（化学工程专业论文）d甘露醇多晶型的研究.pdf

摘要 d 甘露醇是一种应用领域十分广泛的天然六元糖醇，目前已经确定它存在3 种晶型：b e t a ，d e l t a 和a l p h a 。由于不同晶型的甘露醇在溶解度、稳定性、密度等 物理化学性质方面均存在一定的差异，而这些差异的存在会在一定程度上影响其 功能和应用。因此，对其多晶型现象进行研究不仅具有重要理论价值，而且具有 现实的实际应用价值。本文在前人研究的基础上，进一步深入研究了甘露醇多晶 型现象存在和不同晶型之间进行转化的热力学和动力学原因，并揭示了温度对甘 露醇晶型转化的影响机理和不同晶型中甘露醇的分子构象。 为了揭示不同晶型存在的热力学基础，实验测定了了b e t a 型甘露醇在水、乙 醇一水、丙酮一水混合溶剂等体系中的溶解度数据，同时还测定了低温下d e l t a 型甘露醇在乙醇一水、丙酮一水溶剂体系中的溶解度数据，并考察了溶剂组成和 温度对不同晶型甘露醇溶解度的影响情况，利用分子模拟的方法分析了溶剂影响 甘露醇溶解度的机理。此外，通过对两种晶型甘露醇溶解度数据的分析，讨论了 不同晶型甘露醇的稳定性关系以及晶型转变的热力学相互关系。 研究了温度对d 甘露醇在溶液中转晶过程的影响机理，通过研究发现，d e l t a 甘露醇在含水溶液中可以转变成b e t a 甘露醇，而温度的降低可以推迟这一过程。 通过利用分子模拟软件进行分子动力学模拟和质谱与变温核磁实验，深入探讨了 温度对甘露醇溶液转晶过程的影响机理。通过将结晶溶液中甘露醇分子的存在形 式( 或分子构象) 与特定的晶型相对应，然后分析温度对溶液中甘露醇分子不同 存在形式的影响，最终解释了温度如何从动力学上影响b e t a 晶型的生成。 为了更清楚的了解不同晶型甘露醇之间在性质上存在差异的原因，深入分析 了不同晶型中甘露醇分子的构象。通过对d 一甘露醇多晶型中分子构象的分析， 发现它不符合常用的晶型预测方法中关于分子构象的基本假定，而这可能是由于 甘露醇分子具有很大的柔性和甘露醇晶体中很强的分子间相互作用共同造成的。 本文就d - 甘露醇所做以上研究工作未见文献报道。 关键词：d 一甘露醇多晶型现象多晶型转化分子模拟分子构象 a b s t r a c t d m a n n i t o li san a t u r a lh e x a h y d r i ca l c o h o l ，w i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s t h r e e p o l y m o r p h so f d m a n n i t o lh a v e b e e nd e t e r m i n e d ，n a m e l y ，f o r mb e t a , a l p h aa n dd e l t a p o l y m o r p h sc a nb eu s e di nd i f f e r e n tw a y sb e c a u s eo ft h e i rd i f f e r e n c e si np r o p e r t i e s h e n c e ，i n v e s t i g a t i o no np o l y m o r p h i s mi si m p o r t a n tf o rt h eu s ea n dp r o c e s so f d m a n n i t o la n df o rt h es t u d yo fc r y s t a l l i z a t i o nt h e o r y b a s e do nr e s e a r c hb e f o r e ，t h i s d i s s e r t a t i o nf o c u s e do nt h et h e r m o d y n a m i c sa n dt r a n s f o r m a t i o ni ns o l u t i o no fb e t a a n dd e l t a m a n n i t o la n dr e v e a l e dh o wt e m p e r a t u r ea f f e c t e dt h e d y n a m i c so f t r a n s f o r m a t i o n b e s i d e s ，c o n f o r m e r so ft h r e ec r y s t a l l i n e sw e r ea n a l y z e d t ou n d e r s t a n dt h et h e r m o d y n a m i c so f p o l y m o r p h s ，s o l u b i l i t y o fb e t aa n d d e l t a - m a n n i t o li nw a t e r , a l c o h 0 1 w a t e ra n da c e t o n e w a t e rs o l u t