柠檬酸氢钙水合物的制备与表征

陈连蔚，陆杰

(江南大学 化学与材料工程学院，江苏 无锡 214122)

具有相同化学组成的物质具有两种或两种以上的空间排列和晶胞参数，这种现象称为多晶型现象［1-2］。假多晶型为多晶型的一种，即由溶剂复合物构成的晶型［3］。水合物是制药工业中最常见的溶剂化物，约1/3 的原料药可以形成水合物。含有不同结晶水，物质的性质也会不同，包括机械性能、物理和化学稳定性、溶解度和溶解速率等［4］。因此，对水合物的研究是非常重要的。

传统提取柠檬酸的方法是钙盐法。柠檬酸氢钙法是钙盐法的一种，是近几年才发展成熟的方法［5-10］。然而，迄今为止，有关柠檬酸氢钙假多晶型制备的专利和文献极少，仅Bennett 提出了柠檬酸氢钙可能存在一水合物和三水合物两种形式［11］，并认为要制备柠檬酸氢钙一水合物必须在低于20 ℃的条件下反应。此外，Sheldrick 报道了由氯化钙和柠檬酸钠反应制得的三水合柠檬酸氢钙的晶体结构［12］，并给出了晶体结构参数。本文首次通过柠檬酸和碳酸钙于不同反应温度下获得了两种柠檬酸氢钙水合物，并对其进行系统的表征。同时，通过实时监测揭示了不同温度和起始反应物摩尔比下柠檬酸和碳酸钙的反应过程机理，为柠檬酸氢钙法提取柠檬酸发酵液提供一定的理论指导和技术支持。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

一水合柠檬酸、碳酸钙均为分析纯。

FTLA2000 型傅里叶变换红外光谱仪;Elementar VARIOEL Ⅲ型元素分析仪;Mettler-Toledo 1100SF型热重分析仪;D8 Advance 型X 射线衍射仪;Julabo F32 ME 型超级恒温循环器;85-1 型磁力搅拌器;结晶器，自制。

1.2 柠檬酸氢钙的制备

将一定量的一水合柠檬酸溶于一定量的去离子水中，过滤，加入到带有夹套的结晶器中，开动磁力搅拌器，用恒温水浴加热至预定温度，恒温1 h。加入一定量的碳酸钙(与柠檬酸摩尔比为1∶1)，使其充分反应，并继续搅拌48 h。每隔1 h 取少量晶浆，抽滤，晶体用无水乙醇洗涤，在45 ℃下干燥8 h。

1.3 柠檬酸氢钙的表征

1.3.1 元素分析 称取样品4 ～5 mg，从25 ℃加热至1 150 ℃。重复2 次，结果取平均值。

1.3.2 FTIR 光谱 KBr 压片法。

1.3.3 TGA 分析 称取样品5 ～10 mg，在氮气氛围中从25 ℃加热至500 ℃，升温速度为10 ℃/min。

1.3.4 PXRD 分析 在X 射线衍射仪上进行，Cu Kα(λ = 0. 154 06 nm)，管电压40 kV，管电流40 mA。

1.4 柠檬酸氢钙与柠檬酸钙混合物的标准曲线

分别准确称取柠檬酸氢钙与柠檬酸钙标准样品，混合均匀后，使得柠檬酸氢钙的质量分数分别为0. 00%，20. 00%，40. 00%，60. 00%，80. 00%，100%，进行红外测定。

2 结果与讨论

2.1 元素分析

通过对反应产物的红外分析发现在不同温度下生成的产物的红外图谱有区别，为了确定其组成，通过元素分析发现柠檬酸氢钙有三水合物和一水合物两种存在形式，见表1，实验值与理论含量一致。

表1 柠檬酸氢钙水合物元素分析结果Table 1 EA results of the monohydrate and trihydrate

2.2 红外光谱

图1 为柠檬酸氢钙水合物与柠檬酸钙的红外光谱图的对比。在4 000 ～2 500 cm－1，四水合柠檬酸钙仅有1 个羟基峰，三水合柠檬酸氢钙则有4 个羟基峰，一水合柠檬酸氢钙有2 个羟基峰。在指纹区，峰型也有明显区别:四水合柠檬酸钙的特征峰有1 616.2，1 076.2 cm－1等，三水合柠檬酸氢钙的特征峰有1 568.0，1 243.9 cm－1等，一水合柠檬酸氢钙的特征峰有1 681.8，887.1 cm－1等，三者的区别非常明显。

2.3 TGA

柠檬酸氢钙水合物TGA 见图2。

图2 柠檬酸氢钙水合物TGA 图Fig.2 TGA curves of the monohydrate and trihydrate of calcium hydrogen citrate

由图2 可知，三水合柠檬酸氢钙在65 ℃时开始失重，失去约2 个结晶水，在165 ℃时继续失重，随后分解;一水合柠檬酸氢钙在206 ℃时开始失重，随后分解。由此可见，一水合柠檬酸氢钙的热稳定性比三水合柠檬酸氢钙好。

2.4 PXRD

图3 所示为柠檬酸氢钙两种水合物的PXRD图。三水合物柠檬酸氢钙的特征峰包括8.3，11.2，20.2，21.2，27.8°等;一水合柠檬酸氢钙的特征峰包括7.3，21.1，22.2°等。二者的PXRD 图有明显的区别。

