乌洛托品在有机溶剂中溶解度的测定与关联

第 39 卷 第 3 期 2012 年 北京化工大学学报(自然科学版) Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science) Vol． 39，No． 3 2012 乌洛托品在有机溶剂中溶解度的测定与关联 李群生1 赵 宇1 秦小勇2 王宝华3* 易争明1 (1．北京化工大学 化学工程学院 化工资源有效利用国家重点实验室，北京 100029; 2．河南尚宇新能源股份有限公司，河南 沁阳 454550;3．北京中医药大学 中药学院，北京 100029) 摘 要:利用了一套有激光检测系统的实验设备，采用动态法测定了乌洛托品在甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁 醇及正戊醇溶剂中，温度范围为 278 ～ 334 K间的溶解度，并分别应用 Apelblat 方程、λh 方程和 Wilson 方程对实验 数据进行了关联。结果明乌洛托品在 6 种实验溶剂中的溶解度都随温度的升高而增大，在甲醇中溶解度最大， 拟合值与实验值的相对误差均在 3%之内;Apelblat方程的关联效果最好。 关键词:乌洛托品;溶解度;模型关联 中图分类号:O624. 6 收稿日期:2012－02－21 基金项目:中央高校教育基金(JL1101) 第一作者:男，1963 年生，教授 * 通讯联系人 E-mail:wbaohua1@ 163． com 引 言 乌洛托品是一种重要的化学品，广泛应用于医 药工业、化学工业、分析化学及其他诸多领域［1］。 工业结晶是分离提纯乌洛托品的重要方法。以溶解 度数据为基础的工业结晶过程具有高效率、高产率、 低能耗、污染小、产品纯度高等诸多优点，尤其适用 于精细化工、生物制药等固体产品的工业领域。同 时，溶解度数据的研究为结晶分离过程规定了分离 极限，并为设备结构尺寸的设计和操作条件的确定 提供基础数据，是实现化工生产的重要前提。因此， 一些学者对乌洛托品的溶解度进行了研究。如 Blanco等［2］测定了乌洛托品在 275. 15 ～ 313. 15 K 水中的溶解度;Aladko 等［3］绘制了乌洛托品－水系 统的相图;Bourne等［4］测定了乌洛托品在乙醇中的 溶解度。但是，目前还没有较大温度范围内的结晶 工业相关溶剂的实验数据。 本文基于实际结晶过程，选取一系列醇作为溶 剂，利用计算机在线激光监测系统，采用动态法测定 了 278 ～ 334 K范围内，乌洛托品在甲醇、乙醇、正丙 醇、异丙醇、正丁醇及正戊醇溶剂中的溶解度。分别 应用 Apelblat方程、λh方程和 Wilson方程对实验数 据进行了关联，并对关联结果进行了分析对比。 1 实验部分 1. 1 试剂与仪器 本文所用的乌洛托品(HMTA) ，又名六亚甲基 四胺，CAS号 100-97-0，分子式 C16 H12 N4，样品纯度 为 0. 997，北京东华里奥技术发展有限公司，其纯度 利用高效液相色谱测得。试验中的其他溶剂试剂均 为分析纯，北京化学试剂厂。 CP124S型电子分析天平称量，德国 Sartorius 公 司。501 型超级恒温水浴，上海实验厂。99-1 大功 率磁力搅拌器，金坛市金华仪器厂。 1. 2 乌洛托品溶解度的测定 采用动态法测定乌洛托品的溶解度。利用激光 器监视技术观察固体在溶剂中的溶解状况，提高了 测量精度。实验步骤方法与文献［5 － 6］中的描述 相近，在这里只做简要说明。起初，悬浮于液体中的 乌洛托品颗粒使入射的激光大部分甚至全部被反射 和遮蔽，光强显示仪上的读数很低，随着温度缓慢升 高，乌洛托品逐渐溶解进入液相，透射光强开始逐渐 增加，直到固体晶粒完全溶解，体系变为均匀的液 相，光强将达到最大值，光强数码显示仪显示光强数 值不再变化时下此时的温度值。在加热初期由 于大量溶质没有溶解，可以较快升高温度，随着溶解 的进行逐渐降低升温速率，最后以 1 K /h 的速度升 温达到终点。在溶解中的耐腐蚀磁力搅拌转子连续 搅拌保证固－液平衡器中溶液的充分混合，以促进 溶解并促使固－液两相快速达到平衡。 为确保实验数据的准确性，实验一般至少进行 3 次，实验的平均值作为最终的实验结果，实验结果 的最大偏差不大于 2%。所测乌洛托品在饱和溶液 中某一温度下的摩尔溶解度 x1表示为 x1 = m1 /M1 m1 /M1 +m2 /M2 (1) 式(1)中 m1、m2分别表示溶质和溶剂的质量;M1、M2 分别表示溶质和溶剂的分子量。 1. 3 关联方程 1. 3. 1 Apelblat方程 根据固－液相平衡原理，Apelblat方程［7］为 lnx1 = A + B T + ClnT (2) 式(2)中 A，B和 C为 3 个无因次参数。 1. 3. 2 λh方程 λh方程的基本形式为［8］ [ln 1 + λ(1 － xi)x ]i = λ (h 1T － 1T )m (3) 式(3)中，λ、h为方程参数，其中 λ 表示饱和溶液的 非理想性。 