檸檬酸氫鈣水合物的制備與表征

陳連蔚，陸杰

(江南大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

具有相同化學(xué)組成的物質(zhì)具有兩種或兩種以上的空間排列和晶胞參數(shù)，這種現(xiàn)象稱為多晶型現(xiàn)象［1-2］。假多晶型為多晶型的一種，即由溶劑復(fù)合物構(gòu)成的晶型［3］。水合物是制藥工業(yè)中最常見的溶劑化物，約1/3 的原料藥可以形成水合物。含有不同結(jié)晶水，物質(zhì)的性質(zhì)也會(huì)不同，包括機(jī)械性能、物理和化學(xué)穩(wěn)定性、溶解度和溶解速率等［4］。因此，對(duì)水合物的研究是非常重要的。

傳統(tǒng)提取檸檬酸的方法是鈣鹽法。檸檬酸氫鈣法是鈣鹽法的一種，是近幾年才發(fā)展成熟的方法［5-10］。然而，迄今為止，有關(guān)檸檬酸氫鈣假多晶型制備的專利和文獻(xiàn)極少，僅Bennett 提出了檸檬酸氫鈣可能存在一水合物和三水合物兩種形式［11］，并認(rèn)為要制備檸檬酸氫鈣一水合物必須在低于20 ℃的條件下反應(yīng)。此外，Sheldrick 報(bào)道了由氯化鈣和檸檬酸鈉反應(yīng)制得的三水合檸檬酸氫鈣的晶體結(jié)構(gòu)［12］，并給出了晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文首次通過檸檬酸和碳酸鈣于不同反應(yīng)溫度下獲得了兩種檸檬酸氫鈣水合物，并對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的表征。同時(shí)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)揭示了不同溫度和起始反應(yīng)物摩爾比下檸檬酸和碳酸鈣的反應(yīng)過程機(jī)理，為檸檬酸氫鈣法提取檸檬酸發(fā)酵液提供一定的理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

一水合檸檬酸、碳酸鈣均為分析純。

FTLA2000 型傅里葉變換紅外光譜儀;Elementar VARIOEL Ⅲ型元素分析儀;Mettler-Toledo 1100SF型熱重分析儀;D8 Advance 型X 射線衍射儀;Julabo F32 ME 型超級(jí)恒溫循環(huán)器;85-1 型磁力攪拌器;結(jié)晶器，自制。

1.2 檸檬酸氫鈣的制備

將一定量的一水合檸檬酸溶于一定量的去離子水中，過濾，加入到帶有夾套的結(jié)晶器中，開動(dòng)磁力攪拌器，用恒溫水浴加熱至預(yù)定溫度，恒溫1 h。加入一定量的碳酸鈣(與檸檬酸摩爾比為1∶1)，使其充分反應(yīng)，并繼續(xù)攪拌48 h。每隔1 h 取少量晶漿，抽濾，晶體用無(wú)水乙醇洗滌，在45 ℃下干燥8 h。

1.3 檸檬酸氫鈣的表征

1.3.1 元素分析 稱取樣品4 ～5 mg，從25 ℃加熱至1 150 ℃。重復(fù)2 次，結(jié)果取平均值。

1.3.2 FTIR 光譜 KBr 壓片法。

1.3.3 TGA 分析 稱取樣品5 ～10 mg，在氮?dú)夥諊袕?5 ℃加熱至500 ℃，升溫速度為10 ℃/min。

1.3.4 PXRD 分析 在X 射線衍射儀上進(jìn)行，Cu Kα(λ = 0. 154 06 nm)，管電壓40 kV，管電流40 mA。

1.4 檸檬酸氫鈣與檸檬酸鈣混合物的標(biāo)準(zhǔn)曲線

分別準(zhǔn)確稱取檸檬酸氫鈣與檸檬酸鈣標(biāo)準(zhǔn)樣品，混合均勻后，使得檸檬酸氫鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0. 00%，20. 00%，40. 00%，60. 00%，80. 00%，100%，進(jìn)行紅外測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 元素分析