i o nw e r em e a s u r e d t h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e r ew e l lc o r r e l a t e da n dp o l y m o r p h i ct r a n s f o r m a t i o no f d m a n n i t o lw a sa n a l y z e dt h e r m o d y n a m i c a l l y b e s i d e s ，m o l e c u l a rs i m u l a t i o ns h o w e d h o w s o l u b i l i t yw a sa f f e c t e db ys o l v e n t s i nt h es t u d yo nt r a n s f o r m a t i o nf r o md e l t at ob e t a - m a n n i t o li ns o l u t i o n ，i tw a sf o u n d t h a td e c r e a s i n gi nt e m p e r a t u r ec a l lo b v i o u s l yd e l a yt h i sp r o c e s s w i t ht h eh e l po f m o l e c u l a rs i m u l a t i o n ，m a s s s p e c t r o g r a m a n d1 h - n m r ，c r y s t a l l i n e so fb e t aa n d d e l t a - m a n n i t o lw e r ec o r r e s p o n d e dt oc e r t a i nc o n f o r m e r so fd m a n n i t o li ns o l u t i o n r e s p e c t i v e l y f u r t h e r , t h es t u d y r e v e a l e dh o wt e m p e r a t u r ea f f e c t e dd i f f e r e n t c o n f o r m a t i o n si ns o l u t i o na n dt h ed y n a m i c so ft r a n s f o r m a t i o n i na d d i t i o n ，t h ec o n f o r m e r so fb e t a ，a l p h aa n dd e l t a m a n n i t o lw e r ea n a l y z e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h eb a s i ca s s u m p t i o nc o m m o n l yu s e di np o l y m o r p h p r e d i c t i o nd i dn o t a p p l yt od - m a n n i t o la n dp o s s i b l er e a s o n sw e r ed i s c u s s e d n os i m i l a rr e s e a r c ht ot h es t u d ya b o v eh a sb e e nr e p o r t e dy e t k e yw o r d s ：d m a n n i t o l ，p o l y m o r p h i s m ，p o l y m o r p h i ct r a n s f o r m a t i o n , m o l e c u l a r 主要符号说明 口 尺 r 2 r 乙 乃 矿 工 口，b ，1 7 n ，8 。7 a c ， x g c dg al ，g adh a 。h a 垆h a ，h 主要符号说明 活度 气体常数 相关指数 温度 熔点温度 三相点温度 晶型转变温度 晶胞体积 溶质的溶解度 晶胞参数 晶胞参数 定压热容 成核能垒 溶解g i b b s 自由能变 晶型转变自由能变 溶解热 溶解焓 三相点焓变 晶型转变热 4 9 m 0 1 l 。1 j m 0 1 - 1 - k l r 2 k k k k a 3 m o l m o l a o j m o l q k 。i j m o l 1 j - m o l - 1 j - m o l 。1 j m o l 。1 j - m o l 1 j - m o l 。1 j m o l 。