λ和 h有一定的物理意义，但在实际应用时，方 程一般只做经验式使用，λ和 h当做回归参数，适用 于各类物系。λh方程避开了活度系数，方程形式简 单，大大简化了计算过程。方程只有两个参数，直接 将溶解度和温度关联，物性数据只需要熔点数据。 1. 3. 3 Wilson方程 Wilson方程［9］是以局部组成概念为基础的活 度系数方程。对二元体系，Wilson方程的形式为 lnγ1 = ln (x1 + Λ12 x2) + x [2 Λ12x2 + Λ12x2 － Λ21 x2 + Λ21x ]1 (4) lnγ2 = － ln(x2 + Λ21 x1)－ x [2 Λ12x2 + Λ12x2 － Λ21 x2 + Λ21x ]1 (5) 式(4)～ (5)中 Wilson 参数 Λ12和 Λ21分别表 示为 Λ12 = VL1 VL2 exp［－(g12 － g11)/(RT) ］ (6) Λ21 = VL2 VL1 exp［－(g21 － g22)/(RT) ］ (7) 式(6)～(7)中(g12 － g11) ，(g21 － g22)为二元交互参 数，由实验回归确定;VL1及 V L 2是纯组分的摩尔体积。 1. 4 溶解热力学数据的计算方法 根据 van't Hoff方程［10］可知溶解度的对数值与 温度成线性关系 lnx1 = － ΔHm RT + ΔSm R (8) 式(8)中 x1表示溶质的摩尔溶解度，ΔHm和 ΔSm分别 表示熔融焓和熔融熵，T表示绝对温度，R 表示气体 常数。 在实际应用中，溶解过程多为非理想过程，常常 需要考虑溶剂的作用，所以，通常用混合热力学数据 代替熔融热力学数据。用 ΔHd代替 ΔHm，而用 ΔSd 代替 ΔSm，所以方程形式为 lnx1 = － ΔHd RT + ΔSd R (9) 2 结果与讨论 2. 1 实验装置准确性验证 本实验将所测得的乌洛托品在甲醇中的溶解度 与文献值［11］进行比较，用以验证本套实验装置测定 数据的可靠性，详见图 1。从图 1 可以看出，二者数 据具有较好的一致性，证明本实验装置所得数据真 实可靠。 图 1 乌洛托品在甲醇中的溶解度 Fig． 1 Solubility of HMTA (x1)in methanol 2. 2 乌洛托品溶解度实验结果分析 乌洛托品的实验数据和 3 种方程的关联数据列 于表 1 中，3 种方程关联结果的偏差比较列于表 2 中。 由表 2 可以看出，3 个方程都能较好地关联乌 洛托品在 6 种所选溶剂中的溶解度(摩尔分数)数 据，关联所得的平均偏差均小于 3%。但 Apelblat方 程的模拟结果要优于 Wilson方程和 λh 方程的模拟 结果。Apelblat方程由相平衡的基本热力学原理推 到简化而得出，方程具有普适性。并且，方程含有 3 ·52·第 3 期 李群生等:乌洛托品在有机溶剂中溶解度的测定与关联 表 1 乌洛托品在所选溶剂中的溶解度 x1 Table 1 Solubility (x1)of HMTA in selected solvents 溶剂 T /K x1 /10 － 2 实验值 Apelblat方程 λh方程 Wilson方程 278. 15 1. 735 1. 749 1. 758 1. 711 283. 15 1. 903 1. 894 1. 895 1. 838 288. 34 2. 024 2. 051 2. 046 2. 037 293. 14 2. 219 2. 203 2. 193 2. 220 298. 54 2. 393 2. 382 2. 368 2. 424 甲醇 303. 12 2. 527 2. 540 2. 525 2. 594 308. 43 2. 737 2. 731 2. 718 2. 786 313. 25 2. 909 2. 911 2. 902 2. 957 318. 37 3. 110 3. 110 3. 110 3. 132 323. 20 3. 299 3. 305 3. 316 3. 293 329. 05 3. 553 3. 549 3. 565 3. 481 278. 25 0. 695 0. 684 0. 683 0. 683 283. 55 0. 779 0. 792 0. 795 0. 761 288. 05 0. 890 0. 892 0. 893 0. 878 292. 75 1. 005 1. 007 1. 004 1. 010 297. 65 1. 148 1. 137 1. 132 1. 156 乙醇 303. 05 1. 291 1. 294 1. 286 1. 328 308. 65 1. 462 1. 472 1. 463 1. 516 313. 25 1. 634 1. 631 1. 623 1. 675 318. 75 1. 839 1. 837 1. 831 1. 872 323. 05 2. 