基于紫精的阳离子型有机聚合物对钼锝分离的应用研究

2021-12-27赵鹏伟陈善勇金永东夏传琴

同位素 2021年6期

赵鹏伟，丁沐，陈善勇，金永东，夏传琴

(四川大学化学学院，成都 610064)

99mTc配合物广泛用于各种疾病诊断，全世界每年约有4 000万次患者使用99mTc药物进行临床检查[1-2]。99mTc主要通过99Mo/99mTc发生器产生，在发生器中，采用氧化铝作为吸附99Mo的柱填料，99Mo经过衰变变成99mTc，使用NaCl溶液对99mTc进行洗脱。99Mo以235U为原料，通过核反应堆生产。该方法235U利用率低、放射性三废多、成本高，同时面临核扩散的风险。更严重的是，国际上生产母体核素99Mo的大多数反应堆面临停堆检修、关停或退役问题，99mTc供应存在短缺甚至中断的风险，急需发展新的99mTc制备方法[3-4]。如基于98Mo(n,γ)99Mo反应的中子辐照法以及基于100Mo(γ,n)99Mo反应的加速器生产方法，这些方法不产生裂变废物，降低环境污染风险，排除了高浓缩235U扩散危险，成为了目前99mTc制备研究的热点[5-9]。但是这些方法面临共同的问题，所得99Mo含有大量Mo同位素载体，比活度较裂变99Mo大为降低，经典的氧化铝色谱柱发生器难以得到符合要求的99mTc洗脱液[6,10-14]。如何高效、安全地进行钼锝分离成为该方法发展的关键。目前较为有效的柱色层分离材料有Dowex-1×8阴离子交换树脂、ABEC树脂以及活性炭材料。Dowex-1×8阴离子交换树脂需要使用有机溶剂将材料上的99mTc淋洗下来，而有机溶剂容易残留，不利于后续的临床使用。而ABEC树脂在碱性条件下可以从含大量Mo的溶液中吸附99mTc，然后在水溶液中解析出99mTc，但是所需溶剂种类多，操作繁杂，材料耐辐照性能差，制备的色谱柱一致性差等缺点妨碍了其在医学领域中的应用[14-16]。

1 实验材料与仪器

1.1 主要仪器

磁力搅拌器：C-MAG HS10，德国IKA集团；分析天平：AL204，瑞士METTLER TOLEDO公司；pH酸度计：pHS-3C，上海精密仪器有限公司雷磁仪器厂；旋转蒸发仪：RE-2000B，上海亚荣生化仪器厂；水相针式滤器：聚醚砜SCAA-102，上海安普科学仪器有限公司；电感耦合等离子体发射光谱仪：Optima 8000，美国PerkinElmer公司；核磁共振：400 MHz，德国布鲁克公司；傅里叶变换红外光谱仪：Nicolet 670，美国尼高力仪器公司；X射线光电子能谱仪：XSAM 800，美国Kratos公司；X射线衍射仪：DX-1000，中国丹东方圆仪器有限公司；场发射扫描电镜：S-4800，日本日立公司。

1.2 主要试剂

1,4,7,10-四氮杂环十二烷(>97%)、4-硝基溴化苄(99%)：阿拉丁试剂有限公司；1-氯-2,4-二硝基苯(98%)、4,4′-联吡啶(98%)：萨恩化学技术(上海)有限公司；氯化亚锡、无水碳酸钾、无水硫酸钠，二水合钼酸钠：分析纯，上海泰坦科技有限公司；乙腈、二氯甲烷、乙醚、盐酸、甲醇、乙醇、1,4-二氧六环、氢氧化钠、无水硫酸钠：分析纯，成都市科隆化工试剂厂；高铼酸钾：分析纯，东京化成工业株式会社。