l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕窒盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：舌i l 荫 签字目期： d 7 年j - 月专曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：而l 葭 签字日期： p ( 7 年j 月专7 日 导师签名： 签字日期： 第一章前言 1 1 研究背景 第一章前言 d 一甘露醇，又称为d 一甘露糖醇，是一种天然的六元糖醇，广泛存在于植物 的叶、茎、根中。它被广泛应用在医药工业、食品工业、化工及生物化学等方面， 有十分广阔的市场应用范围。 d 一甘露醇的分子式是c 6 h 1 4 0 6 ，其结构式如图1 1 所示，基本性质如表1 1 所示。 0 h o h h o o h o ho h 图1 - 1d - 甘露醇的分子结构 f i g 1 1s t r u c t u r eo f d - m a n n i t o l 表1 1d 一甘露醇的基本性质 t a b l e l 一1p r o p e r ti e so fd - m a n n it 0 1 名称内容 i u p a c 名称 分子量 c a s 号 熔点 沸点 旋光度 溶解性 ( 2 r ，3 r ，4 r ，5 r ) - h e x a n e 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 一h e x o l 1 8 2 1 7 6 9 6 5 8 1 5 5 1 7 0o c ( 依晶型不同而不同) 2 9 5o c 2 4 5o 溶于水、沸的甲醇、乙醇 人们很早就发现了d - 甘露醇的多晶型现象1 。5 1 ，对它多晶型的研究持续至今 【6 ，7 1 ，一方面，d 甘露醇的应用很广，其多晶型的研究是为了满足实际生产应用 的需要，另一方面，人们通过其多晶型的研究对结晶理论进行不断的探索。 1 1 1 国内外研究进展 首先，d 甘露醇用途广泛，而报道的多晶型及其制备方法繁多 卜6 】，但是有 的结果并不准确，因为这其中有很多都没有得到单晶，而是通过粉末衍射数据推 算得到的单晶数据。为了避免多晶型现象对d 甘露醇的使用可能带来的不利，必 第一章前言 须确定究竟它存在几种晶型。直至2 0 0 3 年， 析与总结，确定了d 甘露醇只有三种晶型， d e l t a 晶型的单晶并给出了晶体结构。 f r o n c z e k 6 1 等对前人的工作进行了分 臣p a l p h a ，b e t a 和d e l t a ，并首次得到了 b u r g e i l 8 】等研究了d 甘露醇各种晶型的热力学性质，在常温常压下，热力学 稳定性依次为b e t a a l p h a d e l t a ，其 1 h b e t a 与a l p h a 差别很小，如熔点的差异只由0 5 。而b e t a 和d e l t a 的差别比较明显，其d s c 图谱! t 1 1 2 所示。可以看出，当d e l t a 甘露醇受热时，在约1 6 0 时，发生晶型转变，先吸热融化，此温度臣o d e l t a 晶型 的熔点，而后从熔融态析出b e t a 晶型的d 甘露醇，并放出能量，继续升温高，到 达b e t a 晶型熔点后融化。后来，y u 9 】等在2 0 0 5 年又开发了新的方法，通过检测共 晶融化吸热量，计算出了更宽温度范围内d 一甘露醇各晶型吉布斯自由能的差别， 如图1 3 所示，其中t m 是熔点，指熔液。 近年，在d 甘露醇转晶方面的研究也比较多，主要集中在d e l t a 向b e t a 晶型的 转化。通过在线的分析方法，发现溶液中的转晶机理是固体一溶液一固体 1 0 , 1 1 】， 群l d e l t a 晶型先溶解，而后b e t a 晶型再析出。在机械力作用下，三种晶型都不会发 生转晶。但是，在湿度很高时，d e l t a 会b e t a 转化【l 2 1 。 此外，d 甘露醇的不同晶型可以生成共晶，它与山梨醇也可以生成共晶，其 成核机理成为研究的新热点 1 3 , 1 4 。 ； 曼 舢 翟 图卜2b e t a 与d e l t a 晶型的d s c 图 f i g 1 - 2d s co f b e ma n dd e l t am a n n i t o l 2 第一章前言 - 0 5 3 5 03 7 03 9 0 4 1 04 3 04 5 0 7 - k 图1 3d 甘露醇各晶型吉布斯自由能的差别 f i g 1 3d i f f e r e n c eo fg i b b sf r e ee n e r g ya m o n gp o l y m o r p h so fd m a n n i t o l 1 1 2 研究目的和意义 首先，甘露醇的用途十分广泛，主要有以下几个方面： 在医药方面：d 甘露醇作为一种六元糖醇，除具有性质稳定、生理代谢不需 要胰岛素等特点外，还具有自己独特的生理性能。d 甘露醇进入人体后，可以自 由从肾小球滤过，且肾小管对d 一甘露醇的重吸收极有限，在药理学上无活性，在 人体内也很少代谢，也不易通过毛细血管进入组织。在向体内注射d 甘露醇后， d 甘露醇分子只能在血管中流动，使组织与血管内系统产生渗透梯度，促进液体 从组织流向血管，迅速提高血浆渗透压，使组织中过多的水分向血浆转移，然后 通过肾脏排泄系统排出体外，达到利尿排水的作用。