本发明涉及稳定同位素标记的有机化合物的制备方法，尤其是涉及一种13c稳定同位素标记α-氨基丁酸-(13cooh)的有机合成方法。
背景技术：
稳定性同位素及其标记化合物作为一种独特的新兴科学，其应用领域几乎遍及所有高新技术领域，尤其在现代医学诊断应用领域受到重大关注。α-氨基丁酸是抑制人体神经信息传递的天然氨基酸，是重要的化工原料和医药中间体，已成为多种手性药物的重要手性中间体，广泛应用于药物合成，例如α-氨基丁酸是合成新型抗癫痫药左乙拉西坦的主要生产原料，也是合成抑菌抗结核药乙胺丁醇盐酸盐的关键手性前体。
同位素示踪技术采用稳定同位素标记原料，具有非放射性、无损性的特点，在医药、农业等代谢组学研究中起到了重要作用。稳定同位素标记α-氨基丁酸作为一稳定同位素示踪剂，高品质产品的合成是代谢组学示踪技术中的基础，稳定同位素标记α-氨基丁酸的使用，对药物的精准治疗和药物代谢研究具有积极作用。
α-氨基丁酸的制备方法有化学法和生物方法，化学合成法有jefferyea(jeferyea，meistersa.electrochemicalsynthesisofaminoacidsbyreductiveaminationofketoacids.i.reductionatmercuryelectrodes[j].austjchem，1978，31(1)：79-84.)等利用汞电极在氨水或氯化铵溶液中电催化还原其相应的酮式氨基酸(或氨基酸的钠盐)的方法，制备了α-氨基丁酸，产率仅为48％，且有副产物谷氨酸生成；babievskiikk(babievskiikk，belikovvm，tikhonovana.aminoacids.communication1.synthesisofdl-threonineanddl-2-aminobutyricacidbasedoncondensationsofnitroaceticester[j].russianchemicalbulletin，1965，14(1)：76-81.)等将硝基乙酯、乙醛和异丁酸的反应产物经催化加氢后制备了α-氨基丁酸，产率依然较低，也有副产物苏氨酸生成。另外传统生物酶催化法因效率高、专一性强而得到广泛的应用。在酶法生产α-氨基丁酸的工艺中，转氨酶报道最多，然而转氨过程为动态平衡，反应的最高转化率为50％。工艺改进后可以提高反应的转化率，但是会引入与产物α-氨基丁酸性质相似的副产物，影响产物的进一步纯化，因此不利于工业化生产。并且生物合成法无法选择性合成羧基13c标记物，只能将全部c进行13c同位素标记，大大增加原料成本。羧基13c标记的α-氨基丁酸无法用生物酶法制备，只能通过有机合成的方法才能实现。
技术实现要素：
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克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种反应过程简单、后处理过程简便的13c稳定性同位素标记α-氨基丁酸-(13cooh)的有机合成方法，同时为了可以科学有效地对药物的代谢组学进行研究提供可靠依据。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
13c标记α-氨基丁酸的合成方法，以正丁酸-1-(13cooh)为原料，用氯化试剂进行酰化反应制得中间体(1)正丁酰氯-13c，将其进行溴代反应制得中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c，再进行胺化反应得到中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c，最终水解得到无色固体α-氨基丁酸-(13cooh)，具体过程如下：
取一定量正丁酸-1-(13cooh)溶于溶剂中，低温-20～0℃下加入氯化试剂，一定温度下搅拌反应，至无hcl气体放出。反应液旋除溶剂，得到中间体(1)正丁酰氯-13c。
将中间体(1)正丁酰氯-13c溶于溶剂中，加热搅拌下缓慢滴加入干燥的液溴，搅拌反应。反应结束后将反应物冷却至室温。旋除去溶剂，减压蒸馏，收集150℃淡黄色油状馏份中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c。
将乌洛托品溶于溶剂中，搅拌混合。室温下通入干燥氨气至溶液ph碱性，滴加入中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c的有机溶液，tlc监控反应至原料反应完全。过滤得到无色固体，用甲醇和石油醚的混合溶液进行重结晶，得到无色粉末固体中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c。
