同位素化合物的製備方法與流程
2023-10-20 14:25:02 1
本發明涉及一種同位素化合物的製備方法，屬於植物培養和加工技術領域。
背景技術：
穩定同位素標定的化合物在基礎科學，如化學，材料，醫藥，生物工程等領域，及臨床試驗，如幽門螺旋桿菌的檢測，糖尿病代謝研究等領域都有著很重要的作用。目前現有的氘(2H)，碳-13(13C)及氧-18(18O)等穩定同位素標定的化學品絕大多數都是以化學合成方法得到的。由於步驟較繁複，對合成中間體的要求也比較高，所以以化學合成方法生產的穩定同位素化學品的價格一直居高不下。過高的價格給基礎科學及臨床應用都帶來了很大的阻礙作用。另一方面，在世界範圍內有關生物質轉化方面的研究得到了相當的重視，其主要研究驅動力有如下幾點，以生物質為原料來生產燃料及化學品可以減少溫室氣體的排放；現有石化資源在消耗殆盡之後，生物質被視為最有希望取而代之的工業原料；現有廢棄生物質的不合理利用會給大氣及生態環境帶來負面影響，然而合理利用廢棄生物質可以使其變廢為寶。由於生物質的複雜多樣性，對其轉化機理的深入研究往往十分困難。為解決這一難題，很多研究人員都在試圖尋找以穩定同位素標定的天然產物來進行深入的機理研究。
技術實現要素：
本發明的目的是克服現有技術的不足之處，提供一種同位素化合物的製備方法。
本發明的同位素化合物的製備方法，所述的同位素化合物是以同位素標定的植物為原料製成。
優選地，
所述的同位素化合物是以同位素標定的植物為原料，經過傳統分離方法、水分解方法、發酵方法或者熱轉化方法製成。
所述的同位素為氘(2H)，碳-13(13C)及氧-18(18O)中的一種或幾種。
所述的同位素標定的植物通過如下方法培養獲得：
將植物幼苗或種子種植在全密閉溫室中，生長周期20-100天；所述的全密閉溫室中的培養條件為23-25攝氏度，溼度60-70％，光照22小時每天，光照強度1,200μmol m-2s-1，二氧化碳濃度0～500μl/l；
所述的植物培養過程中的同位素標定方法為如下方法中的任意一種：
1)以2H2O為唯一水分來源，以普通CO2為二氧化碳來源，培育出氘(2H)標定的植物；
2)以13CO2為唯一碳來源，以普通H2O為水分來源，培育出碳-13(13C)標定的植物；
3)以H218O為水分來源，以普通CO2為二氧化碳來源，培育出氧-18(18O)的植物；
或以C18O2為二氧化碳來源，以普通H2O為水分來源，培育出氧-18(18O)的植物；
4)以2H2O為水分來源，以13CO2為二氧化碳來源，培養出氘(2H)及碳-13(13C)標定的植物；
5)以2H218O為水分來源，以普通CO2為二氧化碳來源，培養出氘(2H)及氧-18(18O)標定的植物；
6)以H218O為水分來源，以13CO2為二氧化碳來源，培養出碳-13(13C)及氧-18(18O)標定的植物；
或以普通H2O為水分來源，以13C18O2為二氧化碳來源，培養出碳-13(13C)及氧-18(18O)標定的植物；
7)以2H218O為水分來源，以13CO2為二氧化碳來源，培養出氘(2H)，碳-13(13C)及氧-18(18O)標定的植物。
本發明的方法應用範圍廣，能夠獲得同位素標定的各種植物，可以用於分離各種同位素化合物，適用於各種植物及其化學產物的研究：
(1)中醫藥的研究：可以選取一些目標中醫藥植物，對其進行同位素標定進而提取其可能有效成分以便為生物活性實驗及機理研究提供更高效及直觀的原料。其中一些代謝中間體也可以為新藥設計提供標定原料。
