穩(wěn)定同位素及其標(biāo)記化合物作為一種獨(dú)特的新興材料，與放射性同位素相比，其具有性質(zhì)穩(wěn)定、操作簡便、不需要特殊防護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，作為一類具有高技術(shù)含量和高附加值的商品，自上世紀(jì)70年代以來廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品安全、生命科學(xué)、環(huán)境、臨床醫(yī)學(xué)、藥學(xué)等領(lǐng)域。氘代丙酮作為核磁檢測技術(shù)的常用試劑，以及穩(wěn)定同位素氘標(biāo)記試劑合成過程中的基礎(chǔ)原料，已被廣泛的應(yīng)用于科研領(lǐng)域。
常見的制備方法
氘代丙酮的主要制備方法為丙酮與重水的多次H/D交換。目前傳統(tǒng)的氘代丙酮制備技術(shù)是以干燥的碳酸鉀為催化劑，反應(yīng)后蒸餾分離并截取95℃的餾分，添加新鮮的重水進(jìn)行多次交換，進(jìn)行了21次氫氘交換后，丙酮中氘原子的同位素豐度達(dá)99.3atom％D。該過程操作繁瑣，除了多次分離時所造成的損失，更容易中途失敗，造成原料的大量浪費(fèi)，對人員的技術(shù)和操作水平要求也非常高，從而很難推廣。在對丙酮與重水氫-氘交換催化劑的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，在該反應(yīng)體系中使用的天然豐度的磷酸、鹽酸、醋酸等無機(jī)酸時，會造成無機(jī)酸中的H原子取代產(chǎn)物上的氘原子，造成同位素利用率的降低。且文獻(xiàn)中對于丙酮的H/D交換反應(yīng)過程中的反應(yīng)溫度等基礎(chǔ)條件也未見報(bào)道。國內(nèi)也尚未檢索到有關(guān)穩(wěn)定同位素D標(biāo)記丙酮的合成方法的專利報(bào)道。
研究內(nèi)容
本研究的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種反應(yīng)過程簡單、同位素利用率高的穩(wěn)定同位素D標(biāo)記丙酮的合成方法。
利用穩(wěn)定同位素標(biāo)記重水為同位素原料，在堿性催化劑作用下反應(yīng)一定時間，與天然豐度丙酮進(jìn)行氫-氘交換，純化后得到穩(wěn)定同位素D標(biāo)記丙酮，具體采用以下步驟：
在裝有磁力攪拌、溫度計(jì)和回流冷凝器的三口燒瓶中，加入堿性催化劑和重水，使堿性催化劑保持在一定的摩爾濃度范圍，然后升溫至一定反應(yīng)溫度，攪拌狀態(tài)下，加入丙酮，保溫反應(yīng)3～12小時，然后經(jīng)精餾分離純化，上述步驟共進(jìn)行3-15次，制備得到穩(wěn)定同位素氘標(biāo)記丙酮。
所述的重水為氘同位素豐度為99.5atom％D～99.9atom％D的重水；
堿性催化劑為對硝基苯酚鈉、碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、碳酸鉀、氘氧化鉀、氘氧化鈉、亞硫酸鈉、醋酸鈉或碳酸鈉的一種。
作為優(yōu)選的實(shí)施方案，采用的堿性催化劑為氘氧化鈉、亞硫酸鈉、醋酸鈉或碳酸鈉中的一種。
堿性催化劑的濃度為0.05mol/L～0.1mol/L；
所述的重水與丙酮的摩爾比為3∶1～25∶1；
所述的反應(yīng)溫度為20℃～60℃，反應(yīng)溫度低于20℃，丙酮與重水的氫氘交換反應(yīng)速度慢，效率較低；當(dāng)反應(yīng)溫度超過60℃時，丙酮會發(fā)生烯醇化，并且會聚合生成絮裝沉淀，使產(chǎn)品豐度稀釋、產(chǎn)量降低。
相對于傳統(tǒng)催化劑碳酸鉀而言，碳酸鈉等催化劑在催化效果和便宜易得方面有著明顯的優(yōu)勢，同時也易于干燥，反應(yīng)過程中不會引入造成同位素豐度稀釋的活潑氫，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本制備方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)所用的氘氧化鈉、亞硫酸鈉、醋酸鈉、碳酸鈉相對于傳統(tǒng)的催化劑碳酸鉀來說有明顯的催化優(yōu)勢，由于鈉離子半徑較小，有效核電荷稍高，因此鈉鹽比鉀鹽更容易與重水結(jié)合，使其中的氘元素參與反應(yīng)；
(2)操作過程簡單，反應(yīng)條件溫和，適用于穩(wěn)定同位素標(biāo)記試劑的合成；
(3)有著原料損失少，收率高的特點(diǎn)，收率可達(dá)85％以上，節(jié)約用料成本；
(3)所得的穩(wěn)定同位素氘標(biāo)記丙酮產(chǎn)品化學(xué)純度99％以上，氘同位素豐度99.5atom％D以上；
(4)比傳統(tǒng)的21次交換工藝更加簡便，傳統(tǒng)工藝采用蒸餾的方法將丙酮與重水分離，而新工藝采用精餾的方法分離，可以提高每次交換時丙酮的純度，前一次交換過后的低豐度重水不會對新添加的重水造成豐度稀釋，因此采用新的H-D交換工藝只需要進(jìn)行3～15次交換即可，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。