将中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c使用酸进行水解，得到产物经活性炭脱色，用水和乙醇的混合溶液进行重结晶，过滤得到无色粉末固体α-氨基丁酸-(13cooh)，收率可以达到72％。
反应路线如下：
第一步反应中正丁酸-1-(13cooh)与氯化试剂的摩尔比为1:(1～5)；反应温度为0～100℃，以40～60℃为佳；反应时间为2～12h，以6～8h为佳；所用溶剂为1,2-二氯乙烷、二氯甲烷、苯或甲苯中的一种或几种；所用的氯化试剂为氯化亚砜、草酰氯或三氯化磷中的一种或几种；
第二步反应中所用中间体(1)正丁酰氯-13c与液溴的摩尔比为1:(1～5)；反应时间为2～12h，以6～8h为佳；反应温度为30～120℃，以70～90℃为佳；所用的溶剂为1,2-二氯乙烷、二氯甲烷、氯仿或1,4-二氧六环中的一种或几种；
第三步反应中中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c与乌洛托品的摩尔比1：(1～5)；反应时间为1～8h，以3～4h为佳；所用溶剂为甲醇、乙醇或异丙醇中的一种或几种；反应液ph范围为8～12之间，以9～10之间为佳；
第四步反应中所用的酸溶液是盐酸、硫酸或氢溴酸中的一种或几种，其浓度为1～6mol/l；反应温度为50～100℃，以70～80℃为佳；反应时间为6～24h。
现有技术中并未将丁酸用氯化亚砜先制备酰氯，直接用溴进行溴代反应，导致溴不仅可以取代到α位置，也会取代到β和γ位置，副产物分离困难，继续往下反应就会有β-氨基丁酸与γ-氨基丁酸的杂质，与现有技术相比，本发明通过将丁酸用氯化亚砜先制备酰氯，可以有效避免副产物β-氨基丁酸与γ-氨基丁酸的产生，且操作简单，工艺流程短，副产物少。反应总收率≥72％(以丁酸-1-(13cooh)计)。
现有技术利用汞电极在氨水或氯化铵溶液中电催化还原其相应的酮式氨基酸(或氨基酸的钠盐)的方法制备了α-氨基丁酸，与本发明的合成路线完全不同。本发明路线中经过酰化、溴代、胺化、水解反应，每步反应都为常规反应，操作简单，收率较高，从而比现有技术的48％有很大的提升。
本申请中同位素标记原料丁酸在羧基位置13c标记，反应中标记13c原子并没有参与反应，也没有与其它物质进行同位素交换，因此最终产品化学纯度≥99％，同位素丰度≥98atom％13c(安捷伦7890b-7000c气质联用仪测定)。该法标记稳定同位素α-氨基丁酸-(13cooh)收率高，工艺流程短，操作简单，副产物少，同位素丰度未被稀释，适合实验室生产该稳定同位素产品，具有良好的经济性和实际应用价值。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
13c标记α-氨基丁酸的合成方法，以正丁酸-1-(13cooh)为原料，用氯化试剂进行酰化反应制得中间体(1)正丁酰氯-13c，将其进行溴代反应制得中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c，再进行胺化反应得到中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c，最终水解得到无色固体α-氨基丁酸-(13cooh)，反应路线如下：
上述反应的具体过程如下：
(1)取正丁酸-1-(13cooh)溶于溶剂(1,2-二氯乙烷、二氯甲烷、苯或甲苯中的一种或几种)中，-20～0℃下加入氯化试剂(氯化亚砜、草酰氯或三氯化磷中的一种或几种)，正丁酸-1-(13cooh)与氯化试剂的摩尔比为1:(1～5)，控制温度为0～100℃反应2～12h，以40～60℃，反应时间6～8h为佳，进行搅拌反应至无hcl气体放出。反应液旋除溶剂，得到中间体(1)正丁酰氯-13c。
(2)将中间体(1)正丁酰氯-13c溶于溶剂(1,2-二氯乙烷、二氯甲烷、氯仿或1,4-二氧六环中的一种或几种)中，加热搅拌下缓慢滴加入干燥的液溴，正丁酰氯-13c与液溴的摩尔比为1:(1～5)，控制温度为30～120℃搅拌反应2～12h，以70～90℃反应6～8h为佳，反应结束后将反应物冷却至室温。旋除去溶剂，减压蒸馏，收集150℃淡黄色油状馏份中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c。
(3)将乌洛托品溶于溶剂(甲醇、乙醇、或异丙醇中的一种或几种)中，搅拌混合。室温下通入干燥氨气至溶液ph碱性(8～12之间，以9～10之间为佳)，滴加入中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c的有机溶液，中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c与乌洛托品的摩尔比1：(1～5)，反应1～8h，以3～4h为佳，利用tlc监控反应至原料反应完全。过滤得到无色固体，用甲醇和石油醚的混合溶液进行重结晶，得到无色粉末固体中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c。