d 甘露醇是最好的渗透性利 尿剂与脱水剂，能预防和治疗急性肾损伤，防治水肿与脑内压、眼内压升高，对 防治脑水肿、青光眼有重要作用。因此在临床上有较大量的使用。由于d 甘露醇 具有良好的甜味，又是六元糖醇中唯一不容易吸潮的一个品种，又不与任何药性 成分起化学或物理反应，所以可以作为医药片剂的赋形剂与填充剂，用于抗癌药、 抗菌药、抗组胺药、维生素、醒酒药、口中清凉剂等片剂的制造。 在食品工业方面：可以作为低热值、低糖的甜味剂，用于糖尿病人、肥胖病 人食品使用，也适合减肥者服用；由于它不吸潮，目前d 甘露醇在食品中作为无 糖口香糖的甜味剂或防粘剂，已经得到普遍使用；另外，d 甘露醇用于制作冰淇 淋、糖果巧克力的风味糖衣，即所谓脆皮巧克力的外皮，可以保持产品硬性外皮， 效果很好；d 甘露醇还可以掩饰其他食品添加剂中的不良味道与其他物质的苦 味，所以它可以与高倍甜味剂混合用于饮料、糖浆及其他食品当中。 在化工方面：d 甘露醇是一种典型的多元醇，其羟基可以在一定条件下参与 2 5 1 5 o 1 o oioujry匹o。o 第一章前言 许多化学反应，生成许多有机化学品。主要用于生产d 甘露醇聚氨酯、硬脂d 甘露醇酯，还可用于生产表面活性剂、炸药、d 甘露醇硬脂聚氨酯泡沫塑料、改 性d 甘露醇、醇酸树脂( 用于涂料) 、电镀液的抗氧化剂和稳定剂、植物生长调 节剂、果蔬贮藏处理剂等。 因此，人们希望可以利用不同晶型d 一甘露醇性质的差异，如吸湿性、溶解速 率、生物利用率等来改善产品质量，例如，甘露醇作为稀释剂和赋形剂被广泛使 用，虽然大多数情况下都使用的是b e t a 甘露醇，但是，y o s h i n a r i 【1 5 】等发现，d e l t a 甘露醇可以用于改善一些相容性很差的原料药物的造粒。 另一方面，d 甘露醇价廉、易得到、毒副作用小，又具有多晶型现象，可以 利用它对多晶型现象进行一些较深入的理论研究，例如多晶型的转变以及成核机 理的研究。 1 2 本文的主要工作 为了更深层次的理解同种物质存在不同多晶型的原因，本文以d 一甘露醇为具 体研究对象，分别从热力学、动力学和分子模拟角度研究了多晶型现象以及不同 晶型之间的转化机理，具体研究内容包括以下几部分： 首先，结晶过程是一个复杂的热量传递、质量传递、动量传递的过程。多晶 型的产生是需要一定的热力学条件的。对于在溶液中可以发生晶型转变的晶体来 说，转晶前后各晶型的溶解度数据可以帮助分析转晶动力学，同时，热力学研究 可以明确一定条件下多晶型之间的相对稳定性，从而指导多晶型的生产与加工过 程。因此，本文实验测定了b e t a 和d e l t a 晶型甘露醇在水、乙醇一水、丙酮一水等 溶剂中的溶解度，并利用分子模拟的方法分析了溶剂影响甘露醇溶解度的原因， 此外，对两种晶型甘露醇溶解度数据进行了关联和热力学分析。 其次，为了更深层次的了解不同晶型之间的转化过程及其转化机理，为有效 控制和调节晶型转变过程提供理论基础，本文利用分子动力学模拟方法和各种实 验手段来研究结晶温度这一结晶过程中最重要参数对甘露醇溶液转晶过程 动力学的影响情况，并从分子角度揭示了其可能的影响机理。 最后，同样组成的一种有机化合物可以出现不同的多晶型必然存在其微观机 理。因此为了从分子层次上更清楚的了解不同晶型甘露醇之间在性质上存在差异 的原因，本文深入分析了不同晶型中甘露醇分子的构象。通过对d 一甘露醇多晶 型中分子构象的分析，发现它不符合常用的晶型预测方法中关于分子构象的基本 假定，而这可能是由于甘露醇分子具有很大的柔性和甘露醇晶体中很强的分子间 相互作用共同造成的。 4 第二章d 甘露醇多品型的热力学研究 第二章d 一甘露醇多晶型的热力学研究 结晶过程是一个复杂的热量传递、质量传递、动量传递的过程。多晶型的产 生是需要一些特定条件的，因此，需要从热力学、动力学两方面去研究多晶型和 其生成条件。 结晶热力学包含的内容很多，如溶解热、结晶热以及溶解和结晶过程中自由 能、熵等的变化，还包括溶解度、介稳区等的研究。热力学研究有极其重要的意 义。首先，物质溶解度数据的大小及其变化规律直接决定了过程的收率以及合适 结晶方式的选择。其次，对于在溶液中可以发生晶型转变的晶体来说，转晶前后 各晶型的溶解度数据可以帮助分析转晶动力学【l6 】。第三，热力学研究可以明确 一定条件下多晶型之间的相对稳定性，从而指导多晶型的生产与加工过程。 本文主要研究的是甘露醇的b e t a 和d e l t a 晶型，由于在这两种晶体的制备过 程中涉及到的溶剂主要是水、乙醇一水、丙酮一水，本章分别测定了b e t a 和d e l t a 晶型在以上三种溶剂中的溶解度，并对实验结果进行了讨论。 2 1 文献综述 2 1 1 多晶型的热力学研究 热力学上，在一定温度压力下，多晶型的相对稳定性取决于其吉布斯自由能 的大小。吉布斯自由能最低的晶型是最稳定的，其他晶型都是亚稳的。亚稳晶型 有自发地向稳定晶型转化的趋势。此外，在对亚稳晶型的晶体进行加工处理时， 比如研磨、冻干等，也可能导致亚稳向稳定晶体的转变。