第4章_浮选药剂分子设计和混合用药.ppt

浮选药剂分子设计和混合用药,中南大学资源加工与生物工程学院,目录,早期的浮选药剂的理论和假说中以Taggart提出的溶度积假说最有影响。这个假说用于指导找药时，可简略地表述为：凡能与目的矿物反应并生成溶度积较小的化合物，若同时具备浮选药剂的结构特点，则可以成为该矿物的捕收剂或抑制剂。这种观点，直到今天仍作为分析浮选现象和寻找药剂的依据之一。浮选药剂发展到现在，特别是处理复杂难以分选的矿物，要求选择性好、效率高的药剂，像过去那样只凭试验进行筛选，已不能满足研究者的要求，而希望能够利用一些原理或推测，预先对药剂的分子结构进行设计，以达到寻找有效药剂的目的。实践证明混合用药往往比单一用药好。,引言,中南大学资源加工与生物工程学院,浮选药剂分子设计,中南大学资源加工与生物工程学院,第一节用高等药物化学原理探讨浮选药剂分子设计,一、同系原理什么是同系原理？凡是同一类型的化合物系列，其各成员之间原子数的差，如果是CH2的整数倍，则在有机化学中都认为是同属一个系列，称为同系物，任何一个化合物都有若干同系物，这种现象称同系现象。同系物的物理性质及化学反应都大同小异地依次递变，这个原理叫同系原理。同系物的药理作用用一般由弱增强，达到一定强度后，又逐渐变弱，并出现一个最大值。氧化矿捕收剂脂肪酸系列符合同系原理，同一系列的直链低碳饱和脂肪酸浮选方铅矿，方铅矿的回收率由庚酸到十三碳酸随分子的增加而增加，对孔雀石的浮选从丁酸到壬酸也是如此。但在高级饱和脂肪酸之间，分子大浮选效果反而较差，例如浮选赤铁矿效果的强弱次序为：月桂酸豆蔻酸软脂酸。如果从甲酸、乙酸开始，到高级脂肪酸软脂酸、硬脂酸，以至更高级的同系物，比较其捕收效果，必然会出现一个最大值，这完全符合同系原理所揭示的规律。,用高等药物化学原理探讨浮选药剂分子设计,中南大学资源加工与生物工程学院,二、同烯系原理什么是同烯系原理？凡化合物具有A-(CH=CH)n-B的结构，其间的差异是以-CH=CH-为单元的，叫做同烯系物。A与B两个不同的功能团，能够通过-(CH=CH)n-链地传递而互相影响，正如A与B直接连成A-B一样。这个原理在有机化学中一般叫做同烯系原理。在药物化学中利用这个原理可以增长药物分子有效基团之间的距离，增加药物的分子量并保持原有的药效不变。对-甲苯胂酸、对-乙苯胂酸用作锡石捕收剂是浮选工艺上的一个突出成绩。阻碍烷基苯胂酸在浮选工艺上使用最大的问题是制造困难、成本高、产品收率低，一直到1970年左右才出现一个新药剂即苯乙烯胂酸，现已在国际上普遍用为锡石捕收剂，它的出现实质上就是应用同烯系原理的成功实例。,中南大学资源加工与生物工程学院,用高等药物化学原理探讨浮选药剂分子设计,二、同烯系原理(续)苯甲胂酸与乙苯胂酸在分子结构中都有一个大键共轭体系，如：在苯胂酸分子结构中添加一个双键，分子增长了，变成了苯乙烯胂酸，效果优于对-甲苯胂酸。根据同烯系原理可以推测苯乙烯胂酸的捕收作用会优于对-甲苯胂酸。,中南大学资源加工与生物工程学院,用高等药物化学原理探讨浮选药剂分子设计,三、同电异素原理什么是同电异素原理？1925年格里木(Grimm)定义：凡分子团或原子团有相同数目价电子的，不论它们是否包含有同数的原子或总数相同的电子，都叫做同电异素体；1932年Erlenmyer将同电异素原理推广：在原子团中只有“边界电子”或“外围电子”的数目是决定同电异素的条件。同电异素原理在药物化学中已获得广泛的应用和成功，用于浮选药剂的研究也是可行的，例如黄药1925年用于浮选、二硫代氨基甲酸盐于1946年用于浮选，1958年三硫代碳酸盐用于浮选。苯酚黑药与苯胺黑药也是同电异素体。