O-晶体乙醛酸的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于精细化工技术领域，尤其是涉及一种18O-晶体乙醛酸的制备方法。
【背景技术】
[0002]自然界中氧(O)元素有160、170、180三种稳定性同位素，质量数分别是16、17、18，天然丰度分别为99.76%,0.036%,0.204%。18O作为一种稳定性同位素，主要应用是利用同位素示踪技术，应用于生物体代谢、药物合成步骤控制、环境科学和水文地质学、化学链特性和化学反应机理、核医学诊断等方面的研宄。重氧水(H218O)分子量20.0，其化学性质与普通水完全相同，是较为常见的易保存的含18O的物质。
[0003]乙醛酸(H0CC00H)又称水合乙醛酸，氧代乙酸，是最简单的醛酸。乙醛酸的分子中既有羧基又有醛基，其化学性质非常活泼，是一种重要的化工原料和有机合成中间体，也广泛应用于香料、香精、医药、农药等行业。晶体型乙醛酸根据带结晶水不同有三种形式:不带结晶水乙醛酸(H0CC00H)，是单斜结晶体，熔点98 °C ;带半个结晶水乙醛酸(H0CC00H.1/2H20)，是无色柱状结晶，熔点为70?75°C ;带一个结晶水乙醛酸(H0CC00H -H2O)，熔点50?52°C。晶体型乙醛酸都有令人讨厌的味道，是一种强腐蚀性酸，易潮解，暴露在空气中可形成浆状。
[0004]由于乙醛酸的特殊性质，18O标记的乙醛酸晶体可以用于医药、生物、化学等方面的研宄，具有较广阔的前景。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种简单、易操作、能耗少、产品纯度高、18O损失少的丰度范围为I %?99%、纯度为70%?99.9%的18O-晶体乙醛酸的制备方法。
[0006]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007]一种18O-晶体乙醛酸的制备方法，该方法包括以下步骤:
[0008](I)将普通晶体乙醛酸加入氢氧化钠重氧水溶液中重结晶，得到纯化后的晶体乙醛酸；
[0009](2)将纯化后的晶体乙醛酸与重氧水放入反应釜内进行氧同位素的交换反应，反应釜内填充保护气，反应温度控制在20?80 °C，为加快反应，可以辅以搅拌，反应时间为0.5?3天，晶体乙醛酸与重氧水的摩尔比例控制在1:5?1:100，得到18O-乙醛酸重氧水溶液；氧同位素交换反应化学方程式为:C2H21603+H2180 — C2H218OJH216O ；
[0010](3)反应结束后，减压蒸馏浓缩结晶，得到18O-晶体乙醛酸，同时回收蒸发的重氧水；
[0011](4)重复进行步骤(2)与步骤(3)得到更高丰度18O-晶体乙醛酸。
[0012]步骤⑷制得的18O-晶体乙醛酸丰度为1%?99%，优选为50%?99%，纯度为70%?99.
