一种稳定同位素试剂硼氘化钠的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种稳定同位素试剂硼氘化钠的制备方法，尤其是涉及一种高纯度的稳定同位素试剂硼氘化钠的制备方法。
【背景技术】
[0002]硼氢化钠(NaBH4)又名钠硼氢，白色至灰白色细结晶粉末或块状，在干燥空气中300°C分解，真空中400°C分解，氮气中503°C分解，氢气中512°C分解，吸湿性强，具有很强的还原性。硼氢化钠在有机化学和无机化学中有着广泛的应用，在有机合成中被称为“万能还原剂”，可用作醛类，酮类和酰氯类的还原剂，塑料的发泡剂，制造双氢链霉素的氢化剂，制造硼氢化钾的中间体，合成硼烷的原料，以及用于造纸工业和含汞污水的处理剂等领域。硼氢化钠是由H.C.Brown和Schlesinger于1942年在芝加哥大学发现的。目前比较成熟的生产硼氢化钠的工艺主要有:硼酸酯法、以MgH2、Mg2S1、C、CH4为还原剂直接还原法制备硼氢化钠的直接还原法，以及机械-化学还原结合法、微波法、辐射法等等，但对反应设备都有比较高的要求，一般都需要高温或者高压或者产生大量的三废。
[0003]氘代试剂背景:近年来，稳定性同位素标记试剂作为一种无损伤性的示踪技术，在生命科学等方面得到了广泛的重视和推广。在医学上，利用放射性同位素标记试剂对甲状腺、肝、肾、脑、心脏、胰腺、胃等脏器进行扫描，成为诊断肿瘤等疾病的重要检查和治疗手段。在工业上，可用于反应动力学及催化反应机理的研究，地下输油管道泄漏情况的检查，地下水分布及地下矿藏资源情况的地质调查等。在农业上用来研究作物营养生理，改良土壤，指导合理施肥、施药以及农药残留量的测定等。
[0004]目前国外同位素标记硼氘化钠制备方法为三甲基氨基丙烷在D2SO4与D2O条件下搅拌24h，分离D2O,相同操作重复9次以上，醚相用D2O洗涤，无水碳酸钠干燥，蒸发制备得三甲基氨基硼烷-D3，由三甲基氨基硼烷-D3与醇甲氧基钠与二乙二醇二甲醚混合，在氮气氛条件下搅拌，释放出的三甲胺通过冷凝回收，异丙胺萃取等操作，该方法路线长，消耗大量的氘代试剂D2SO4与D2O,产生大量的污染物等缺点。国内对硼氢化钠有过合成文献与专利，但未见到同位素硼氘化钠的制备文献，较成熟方法如南开大学专利文献提到采用改进硼砂法制备硼氢化钠，但是由于该方法制备普通硼氢化钠，所以在氢气使用上为过量反应，反应釜进料后，抽真空、充氢气，再抽真空并充氢气，重复上述操作直到点燃接收到的尾气无爆鸣声为止。如采用该方法，氘气的使用量将非常大，不适用制备氘代试剂。
【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稳定同位素试剂硼氘化钠的制备方法。
[0006]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007]—种稳定同位素试剂硼氘化钠的制备方法，包括以下步骤:
[0008](I)将硼系物和石英砂预处理脱水完全后，置入密封反应釜内，再加入预处理后去除表面氧化层的活性金属，将氘气气袋连接密封反应釜，加热搅拌，吸入氘气反应至氘气气袋体积无变化；
[0009 ] (2)反应结束后，冷却，得到硼氘化钠产品。
[0010]步骤(I)中所述的硼系物选自硼酸钠、偏硼酸钠、CaB4O7、NaCaB5O9或CaB6O11中的一种；
[0011]所述的活性金属选自锂、镁、钠、钾或铝中的一种。
[0012]所述的硼系物为硼酸钠或偏硼酸钠；
[0013]所述的活性金属为锂、钠或镁。
[0014]步骤(I)中硼系物、石英砂和活性金属的添加量的摩尔比为(0.3?2): (5?10):(10 ?20)。
[0015]步骤(I)中硼系物的预处理步骤为:取硼系物粗品在300?550°C下煅烧3?5h，脱水完全后降至室温，再打碎后取过120目筛分，在150?250°C干燥I?3h，即得到预处理后的硼系物；
[0016]石英砂的预处理步骤为:取石英砂粗品打碎，取120?200目筛分，在150?250°C下烘干，即得到预处理后的石英砂。
[0017]步骤(I)中搅拌反应的工艺条件为:搅拌速率为50?200r/min，加热升温速率为200?300°C/h，反应温度为200?600°C。
[0018]步骤(2)所得到的硼氘化钠产品还经过以下步骤进行提纯:
[0019](3)取制得的硼氘化钠产品置于萃取器中，加入溶剂，加热回流进行一次提纯，得到萃取液；
[0020](4)分离除去萃取液中的溶剂，干燥，得到一次提纯硼氘化钠；