,中南大学资源加工与生物工程学院,用高等药物化学原理探讨浮选药剂分子设计,四、同分异构原理顺反异构现象表现在捕收剂的浮选行为上，突出的例子是顺油酸与反油酸，二者的分子组成完全一样，其差别只是顺反异构，它们是一对几何异构体。它们在浮选不同矿物时，反映出不同效果。用顺-油酸或反-油酸浮选含有赤铁矿、镜铁矿、石英及黑硅石的铁矿石选矿矿泥，在pH值为8.09.5时，反-油酸效果比顺-油酸效果好。用顺-油酸或反-油酸浮选赤铁矿，当pH=6时，两者效果相同；但作石英捕收剂时，反-油酸不如顺-油酸；浮选方解石时，反-油酸效果比顺-油酸差。利用同分异构原理典型的成功例子是甲苯胂酸与苄基胂酸对锡石的捕收效果，二者同是同分异构体。,中南大学资源加工与生物工程学院,用高等药物化学原理探讨浮选药剂分子设计,五、同型原理同型原理的概念：在药物学中凡是分子结构相近似的化合物都颗叫做同型物。结构愈相近，它们的生理作用相似的可能性愈大，反之，结构相似之处愈少，生理作用相似之处也愈少。在浮选药剂中，符合同型原理获得成功的例子不少。例如1946年出现的二乙基二硫代氨基甲酸盐于1978年出现的环丁基二硫代氨基甲酸盐，就是一堆同型物。它们都可用作硫化矿的捕收剂，捕收性能都很好。,中南大学资源加工与生物工程学院,用高等药物化学原理探讨浮选药剂分子设计,六、拼合原理拼合原理的概念：合拼几种产品同一药理作用的不同类型的基本结构来增强这种药理作用的强度，或者合拼几种产生不同药剂药理作用的基本结构，使分子可以同时产生几种药理效应，利用这种方法以增加药物治疗效能的理论。浮选药剂方面，也有不少属于拼合原理的例子，例如黄药是硫化矿的有效捕收剂，双黄药也是硫化矿的捕收剂，它们的结构式如下：,中南大学资源加工与生物工程学院,从式中看出，双黄药是两个黄原酸的拼合，拼合成的双黄药不单可浮选硫化矿，对某些金属单体微粒，比黄药有更好的捕收作用。1974年有人成功地合成了四黄药，用于浮选黄铜矿效果比黄药有很大提高，它的结构式如右：,用高等药物化学原理探讨浮选药剂分子设计,第二节应用同分异构原理合成氧化矿捕收剂,中南大学资源加工与生物工程学院,用高等药物化学原理探讨浮选药剂分子设计,一、同分异构原理的提出和发展有相同的分子式而结构式不同的有机化合物，称为同分异构体，有同分异构体关系的物质互称为同分异构体(物)。指导合成浮选药剂的“同系列同分异构原理”的基本观点：捕收剂对矿物的浮选性能，是其物理性质和化学性质的集中表现，从1980年起，我们认为有相同功能团的同系列同分异构体，它们的浮选性能也应相似；非同系列的同分异构体，没有相同的功能团，浮选性能也相差很大；当捕收剂的功能团相似时，对矿物应有相似的捕收作用。在此原理指导下，曾经合成了对-甲苯胂酸的同分异构体苄基胂酸；烷基-氨基-1,1-亚烷基二膦酸的同分异构体烷基亚氨基二次甲基膦酸；膦酸的异构体亚磷酸酯；水杨醛肟的同分异构体苯甲基羟肟酸。它们都是锡石、黑钨、氧化锌的有效捕收剂。,应用同分异构原理合成氧化矿捕收剂,中南大学资源加工与生物工程学院,二、甲苯胂酸的同分异构体苄基胂酸甲苯胂酸有四种同分异构体，即对-甲苯胂酸、邻-甲苯胂酸、间-甲苯胂酸和苄基胂酸，结构式如下：,中南大学资源加工与生物工程学院,同系列同分异构体的浮选性能十分相似的。合成较易于合成的同系列同分异构体，代替难于合成的异构体，是设计新药剂的一种可取方法。,应用同分异构原理合成氧化矿捕收剂,三、-氨基-1,1-亚烷基二膦酸的同分异构体烷基亚氨基二次甲基膦酸前苏联用-氨基-1,1-亚己基二膦酸与癸基亚氨基二次甲基膦酸浮选单矿物结构如下图：两类化合物的通式如下：,中南大学资源加工与生物工程学院,从图中可以看出，二者对锡石的浮选性能是极相似的，这又一次说明同系列同分异构原理在寻找新捕收剂方面是可取的。