通過對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的紅外分析發(fā)現(xiàn)在不同溫度下生成的產(chǎn)物的紅外圖譜有區(qū)別，為了確定其組成，通過元素分析發(fā)現(xiàn)檸檬酸氫鈣有三水合物和一水合物兩種存在形式，見表1，實(shí)驗(yàn)值與理論含量一致。

表1 檸檬酸氫鈣水合物元素分析結(jié)果Table 1 EA results of the monohydrate and trihydrate

2.2 紅外光譜

圖1 為檸檬酸氫鈣水合物與檸檬酸鈣的紅外光譜圖的對(duì)比。在4 000 ～2 500 cm－1，四水合檸檬酸鈣僅有1 個(gè)羥基峰，三水合檸檬酸氫鈣則有4 個(gè)羥基峰，一水合檸檬酸氫鈣有2 個(gè)羥基峰。在指紋區(qū)，峰型也有明顯區(qū)別:四水合檸檬酸鈣的特征峰有1 616.2，1 076.2 cm－1等，三水合檸檬酸氫鈣的特征峰有1 568.0，1 243.9 cm－1等，一水合檸檬酸氫鈣的特征峰有1 681.8，887.1 cm－1等，三者的區(qū)別非常明顯。

2.3 TGA

檸檬酸氫鈣水合物TGA 見圖2。

圖2 檸檬酸氫鈣水合物TGA 圖Fig.2 TGA curves of the monohydrate and trihydrate of calcium hydrogen citrate

由圖2 可知，三水合檸檬酸氫鈣在65 ℃時(shí)開始失重，失去約2 個(gè)結(jié)晶水，在165 ℃時(shí)繼續(xù)失重，隨后分解;一水合檸檬酸氫鈣在206 ℃時(shí)開始失重，隨后分解。由此可見，一水合檸檬酸氫鈣的熱穩(wěn)定性比三水合檸檬酸氫鈣好。

2.4 PXRD

圖3 所示為檸檬酸氫鈣兩種水合物的PXRD圖。三水合物檸檬酸氫鈣的特征峰包括8.3，11.2，20.2，21.2，27.8°等;一水合檸檬酸氫鈣的特征峰包括7.3，21.1，22.2°等。二者的PXRD 圖有明顯的區(qū)別。

圖3 檸檬酸氫鈣水合物的PXRD 圖Fig.3 Powder X-ray diffraction patterns of the monohydrate and trihydrate of calcium hydrogen citrate

2.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線

標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制方法是參考陸杰等人的報(bào)道［13］。首先分別選定檸檬酸鈣、三水合檸檬酸氫鈣和一水合檸檬酸氫鈣各自的一個(gè)特征紅外吸收峰:檸檬酸鈣與三水合檸檬酸氫鈣相比特征峰分別為1 616.2 cm－1和1 243.9 cm－1，檸檬酸鈣與一水合檸檬酸氫鈣相比特征峰分別為1 076. 2 cm－1和1 681.8 cm－1。然后選定共有參考峰:檸檬酸鈣與三水合檸檬酸氫鈣的共有參考峰為1 568.0 cm－1，檸檬酸鈣和一水合檸檬酸氫鈣的共有參考峰為887.1 cm－1。依據(jù)配制好的混合樣品得到的紅外圖譜和公式計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)曲線，見圖4，Y 值為根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道［13］中的公式計(jì)算所得。由圖可以看出，標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性關(guān)系良好。

圖4 檸檬酸鈣在混合樣品中的定量標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.4 Calibration curves for the quantitative analyses of content of calcium citrate in the mixtures

2.6 反應(yīng)結(jié)晶過程機(jī)理

通過懸浮固相間歇取樣(每隔1 h 取樣)以及紅外圖譜分析，我們獲得了如表2 所示的檸檬酸與碳酸鈣的反應(yīng)及結(jié)晶過程機(jī)理:首先生成四水合檸檬酸鈣，然后檸檬酸鈣與剩余的檸檬酸繼續(xù)反應(yīng)生成檸檬酸氫鈣。

表2 檸檬酸與碳酸鈣的反應(yīng)及結(jié)晶過程Table 2 The progress of the reaction and crystallization of citric acid and calcium carbonate