029 2. 009 2. 008 2. 028 328. 65 2. 230 2. 250 2. 259 2. 233 333. 65 2. 486 2. 481 2. 498 2. 418 278. 14 0. 745 0. 730 0. 748 0. 724 283. 43 0. 874 0. 869 0. 879 0. 846 288. 25 1. 026 1. 011 1. 014 1. 001 293. 45 1. 158 1. 182 1. 178 1. 186 298. 65 1. 360 1. 373 1. 362 1. 391 正丙醇 303. 76 1. 564 1. 580 1. 564 1. 610 308. 75 1. 781 1. 803 1. 784 1. 840 313. 35 2. 050 2. 027 2. 008 2. 065 318. 25 2. 298 2. 285 2. 271 2. 317 322. 95 2. 587 2. 553 2. 549 2. 568 328. 25 2. 857 2. 878 2. 895 2. 861 333. 15 3. 194 3. 201 3. 221 3. 139 溶剂 T /K x1 /10 － 2 实验值 Apelblat方程 λh方程 Wilson方程 278. 45 0. 591 0. 581 0. 583 0. 579 283. 65 0. 677 0. 679 0. 676 0. 647 288. 75 0. 808 0. 789 0. 790 0. 775 293. 45 0. 893 0. 903 0. 908 0. 908 299. 15 1. 063 1. 062 1. 071 1. 087 异丙醇 304. 25 1. 191 1. 224 1. 234 1. 264 308. 90 1. 374 1. 390 1. 401 1. 440 313. 05 1. 551 1. 555 1. 564 1. 606 317. 95 1. 800 1. 771 1. 776 1. 815 322. 50 2. 002 1. 995 1. 993 2. 018 327. 75 2. 309 2. 284 2. 270 2. 263 332. 65 2. 560 2. 586 2. 556 2. 501 278. 64 0. 757 0. 757 0. 807 0. 770 283. 65 0. 927 0. 919 0. 945 0. 926 288. 52 1. 078 1. 096 1. 097 1. 097 293. 09 1. 277 1. 279 1. 256 1. 275 297. 90 1. 514 1. 488 1. 443 1. 480 正丁醇 302. 63 1. 694 1. 710 1. 648 1. 699 306. 96 1. 921 1. 926 1. 856 1. 914 312. 65 2. 253 2. 227 2. 161 2. 215 317. 84 2. 470 2. 515 2. 473 2. 507 322. 47 2. 826 2. 781 2. 781 2. 779 328. 15 3. 090 3. 116 3. 203 3. 124 332. 65 3. 393 3. 384 3. 413 3. 402 278. 25 0. 871 0. 886 0. 874 0. 859 283. 05 0. 995 1. 004 0. 997 0. 943 287. 80 1. 139 1. 134 1. 131 1. 104 292. 95 1. 289 1. 291 1. 293 1. 294 298. 45 1. 508 1. 479 1. 485 1. 515 正戊醇 303. 15 1. 659 1. 658 1. 666 1. 717 308. 35 1. 875 1. 876 1. 886 1. 953 313. 87 2. 186 2. 135 2. 144 2. 215 318. 06 2. 303 2. 351 2. 358 2. 421 323. 13 2. 638 2. 638 2. 640 2. 676 328. 05 2. 898 2. 944 2. 939 2. 927 333. 85 3. 379 3. 343 3. 327 3. 226 ·62· 北京化工大学学报(自然科学版) 2012 年 个可调参数，能够较好地关联各种物系的平衡数据。 虽然 Apelblat方程只是简化的经验方程，在理论基 础和物理意义方面不及 Wilson 方程和 λh 方程，但 是 Apelblat方程结构简单，便于回归计算，所以本文 关联结果以 Apelblat 方程结果为准。Apelblat 方程 回归得到的参数 A，B 和 C 的值及实验的均方根偏 差在表 3 中给出了。 