(4)将中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c使用酸(盐酸、硫酸或氢溴酸中的一种或几种，其浓度为1～6mol/l)进行水解，控制反应温度为50～100℃，以70～80℃为佳；反应6～24h，得到产物经活性炭脱色，用水和乙醇的混合溶液进行重结晶，过滤得到无色粉末固体α-氨基丁酸-(13cooh)。
以下是更加详细的实施案例，通过以下实施案例进一步说明本发明的技术方案以及所能够获得的技术效果。
实施例1
13c标记α-氨基丁酸的合成方法，采用以下方法：
将5g正丁酸-1-(13cooh)溶于50ml1,2-二氯乙烷中，在0℃下加入6.68g氯化亚砜，在0℃下搅拌反应6h，至无hcl气体放出。反应液旋除溶剂，得到中间体中间体(1)正丁酰氯-13c5.70g。
将5.70g中间体(1)正丁酰氯-13c溶于二氯甲烷中，加热至80℃，搅拌下缓慢滴加入干燥的液溴42.50g，持续搅拌12h。反应结束后将反应物冷却至室温。旋除去溶剂，减压蒸馏，收集150℃淡黄色油状馏份中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c8.90g。
将33.42g乌洛托品溶于100ml乙醇中，搅拌混合。室温下通入干燥氨气至溶液ph＝9，滴加入8.90g中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c的乙醇溶液，反应时间为1h。过滤得到无色固体，用甲醇和石油醚的混合溶液进行重结晶，得到无色固体中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c4.67g。
将4.67g中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c加入到25ml6mol/l盐酸水溶液中，70℃加热搅拌24h。旋干得到产物经活性炭脱色，用水和乙醇的混合溶液进行重结晶，得到4.24g无色粉末固体α-氨基丁酸-(13cooh)，反应总收率为72.6％(以丁酸-1-(13cooh)计)，化学纯度≥99％，同位素丰度≥98atom％13c(安捷伦7890b-7000c气质联用仪测定)。
实施例2
13c标记α-氨基丁酸的合成方法，采用以下方法：
将5g正丁酸-1-(13cooh)溶于50ml二氯甲烷中，在-20℃下加入20.00g氯化亚砜，在60℃下搅拌反应8h，至无hcl气体放出。反应液旋除溶剂，得到中间体中间体(1)正丁酰氯-13c5.72g。
将5.72g中间体(1)正丁酰氯-13c溶于1,2-二氯乙烷中，加热至30℃，搅拌下缓慢滴加入干燥的液溴8.50g，持续搅拌8h。反应结束后将反应物冷却至室温。旋除去溶剂，减压蒸馏，收集150℃淡黄色油状馏份中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c8.92g。
将6.68g乌洛托品溶于100ml甲醇中，搅拌混合。室温下通入干燥氨气至溶液ph＝8，滴加入8.92g中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c的甲醇溶液，反应时间为4h。过滤得到无色固体，用甲醇和石油醚的混合溶液进行重结晶，得到无色固体中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c4.65g。
将4.65g中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c加入到25ml3mol/l硫酸水溶液中，100℃加热搅拌6h。旋干得到产物经活性炭脱色，用水和乙醇的混合溶液进行重结晶，得到4.27g无色粉末固体α-氨基丁酸-(13cooh)，反应总收率为73.2％(以丁酸-1-(13cooh)计)，化学纯度≥99％，同位素丰度≥98atom％13c(安捷伦7890b-7000c气质联用仪测定)。
实施例3
13c标记α-氨基丁酸的合成方法，采用以下方法：
将5g正丁酸-1-(13cooh)溶于50ml苯中，在-20℃下加入32.10g草酰氯，在100℃下搅拌反应2h，至无hcl气体放出。反应液旋除溶剂，得到中间体中间体(1)正丁酰氯-13c5.74g。
将5.74g中间体(1)正丁酰氯-13c溶于氯仿中，加热至60℃，搅拌下缓慢滴加入干燥的液溴20.50g，持续搅拌2h。反应结束后将反应物冷却至室温。旋除去溶剂，减压蒸馏，收集150℃淡黄色油状馏份中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c8.91g。