當(dāng)檸檬酸與碳酸鈣起始摩爾比≥2∶3 時(shí)，在不 同反應(yīng)結(jié)晶溫度下，其固體析出過程略有不同。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的檸檬酸與碳酸鈣分別在5，10，15 ℃下，檸檬酸濃度為0.3 mol/L 的反應(yīng)過程中懸浮晶體中三水合檸檬酸氫鈣的含量見圖5。在5 ℃時(shí)，溶液中首先析出三水合檸檬酸氫鈣晶體，然后檸檬酸鈣晶體也析出，形成混合物，三水合檸檬酸氫鈣的百分含量隨之下降。在檸檬酸鈣完全析出后，由于檸檬酸鈣與檸檬酸繼續(xù)反應(yīng)生成三水合檸檬酸氫鈣，三水合檸檬酸氫鈣的百分含量持續(xù)升高。當(dāng)檸檬酸鈣反應(yīng)完全后，溶液中的晶體為純?nèi)蠙幟仕釟溻}。在10 ℃時(shí)，溶液中首先出現(xiàn)的為檸檬酸鈣與三水合檸檬酸氫鈣的混合物，而在15 ℃時(shí)溶液中首先出現(xiàn)的為檸檬酸鈣晶體。由此可見，檸檬酸鈣與檸檬酸的反應(yīng)生成三水合檸檬酸氫鈣的速率隨溫度的升高而降低，這主要是因?yàn)闄幟仕徕}的溶解度隨溫度的升高而降低，導(dǎo)致溶液中的檸檬酸鈣濃度隨溫度升高降低，因此，懸浮晶體中檸檬酸鈣出現(xiàn)的時(shí)間提前，且生成三水合檸檬酸氫鈣的速率降低。

圖5 低溫下檸檬酸與碳酸鈣反應(yīng)結(jié)晶過程中析出固體的定量表征Fig.5 The fractions of the trihydrate in slurry as a function of time at low temperatures

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的檸檬酸與碳酸鈣分別在40，50，60，70，80，90 ℃下，檸檬酸濃度為0.3 mol/L 的反應(yīng)過程中一水合檸檬酸氫鈣的含量，見圖6。由圖6 可知，在40 ℃以上，溶液中首先析出的晶體為檸檬酸鈣，隨后檸檬酸鈣與溶液中剩余的檸檬酸反應(yīng)生成一水合檸檬酸氫鈣。檸檬酸鈣與檸檬酸反應(yīng)的速率隨溫度的升高先升高后降低，在70 ℃時(shí)達(dá)到最大。這主要是因?yàn)殡S著溫度的升高，反應(yīng)速率升高;然而由于檸檬酸鈣的溶解度隨溫度升高而降低，導(dǎo)致溶液中檸檬酸鈣濃度降低，使得反應(yīng)速率降低;溫度升高與檸檬酸鈣在溶液中的濃度降低對(duì)反應(yīng)速率的影響是相反的，最終使得反應(yīng)速率在70 ℃時(shí)達(dá)到最大，超過70 ℃后反應(yīng)速率開始下降。

圖6 高溫下檸檬酸與碳酸鈣反應(yīng)結(jié)晶過程中析出固體的定量表征Fig.6 The fractions of the monohydrate in slurry as a function of time at high temperatures

在20 ～40 ℃，檸檬酸濃度為0.3 mol/L，48 h 內(nèi)最終產(chǎn)物為檸檬酸鈣。

3 結(jié)論

(1)通過元素分析，確定了檸檬酸氫鈣存在一水合物和三水合物。

(2)檸檬酸與碳酸鈣在20 ℃以下，先生成檸檬酸鈣，檸檬酸鈣再與剩余的檸檬酸反應(yīng)生成三水合檸檬酸氫鈣，反應(yīng)速率隨溫度的升高降低。

(3)檸檬酸與碳酸鈣在40 ℃以上，先生成檸檬酸鈣，檸檬酸鈣再與剩余的檸檬酸反應(yīng)生成一水合檸檬酸氫鈣，反應(yīng)速率隨溫度的升高先升高后降低，在70 ℃時(shí)達(dá)到最高。

(4)檸檬酸與碳酸鈣在20 ～40 ℃，48 h 內(nèi)最終產(chǎn)物為檸檬酸鈣。

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