(2)碳水化合物基礎的生物質的研究：可以選取一些可以生產澱粉及纖維素，並且生長周期較短的植物，如土豆，地瓜，玉米，及柳枝稷，虉草，芒草等植物。並且對產品進行預處理，分離出同位素標定過的澱粉，纖維素，半纖維素及木質素等。其中標定過的澱粉可以作為發酵原料生產同位素標定的化學品，也可以通過水解方法來生產單糖。纖維素，半纖維素可以通過水解，發酵及熱解方法來生產各種化學品。木質素則是用來生產各種芳香類產品的最佳原料。
(2)油脂及蛋白質化合物基礎的生物質的研究：可以選取一些可以生產不同蛋白質及油脂的生物質，如海藻，大豆，油菜等植物。對產品預處理後可以分離出同位素標定的甘油，脂肪酸，及蛋白質等。其中甘油及脂肪酸可以直接作為標定的化學品來銷售，標定蛋白質可以通過水解分離後來產生同位素標定過的胺基酸進而可以作為化學品直接銷售。
附圖說明
下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步地詳細說明。
圖1為被13C增強過的柳枝稷的固體核磁碳譜。
圖2a和圖2b為燃燒18O或是2H標定過的植物的質譜圖。
圖3為被13C增強過的柳枝稷的分離產物木質素的核磁碳譜。
圖4為被2H增強過的柳枝稷的水解產物葡萄糖的2H核磁譜。
具體實施方式
實施例1同位素標定植物的培養
本實施例的同位素標定植物的培養方法，是將土豆或柳枝稷植物幼苗或種子種植在全密閉溫室中，生長周期20-100天；全密閉溫室採用加拿大conviron公司的E8溫室。
全密閉溫室中的培養條件為23-25攝氏度，溼度60-70％，光照22小時每天，光照強度1,200μmol m-2s-1，二氧化碳濃度0～500μl/l；
所述的植物培養過程中的同位素標定方法為：以2H2O為唯一水分來源，以普通CO2為二氧化碳來源，培育出氘(2H)標定的植物。
實施例2-9同位素標定植物的培養
實施例2-9與實施例1培養方法相同，僅同位素標定方法不同，分別如下表所示
實施例10檢測同位素標定的植物
實施例1-9的同位素標定過的植物，通過固體核磁檢測分別能檢測到2H及13C，通過質譜可以檢測出18O。也可以通過燃燒18O標定過的植物來檢查生成的CO2或是H2O中是否有18O。實驗證明經燃燒(使用普通O2)18O標定過的植物後生成的CO2或是H2O均含有18O。
從圖1中可以看出，被13C增強過的柳枝稷的固體核磁碳譜(Bruker DSX 300NMR，Bruker 7mm MAS probe.柳枝稷球磨後裝在7mm ZrO轉子中,旋轉速度4kHz)。圖中可以清晰的看到所有生物質基本組成成分，如纖維素，半纖維素及木質素。
從圖2a和圖2b中可以看出，燃燒18O或是2H標定過的植物後生成的H2O均含有相應的同位素(圖2a為生產的D2O，圖2b為生成的H218O)。
實施例11用同位素標定的植物製備同位素化合物
2.1傳統分離及水分解方法
2.1.1同位素標定的生物質基本組成成分
生物質在NaClO2(相應同位素標定過)及醋酸(相應同位素標定過)並在70℃水浴條件下加熱2小時將會得到纖維素與半纖維素的混合物。半纖維素可以通過使用KOH溶解後用乙醇沉澱的方法得到，纖維素作為KOH不溶解的產物進而得到分離。木質素則可以從第一步NaClO2(相應同位素標定過)及醋酸(相應同位素標定過)處理後的水溶部分分離出來。具體過程可參見文獻(Green Chemistry 13(11),3196-3202，2011)。通過這些分離方法可以從植物中得到纖維素，半纖維素，木質素，油脂，蛋白質，澱粉，果糖及其他碳水化合物等。其中從同位素標定的植物中得到的這些同位素標定的生物質基本組成成分可以直接當作產品銷售。圖3為被13C增強過的柳枝稷的分離產物木質素的核磁碳譜。
