ציאנוגן ברומיד
 | |
| שם סיסטמטי | cyanobromane, bromidonitridocarbon |
|---|---|
| מסה מולרית | 105.921 גרם/מול |
| מראה | מוצק חסר צבע, ריח צורב |
| מספר CAS | 506-68-3 |
| צפיפות | 2.015 גרם/סמ"ק |
| מסיסות | עובר הידרוליזה |
| טמפרטורת היתוך |
52 °C 325.15 K |
| טמפרטורת רתיחה |
61.4 °C 334.55 K |
ציאנוגן ברומיד הוא מרכיב כימי בעל הנוסחה CNBr. הוא חסר צבע, מוצק, ובעל שימוש נרחב במחקרים לשינוי ביו-פולימר, מרכיבים חלבוניים ופפטידים. כמו כן, טוב גם לסינתזה של חומרים מסוימים.
סינתזה, תכונות ומבנה
על אף שהנוסחה המקובלת היא CNBr, אטום הפחמן בעצם קשור למולקולת ברום על ידי קשר יחיד ולחנקן על ידי שלושה קשרים. ציאנוגן ברומיד הוא די קוטבי (פולרי) וצורתו לינארית, אך אינו מיונן באופן ספונטני בנוכחות מים. זוהי הסיבה שהוא מתמוסס במים כמו גם בממס פולרי אורגני. ציאנוגן ברומיד יכול להיווצר על ידי חמצון נתרן-ציאניד יחד עם ברום, שעובר דרך שלב הביניים של הציאנוגן (CN)2)):
- 2NaCN + 2 Br2 → (CN)2 + Br2 + 2 NaBr → 2 BrCN + 2 NaBr
שימושים ביוכימיים
השימושים העיקריים בציאנוגן ברומיד הם:
- שיתוק חלבונים או חלקים ממנו על ידי ביקוע קשרים פפטידים.
- סינתזה ציאנמיד (אמיד של צינוגן בעל הנוסחא CN2H2) ומולקולות אחרות.
קיבוע חלבונים
לעיתים קרובות משתמשים בציאנוגן ברומיד כדי לקבע חלבונים על ידי צימודם לריאגנטים כגון אגרוז היעיל לשימוש בכרומוטוגרפיית אפיניות. בגלל פשטותו והימצאותו בתנאי PH נמוכים, השימוש בציאנוגן ברומיד היא השיטה הכי נפוצה ויעילה עבור הכנת ג'ל עבור כרומוטוגרפיית אפיניות. כמו כן, לעיתים קרובות משתמשים בציאנוגן ברומיד מכיוון שהוא מסוגל להגיב עם קבוצת הידרוקסיל על גבי ג'ל אגרוז ליצירת אסטרים של ציאניט ואימידוקרבונט. קבוצות אלו מסוגלות להגיב עם אמינים ראשוניים במטרה להצמיד את החלבונים לשטח האגרוז כפי שמתואר באיור הראשון.
ביקוע חלבונים
ציאנוגן ברומיד מבצע הידרוליזה לקשרים פפטידים בקצה הקרבוקסילי של חומצת אמינו מתיונין. הליך זה משמש להקטנת גודל מרכיבי הפוליפפטיד לזיהוי חומצות האמינו וריצופן.
מנגנון פעולה
בציאנוגן ברומיד, האלקטרונים באטום הפחמן נמשכים לעבר אטום הברום שהוא בעל אלקטרושליליות גבוהה יותר. מהלך זה משאיר את הפחמן במצב אלקטרוחיובי או אלקטרופילי ועל ידי כך פגיע לתקיפה על ידי אלקטרונים הנמצאים על אטום הגפרית הנוקלאופילי במתיונין. תקיפה זו מגיעה לאחר היווצרות של מבנה של טבעת בעלת 5 צלעות בניגוד למבנה טבעת בעלת 6 צלעות שמצריך היווצרות של קשרים כפולים בטבעת בין חנקן לפחמן. קשרים כפולים אלו יוצרים קונפורמציית טבעת קשוחה ובכך יערערו את יציבות המולקולה. על אף שהגפרית הנוקלאופילית במתיונין אחראית לתקיפת הציאנוגן ברומיד, הגפרית בציסטאין אינה מתנהגת באותו האופן. אם הגפרית של הציסטאין תוקפת את ציאנוגן ברומיד, יוני הברום יפלטו פרוטונים למרכז הציאניד וישאירו את הגפרית חסרת מטען ואת פחמן הביתא של הציסטאין - ללא אלקטרופיליות. האלקטרופיל החזק יותר, יהיה אז חנקן הציאניד אם הוא יותקף על ידי מולקולת מים הוא יצור חומצה ציאנית ומולקולת ציסטאין מקורי.
