一种同位素13C标记乙醛的制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种乙醛的制备方法，尤其是涉及一种同位素13C标记乙醛的制备方法。
背景技术
碳-13(简称13C，下同)是碳元素的稳定同位素，其天然丰度为1.108atom％。20世纪50年代以来，随着稳定同位素分离技术的突破和测试仪器的飞速发展，以及13C稳定同位素具有对人体无射线伤害等特点，使其可以用作示踪剂，广泛应用于有机化学、生物化学、医学及临床诊断、药物学、农业科学等领域，尤其对生命科学研究和食品安全领域有极为重大的意义。
由于此类产品原料昂贵，产量小，对纯度和丰度要求高，在制备中对标记同位素的标记位置也有特殊要求，常常需要设计特殊的合成路线，以及采用特殊试剂和反应条件。目前同位素标记化合物主要是通过化学合成法或生物发酵法生产。
乙醛又名醋醛，是一种基本的有机醛类原料。稳定同位素13C标记乙醛是一种重要的基础有机试剂，由此作为前体出发可以得到一系列同位素13C标记的有机化合物。
本发明主要分为两步以制取同位素13C标记乙醛：1、同位素13C标记的二氧化碳制备同位素13C标记的乙炔；2、同位素13C标记的乙炔催化合成同位素13C标记的乙醛。
从CO2出发制取乙炔有多种方法，工业上广泛使用的是电石法，生石灰与焦炭在高温下(通常高于1200℃)下生成电石碳化钙(碳化钙)，电石再水解生成乙炔。该过程适合工业规模生产乙炔，装置对温度要求很高，乙炔的产率以及纯度较低，不适合同位素标记乙炔的合成。
适合实验室规模制备同位素标记乙炔的方法主要有镁法和锂法，其中镁法采用氨水吸收二氧化碳生成碳酸铵，碳酸铵与沸腾的氯化锶反应沉淀析出碳酸锶，碳酸锶再与烘干的镁粉混合在850℃反应生成碳化锶，碳化锶再水解制备乙炔。该法制备乙炔过程较复杂，消耗的化学试剂较多，流程长，乙炔产率以及纯度较低，易受大气污染，有爆炸危险；锂法采用金属锂在600～900℃下与CO2生成碳化锂，碳化锂再水解得到乙炔，该法制备乙炔的纯度和收率最高，操作简单，制备方便，不宜受环境污染影响。
【发明内容】
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工艺简单、纯度及丰度较高的同位素13C标记乙醛的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种同位素13C标记乙醛的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)活性金属与二氧化碳生成金属碳化物：将活性金属置于反应器中，控制反应器的真空度及温度，再向反应器中通入13CO2与活性金属反应4-10h，再自然冷却至20-25℃，得到金属碳化物；
(2)金属碳化物水解生成乙炔：将反应器连接到配有换气阀、冷阱及真空泵的水解装置中进行水解，水解产生的乙炔被收集在液氮冷阱中，副产物氢气由真空泵排除；
(3)乙炔催化水合制备乙醛：将催化体系加入到配有冷阱及恒流泵的反应器内，在恒流泵的作用下将乙炔通入反应器，发生水合反应生成13C标记乙醛，生成的13C标记乙醛在冷阱内液化被收集。
所述的步骤(1)中的活性金属包括锂、镁、钠、钾或锶，优选金属锂或镁。
所述的步骤(1)的反应器真空度为-0.05～-0.1MPa。
所述的步骤(1)的反应器温度为600-1200℃，优选850-920℃。
