[发明专利]一种稳定性同位素15N标记氧化亚氮的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于稳定性同位素标记化合物生产领域，涉及稳定性同位素标记气体的实验室制备方法，尤其涉及一种稳定性同位素¹⁵N标记氧化亚氮(¹⁵N-N₂O)产品的制备方法。

背景技术

气候变化是当今全球面临的重大挑战。遏制气候变暖，拯救地球家园，是全人类共同的使命。地球系统的自然温室效应使地球表面温度维持在适宜人类生存的范围内。但是，随着化石燃料的燃烧和森林砍伐等人类活动的加强，大气中CO₂、CH₄和N₂O等温室气体的浓度不断增加，大大增强了地球的自然温室效应，从而导致全球变暖的现象。温室效应引起的全球变暖现象愈演愈烈，对于温室气体源汇、迁移转化过程的研究始终是全球范围内探讨的热点。

氧化亚氮(N₂O)是一种痕量气体，在大气中的含量很少，本身是排在二氧化碳、甲烷之后的第三大温室气体，是《京都议定书》规定的6种温室气体之一。N₂O在大气中的存留时间长，并可输送到平流层，同时，N₂O也是导致臭氧层损耗的物质之一。与二氧化碳相比，虽然N₂O在大气中的含量很低，但其单分子增温潜势却是二氧化碳的310倍，对全球气候的增温效应在未来将越来越显著，N₂O浓度的增加，已引起科学家的极大关注。工业革命前，大气N₂O背景值约270ppb，但随着人类工业革命生产活动的进行，全球大气N₂O浓度已增长到2005年的约319ppb(IPCC(联合国政府间气候变化专门委员会)，2007)。N₂O在大气中的含量虽然较之CO₂少的多，但因其增温效应强(以质量计是CO₂的300倍，CH₄的15倍)，在大气中的存留时间长和破坏臭氧层而受到广泛重视。大气中的N₂O源主要分为人为源和自然源，人为源包括化石燃料和生物质燃烧、农业中土壤氮肥的使用、人类排泄物、河流、河湾与海岸带以及大气沉降等；自然源主要包括自然土壤、海洋以及大气化学过程等。IPCC对全球N₂O总量的评估表明，来自于土壤源(包括农业土壤和自然土壤)的N₂O约占N₂O总量的53％，水体(包括海洋、河流、河湾、海岸带)排放的N₂O约占总量的31％，来自于其他来源的N₂O占总量的16％(IPCC，2007)。由此可知，地球大气的N₂O主要来源于土壤和水体的释放。土壤N₂O主要通过微生物的硝化和反硝化作用产生，农田生态系统施肥是造成大气N₂O浓度升高的重要原因之一。土壤中进行的硝化作用、反硝化作用、硝态氮异化还原成铵作用(DNRA)以及化学反硝化作用都能产生N₂O气体。

近年来，温室气体同位素测定技术是一种独立于常规的温室气体通量观测的研究方法，能够为大气温室气体源、汇的全球收支平衡提供有价值的数据，以便进一步研究温室气体产生与排放的过程机理及其变化趋势。

目前，处于对同位素标记化合物制备技术的保密，尚未发现有关¹⁵N标记氧化亚氮制备的文献。结合普通氧化亚氮的制备技术，典型的方法主要有以下几种：

(1)高温加热分解硝酸铵；

(2)硝酸脲和浓硫酸反应；

(3)WO98/25698和US5,849,257中公开了，在贵金属催化剂存在下将气态氨催化氧化制备氧化亚氮，其中使用的催化剂体系为锰氧化物、铋氧化物和氧化铝组成的催化剂，以及铜-锰氧化物催化剂；

上述方法可能适合天然丰度氧化亚氮的制备，但对于同位素气体的制备，存在一些缺点：方法一的工艺过程很难控制，由于是高温加热硝酸铵，所以还存在爆炸的危险；方法二的工艺过程中温度对反应非常敏感，如温度控制不好，则会发生副反应，即生成等摩尔量的氧化亚氮和二氧化碳，增加混合气体的分离难度；方法三的工艺过程中不仅要使用贵金属催化剂，增加原料成本，而且该反应需在高温高压下才能反应完全，反应条件苛刻。

目前关于氧化亚氮的纯化技术大都应用于工厂生产中，如：

(1)CN200980119430.2和CN200980120259.7中公开了，将含氧化亚氮的料流中的氧气含量降低的方法；