改变温度和压力，多晶 型的相对热力学稳定性可能发生变化。以a 、b 两种晶型为例，我们将其分为两 种情况：一种情况是在低于a 、b 熔点时，某一多晶型始终处于稳定状态，此时， 称a 、b 为单向转变对，如图2 1 ( a ) 所示；如果当a 、b 在低于熔点时，有一转 变温度n ，在该温度下，a 与b 的吉布斯自由能相等，在该温度上下a 、b 的相对 稳定性发生变化，这种转变是可逆的，称a 、b 形成对映互变对，如图2 1 ( b ) 所示。图中g 工与a 或b 的吉布斯自由能相等时的温度即是该晶体的熔点。 第二章d 甘露醇多晶型的热力学研究 鲁 毒 蓝 图 图2 1 ( a ) 单向转变对 f i g 2 - 1 ( a ) m o n o t r o p i cs y s t e m 图2 1 ( b ) 对映互变对 f i g 2 - 1 ( b ) e n a n t i o t r o p i cs y s t e m 由吉布斯自由能、逸度、活度( 口) 和溶解度( s ) 的关系，有： 嘶一睡) = ( 书一m ( 釜) 协， 可见，亚稳晶型的溶解度要大于稳定晶型，且溶解度的差异随着吉布斯自由 能差增大而增大。这是由热力学决定的，而与溶剂无关。 此外，晶体内质点元堆积排列方式的不同导致熵的不同，也影响了晶体分子 间相互作用，从而影响晶体的比热容。近而，影响了其他的一些相关的热力学性 质。 2 1 2 固液平衡理论 固液问达到平衡时应满足如下的热力学条件： z 。= z 5 ( 2 2 ) 6 第二章d 甘露醇多晶型的热力学研究 只= 只5 ( 2 - 3 ) j=(2-4) 逸度与逸度系数或活度系数有如下热力学关系： z = ip y i = y , x f ，o ( 2 5 ) 根据逸度的不同表达方法，把固液平衡的理论研究方法分为两大类：状态方 程法和活度系数法。 状态方程法是研究相平衡的最早方法，其基本思想就是利用可以描述体系 p v - t 关系的方程，将逸度或逸度系数用这些可以测量的物理量表示出来。在描 述相平衡时，使用的状态方程必须可以同时正确地描述这两相各自的p v - t 关 系。该方法最早用于描述气体，而后，许多方程开始考虑液体的性质，得到了一 些既能描述气体又可以描述液体的双参数状态方程( 如r o k 方程、s r k 方程、 p r 方程等) 和多参数状态方程( 如b w - r 方程和m h 方程) 。 虽然在研究气液相平衡时，这些状态方程有较好的效果，但是，它们几乎都 不能适用于固体，因而也就不能描述固气或者固液平衡。随着状态方程法的发展， 目前，适用于固体的状态方程已经取得了一定的进展，特别是针对某些非极性物 系可以取得较好的效果。 活度系数法的基本思想就是去计算活度系数。活度系数方程可分为理论型、 半理论半经验和经验型模型。如适用于正规混合物的s c a t c h a r d h i l d e b r a n d 方程， 适用于无热混合物、能较好的描述聚合物系的f l o r y h t i g g i n s 方程；半理论半经 验模型有基于正规溶液获得的w o h l 型方程和基于局部组成概念的活度系数方 程，其中w o h l 型方程包括：m a r g u l a r 方程、v a nl a a r 方程和s c a t c h a r d h a m m e r 方程，基于局部组成概念的活度系数方程有w i l s o n 方程、n r t l 方程、应用似 晶格模型和局部组成概念基础上导出的u n i q u a c 方程，这类方程目前应用最 广泛。经验型模型有r e d l i s h k i s t e r 方程和基团贡献法，基团贡献法包括基团解 析法、a s o g 法和u n i f a c 法。 2 1 3 溶解度及其数据的关联 1 、影响溶解度的因素 物质的溶解度主要与溶质、溶剂的化学性质以及温度有关，对于固体，还与 其内部质点排列的结构有关。归根到底，是受固体分子( 或离子) 间、溶剂分子( 或 离子) 间、溶质分子( 或离子) 与溶剂分子( 或离子) 之间的作用力影响。包括了库 仑力、范德华力( 包括取向力、诱导力、色散力) 以及氢键作用。在极性溶剂中， 如果溶质与溶剂分子能够生成氢键，则溶质的溶解度会增加，例如乙醇、丙酮都 第二章d 一甘露醇多晶型的热力学研究 可以与水以任意比例互溶。若溶质分子内生成氢键，则在极性溶剂中的溶解度减 小，而在非极性溶剂中的溶解度增加。 2 、溶解度的测定 溶解度的测定方法大致可分为“静态法”和“动态法”两类。 静态法通常是过量的溶质在恒定温度等条件下，经过长时间达到溶解平衡， 利用溶液的不同理化性质分析测定清液中溶质的浓度，如滴定、色谱、紫外分光 光度法、旋光光度法等。动态法通常是通过缓慢改变温度、溶剂或溶质的量等条 件，利用光学、电学等性质判断溶解是否达到饱和。动态法对测定达到平衡较快 的物系有独特优点，样品耗量少，测定效率较高且不必对所测物系建立专门的分 析方法。但是物质的溶解特性是各种各样的，因此并没有一个普遍适用于所有系 统的方法，需要根据体系的特性、实验条件、分析手段以及实验的精度要求来选 择合适的测量方法。 