所述的步骤(1)的13CO2与活性金属的摩尔比为1∶(1.0-25.0)，优选1∶(5.0-10.0)。
所述的步骤(2)及步骤(3)的冷阱温度为-30～-70℃。
所述的步骤(3)的催化体系包括以下组分及含量：主催化剂、无机酸、助催化剂、水的摩尔比为1∶(1-100)∶(0-5)∶(50-1000)，优选1∶(5-15)∶(0-2)∶(200-500)。
所述的主催化剂包括汞、铅、锌或钼的盐，优选汞或锌的盐；所述的无机酸包括硫酸、硝酸、磷酸或盐酸，优选硫酸或磷酸；所述的助催化剂包括具有可变价态的过渡金属的盐或其氧化物，包括铁、镍、钒、锰或钴的盐或其氧化物，优选铁或钒的盐。
所述的主催化剂包括硫酸汞、氯化锌，所述的助催化剂包括硫酸高铁、氧化铁或五氧化二钒。
所述地步骤(3)的水合反应温度为30-250℃，优选60-100℃，反应时间3-10h。
与现有技术相比，本发明提供了一套同位素13C标记乙醛的制备方法，选择适宜的合成前体，自行设计反应器，优化合成路线和工艺，本方法过程较为简单，容易制备，所得产物乙醛的纯度在99％以上；同位素13C丰度≥98atom％。
【附图说明】
图1为实施例1中步骤(1)的反应器的示意图；
图2为实施例1中步骤(2)的反应器的示意图；
图3为实施例1中步骤(3)的反应器的示意图。
图中1为螺旋夹、2为截止阀、3为加热反应器、4为真空表、5为水解反应器、6为冷阱、7为反应容器、8为加热器、9为恒流泵、10为乙炔气袋、11为真空三通活塞、12为回流冷凝管。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种同位素13C标记乙醛的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)活性金属与二氧化碳生成金属碳化物：采用如图1所示的反应器，包括螺旋夹1、截止阀2、加热反应器3、真空表4，准确称量15.6g(2.25mol)金属锂(纯度高于99.9％)，在氩气保护下迅速放入加热反应器1内，密闭后抽真空并升温至1200℃，开启螺旋夹开始通入0.30mol13CO2，13CO2由Ba13CO3定量转化得到，13C丰度99atom％。观察真空表4，通过截止阀3控制加热反应器1内的真空度保持在-0.05～-0.1MPa，大约4h通完13CO2，反应结束后自然冷却至室温，得到金属锂的碳化物。
(2)金属碳化物水解生成乙炔：采用如图2所示的反应器，包括螺旋夹1、截止阀2、真空表4、水解反应器5、冷阱6。将步骤(1)中的反应器连接到水解反应器5中，开启真空泵并利用截止阀2控制系统真空度在0.05Mpa，从真空表4中读取，缓慢滴加去离子水约2L，所产生的气体利用冷阱6吸收，冷阱6包括酒精-液氮冷阱及液氮冷阱。气体中的水分被酒精-液氮冷阱收集，乙炔产物收集在液氮冷阱中，氢气被真空泵排除。水解结束后，将液氮冷阱内乙炔产物用气袋收集保存备用，经排水法测量气体体积，经色谱检测乙炔纯度高于98％，校正后以消耗的CO2计，乙炔收率约为65％。
