同位素标记法—有机反应机理系列22
1 同位素标记法
同位素标记是一项用于追踪同位素在某个化学反应、代谢通路、或细胞定位中的路径和去向的技术。在使用时，通过把特定的反应物分子中的某个原子替换为其同位素来进行“标记”，再让标记过后的反应物发生反应，产物分子中同位素标记的位置就反映了反应过程中被标记原子的变化。在同位素标记中使用的核素可以是稳定核素，也可以是放射性核素，在后面这种情况中，特称放射性示踪技术。
检测同位素标记的方法有很多种。质谱可以用于检测不同同位素的质量差异，而红外光谱可以检测同位素原子的振动模式，核磁共振技术则可以分辨原子的磁旋比，放射性衰变一般通过电离室或者放射性显影检测。
同位素标记化合物的合成与普通化合物的合成没有本质上的区别，只要有合适的试剂，任何反应都可以用于同位素标记化合物的合成。同位素标记在有机反应机理研究中常有应用，主要用于确定产物组分来源、反应机理类型等。
2 同位素标记在机理研究中的应用实例
实例1
对苯酚在水中溶解性的研究。通过把苯酚加入氘代水（加入了重水的水），在苯酚的羟基上可以检测到氘原子，说明苯酚在不断与水发生质子交换。而只有酚羟基受到了影响，说明苯酚的其他5个氢原子并不参与质子交换。
实例2
用硼氢化钠还原苯甲醛的反应如下：
如何选择合适的氘代试剂利用苯甲醛的还原合成以下三种化合物？
基于硼氢化钠还原苯甲醛的机理，我们可以发现产物苯甲醇中亚甲基的中H来自于硼氢化钠，OH中的H来自于盐酸中的H+。因此，(1) 使用NaBD4可以得到化合物1；(2) 使用DCl/D2O可以得到化合物2；(3) 同时使用NaBD4和DCl/D2O可以得到化合物3。
实例3（参考文献：Org. Lett. DOI: 10.1021/ol501357w）
上述苯乙烯氧氟化反应中，氧可能来自于O2或者H2O。为了确定产物中的氧的来源，论文中采用了18O标记实验。实验结果表明，产物中的氧大部分来自于水，少部分来自于氧气。
实例4
Claissen重排反应机理的研究
Claissen重排可能存在以下两种不同的机理
同位素标记是最理想的区分以上两种机理的途径。对于Claissen重排，将烯丙基末端的碳用14C标记后进行反应，发现只生成标记碳原子与苯环直接相连的产物4，而不生成产物5，证实了反应是按机理(a)进行的。
实例5
利用同位素标记法区别下列两种反应机理。
对比机理(1)和(2)，我们发现机理(1)是加成-消除机理，而机理(2)是消除-加成机理。两种机理的产物有一个明显的区别：烯烃双键上的H来源不同。机理(1)中的H一直不变，而机理(2)中的H则是消除以后再加成得到。因此我们只需要将烯烃双键上的H氘代，如果得到的产物是6，则支持机理(1)；如果得到的产物是7，则支持机理(2)。