2 实验方法

2.1 有机合成

2.1.11,4,7,10-四(4-硝基苯基)-1,4,7,10-四氮杂环十二烷(TNBTA)的合成参考文献的合成方法[24]，TNBTA的合成路线示于图1。将7.52 g 4-硝基溴化苄(34.8 mmol)和4.81 g无水碳酸钾混合在60 mL乙腈中，在室温下向其中加入1.00 g四氮杂环十二烷(5.80 mmol)的乙腈溶液(60 mL)。在氮气氛围下室温反应搅拌24 h。反应结束后过滤，滤渣用30 mL乙腈洗涤2次(2×30 mL)，随后用500 mL二氯甲烷溶解，高水洗涤5次，有机相用无水硫酸钠干燥。减压蒸去二氯甲烷后可以得到淡黄色固体，产率80%，核磁共振1H表征数据：1H NMR(400 MHz,CDCl3)：δ 8.03(8H,d,1-H),7.45(8H,d,2-H),3.46(8H,s,3-H)2.64(16H,s,4-H)。

图1 TNBTA的合成路线Fig.1 Synthesis route of TNBTA

2.1.21,4,7,10-四(4-氨基卞基)-1,4,7,10-四氮杂环十二烷(TABTA)的合成参考文献的合成方法[24]，TABTA的合成路线示于图2。将0.71 g TNBTA(1.0 mmol)加入到50 mL 70 ℃的浓盐酸中，向混合溶液中加入3.79 g氯化亚锡(20.0 mmol)。在氮气氛围70 ℃下搅拌反应12 h，冷却至0 ℃。过滤反应液，滤渣用少量高水溶解，向溶液中加入2 mol·L-1氢氧化钠溶液，直至体系pH为13。混合液用二氯甲烷萃取3次，有机相用无水硫酸钠干燥。旋蒸除去二氯甲烷后，得到产物，立即使用。TABTA的高分辨质谱和核磁共振1H谱表征数据如下。

图2 TABTA的合成路线Fig.2 Synthesis route of TABTA

1H NMR(400 MHz,CDCl3)：δ7.11(8H,d,3-H),6.60(8H,d,2-H),3.58(8H,s,4-H),3.32(8H,s,1-H),2.63(16H,s,5-H)。

HRMS(ESI),m/zC36H49N8[M+H]+593.406 5;C36H48N8Na [M+Na]+615.381 7。

2.1.31,1′-双(2,4-二硝基苯)-4,4′-二氯化联吡啶(Zincke盐)的合成参考文献的合成方法[24]，Zincke盐的合成路线示于图3。将5.00 g 4,4′-联吡啶(32.0 mmol)和22.68 g 1-氯-2,4-二硝基苯(112.0 mmol)溶解于175 mL无水乙腈中，混合溶液在氮气氛围下90 ℃搅拌回流72 h。反应结束后过滤反应液，滤渣分别用乙腈(60 mL)和乙醚(4×40 mL)洗涤。最终粉末真空干燥12 h，得到产物，产率20%。产物的高分辨质谱和核磁共振1H谱表征数据如下。

图3 Zincke盐的合成路线Fig.3 Synthesis route of Zincke salt

1H NMR(400 MHz,D2O)：δ9.40(4H,d,4-H),9.33(2H,d,1-H),8.87(2H,d,2-H),8,85(4H,d,5-H),8.23(2H,d,3-H)。

HRMS(ESI),m/zC22H15N6O9[M-2Cl+OH]-507.086 4;C23H17N6O9[M-2Cl+CH3O]-521.100 8。

2.1.4材料VBCOP的制备参考文献的合成方法[24]，VBCOP的合成路线示于图4。将0.10 g新制备的TABTA(0.17 mmol)溶解于10 mL甲醇中，随后加入到由0.19 g Zincke盐(0.34 mmol)、10 mL甲醇和20 mL二氧六环构成的混合溶液中。反应溶液在氮气氛围下120 ℃搅拌回流72 h。反应结束后过滤，滤渣分别用乙醇、水、乙醚洗涤，最终粉末真空干燥12 h，得到产物，产率为53%。