图3 柠檬酸氢钙水合物的PXRD 图Fig.3 Powder X-ray diffraction patterns of the monohydrate and trihydrate of calcium hydrogen citrate

2.5 标准曲线

标准曲线的绘制方法是参考陆杰等人的报道［13］。首先分别选定柠檬酸钙、三水合柠檬酸氢钙和一水合柠檬酸氢钙各自的一个特征红外吸收峰:柠檬酸钙与三水合柠檬酸氢钙相比特征峰分别为1 616.2 cm－1和1 243.9 cm－1，柠檬酸钙与一水合柠檬酸氢钙相比特征峰分别为1 076. 2 cm－1和1 681.8 cm－1。然后选定共有参考峰:柠檬酸钙与三水合柠檬酸氢钙的共有参考峰为1 568.0 cm－1，柠檬酸钙和一水合柠檬酸氢钙的共有参考峰为887.1 cm－1。依据配制好的混合样品得到的红外图谱和公式计算得到标准曲线，见图4，Y 值为根据文献报道［13］中的公式计算所得。由图可以看出，标准曲线的线性关系良好。

图4 柠檬酸钙在混合样品中的定量标准曲线Fig.4 Calibration curves for the quantitative analyses of content of calcium citrate in the mixtures

2.6 反应结晶过程机理

通过悬浮固相间歇取样(每隔1 h 取样)以及红外图谱分析，我们获得了如表2 所示的柠檬酸与碳酸钙的反应及结晶过程机理:首先生成四水合柠檬酸钙，然后柠檬酸钙与剩余的柠檬酸继续反应生成柠檬酸氢钙。

表2 柠檬酸与碳酸钙的反应及结晶过程Table 2 The progress of the reaction and crystallization of citric acid and calcium carbonate

当柠檬酸与碳酸钙起始摩尔比≥2∶3 时，在不 同反应结晶温度下，其固体析出过程略有不同。实验测得的柠檬酸与碳酸钙分别在5，10，15 ℃下，柠檬酸浓度为0.3 mol/L 的反应过程中悬浮晶体中三水合柠檬酸氢钙的含量见图5。在5 ℃时，溶液中首先析出三水合柠檬酸氢钙晶体，然后柠檬酸钙晶体也析出，形成混合物，三水合柠檬酸氢钙的百分含量随之下降。在柠檬酸钙完全析出后，由于柠檬酸钙与柠檬酸继续反应生成三水合柠檬酸氢钙，三水合柠檬酸氢钙的百分含量持续升高。当柠檬酸钙反应完全后，溶液中的晶体为纯三水合柠檬酸氢钙。在10 ℃时，溶液中首先出现的为柠檬酸钙与三水合柠檬酸氢钙的混合物，而在15 ℃时溶液中首先出现的为柠檬酸钙晶体。由此可见，柠檬酸钙与柠檬酸的反应生成三水合柠檬酸氢钙的速率随温度的升高而降低，这主要是因为柠檬酸钙的溶解度随温度的升高而降低，导致溶液中的柠檬酸钙浓度随温度升高降低，因此，悬浮晶体中柠檬酸钙出现的时间提前，且生成三水合柠檬酸氢钙的速率降低。

图5 低温下柠檬酸与碳酸钙反应结晶过程中析出固体的定量表征Fig.5 The fractions of the trihydrate in slurry as a function of time at low temperatures

实验测得的柠檬酸与碳酸钙分别在40，50，60，70，80，90 ℃下，柠檬酸浓度为0.3 mol/L 的反应过程中一水合柠檬酸氢钙的含量，见图6。由图6 可知，在40 ℃以上，溶液中首先析出的晶体为柠檬酸钙，随后柠檬酸钙与溶液中剩余的柠檬酸反应生成一水合柠檬酸氢钙。柠檬酸钙与柠檬酸反应的速率随温度的升高先升高后降低，在70 ℃时达到最大。这主要是因为随着温度的升高，反应速率升高;然而由于柠檬酸钙的溶解度随温度升高而降低，导致溶液中柠檬酸钙浓度降低，使得反应速率降低;温度升高与柠檬酸钙在溶液中的浓度降低对反应速率的影响是相反的，最终使得反应速率在70 ℃时达到最大，超过70 ℃后反应速率开始下降。

图6 高温下柠檬酸与碳酸钙反应结晶过程中析出固体的定量表征Fig.6 The fractions of the monohydrate in slurry as a function of time at high temperatures

在20 ～40 ℃，柠檬酸浓度为0.3 mol/L，48 h 内最终产物为柠檬酸钙。

3 结论

(1)通过元素分析，确定了柠檬酸氢钙存在一水合物和三水合物。

(2)柠檬酸与碳酸钙在20 ℃以下，先生成柠檬酸钙，柠檬酸钙再与剩余的柠檬酸反应生成三水合柠檬酸氢钙，反应速率随温度的升高降低。

(3)柠檬酸与碳酸钙在40 ℃以上，先生成柠檬酸钙，柠檬酸钙再与剩余的柠檬酸反应生成一水合柠檬酸氢钙，反应速率随温度的升高先升高后降低，在70 ℃时达到最高。

(4)柠檬酸与碳酸钙在20 ～40 ℃，48 h 内最终产物为柠檬酸钙。

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