Isotopenanreicherung

Organische Chemikalien und Biochemikalien bestehen meist aus Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff. Für diese Elemente kommen die weniger häufigen Isotope, d. h. Kohlenstoff-13 (1,1 %), Deuterium (0,01 %), Stickstoff-15 (0,36 %) und Sauerstoff-18 (0,2 %), in der gesamten Natur vor. 

Die gängige Praxis im Bereich der stabilen Isotope besteht darin, die Isotopenanreicherung des stabilen Isotops in einem bestimmten Molekül zu melden. Beispiele hierfür sind D₂O (99,8 %), Methyliodid (D₃, 99,5 %) und Essigsäure (¹³C₂, 99 %). 

Isotopenanreicherung ist der Molanteil des Isotops, ausgedrückt in Prozent. Isotopenanreicherung bezieht sich auf bestimmte Stellen innerhalb des Moleküls und ist daher ortsspezifisch; Die Isotopenanreicherung kann jedoch als Aggregatwert für Verbindungen mit mehr als einer markierten Stelle angegeben werden. Die Isotopenanreicherung ist nicht zu verwechseln mit der Spezieshäufigkeit, d. h. dem Prozentsatz der Moleküle mit gleicher Isotopenzusammensetzung. Zum Beispiel bedeutet Methyliodid (D₃, 99,5 %) nicht, dass 99,5 % der Moleküle Methyl-D₃ sind. Tatsächlich bedeutet ein D₃-markiertes Molekül mit einer Anreicherung von 99,5 %, dass 98,5 % der Moleküle die CD₃-Spezies und 1,5 % CD₂H sind.

For deuterated compounds, the species abundance for each isotopologue can be calculated using a binomial expansion if the isotope enrichment is known and assumed to be equivalent for all labeled sites.* Please refer to Figure 1 (siehe Broschüre), die die Verwendung des Pascalschen Dreiecks zur Berechnung von Spezieshäufigkeiten für Moleküle mit bis zu sechs Deuteronen (z. B. D) veranschaulicht. D ist definiert als die fraktionale Isotopenanreicherung für Deuterium (z. B. die prozentuale Isotopenanreicherung geteilt durch 100), und H ist die fraktionierte Häufigkeit für Wasserstoff (z. B. H = 1-D). Um zum Beispiel die Spezieshäufigkeiten für ein D₃-Molekül bei 99%iger Anreicherung zu bestimmen, würde man sich auf die links als "D3" gekennzeichnete Zeile beziehen, die die möglichen Isotopologen eines D3-Moleküls (z. B. D₃, D₂H, DH₂ und H₃) zeigt, wobei die berechnete Spezieshäufigkeit direkt darunter aufgeführt ist. Zum Beispiel wäre die fraktionierte Artenhäufigkeit des D₂H-Isotopologen bei einer 99%igen Isotopenanreicherung 3(0,99)²(0,01)=0,0294, was einer prozentualen Artenhäufigkeit von 2,94% entspricht./p>

Um diesen Zusammenhang zu veranschaulichen, zeigen die folgenden Tabellen (siehe Broschüre) die tatsächliche Spezieshäufigkeit für Moleküle, die ein bis neun Deuteriumatome bei verschiedenen Anreicherungen enthalten. Diese Beziehungen gelten auch für andere stabile Isotope wie ¹³C, ¹⁵N, usw. Die Spezieshäufigkeiten in den Tabellen wurden aus der Isotopenanreicherung unter Verwendung einer Polynomentwicklung unter der Annahme einer Zufallsverteilung berechnet. 

*In seltenen Fällen können die angegebenen Werte für die Artenhäufigkeit von denen abweichen, die in authentischen, mehrfach markierten Verbindungen vorhanden sind, da die Isotopenanreicherung aufgrund des Herstellungsprozesses möglicherweise nicht für alle markierten Stellen gleichwertig ist. 

Isotopenanreicherung und Artenreichtum