在溶解度的测定中，必须注意以下两点： 1 ) 要保证溶质和溶剂的纯度，因为杂质的存在会对被测体系的热力学性质 产生重大的影响。 2 ) 为了使体系建立充分的溶解平衡，一般都采用充分的搅拌，同时给予足 够的平衡时间。 3 、溶解度数据的关联 常用的溶解度数据关联方法是基于活度系数法的。 根据固液相平衡理论，假设溶剂不进入固相时，根据基本的热力学方程： d i n 方：粤d t + 坐d p ( 2 - 6 ) r 2 。尺? 若热容与温度无关则可推得固体物质在溶剂中的溶解度的普遍化方程： h ，2 等陋- 1 ) 一等c h 等一争旷a v 吲 江7 ， 对( 2 - 7 ) 式进行合理近似以简化方程：首先，认为绝大多数物质的三相点 温度和正常熔化温度很近似，可由正常熔点温度7 玳替三相点温度咒，同时由 a h m i 代替厶脚；第二，第二和第三项相比第一项可以被忽略。( 2 - 7 ) 式被化 简为： h ( 圳= 等( 去一争 8 ， 可见，利用上述溶解度方程时要首先计算出活度系数。 恒压下，v a n sh o 一1 8 1 等容方程表示为如下的精确形式： 第二章d 一甘露醇多品型的热力学研究 d i n a f l h 、 - - = 一= = - d tr t 2 ( 2 9 ) 其中茚表示饱和溶液中溶质的活度，厶皿表示溶质在溶液中的偏摩尔焓。 当假设厶且与温度无关，v a n t h o f f 方程变为： ：+ c(210)inxi0 = + cl z - 月? 当假设厶b 与温度呈线性关系时，对( 2 9 ) 式积分，g r a n t 19 】等得到： i n 工利+ 一b + c i n t ( 2 1 1 ) ? 其中4bc 为模型参数，可由实验回归得到，工表示溶质的摩尔分数。 当假设厶日：与温度的关系满足h 2 = ra c p 2 时，积分( 2 9 ) 式得到： inx：blntin+ c( 2 1 2 2 )x = +l z lj r 此外，还有其它很多拟合形式，但是适用范围有所不同，需要考虑物系的极 性等条件来选择。 2 2d 一甘露醇溶解度的测定 2 2 1 实验药品与试剂 b e t a - 甘露醇( 上海实验试剂有限公司，分析纯) ； d e l t a - 甘露醇( 3 0 下，配$ j b e t a 晶型的饱和溶液，溶剂是稀的丙酮一水溶液 或者乙醇一水溶液，而后迅速冷却至零度以下析晶，过滤，并用大量冰乙醇或者 丙酮洗涤产品，而后常温下通风干燥，得至1 j d e l t a - 甘露醇，其p x r d 图如图2 - 2 所 示，与已报道的d e l t a 甘露醇的p x r d 谱图盼1 5 】一致) ； 去离子水：市售； 无水乙醇：天津化学试剂六厂，分析纯； 丙酮：天津化学试剂六厂，分析纯。 9 第二章d 一甘露醇多晶型的热力学研究 参 石 c 旦 三 图2 2d e l t a 甘露醇p x r d 谱图 f i g 2 2p x r do fd e l t a - m a n n i t o l 2 2 2 实验方法与装置 1 、b e t a 一甘露醇溶解度的测定 在溶解度测量的温度压力下，b e t a - 甘露醇是热力学最稳定的，不存在转晶 的情况。b e t a 一甘露醇溶解度适中，激光法灵敏而且准确，而且无论在水中还是 二元混合溶剂中，溶解速度都比较快。因此，本实验选择定动态法，通过监视激 光接收器信号的数字显示仪来测定溶解平衡点。实验装置如图2 3 所示。 在设计结晶器时考虑到：为了减少测定中溶剂在结晶器内的汽化，结晶器的 有效体积( 即有夹套的部分) 控制在6 0 m l 左右，有效体积上部留的空间很小，只 有约1 0 m l 。这样在测量低温区时，虽然溶剂、溶质的加入量都较少，给气体留下 的空间比较大，但是由于夹套的保护，溶液温度低，溶剂不会汽化。随着测量温 度的升高，溶质的加入使溶液体积接近6 0 m l ，这样虽然溶液、气体的温度高但是 气体所占的空间小，汽化的溶剂非常有限。 实验方法：固定温度，准确称取一定质量的溶剂加到结晶器中，开启磁力搅 拌、激光发射器、激光接收器和数显记录仪，记录下最初的电信号数值。准确称 取一定质量的b e t a 甘露醇加入结晶器中。随着溶质的溶解，晶体散射和衍射效应 越来越弱，透射光强逐渐增大，电信号数值不断增大，直至恢复至最初的数值。 重复以上操作，并控制每次加入溶质的量，最后几次每次只加入很少量( 介于总 加入量的2 至3 ) 以控制误差。若光强度在加入溶质后6 0 分钟没有改变，且低 于最初值，则认为在该固定温度下溶液达到饱和。 1 0 第二章d 甘露醇多晶型的热力学研究 电磋揽拌 图2 - 3 溶解度删定实验装置图 f i g23s c h e m a t i cp l o to f a p p m t u s f o r m e to f s o l u b i l r y 2 、d e l t a 甘露醇溶解度的测定 在纯水中d e l t a 晶型会非常快地转为b e t a 晶型。其转晶机理是固体一溶液一 固体。