Einfluß der Protonendosis auf die chemischen Folgen des Kernprozesses $^{14}$N(p,$\alpha$) $^{11}$C in kristallinen Ammoniumhalogeniden

Vogt, M.

Book/Report

FZJ-2018-01541

Einfluß der Protonendosis auf die chemischen Folgen des Kernprozesses $^{14}$N(p,$\alpha$) $^{11}$C in kristallinen Ammoniumhalogeniden

Vogt, M. (Corresponding author)FZJ*

1980
Kernforschungsanlage Jülich, Verlag Jülich

Jülich : Kernforschungsanlage Jülich, Verlag, Berichte der Kernforschungsanlage Jülich 1690, 74 p. (1980)

Please use a persistent id in citations: http://hdl.handle.net/2128/17522

Report No.: Juel-1690

Abstract: Die Chemie heißer Kohlenstoffatome hat in neuester Zeit an Bedeutung gewonnen durch die Anwendung des Radioisotops $^{11}$C (T$_{1/2}$ = 20,3 min) in der Nuklearmedizin für die in-vivo Funktionsdiagnostik. Die erforderliche schnelle Markierung von Radiopharmaka mit solchen kurzlebigen Zyklotronradionukliden macht die Herstellung reaktiver Synthesevorläufer über Kernrückstoßatome bereits im Target selbst notwendig. In der vorliegenden Arbeit wurden Reaktionen des Kohlenstoffrückstoßatoms aus der Kernreaktion $^{14}$N(p,$\alpha$)$^{11}$C in festen Amrnoniumhalogeniden untersucht. Die $^{11}$C-Atome reagieren hier zu einer Reihe trägerfreier Verbindungen, von denen z.B. die Hauptprodukte Formamidin und Guanidin zur Synthese von $^{11}$C-markierten Heterozyklen wie Purinderivaten und Barbituraten eingesetzt werden können. Zur Optimalisierung der Herstellung dieser $^{11}$C-markierten Produkte in hoher Aktivität wurden mechanistische Fragestellungen zur Chemie der heißen $^{11}$C-Atome in Festkörpern sowie die Probleme der begleitenden thermischen und radiolytischenBelastung des Targets untersucht. Presslinge von NH$_{4}$CI, NH$_{4}$Br und NH$_{4}$I wurden mit 13 MeV-Protonen des Kompaktzyklotrons CV28 der KFA-Jülich im Dosisbereich von 10$^{-2}$ bis 10$^{2}$ eV $\cdot$ Molekül$^{-1}$ bestrahlt. Die gebildeten $^{11}$C-Produkte wurden nach Auflösen der Proben mit Hilfe der Radiogaschromatographie und Hochdruckflüssigkeitschromatographie an Kationen- und Anionenaustauschern analysiert. Die $^{11}$C-Produktverteilungzeigt insbesondere im NH$_{4}$Br und NH$_{4}$I eine starke Abhängigkeit von der Targettemperatur, der Protonendosis und Dosisleistung 'sowie von sterischen Faktoren, die durch unterschiedliche Gitterstrukturen bzw. den Phasenübergängen zwischen ihnen bedingt sind. Trotz der z.T. beträchtlichen makroskopischen Zersetzung der Targets bei hoher Dosis zu N$_{2}$ , H$_{2}$, Halogen und Halogenwasserstoff (z.B. 25% I$_{2}$ im NH$_{4}$I) bilden sich $^{11}$C-Stickstoffbasen. Im NH$_{4}$I blieb die Ausbeute an [$^{11}$C]-Methylamin über den ganzen Dosisbereich von 8 $\cdot$ 10$^{-3}$ bis 50 eV $\cdot$ Molekül$^{-1}$ konstant, während im NH$_{4}$I die Ausbeute an [$^{11}$C]-Guanidin, dem größten Molekül unter den Rückstoßprodukten, mit der Dosis erheblich anstieg. Durch Variation der Parameter kann die Reaktion in Richtung auf wenige Hauptprodukte gelenkt werden: Methylamin (80%), Cyanamid (50%), Formamidin (30%) und Guanidin (60%); in kleineren Ausbeuten werden auch halogenierte Methanderivate wie CH$_{3}$X, CH$_{2}$X$_{2}$ und CHX$_{3}$ (20%) gebildet.Die stark unterschiedlichen Ausbeuten der $^{11}$C-Endprodukte in den drei Systemen sind nicht nur auf Unterschiede im Radiölyseverhalten, sondern auch auf solche in den Reaktionen des nackten Kohlenstoffatoms zu den ersten Zwischenprodukten zurückzuführen. Als Hauptreaktionsweg, der insbesondere im strahlenstabilen NH$_{4}$Cl beschritten wird, kann auch im Festkörper primär die Abstraktion von Wasserstoffatomen und die Bildung von $^{11}$CH und $^{11}$CH$_{2}$-Radikalen angenommen werden. Die Spezies können durch Einschubreaktion (Insertion) in eine N-H Bindung eines Ammoniumions Methylamin bilden. Im NH$_{4}$Br- und NH$_{4}$I-System kann aufgrund der unterschiedlichen Dosiseffekte ein zweiter Reaktionsweg postuliert werden: Hier reagiert das C-Atom mit NH$_{4}^{+}$-Ionen bzw. wasserstoffärmeren Radikalen wie NH$_{3}^{+}$ oder NH$_{2}$, zunächst zu Zwischenprodukten, die sich in Gegenwart von Halogenidionen zum Halogenformamidin stabilisieren und schließlich durch HX-Abspaltung und Kombination mit weiteren radiolytisch gebildeten Bindungspartnern u.a. [$^{11}$C]-Cyanamid, [$^{11}$C]-Formamidin und [$^{11}$C]-Guanidin bilden können. Die halogenierten Methanderivate wie $^{11}$CH$_{3}$X, $^{11}$CH$_{2}$X$_{2}$ etc. können direkt auf Reaktionen von Methin-, Methylen- und Methylradikalen mit Halogen bzw. mit radiolytisch gebildeten Halogenwasserstoffen zurückgeführt werden. Die erstaunliche Strahlenstabilität der Produkte wird durch eine ständige Neukoordination des $^{11}$C mit kleinen Einheiten wie NH$_{4}^{+}$ oder Radiolyseprodukten wie NH$_{2}$, X$^\circ$ etc. erklärt; es handelt sich also um eine "dynamische" Stabilität, die es ermöglicht,in NH$_{4}$X-Targets trotz der starken Strahlenbelastung hohe $^{11}$C-Aktivitäten in Form geeigneter Vorläufer zu erzeugen. Durch Einsatz von Tieftemperaturkryostaten dürfte es möglich sein, die derzeitige Aktivitätsmenge der $^{11}$C-Rückstoßprodukte um 50 mCi auf den für die Routineproduktion interessanten Bereich von etwa 1 Ci auszudehnen.

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