将15.50g乌洛托品溶于100ml异丙醇中，搅拌混合。室温下通入干燥氨气至溶液ph＝12，滴加入8.91g中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c的异丙醇溶液，反应时间为3h。过滤得到无色固体，用甲醇和石油醚的混合溶液进行重结晶，得到无色固体中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c4.68g。
将4.68g中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c加入到75ml2mol/l氢溴酸水溶液中，50℃加热搅拌12h。旋干得到产物经活性炭脱色，用水和乙醇的混合溶液进行重结晶，得到4.26g无色粉末固体α-氨基丁酸-(13cooh)，反应总收率为73.0％(以丁酸-1-(13cooh)计)，化学纯度≥99％，同位素丰度≥98atom％13c(安捷伦7890b-7000c气质联用仪测定)。
实施例4
13c标记α-氨基丁酸的合成方法，采用以下方法：
将5g正丁酸-1-(13cooh)溶于25ml苯与25ml甲苯混合溶液中，在0℃下加入38.40g三氯化磷，在80℃下搅拌反应12h，至无hcl气体放出。反应液旋除溶剂，得到中间体中间体(1)正丁酰氯-13c5.75g。
将5.75g中间体(1)正丁酰氯-13c溶于1,4-二氧六环中，加热至120℃，搅拌下缓慢滴加入干燥的液溴31.50g，持续搅拌6h。反应结束后将反应物冷却至室温。旋除去溶剂，减压蒸馏，收集150℃淡黄色油状馏份中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c8.93g。
将25.80g乌洛托品溶于50ml甲醇和50ml乙醇中，搅拌混合。室温下通入干燥氨气至溶液ph＝10，滴加入8.93g中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c的甲醇和乙醇混合溶液，反应时间为8h。过滤得到无色固体，用甲醇和石油醚的混合溶液进行重结晶，得到无色固体中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c4.69g。
将4.69g中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c加入到150ml1mol/l盐酸水溶液中，80℃加热搅拌8h。旋干得到产物经活性炭脱色，用水和乙醇的混合溶液进行重结晶，得到4.25g无色粉末固体α-氨基丁酸-(13cooh)，反应总收率为72.8％(以丁酸-1-(13cooh)计)，化学纯度≥99％，同位素丰度≥98atom％13c(安捷伦7890b-7000c气质联用仪测定)。
实施例5
13c标记α-氨基丁酸的合成方法，采用以下方法：
取正丁酸-1-(13cooh)溶于1,2-二氯乙烷中，低温0℃下加入氯化亚砜，正丁酸-1-(13cooh)与氯化亚砜的摩尔比为1:1，控制温度为0℃搅拌反应12h至无hcl气体放出。反应液旋除溶剂，得到中间体(1)正丁酰氯-13c。
将中间体(1)正丁酰氯-13c溶于1,2-二氯乙烷中，加热搅拌下缓慢滴加入干燥的液溴，正丁酰氯-13c与液溴的摩尔比为1:1，控制温度为30℃搅拌反应12h，反应结束后将反应物冷却至室温。旋除去溶剂，减压蒸馏，收集150℃淡黄色油状馏份中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c。
将乌洛托品溶于甲醇中，搅拌混合。室温下通入干燥氨气至溶液ph值为8，滴加入中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c的有机溶液，中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c与乌洛托品的摩尔比1:1，反应1h，利用tlc监控反应至原料反应完全。过滤得到无色固体，用甲醇和石油醚的混合溶液进行重结晶，得到无色粉末固体中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c。
将中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c使用浓度为1mol/l的盐酸进行水解，控制反应温度为50℃反应24h，得到产物经活性炭脱色，用水和乙醇的混合溶液进行重结晶，过滤得到无色粉末固体α-氨基丁酸-(13cooh)。
实施例6
13c标记α-氨基丁酸的合成方法，采用以下方法：
取正丁酸-1-(13cooh)溶于苯和甲苯的混合溶剂中，低温0℃下加入草酰氯，正丁酸-1-(13cooh)与草酰氯的摩尔比为1:2，控制温度为40℃搅拌反应8h至无hcl气体放出。反应液旋除溶剂，得到中间体(1)正丁酰氯-13c。