2.1.2同位素標定的六碳及五碳糖，甘油，飽和及不飽和脂肪酸及胺基酸的生產
通過簡單的水解過程(10-30％硫酸(相應同位素標定過)，80℃水浴條件下加熱2小時)，不同碳鏈長度的單糖(從澱粉及纖維素中得到)，甘油，飽和及不飽和脂肪酸(從油脂中得到)，以及各種胺基酸(以蛋白質為原料)等可以從生物質基本組成成分中的到。具體過程可參見文獻(Green Chemistry 13(11),3196-3202，2011)。這些同位素標定的化合物可以直接當作產品銷售。圖4為被2H增強過的柳枝稷的水解產物葡萄糖的2H核磁譜。
2.2通過發酵方法來生產化學品
通過簡單的分離得到生物質基本組成成分之後，對於纖維素，半纖維素，澱粉及其他碳水化合物可以通過水解進一步得到單糖。通過發酵過程(酵母，大腸桿菌等，發酵條件PH＝5.0，溫度～30℃，無氧條件，時間2-24小時)，這些單糖可以轉化為，乙醇，丁醇，丙酮，3-羥基丁酮，各種碳鏈長度的有機酸，如乙酸，丙酸，丙烯酸，檸檬酸，乙二酸，丁二酸，戊二酸，己二酸，阿爾法羥基丙酸，乙醯基丙酸及其他各類有機酸。其中通過簡單的加氘(Pd，Ru，Pt，D2壓力10Mpa，催化劑用量1-5％)可以使這些有機酸變為不同碳鏈長度的醇。通過簡單的脫水反應(酸性脫水條件，硫酸10％，沸石催化劑)，從單糖還可以生產5-羥甲基糠醛，糠醛等產物。通過加氫及催化轉化過程(Pd，Ru，Pt，D2壓力10Mpa，催化劑用量1-5％)5-羥甲基糠醛，糠醛等還可以轉化成一系列產品，如四氫呋喃，二甲基呋喃，對二甲苯，對二苯甲酸，2,5-呋喃二甲酸，丙烯氰，丙醇酸丙酯等一系列產品。氘(2H)，碳-13(13C)及氧-18(18O)標定的這些化學品價格非常昂貴，通過同位素標定植物進而通過發酵方法得到的這些同位素標定的化學品會大大降低產品價格。
2.3通過熱轉化方法來生產化學品
熱轉化方法主要是應用了在無氧條件下對生物質進行分解，通過溫度不同，可分為液化，裂解，及氣化等過程。其中液化及裂解過程可以產生比較多的液體產物，氣化過程可以產生比較多的氣體產物。對於化學品的生產，液化(重水為溶劑，200℃,標定過的硫酸為催化劑)及裂解(無氧裂解，500℃，時間30分鐘，無壓力，產物在乾冰浴或是液氮中回收)過程比較合適。其中同位素標定過的木質素是裂解過程最理想的原料。通過無催化劑或是在沸石(催化劑及生物質比例1：1)為催化劑的條件下，木質素可以被裂解為各種芳香族產品，如苯酚，4'-羥基-3-甲氧基苯乙酮(香草酮)，甲基苯酚，愈創木酚，4-乙基苯酚，丁香醛，乙醯丁香酮，4-甲基愈創木酚，苯二酚，三甲基鄰苯二酚，乙烯基愈創酚，香蘭素，丁香酚，2,6-二甲氧基酚，4-丙烯基-2-甲氧基苯酚，4-羥基-3-甲氧基苯乙酮及其它上百種芳香族產品。氘(2H)，碳-13(13C)及氧-18(18O)標定的這些化學品價格非常昂貴，通過同位素標定植物進而通過熱轉化方法得到的這些同位素標定的化學品會大大降低產品價格。
3.同位素的回收利用
除了在全密閉溫室中回收同位素標定的水及二氧化碳外，在通過生物質傳統分離，水解，發酵轉化，熱轉化過程中產生的廢棄物可以通過可控燃燒(用同位素標定過的氧氣作為氧化劑)來回收同位素，使其變成相應同位素標定的水及二氧化碳進而降低整個轉化過程的成本。