该转晶过程是非常迅速的1 13 ，在d e l t a 晶型还在溶解的过程中，b e t a 晶型 就析出了因此无法剁定d e l t a 在纯水中的溶解度。 在乙醇一水或者丙酮一水的一元溶剂中，d e l t a 型晶体也出现了这种隋况。但 是，实验中发现，溶液温度降至零下，且随着温度的进一步降低b c m 晶型开始出 现的时间明显推迟。以质量比i ：4 的丙酮一水溶液为例实验中发现当测量温 度为1 0 、i 、4 时从不足5 分钟就出现b e t a 推迟n 3 0 分钟以后。再以测 量温度为一4 c 为例，当溶剂中丙酬的质量分数分别为2 0 、4 0 、6 嘛时，b e t a 品 型出现的时间由约1 0 分钟推迟至2 小时以后。因此，本文删定了低温f ，质量分 数分别为6 0 的丙酮一水和乙醇一水溶液中d e l t a 晶型的溶解度，因为只有在这样的 条件下才可能保证体系有足够的时间平衡。此外，由于温度的降低物质溶解 的速率会降低，、r 衡所需要的时间会变长。为了尽量加快低温下d e l t a 晶型的溶解 对制备好的d e l t a 晶体晶型进行了充分研磨( 经p x r d 湿, u 试，不会发生转晶) 过筛， 同时在测定时尽量加大搅拌速度。 实验方法：由r 低温下溶解度比较低，采用静态法测量d e l t a 晶型的溶解度， 首先准确称取一定量溶剂和溶质加八结晶器中，搅拌井闶定溶液于某一温度。 6 0 分钟后过滤、干燥，将未溶解的固体称重并作p x r d 分析以保证没有发生转晶。 重复第一步3 0 分钟后重复过滤、干燥、称重的步骤。再重复第步，9 0 分钟后 重复过滤、干燥、称重的步骤。时间间隔为3 0 分钟，以此类推。为了与b e t a 晶型 溶解度的洲定有相近的误苦水平认为丰日邻两次的差别小于3 时，体系达到平衡， 第二章d 一甘露酵多晶型的热力学研究 23 实验结果与讨论 2 31 溶剂和温度对溶解度的影响 b e m 一甘露醇在不同溶剂中的溶解度曲线如图2 4 所示 吾0 0 2 5 呈 口0 1 5 00 1 口 o0 0 5 2 6 63 52 7 2 1 52 8 3 1 5 2 9 3 1 53 0 ) 1 53 i3 1 5 3 2 3 1 5 t ( n ) 图z 一4b 8 t a _ 甘露醇溶解度曲线 f i g2 4s o l u b i l i t i e s o f b e t a - m j m m t o l 以v a n t - h o f 防程r p ( 2 - 1 0 ) 式关联上述溶解度数据，得到很好的结果，如 表2 1 所示- 其中目标函数的形式是1 j 刊+ 旦t 。 表2 1b e t a 品型溶解度数据的回归结果 t a b i c 2 - lp m e t o f l l u e a n 目m n 第二章d 一目露醇多品型的热力学研究 由图2 - 4 可以发现随着温度的升高溶解度成指数型上升。同时，溶剂组 成对其溶解度有f 分明显的影响。当溶剂由水变为乙醇一水或者丙酮一水的混台 溶剂后b c v t a 型甘露醇的溶解度明显下降。返可能是由于乙醇、丙酮可以与水形 成很强的氢键作用( 可以以任意比例互溶) 加入到水中后，致使甘露醇与水间 的氢键作h j 减弱了导致了h 露醇溶解度的降低。 从甘露醇的分子结构上看，它是六元醇，溶解在水中后，会与水生成比较强 的氢键。为了研究溶剂组成对甘露醇溶解度的影响机理，聚用分子动力学的方法 模拟了甘露酵一水体系避一步证明了这一点( 将在第凹章巾具体介绍分子动力 学，这里只给出模拟条件和结果) 。模拟的条件为：n v t 系综，力场c o m p a s s ， 计算1 0 打步，步长10 f s ，温度2 9 8 k 。通过分子动力学模拟结果发现，甘露醇的 六个羟基都可以与水彤成氢键，如图2 5 所示，其中红色球( 或点) 代表氧原子， 白色为氢原子。 而后，叉分别对相同条件下的甘露醇一乙醇一水体系和甘露醇丙酮一水体 系进行了模拟，发现加入乙醇或丙酮后，目露醇分子与水分子问氢键键长增加、 氢键数目减少氢键作用减弱。图2 - 6 给出的是质量分数为2 0 的乙醇水溶液中+ 计算得到的甘露酵分子与水分子问的氢键作用。 目2 - 5l r 露醉分子与水生成的氢键 f i g2 - 5h y d r o g e nb o a d s b e l v e e n m t a la n d w b t e 第二章d - 甘露醇多晶型的热力学研究 2 32 罔2 6 乙醇水溶液中甘辞醇分了与水生哦的氧键 f i g2 - 6 h y & o g b o n d s b e t w n m a j t o la d w a t t e t h a n o l a s o l u t i o n 低温下( 一1 0 * c 至一l ) d e l t a 一甘露醇和b e t a 甘露醇在不同溶剂中的溶解 度曲线如图2 7 所示。 