[0021 ] (5)将一次提纯硼氘化钠进行二次提纯，即得到高纯硼氘化钠。
[0022]一次提纯所用的溶剂选自2-甲基-四氢呋喃、四氢呋喃、二甲氧基乙烷、正丙胺、异丙胺、乙二胺、液氨、二乙二醇二甲醚、三甘醇二甲醚、四甘醇二甲醚、苯、烷烃或乙醚中的一种或几种。
[0023]二次提纯所用的溶剂选自二乙二醇二甲醚、异丙胺或正丙胺中的一种。
[0024]步骤(3)中萃取的容器为索氏提取器，萃取时间为4?6h;
[0025]步骤(5)中二次提纯采用的方法为脂肪抽提器提纯或重结晶提纯。
[0026]上述的二次提纯所采用的方法，其中，脂肪抽提器提纯:釜底温度为二次提纯的溶剂沸点温度，提纯时间大于3h。将溶剂蒸干后即的产品；
[0027]重结晶提纯中:将硼氘化钠溶于溶剂制得饱和溶液(溶解温度为30?50°C)，将饱和溶液密封存放于冰箱0°C，存放时间为12h左右白色硼氘化钠析出结晶，无水条件下过滤溶液，烘干产品即为硼氘化钠产品；
[0028]此外，还可以采用复合溶剂萃取，采用可溶性溶剂溶解，然后添加非溶性溶剂，将产品析出，无水条件下过滤烘干，所得产品即为硼氘化钠产品。
[0029]本发明首次公开了一种稳定同位素标记硼氘化钠的合成、提纯、验证丰度方法，以硼系物、活性金属、氘气和石英砂为原料，常压一步法制备硼氘化钠产品粗砂，具体反应参见以下:
[0030]Na2B4O7+16Na+8D2+7 S i 02^4NaBD4+7Na2 S i O3，
[0031]再采用溶剂对硼氘化钠产品粗砂依次进行一次提纯和二次提纯后即分别得到纯度90 %以上的一次提纯品和99 %以上的二次提纯品。
[0032]本发明通过采用吸气方式往密闭反应釜内添加氘气，避免了常规的采用压力的方法按照一定比例将氘气压入而导致的氘气浪费问题，从而最大限度的降低了氘气的原料成本。但是这样也导致了实际反应配比无法按照方程式剂量严格进行，在反应过程中的实际原料配比和升温速度等，对最终的产品纯度、收率有很大关系，本发明所采用的投料配比是根据大量的实验数据整理，考虑各种因素所总结的较优投料配比，通过该投料可以有效控制最终产物中原料、副产物对提纯的影响，本发明首先为副产物种类较少，并且通过本专利的方法更有效的控制剩余原料对产物提纯的影响，所以本发明制得的硼氘化钠粗产品更易于提纯。
[0033]本发明中反应升高温度有利于合成反应的进行，但温度过高又会导致生成产物的分解，发生复杂的副反应。当反应温度在200°C以下时未见氘气吸入，反应收率基本为O;当反应温度大于350°C时，反应釜吸氘气明显，随着温度升高，收率明显增加；当反应温度大于550°C，特别是高于600°C时，收率明显下降，此时，可以观察到反应釜产生气体倒吸进入气袋。说明反应温度高于550°C时，生成的硼氢化钠发生分解反应。升温速率对反应影响主要为，当速率较低时，反应温度还未达到反应要求时，釜内进入过多氘气，产率降低从而增加反应成本。当升温速率过快会导致受热不均，同时体系发生胶粘、结块不利于反应有效进行，也为后续提纯带来一定的难度。当反应原料中硼砂与二氧化硅过量时，反应体系容易发生结焦、结块不利于有效吸收氘气，对后期提纯也有一定影响，当活性金属过量时，由于活性金属熔点较低，过量的活性金属以熔融状态存在于物料顶部，阻碍了有效吸收氘气，对反应收率一定的影响。
[0034]与现有技术相比，本发明的制备工艺简单，成本低，无需较高的压力，成功避免了同位素丰度稀释现象的发生，反应制备过程中，氘气采用吸气的方式通入，消耗量较少，没有大量的固废、液废、气废生成。制备得到的产品易分离提纯，产品化学纯度可达到99.0%以上，同位素丰度在99.0%atom以上，可充分满足食品安全领域痕量检测的需求。此外，本发明经济性和使用价值良好，具有较好的推广前景。
【具体实施方式】
[0035]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
[0036]下述实施例中，经3A分子筛处理过的溶剂为:3A分子筛经过高温300°C?550°C煅烧，无水条件冷却后按I: I重量比投入溶剂中，密封存放36h以上。
[0037]实施例1
[0038]原料处理:称取处理过的硼砂12.0g(0.060mol)，石英砂25.3g(0.416mol)，迅速投入反应釜中并立即密封，升温至200°C，抽真空检漏lh，压力不变。
[0039]硼氘化钠粗砂制备:称取处理过的钠条22.0g(0.957mol)，迅速转移至反应釜内并立即密封，利用Ar2置换