(3)乙炔催化水合制备乙醛：采用如图3所示的反应器，包括冷阱6、反应容器7、加热器8、恒流泵9、乙炔气袋10、真空三通活塞11、回流冷凝管12。按照如下比例配制催化剂母液：HgSO4(4.0g，0.0135mol)、浓H2SO4(12.2g，0.124mol)以及去离子水(100ml，5.55mol)，将催化剂母液加入反应容器7内，反应容器7依次连接回流冷凝管12、冷阱6、乙炔气袋10和恒流泵9，管道上设置有真空三通活塞11。首先将反应体系抽真空，氩气置换三次，通入乙炔气0.223mol(校正后)，反应温度保持65℃，在恒流泵9的作用下，乙炔气先鼓泡进入反应容器7，在反应容器7内生成乙醛，产物乙醛随着未反应的乙炔进入回流冷凝管12和酒精-液氮冷阱6，乙醛在冷阱6中被收集，未反应的乙炔再次进入反应器内继续反应，直至生成乙醛量不再增加。反应结束后，获得13C标记无水乙醛6.7g(0.152mol)，收率68％，产物经质谱和核磁鉴定，13C丰度高于98atom％。
实施例2
(1)活性金属与二氧化碳生成金属碳化物：称量5.47g(0.225mol)金属镁，在氩气保护下迅速放入加热反应器内，密闭后抽真空，缓慢升温，当温度达到500～700℃停止抽真空，继续升温至600℃，开启螺旋夹通入0.225molCO2，观察真空表，通过截止阀控制加热反应器内的真空度保持在-0.05～-0.1MPa，大约10h通完CO2，反应结束后自然冷却至20℃，得到金属镁的碳化物。
(2)金属碳化物水解生成乙炔：将步骤(1)中的反应器连接到水解反应器中，开启真空泵并利用截止阀控制系统真空度在0.05Mpa，缓慢滴加去离子水约2L，所产生的乙炔利用冷阱吸收，冷阱温度为-30℃，氢气被真空泵排除。水解结束后，将液氮冷阱内乙炔产物用气袋收集保存备用，经排水法测量气体体积，经色谱检测乙炔纯度高于98％，校正后以消耗的CO2计，乙炔收率约为25％。
(3)乙炔催化水合制备乙醛：按照如下比例配制催化剂母液：ZnCl2(8.1g，0.06mol)、H3PO4(24.5g，0.25mol)和去离子水(100ml，5.55mol)，将催化剂母液加入反应容器内，首先将反应体系抽真空，氩气置换三次，通入乙炔气0.223mol(校正后)，反应温度保持85℃，在恒流泵的作用下，乙炔气先鼓泡进入反应容器，在反应容器内生成乙醛，产物乙醛随着未反应的乙炔进入回流冷凝管和酒精-液氮冷阱，乙醛在冷阱中被收集，未反应的乙炔再次进入反应器内继续反应，直至生成乙醛量不再增加。反应结束后，获得13C标记无水乙醛2.72g(0.059mol)，收率27％.
实施例3
步骤(1)与步骤(2)与实施例1相同，步骤(3)中按照如下比例配制催化剂母液：HgSO4(6.0g，0.02mol)、浓H2SO4(12.2g，0.124mol)以及去离子水(100ml，5.55mol)，同时加入硫酸高铁(4.0g，0.01mol)作为助催化剂。
将反应体系抽真空，氩气置换三次，通入0.223mol乙炔，反应温度保持85℃，在恒流泵的作用下，乙炔气先鼓泡进入反应容器，在反应容器内生成乙醛，产物乙醛随着未反应的乙炔进入回流冷凝管和酒精-液氮冷阱，乙醛在冷阱中被收集，未反应的乙炔再次进入反应器内继续反应，直至生成乙醛量不再增加。反应结束后，获得13C标记无水乙醛7.69g(0.167mol)，收率75％，产物经质谱和核磁鉴定，13C丰度高于98atom％。
实施例4
(1)活性金属与二氧化碳生成金属碳化物：称量24g(1mol)金属镁，在氩气保护下迅速放入加热反应器内，密闭后抽真空，缓慢升温至1200℃，开启螺旋夹通入0.25molCO2。观察真空表，通过截止阀控制加热反应器内的真空度保持在-0.05～-0.1MPa，大约3h通完CO2，反应结束后自然冷却至20℃，得到金属镁的碳化物。