[0013]步骤⑷制得的18O-晶体乙醛酸以一水乙醛酸、无水乙醛酸或半结晶水乙醛酸的形态存在。
[0014]步骤(I)中所述的普通晶体乙醛酸中18O为天然丰度(0.204% )，纯度为70%?99.9%，以一水乙醛酸、无水乙醛酸或半结晶水乙醛酸的形态存在。
[0015]步骤(I)中进行重结晶的方法具体为:
[0016](a)将普通晶体乙醛酸、少量氢氧化钠重氧水溶液放入反应釜中反应，反应釜填充保护气，温度控制在15?40°C，反应时间在10?60分钟，晶体乙醛酸与氢氧化钠摩尔比例为1000: (I?10)，氢氧化钠重氧水溶液摩尔浓度为I?5mol/L ；
[0017](b)反应后抽真空减压蒸馏浓缩，温度范围在45?55°C，压力真空度在20_95KPa，待液体浓缩到原溶液体积的15% -60%时迅速将温度降低至5至_5°C，然后保温结晶1-3小时，固液分离后，取固态物放入有保护气填充的干燥箱内干燥，获得纯化后的晶体乙醛酸。步骤(I)中涉及的主要反应是乙二醛与氢氧化钠水溶液的歧化反应、盐酸与氢氧化钠的中和反应等。
[0018]步骤(2)中所述的重氧水中18O的丰度范围为5%?99%。
[0019]步骤(3)中，减压蒸馏浓缩结晶时，温度为15_90°C，真空度为20?95KPa。
[0020]所述的保护气为氦气、氖气、氩气、氙气或氮气。
[0021]步骤(I)所述的氢氧化钠重氧水溶液为氢氧化钠固体溶解于重氧水中配制，或通过金属钠和高丰度重氧水反应获得，该反应的化学方程式为2Na+2H20 = 2Na0H+H2。
[0022]本发明制备方法具有以下特点:
[0023]I)、由于18O-乙醛酸所含18O很容易与氧气、普通水等反应而导致丰度的降低，如果采用普通的乙醛酸的结晶条件，制得的18O-乙醛酸产品丰度会很低，因此，为提高18O-乙醛酸产品中18O的丰度，本发明对结晶条件要求更为苛刻，在结晶时使用一定丰度的重氧水才可以，如果想获得高丰度18O-乙醛酸就需要更高丰度的重氧水，并且在反应容器内填充氮气、氩气等惰性气体防止空气、水蒸汽的进入。
[0024]2)、由于重氧水的同位素交换反应的速率与反应的温度有直接关系，与反应时间也有一定关系。反应温度太高时，重氧水非反应损耗严重，而反应时间过短则同位素交换效果较差，因此，为了降低重氧水非反应损耗，同时针对本发明中18O-乙醛酸的丰度要求，通过大量实验，确定同位素交换反应的温度控制在20?80°C，反应时间为0.5?3天。
[0025]3)、该发明所用的氢氧化钠重氧水溶液是由苛性钠放入到一定丰度的重氧水中制取的，该方法所得氢氧化钠重氧水溶液中的氢氧化钠化学式为Na18OH,在后续的同位素交换反应中，相比普通的氢氧化钠水溶液，其内所含18OH-有利于同位素交换反应的正向进行。
[0026]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明将天然丰度0.204%的乙醛酸经提纯后与重氧水在反应釜内进行氧同位素交换反应，最终可以得到丰度为I %?99 %的18O-乙醛酸产品。本发明工艺简单，操作简便，能耗少，产品纯度高，H218O损耗少。
【附图说明】
[0027]图1为制备18O-晶体乙醛酸的装置示意图；
[0028]图中:1-冷热恒温槽，2-反应盖，3-真空缓冲罐，4-温度计，5-冷凝器，6_收集瓶。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0030]图1是制备18O-晶体乙醛酸的装置示意图。先将一定量的晶体乙醛酸和适量氢氧化钠重氧水依照乙醛酸与氢氧化钠摩尔比为1000:1?1000:10放入反应Il 2中，反应Il 2放在冷热恒温槽I中。反应釜2内部设置温度计4，保护气体通过真空缓冲罐3进入反应釜2中。