檸檬酸氫鈣水合物的制備與表征

陳連蔚，陸杰

(江南大學 化學與材料工程學院，江蘇 無錫 214122)

具有相同化學組成的物質具有兩種或兩種以上的空間排列和晶胞參數，這種現象稱為多晶型現象［1-2］。假多晶型為多晶型的一種，即由溶劑復合物構成的晶型［3］。水合物是制藥工業中最常見的溶劑化物，約1/3 的原料藥可以形成水合物。含有不同結晶水，物質的性質也會不同，包括機械性能、物理和化學穩定性、溶解度和溶解速率等［4］。因此，對水合物的研究是非常重要的。

傳統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，是近幾年才發展成熟的方法［5-10］。然而，迄今為止，有關檸檬酸氫鈣假多晶型制備的專利和文獻極少，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。此外，Sheldrick 報道了由氯化鈣和檸檬酸鈉反應制得的三水合檸檬酸氫鈣的晶體結構［12］，并給出了晶體結構參數。本文首次通過檸檬酸和碳酸鈣于不同反應溫度下獲得了兩種檸檬酸氫鈣水合物，并對其進行系統的表征。同時，通過實時監測揭示了不同溫度和起始反應物摩爾比下檸檬酸和碳酸鈣的反應過程機理，為檸檬酸氫鈣法提取檸檬酸發酵液提供一定的理論指導和技術支持。

1 實驗部分

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 型超級恒溫循環器;85-1 型磁力攪拌器;結晶器，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晶器中，開動磁力攪拌器，用恒溫水浴加熱至預定溫度，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，并繼續攪拌48 h。每隔1 h 取少量晶漿，抽濾，晶體用無水乙醇洗滌，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2 次，結果取平均值。

1.3.2 FTIR 光譜 KBr 壓片法。

1.3.3 TGA 分析 稱取樣品5 ～10 mg，在氮氣氛圍中從25 ℃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準曲線

分別準確稱取檸檬酸氫鈣與檸檬酸鈣標準樣品，混合均勻后，使得檸檬酸氫鈣的質量分數分別為0. 00%，20. 00%，40. 00%，60. 00%，80. 00%，100%，進行紅外測定。

2 結果與討論

2.1 元素分析

通過對反應產物的紅外分析發現在不同溫度下生成的產物的紅外圖譜有區別，為了確定其組成，通過元素分析發現檸檬酸氫鈣有三水合物和一水合物兩種存在形式，見表1，實驗值與理論含量一致。

表1 檸檬酸氫鈣水合物元素分析結果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比。在4 000 ～2 500 cm－1，四水合檸檬酸鈣僅有1 個羥基峰，三水合檸檬酸氫鈣則有4 個羥基峰，一水合檸檬酸氫鈣有2 個羥基峰。在指紋區，峰型也有明顯區別: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 ℃時開始失重，失去約2 個結晶水，在165 ℃時繼續失重，隨后分解;一水合檸檬酸氫鈣在206 ℃時開始失重，隨后分解。由此可見，一水合檸檬酸氫鈣的熱穩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 標準曲線

標準曲線的繪制方法是參考陸杰等人的報道［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。依據配制好的混合樣品得到的紅外圖譜和公式計算得到標準曲線，見圖4，Y 值為根據文獻報道［13］中的公式計算所得。由圖可以看出，標準曲線的線性關系良好。

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

2.6 反應結晶過程機理

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及結晶過程機理: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反應生成檸檬酸氫鈣。

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

當檸檬酸與碳酸鈣起始摩爾比≥2∶3 時，在不 同反應結晶溫度下，其固體析出過程略有不同。實驗測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，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反應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升高。當檸檬酸鈣反應完全后，溶液中的晶體為純三水合檸檬酸氫鈣。在10 ℃時，溶液中首先出現的為檸檬酸鈣與三水合檸檬酸氫鈣的混合物，而在15 ℃時溶液中首先出現的為檸檬酸鈣晶體。由此可見，檸檬酸鈣與檸檬酸的反應生成三水合檸檬酸氫鈣的速率隨溫度的升高而降低，這主要是因為檸檬酸鈣的溶解度隨溫度的升高而降低，導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的時間提前，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結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

實驗測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生成一水合檸檬酸氫鈣。檸檬酸鈣與檸檬酸反應的速率隨溫度的升高先升高后降低，在70 ℃時達到最大。這主要是因為隨著溫度的升高，反應速率升高;然而由于檸檬酸鈣的溶解度隨溫度升高而降低，導致溶液中檸檬酸鈣濃度降低，使得反應速率降低;溫度升高與檸檬酸鈣在溶液中的濃度降低對反應速率的影響是相反的，最終使得反應速率在70 ℃時達到最大，超過70 ℃后反應速率開始下降。

圖6 高溫下檸檬酸與碳酸鈣反應結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 內最終產物為檸檬酸鈣。

3 結論

(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生成三水合檸檬酸氫鈣，反應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生成一水合檸檬酸氫鈣，反應速率隨溫度的升高先升高后降低，在70 ℃時達到最高。

(4)檸檬酸與碳酸鈣在20 ～40 ℃，48 h 內最終產物為檸檬酸鈣。

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