表 2 3 种关联方程偏差比较 Table 2 Deviations of solubility for three correlation models 溶剂 平均偏差 /% Apelblat方程 λh方程 Wilson方程 甲醇 1. 2155 0. 6288 1. 4354 乙醇 0. 6658 0. 8327 1. 6969 正丙醇 1. 1075 0. 9212 1. 9638 异丙醇 1. 1333 1. 3363 2. 8938 正丁醇 0. 9442 2. 7322 1. 0719 正戊醇 1. 0267 0. 9526 2. 6337 总偏差 6. 093 7. 4038 11. 6954 表 3 Apelblat方程参数回归值 Table 3 Parameters of the Apelblat equation for HMTA in different solvents 溶剂 A B C 平均偏差 /10 － 4 甲醇 － 7. 13 － 927. 35 1. 14 1. 29 乙醇 － 8. 50 － 1694. 88 1. 70 1. 13 正丙醇 32. 54 － 3778. 98 － 4. 24 1. 97 异丙醇 － 50. 48 － 87. 72 8. 11 1. 93 正丁醇 148. 34 － 9084. 55 － 21. 43 2. 50 正戊醇 － 43. 04 － 123. 05 6. 89 2. 94 ■—甲醇;□—乙醇;▲—正丙醇; △—异丙醇;●—正丁醇;○—正戊醇 图 2 乌洛托品在所选溶剂中的溶解度曲线 Fig． 2 Mole fraction solubility of HMTA (x1)in different solvents 图 2 所示为乌洛托品在所选的不同溶剂的溶解 度对温度的曲线，由图 2 可以看出，乌洛托品在异丙 醇中的溶解度最小，而在甲醇中的溶解度最大，并 且，在所有溶剂中溶解度随温度升高而增大。 2. 3 溶解热力学计算结果 乌洛托品溶解过程的热力学数据见表 4。从表 4 中数据可以看出，在所有的所选溶剂中，乌洛托品 溶解过程 ΔHd和 ΔSd都是正值。当要破坏强的化学 键，而形成较弱的化学键时，需要消耗能量，此时 ΔHd为正，说明此过程为吸热过程 ［12］。ΔSd为正表 明，乌洛托品的溶解过程为不可逆过程［13］。 表 4 乌洛托品溶解的热力学数据 Table 4 Thermodynamic parameters for dissolution of HMTA in different solvents 溶剂 ΔHd /kJ·mol － 1 ΔSd / J·mol － 1·K －1 甲醇 10. 64 4. 56 乙醇 17. 94 23. 03 正丙醇 20. 57 33. 2 异丙醇 21. 11 32. 87 正丁醇 21. 33 36. 37 正戊醇 18. 53 27. 11 3 结论 (1)乌洛托品在所有所选溶剂中的溶解度均随 温度的升高而增大，且在甲醇中溶解度最大。通过 van't Hoff 方程求得实验的溶解焓和溶解熵均为正 值，表明乌洛托品在所有所选溶剂中的溶解过程均 为不可逆吸热过程。 (2)Apelblat 方程对乌洛托品在所选溶剂中溶 解度数据的关联结优于 Wilson 方程和 λh 方程。拟 合值与实验值的相对误差均在 3%之内，拟合数据 与实验数据良好吻合。 参考文献: ［1］ Marzaro G，Chilin A，Pastorini G，et al． A novel con- venient synthesis of benzoquinazolines［J］． Organic Let- ters，2006，8(2) :255－256． ［2］ Blanco L H，Sanabria N R，Dávila M T． Solubility of 1， 3，5，7-tetra azatricyclo［3． 3． 1． 13，7］ decane (HMT)in 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that the Apelblat equation gave the best fit with the experimental data． The deviations between experimental and calculated data were less than 3% ． It was found that the solubility increases with increasing temperature and the solubility is largest in methanol． Key words:hexamethylenetetramine;solubility;correlation model ·82· 北京化工大学学报(自然科学版) 2012 年