将中间体(1)正丁酰氯-13c溶于二氯甲烷中，加热搅拌下缓慢滴加入干燥的液溴，正丁酰氯-13c与液溴的摩尔比为1:2，控制温度为70℃搅拌反应8h，反应结束后将反应物冷却至室温。旋除去溶剂，减压蒸馏，收集150℃淡黄色油状馏份中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c。
将乌洛托品溶于异丙醇中，搅拌混合。室温下通入干燥氨气至溶液ph值为9，滴加入中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c的有机溶液，中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c与乌洛托品的摩尔比1:2，反应3h，利用tlc监控反应至原料反应完全。过滤得到无色固体，用甲醇和石油醚的混合溶液进行重结晶，得到无色粉末固体中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c。
将中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c使用浓度为3mol/l的硫酸进行水解，控制反应温度为70℃反应12h，得到产物经活性炭脱色，用水和乙醇的混合溶液进行重结晶，过滤得到无色粉末固体α-氨基丁酸-(13cooh)。
实施例7
13c标记α-氨基丁酸的合成方法，采用以下方法：
取正丁酸-1-(13cooh)溶于二氯甲烷中，低温0℃下加入三氯化磷，正丁酸-1-(13cooh)与三氯化磷的摩尔比为1:5，控制温度为60℃搅拌反应6h至无hcl气体放出。反应液旋除溶剂，得到中间体(1)正丁酰氯-13c。
将中间体(1)正丁酰氯-13c溶于氯仿与1,4-二氧六环的混合溶剂中，加热搅拌下缓慢滴加入干燥的液溴，正丁酰氯-13c与液溴的摩尔比为1:4，控制温度为90℃搅拌反应6h，反应结束后将反应物冷却至室温。旋除去溶剂，减压蒸馏，收集150℃淡黄色油状馏份中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c。
将乌洛托品溶于甲醇与乙醇的混合溶剂中，搅拌混合。室温下通入干燥氨气至溶液ph值为10，滴加入中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c的有机溶液，中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c与乌洛托品的摩尔比1:4，反应4h，利用tlc监控反应至原料反应完全。过滤得到无色固体，用甲醇和石油醚的混合溶液进行重结晶，得到无色粉末固体中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c。
将中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c使用浓度为6mol/l的氢溴酸进行水解，控制反应温度为80℃反应10h，得到产物经活性炭脱色，用水和乙醇的混合溶液进行重结晶，过滤得到无色粉末固体α-氨基丁酸-(13cooh)。
实施例8
13c标记α-氨基丁酸的合成方法，采用以下方法：
取正丁酸-1-(13cooh)溶于甲苯中，低温0℃下加入草酰氯，正丁酸-1-(13cooh)与草酰氯的摩尔比为1:4，控制温度为100℃搅拌反应2h至无hcl气体放出。反应液旋除溶剂，得到中间体(1)正丁酰氯-13c。
将中间体(1)正丁酰氯-13c溶于溶剂二氯甲烷中，加热搅拌下缓慢滴加入干燥的液溴，正丁酰氯-13c与液溴的摩尔比为1:5，控制温度为120℃搅拌反应2h，反应结束后将反应物冷却至室温。旋除去溶剂，减压蒸馏，收集150℃淡黄色油状馏份中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c。
将乌洛托品溶于溶剂乙醇中，搅拌混合。室温下通入干燥氨气至溶液ph值为11，滴加入中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c的有机溶液，中间体(2)2-溴丁酸酰氯-13c与乌洛托品的摩尔比1:4，反应8h，利用tlc监控反应至原料反应完全。过滤得到无色固体，用甲醇和石油醚的混合溶液进行重结晶，得到无色粉末固体中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c。
将中间体(3)2-氨基丁酰胺-13c使用浓度为4mol/l的硫酸进行水解，控制反应温度为100℃反应6h，得到产物经活性炭脱色，用水和乙醇的混合溶液进行重结晶，过滤得到无色粉末固体α-氨基丁酸-(13cooh)。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。