图2 7 ( a ) 质量分数6 0 乙醇水溶液中两种品型的溶解度 f i g 2 - 7 ( a ) s o l u b i l i t i e so f b e t a 粕d d s l t a - m a m a i t o l i n6 0 w te t h a n o l w a t e rs o l u t i o n 第二章d 甘露醇多品型的热力学研究 t ( k ) 图2 - 7 ( b ) 质量分数6 0 丙酮一水溶液中两种晶型的溶解度 f i g 2 7 ( b ) s o l u b i l i t i e so f b e t a a n dd e l t a - m a m a i t o li n6 0 w ta c e t o n e - w a t e rs o l u t i o n 仍以v a n t n o f f 方程即( 2 1 0 ) 式关联低温下d e l t a 晶型的溶解度数据，结果 如表2 2 所示。 表2 2d e l t a 晶型溶解度数据的回归结果 t a b l e 2 - 2p a r a m e t e r so fl i n e a rr e g r e s s i o n 通过上述两个图可以清楚看到，在相同的溶剂条件下，d e l t a 晶型甘露醇的溶 解度要比b e t a 晶型的甘露醇的溶解度大。 通过这两种不同晶型溶解度数据，可以推算这两种晶型的一些热力学性质， 如吉布斯自由能的差别和转晶温度。 由式( 2 1 ) 可知，转晶自由能与溶解度的关系为： g 爿一占= a d g 一a d g 口= r t l n x b r t l n x = r t l n ( x 口x 彳) f ，13 、 ， 在一定温度和压力下，当x b x a 时，u 一占 o ，说明晶型a 向晶型b 的转变 是能够自发进行，i i a 是亚稳晶型，b 是稳定晶型。此外，随着x b i x a 的减小或者 随着温度的升高，则凸矿l ，一一占越小，从热力学看转晶过程越容易发生。 由b e t a 和d e l t a 型甘露醇的溶解度曲线可以看出，随着温度的升高，= o a - b 不 断减小，推动力增大，转晶越容易发生。这一结果与已有的报道是一致的。 0 s u l l i v a n t l 0 等指出，在水中，d e l t a 型向b e t a 型甘露醇的转晶非常迅速，降低温度 可以减慢其转晶的过程，当温度降至5 时，过程才足够缓慢而可以通过在线手 第二章d ，甘露醇多品型的热力学研究 段去监测转晶过程。 根据图2 7 ( a ) 中曲线1 、2 ( 即甘露醇在乙醇一水体系中的溶解度) 的回归 方程，可以得到d e l t a 和b e t a 晶甘露醇在乙醇一水体系中的v a n t n o f f 图，如图2 8 所示。 呈 石 呈 芑 图2 8 乙醇一水溶液中甘露醇的v 抽t - h o f f 图 f i g 2 8v a n th o f f p l o to f b e t aa n dd e l t a m a n n i t o li ne t h a n o l w a t e rs o l u t i o n 从图2 8 中可以看出，b e t a 和d e l t a 型甘露醇的v a n t h o f 洇在1 0 0 0 t = 4 0 处相 交，说明二者属于对映互变体系，此时的耐应的就是转晶温度m ，约为2 5 0 k ， 即如果温度再降低，b e t a 晶型将由热力学稳定的晶型变成亚稳的，而d e l t a 晶型则 会成为热力学稳定的晶型。 该结果与目前实验和文献报道的结果是一致的。首先，目前报道的有关甘露 醇的实验温度都高于2 5 0 k , 观察到的结果也都显示b e t a 型晶体是热力学最稳定 的。其次，y u 【9 】等计算了一定温度范围下，d e l t a 与b e t a 型甘露醇吉布斯自由能的 差，如果将y u 等得到的结果向低温方向外延，发现，同样在约2 5 0 k 时，d e l t a 与 b e t a 的吉布斯自由能的差减小至零，与本文通过溶解度推算的转晶温度是一致 的。 此外，由于物质多晶型的热力学性质是其本身的性质，而与溶剂无关。因此， 如果用图2 7 ( b ) 中曲线3 、4 ( 即甘露醇在丙酮一水体系中的溶解度) 的回归方 程作上述计算，结果是相近的，如图2 9 所示。在1 0 0 0 t = 3 9 相交，t t r e 勺为2 6 0 k 。 第二章d 甘露醇多晶型的热力学研究 7 8 38 0 38 2 38 4 3 1 0 0 0 t ( k 。1 ) 图2 9 丙酮一水溶液中甘露醇的v a n t h o 胭 f i g 2 - 9v a n th o f f p l o to f b e t aa n dd e l t a - m a n n i t o li na c e t o n e w a t e rs o l u t i o n 2 4 本章小结 1 本章研究了甘露醇多晶型的热力学基础，测定了了b e t a 型甘露醇在水、 乙醇一水、丙酮一水溶液的溶解度数据，同时还测定了低温下d e l t a 型甘露醇在乙 醇一水、丙酮一水溶液溶解度，考察了溶剂组成和温度对溶解度的影响情况，并 利用经验模型对溶解度数据进行了关联。 2 利用分子模拟的方法分析了溶剂影响甘露醇溶解度的原因，通过对两种 晶型甘露醇溶解度数据的分