wachs verwendet, um Co Medikamentenfreisetzende Verbindungen vor Isotopenanalyse entfernen. Kohlenstoff und Wasserstoff Isotopenverhältnisse von Blatt wachsen in Pflanzen enthalten Informationen über die Stoffwechselwege und Umweltbedingungen die Pflanze verwendet und lebte in, bzw.. Für die Ermittlung der Isotopenverhältnisse müssen sehr große Mengen der Substanz auf eine GC geladen werden. So großen Mengen verursachen häufig Verbindungen, die nahe beieinander liegen bei niedrigeren Konzentrationen an Co eluieren eluieren. Oft, die Verbindungen zusammen mit Alkanen eluierenden sind verzweigte oder zyklische Moieties von, dass Alkan und können somit mit Harnstoff Adduktion entfernt werden.

Transcript

Urea adduction is a technique that separates straight-chained alkenones from highly-branched and cyclic compounds.

Urea is an organic compound that forms a porous crystalline structure. The crystal can trap certain molecules, forming an adduct, while others can’t fit within the structure.

Urea adduction utilizes the different sizes and shapes of compounds to separate them – similar to how a coin counting machine will sort a jar of loose change.

This video is part of a series on lipid extraction, purification, and analysis from sediments. It will illustrate the use of urea adduction to perform size exclusion purification on a sample for alkenone paleothermometry.

Urea adduction is a purification method based on size exclusion. It separates straight-chained or rarely-branching compounds – such as n-alkanes and alkenones – from those that are highly-branched and/or cyclic.

This is possible because of urea’s special crystalline structure. When a urea crystal forms, tiny spaces are created between the individual molecules. These spaces are long and narrow – so straight-chain or rarely-branching compounds can fit into the crystal lattice, while highly-branched and cyclic compounds are too large.

The urea crystals are then washed with an apolar solvent, separating the excluded molecules from the included linear ones. The washed molecules can be extracted and analyzed directly, while the crystals must be dissolved in water to release the linear compounds back into solution first. Another apolar solvent is then used to extract the desired compounds from the water.

Both the included and excluded molecules can provide valuable information. For example, highly branched isoprenoids, produced by sea ice diatoms, can be a proxy for the existence of seasonal sea ice at high latitudes. Cyclic compounds may reflect the presence of past fires. Straight chained alkanes and alkenones are common proxies for ecosystem structure and sea surface temperature.

The purification provided by urea adduction is not always necessary, as some compounds of interest can be analyzed directly from the unaltered extracted organic sample. In extreme cases – such as in sediments acquired from highly polluted areas, like estuaries near industrial centers – a urea adduction may be necessary to remove unknown compounds that coelute during analysis.

Now that you understand urea adduction, you are ready to begin the procedure.

To begin, acquire a dried total lipid extract – or TLE – that has been extracted from the sample and purified with saponification and column chromatography.

Next, prepare the urea adduction solutions as outlined in the text protocol. Ensure that all components are pure and free of hydrocarbons.

Suspend the sample in 1.5 mL of the DCM/hexane solution. If the TLE does not completely dissolve, sonicate for 5 min. Add 1.5 mL of the urea and methanol solution. Watch for the formation of a white precipitate, as this signals the creation of urea crystals. Next, gently dry the urea crystals under nitrogen, using gentle heat. Be sure to evaporate all of the solvent. Once the crystals are completely dried, rinse them 3 times with approximately 1 mL of hexane. Use a glass pipette to remove the hexane between each rinse, and transfer it to a fresh vial. This is labeled the “non-adduct”. Next, dissolve the crystals in 2 mL of pure water. Shake to ensure complete dissolution.

To extract the biomarkers from the added water, add 1 mL of hexane, cap, and gently shake for 5 s.

Allow the solution to rest until the hexane and water separate completely. Then, using a glass pipette, remove approximately 75% of the hexane and transfer it into a new vial. This is labeled the “adduct”.

Repeat this extraction process twice, adding 1 mL of hexane each time. Combine the three adducts into one vial. Dispose of the water and urea solution in an appropriate waste container. The sample is now ready for analysis.

Urea adduction has several applications in the separation and purification of organic molecules.

An isotope is a variant of a chemical element that differs in the neutron quantity, and thus differs in its atomic mass. An element may have several isotopes, each having a different mass. Isotopes can also have chemical and molecular properties that differ from one another, so it can be important to determine which isotopes are present in a particular sample. In this example, the carbon and hydrogen isotope ratios in leaf waxes were measured in order to gather information on a plant’s metabolic pathways. Very large quantities of material are required to determine isotope ratios, and compounds that have similar detections at low concentrations may overlap when large quantities are analyzed.

Therefore, urea adduction was used to separate the n-alkanes of interest from any interfering compounds. Removing these unwanted materials allowed for an accurate isotope ratio to be determined.

Petroleum is a complex mixture of hydrocarbons, each with unique properties and uses. The separation of these compounds from petroleum is very important in the chemical industry – branched-chain alkanes are often used as light lubricants, while straight-chain alkanes are mainly used in alkylation processes. In this example, urea adduction was used to separate alkanes from kerosene. Using a successive series of urea adductions, these alkanes were separated from kerosene at a 99-percentage purity.

You’ve just watched JoVE’s introduction to the purification of complex organic mixtures via urea adduction. You should now understand size exclusion, the importance of purifying samples for accurate component measurement, and urea adduction.

Thanks for watching!

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