תנאי ריאקציה
ביקוע חלבונים על ידי ציאנוגן ברומיד דורש שימוש בבופר כמו HCl בריכוז 0.1N (חומצה הידרוכלורית), או 70% של HOF (חומצה פורמית). אלו הם הבופרים הנפוצים ביותר עבור ביקוע חלבונים. חומצה פורמית גורמת להיווצרות אסטרי פורמיל המקשים על אפיון החלבונים מה שגורם ליתרון ל-HCl. למרות זאת, עדיין משתמשים בחומצה פורמית לעיתים קרובות מכיוון שיש לה יכולת לפרק את רוב החלבונים. כמו כן, חמצון מתיונין למתיונין-סולפהיקסיד, האדיש לתקיפתו של ציאנוגן ברומיד, מתרחש יותר בקלות בHCl מאשר בחומצה פורמית כנראה מכיוון שחומצה פורמית היא בעלת ריכוז נמוך. בופרים חלופיים עבור ביקוע חלבונים כוללים את גואנדין או אוריאה ב-HCl בגלל יכולתם לפתוח את החלבונים ממצבם המקופל ועל ידי כך גורמים למתיונין להיות יותר נגיש לציאנוגן ברומיד. מים דרושים לביקוע קשרים פפטידים רגילים של מצב הביניים של אימינולקטון. בחומצה פורמית, ביקוע הקשר מתיונין-סרין והקשר מתיונין-טירוזין, מהיר יותר וקל יותר עם הגדלת ריכוז מולקולות המים. מכיוון שמצבים אלו מעדיפים ואוהבים את תוספת מולקולות המים, לרוחב האימין מאשר ריאקציה של שרשרת הצד בהידרוקסיל עם האימין. PH נמוך נוטה להגדיל את קצב ביקוע הקשרים על ידי עיכוב חמצון שרשרת הצד של מתיונין.
ריאקציות צדדיות
כאשר מתיונין באה אחרי סרין או תריאונין ברצף, יכולות להתרחש ריאקציות צדדיות שגורמות להרס המתיונין ללא ביקוע קשרים פפטידים. בדרך כלל, ברגע שהאימינולקטון נוצר, מים וחומצה יכולים להגיב עם האימין כדי לבקע את הקשר הפפטידי ועל ידי כך יוצרים הומוסרין לקטון ופפטיד בעל קצה אמיני. אך, במקרה ולחומצת האמינו הסמוכות למתיונין ישנה קבוצת הידרוקסיל או סולפהידריל, קבוצות אלו יכולות להגיב עם האימין ליצירת הומוסרין ללא ביקוע קשר פפטידי.
סינתזה אורגנית
ציאנוגן ברומיד משמש גם לסינתוז חומרים אורגניים. כמו שציינו לפני כן, הריאגנט הוא בעל נטייה לתקיפה על ידי נוקלאופילים כמו אמינים וחומרים המכילים אלכוהול בגלל הפחמן האלקטרופילי שלהם. בסינתזת הציאנמיד (CN2H2) והדיציאנמיד אמינים ראשוניים ושניוניים מגיבים עם ציאנוגן ברומיד ליצירת מונואלקיציאניד ודיאלקיציאניד שיכולים גם הם להגיב עם אמינים והידרוקסיל אמין ליצירת גואנדין והידרוקסיגואנדין. בריאקציית וואן בראון, אמינים שלישוניים מגיבים עם ציאנוגן ברומיד ויוצרים 2 תחליפים:
- ציאנמיד
- אלקיל ברומיד
ציאנוגן ברומיד יכול לשמש גם להכנת אריל ניטריל, ניטריל, ציאנייט ואנהידרידים. ציאנוגן ברומיד יכול לשמש גם לביקוע חומרים.
רעילות, אכסון ונטרול
ציאנוגן ברומיד רגיש ללחות ולרטיבות אך יכול להיות מאוכסן תחת תנאים יבשים ב 2 עד 8 מעלות צלזיוס. ציאנוגן ברומיד הוא חומר נדיף ונספג בקלות דרך העור או בשטח מערכת העיכול. לכן, חשיפה רעלית יכולה להתרחש על ידי תנועת האוויר, מגע פיזי או דרך בעלי חיים. הרעילות בעצם גורמת לסימפטומים לא ספציפיים רבים ומגוונים. חשיפה אליו אפילו בכמות קטנה יכולה לגרום לפירכוסים או אפילו למוות.
כדי לנטרל את הציאנוגן ברומיד בתמיסה שאינה עולה על 60g/L מהציאנוגן ברומיד השיטה המומלצת היא להוסיף 1mol/L של NaOH ו-1mol/L של NaOCl ביחס נפחים של 1:2:1 (NaOCl, NaOH, ציאנוגן ברומיד). אלקלי-הידרוקסיד מבצע מיד הידרוליזה לציאנוגן ברומיד ויוצר אלקלי-ציאניד וברום. הציאניד אז יכול לעבור חמצון על ידי סודיום או קלציום היפוכלוריד ליון ציאניט פחות רעיל. נטרול פעולת הציאנוגן ברומיד היא מאד אקסותרמית ובמקרים מסוימים יכולה להיות נפיצה.