在15?40°C、填充保护气密闭的条件下反应10?60分钟；随后不断间歇减压蒸馏浓缩，真空度在20?95KPa，初期蒸馏温度15?90°C，待溶液浓缩为原来的15%?60%时迅速降低冷热恒温槽I温度至5?_5°C，此时反应釜2内有大量结晶出现，温度保持1-3小时，以充分结晶。随后将反应釜2内物质通过离心机实现固液分离，取其固态部分放入干燥箱内烘干获得纯化后的晶体乙醛酸，蒸出的重氧水流经冷凝器5后回收在收集瓶6中；将纯化晶体乙醛酸和高丰度重氧水依照1:5?1:100的摩尔比放入反应釜内进行氧同位素交换反应，反应釜内填充保护气，温度控制在20?80°C，反应0.5?10天；反应结束后通过间歇减压蒸馏浓缩结晶，真空度在20?95KPa，蒸馏温度15?90°C，蒸出的重氧水回收在收集瓶中。
[0031]实施例1
[0032]一种18O-晶体乙醛酸的制备方法，该制备方法具体包括以下步骤:
[0033](I)将纯度85%的晶体乙醛酸1mol、0.IL的lmol/L的氢氧化钠重氧水(丰度90%)溶液放入反应釜中反应。反应釜内填充氮气，温度控制在35°C，反应时间在30分钟。
[0034](2)减压蒸馏浓缩，温度50°C，真空度32KPa。待液体浓缩到原体积的30%时迅速将温度降低至(TC，此时有大量结晶出现。保温结晶I小时，通过离心机实现固液分离，取固态物放入有氮气填充的干燥箱内干燥，获得纯化后的晶体乙醛酸4.5molo通过收集瓶回收重氧水。
[0035](3)将纯化后的晶体乙醛酸4.5mol与50mol丰度90%重氧水放入反应釜内进行氧同位素的交换反应，反应釜内填充氮气，反应温度60°C，时间为3天。
[0036](4)减压蒸馏浓缩结晶:真空度60KPa，蒸馏温度45°C。重氧水回收在收集瓶中。通过高锰酸钾滴定法测定乙醛酸的纯度，通过有机质谱分析其丰度。获得纯度96%、180丰度为50%的18O-晶体乙醛酸。
[0037]实施例2
[0038]一种18O-晶体乙醛酸的制备方法，该制备方法具体包括以下步骤:
[0039](I)将纯度90%的晶体乙醛酸20mol、0.15L的1.2mol/L的氢氧化钠重氧水(丰度92%)溶液放入反应釜中反应。反应釜内填充氩气保护气，温度控制在40°C，反应时间在45分钟。
[0040](2)减压蒸馏浓缩，温度45°C，真空度68KPa。待液体浓缩到原体积的20%时迅速将温度降低至l°c，此时有大量结晶出现。保温结晶2.1小时，通过离心机，取固态物放入干燥箱内干燥，获得纯化后的晶体乙醛酸8mol。通过收集瓶回收重氧水。
[0041](3)将纯化后的晶体乙醛酸8mol与10mol丰度98%重氧水放入反应釜内进行氧同位素的交换反应，反应釜内填充氩气，反应温度60°C，时间为2天。
[0042](4)减压蒸馏浓缩结晶:真空度68KPa，蒸馏温度42°C。重氧水回收在收集瓶中。通过高锰酸钾滴定法测定乙醛酸的纯度，通过有机质谱分析其丰度。获得纯度97%、180丰度为70%的18O-晶体乙醛酸。
[0043]实施例3
[0044]一种18O-晶体乙醛酸的制备方法，该制备方法具体包括以下步骤:
[0045](I)将纯度85%的晶体乙醛酸1mol、0.IL的lmol/L的氢氧化钠重氧水(丰度90% )溶液放入反应釜中反应。反应釜内填充氮气保护气，温度控制在35°C，反应时间在30分钟。
[0046](2)减压蒸馏浓缩，温度50°C，真空度32KPa。待液体浓缩到原溶液体积的30%时迅速将温度降低至(TC，此时有大量结晶出现。保温结晶I小时，通过离心机，取固态物放入有氮气填充的干燥箱内干燥，获得纯化后的晶体乙醛酸4.5molo通过收集瓶回收重氧水。
[0047](3)将纯化后的晶体乙醛酸4.5mol与50mol丰度80%重氧水放入反应釜内进行氧同位素的交换反应，反应釜内填充氮气，反应温度601，时间为0.5天。
[0048](4)减压蒸馏