图4 阳离子型有机多孔聚合物VBCOP的制备路线Fig.4 Synthesis route of VBCOP

2.2 静态批次吸附

2.2.1pH对VBCOP吸附高铼酸根离子和钼酸根离子的影响固液比为0.25 g·L-1，将5 mg VBCOP加入到20 mL含有浓度为0.59 mmol·L-1的高铼酸钾水溶液或浓度为0.37 mmol·L-1的钼酸钠水溶液中，pH为1～11，将所混合物恒温搅拌所需时间后，使用0.22 μm聚醚砜针式过滤器过滤。水溶液中的铼或钼浓度通过电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定，三次测定结果取平均值。

2.2.2初始浓度对VBCOP吸附高铼酸根离子和钼酸根离子的影响固液比为0.25 g·L-1，将5 mg VBCOP加入到20 mL含有一定浓度高铼酸根(16.0～236.0 mg·L-1)或钼酸根(16.7～200.7 mg·L-1)水溶液中，将所得混合物恒温搅拌所需的时间后，使用0.22 μm聚醚砜针式过滤器过滤。水溶液中的铼或钼浓度通过ICP-OES测定，三次测定结果取平均值。

2.2.3Mo/Re混合溶液对VBCOP吸附的影响以98Mo(n，γ)99Mo生产99Mo为例，假设反应堆中子通量为1×1014n/cm2·s，热中子俘获截面为0.13 b，1 g天然Mo或富集为90%的98Mo辐照8 d后可产生约1.6 Ci99Mo，即比活度为每克98Mo中含1.6 Ci99Mo，99Mo经衰变后(忽略母体衰变损失)，产生1.6 Ci99mTc[25]。使用与Tc物理化学性质相似的非放射性Re代替Tc，则Mo∶Re的质量比计算式如下，为1.75×106∶1。

摩尔比为：

固液比为1 g·L-1，将10 mg材料VBCOP加入到10 mL含有高铼酸钾和钼酸钠的水溶液中，将所得混合物搅拌所需的时间后使用0.22 μm聚醚砜针式过滤器过滤，水溶液中铼以及钼浓度通过ICP-OES测定。

3 结果与讨论

3.1 结构表征

a——Zincke盐；b——TABTA；c——VBCOP图5 傅里叶变换红外光谱Fig.5 Fourier transform INFRARED spectrum

图6 VBCOP的XPS全谱图(a)和N 1s的分谱图(b)Fig.6 XPS full spectrum of VBCOP (a)and N 1s XPS spectral fraction of VBCOP (b)

3.1.3粉末X射线衍射谱粉末X射线衍射可以观察材料的结晶情况。采用X射线衍射对制备的阳离子型共价聚合物进行表征，如图7所示，制备的VBCOP材料在2θ角为15°～35°之间产生了一个较宽的衍射峰，表明该材料缺乏晶型，是无定型的材料。这主要是因为材料的构筑单元中存在柔性较高的四氮杂环十二烷结构。这种结构的存在不仅降低了材料单体之间的交联度，使得材料网络存在较多缺陷，而且使材料在分子层面缺乏刚性，不易于形成长程有序的晶相结构。

图7 VBCOP的PXRD图Fig.7 PXRD pattern of VBCOP

3.1.4扫描电子显微镜制备的阳离子型共价聚合物材料的扫描电镜图像如图8所示，VBCOP主要呈现光滑的球状结构，直径主要分布在2～6 μm。VBCOP的成球机理可以参考高分子聚合物的沉淀聚合法[31-32]，即TABTA和Zincke盐在溶液中发生Zincke反应，产生交联度较低的低聚物，低聚物之间聚集合并而形成稳定的核进而从溶液中析出，形成的初级稳定核表面含有大量的反应位点，可以从溶液中捕获TABTA、Zincke盐及低聚物，进一步发生反应并不断成长。这种机理从一定程度上也解释了VBCOP具有无定型结构的原因。