(2)金属碳化物水解生成乙炔：将步骤(1)中的反应器连接到水解反应器中，开启真空泵并利用截止阀控制系统真空度在0.05Mpa，缓慢滴加去离子水约5L，所产生的乙炔利用冷阱吸收，冷阱温度为-70℃，氢气被真空泵排除。水解结束后，将液氮冷阱内乙炔产物用气袋收集保存备用。
(3)乙炔催化水合制备乙醛：按照如下比例配制催化剂母液：0.1mol ZnCl2、0.1mol HCl、V2O50.05mol及去离子水20mol，将催化剂母液加入反应容器内，首先将反应体系抽真空，氩气置换三次，通入乙炔气，反应温度保持30℃，在恒流泵的作用下，乙炔气先鼓泡进入反应容器，在反应容器内生成乙醛，产物乙醛随着未反应的乙炔进入回流冷凝管和酒精-液氮冷阱，乙醛在冷阱中被收集，未反应的乙炔再次进入反应器内继续反应，直至生成乙醛量不再增加。反应结束后，获得无水乙醛3.05g(0.069mol)，收率31％。
实施例5
(1)活性金属与二氧化碳生成金属碳化物：称量金属锂5mol，在氩气保护下迅速放入加热反应器内，密闭后抽真空，缓慢升温至850℃，开启螺旋夹通入0.5molCO2。观察真空表，通过截止阀控制加热反应器内的真空度保持在-0.05～-0.1MPa，大约4h通完CO2，反应结束后自然冷却至25℃，得到金属锂的碳化物。
(2)金属碳化物水解生成乙炔：将步骤(1)中的反应器连接到水解反应器中，开启真空泵并利用截止阀控制系统真空度在0.05Mpa，缓慢滴加去离子水约3L，所产生的乙炔利用冷阱吸收，冷阱温度为-50℃，氢气被真空泵排除。水解结束后，将液氮冷阱内乙炔产物用气袋收集保存备用。
(3)乙炔催化水合制备乙醛：按照如下比例配制催化剂母液：0.1mol ZnCl2、10mol HCl、V2O50.5mol及去离子水100mol，将催化剂母液加入反应容器内，首先将反应体系抽真空，氩气置换三次，通入乙炔气，反应温度保持250℃，在恒流泵的作用下，乙炔气先鼓泡进入反应容器，在反应容器内生成乙醛，产物乙醛随着未反应的乙炔进入回流冷凝管和酒精-液氮冷阱，乙醛在冷阱中被收集，冷阱温度为-30℃。未反应的乙炔再次进入反应器内继续反应，直至生成乙醛量不再增加。反应结束后，获得无水乙醛2.48g(0.056mol)，收率25％。
实施例6
(1)活性金属与二氧化碳生成金属碳化物：称量金属锂5mol，在氩气保护下迅速放入加热反应器内，密闭后抽真空，缓慢升温至850℃，开启螺旋夹通入0.5molCO2。观察真空表，通过截止阀控制加热反应器内的真空度保持在-0.05～-0.1MPa，大约6h通完13CO2，反应结束后自然冷却至25℃，得到金属锂的碳化物。
(2)金属碳化物水解生成乙炔：将步骤(1)中的反应器连接到水解反应器中，开启真空泵并利用截止阀控制系统真空度在0.05Mpa，缓慢滴加去离子水约5L，所产生的乙炔利用冷阱吸收，冷阱温度为-30℃，氢气被真空泵排除。水解结束后，将液氮冷阱内乙炔产物用气袋收集保存备用。
(3)乙炔催化水合制备乙醛：按照如下比例配制催化剂母液：29.66gHgSO4、0.5mol HCl、V2O50.2mol及去离子水50mol，将催化剂母液加入反应容器内，首先将反应体系抽真空，氩气置换三次，通入乙炔气，反应温度保持100℃，在恒流泵的作用下，乙炔气先鼓泡进入反应容器，在反应容器内生成乙醛，产物乙醛随着未反应的乙炔进入回流冷凝管和酒精-液氮冷阱，乙醛在冷阱中被收集，冷阱温度为-30℃。未反应的乙炔再次进入反应器内继续反应，直至生成乙醛量不再增加。反应结束后，获得无水乙醛3.66g(0.083mol)，收率37％。