,应用同分异构原理合成氧化矿捕收剂,四、烷基膦酸的同分异构体亚磷酸酯膦酸烷基膦酸能浮选锡石，但合成方法比较复杂，不易制得价格便宜、易于工业化的产品。烷基亚磷酸酯的合成工艺简单，有推广价值。烷基胂酸和烷基亚磷酸酯通式如下：,中南大学资源加工与生物工程学院,从癸基亚磷酸酯浮选锡石-石英混合矿的试验结果可以看出，锡石精矿品位随pH值的改变不明显，均在7577%间，而回收率则在pH=23时为最高，达95%以上，可见癸基亚磷酸酯可以捕收锡石。,应用同分异构原理合成氧化矿捕收剂,五、烷基水杨醛肟的同分异构体烷基苯羟肟酸烷基水杨醛肟和烷基苯羟肟酸是同分异构体，关系如下：它们有相同的分子式而结构式不同，但结构式相似，功能团也相似，是结构相似的同分异构体，化学性质也相似，应有相似的捕收性能。用合成的苯甲羟肟酸浮选菱锌矿，结果与水杨醛肟对比如图(1-苯甲羟肟酸,2-水杨醛肟)：,中南大学资源加工与生物工程学院,从苄基胂酸、烷基氨基二次甲基膦酸、亚磷酸酯、苯甲羟肟酸四种化合物的相应同分异构体的讨论表明：同分异构原理去寻找新捕收剂是可行的。,应用同分异构原理合成氧化矿捕收剂,浮选药剂分子设计,第三节用基团电负性为判据进行捕收剂分子设计,中南大学资源加工与生物工程学院,一、元素电负性的概念及计算电负性是院元素性质的一种定量标度，表示元素非金属性大小。电负性的概念出现较早，但定量计算则是在30年代提出的，许多提出过不同的计算方法，其中主要有鲍林、密利根和高蒂等人的方法。1.鲍林的电负性标度是用键能计算的，按鲍林的定义，电负性是分子中原子将电子引向自己的能力。假如同原子分子的键能DAA与DBB的算术平均值就是A和B之间正常共价键的键能，则实际的键能DAB将总是大于此平均值，最多是相当，命其差为：鲍林认为E代表实际键能偏离共价键能之值，应与A、B原子的电负性差有关，其经验式为：,用基团电负性为判据进行捕收剂分子设计,中南大学资源加工与生物工程学院,一、元素电负性的概念及计算1.鲍林的电负性计算方法(续)后来鲍林又提出：这个电负性又称热化学电负性，用P，2的单位相当于电子伏特。2.密利根的电负性是由原子的电离势和电子亲和能算得的，其定义为：电负性是定域于该原子的键合电子的能量，计算式为：式中I是原子的电离势，E是电子亲和能。鲍林电负性与密利根电负性的关系是：(也有人主张此系数是2.3及3.1等),中南大学资源加工与生物工程学院,用基团电负性为判据进行捕收剂分子设计,一、元素电负性的概念及计算3.高蒂的电负性是由原子实有效电荷与共价半径算得的，表示原子实对价电子的静电引力，计算式为：式中Z*是原子实有效电荷，r是共价半径，a、b为常数。4.利用电负性差表示键的极性：鲍林提出的离子性百分数计算式：汉纳等提出的离子性百分数计算式：维姆舒斯特的算式为：,中南大学资源加工与生物工程学院,用基团电负性为判据进行捕收剂分子设计,二、捕收剂基团电负性的计算分子中原子的电负性并不是一个不变的常数，因为受到相邻原子、甚至间隔原子的影响而发生改变，不同基团中的同一原子，表现的电负性各不相同。由此电负性的概念扩大到化学基团，设法给各种化学基团以电负性数值，用于表征基团的特性，这就是所谓基团电负性。根据浮选药剂的结构特点，可用如下方法计算浮选药剂的基团电负性，设浮选药剂基团结构为：A|B|C|D012其中A为键合原子(或称第一原子、亲固原子)，为使结果符合鲍林电负性系列，采用下式计算：g表示基团电负性，r表示键合原子的共价半径，n*表示分子中原子的有效价电子数。,中南大学资源加工与生物工程学院,用基团电负性为判据进行捕收剂分子设计,二、捕收剂基团电负性的计算A|B|C|D012n*的计算包括键合原子的未键合电子数及补正项：式中N是A原子的价电子数，P是被B原子键合的电子数，m0零号键(AB键)间的二电子数，SiB、C、D原子的未成键电子数，i=0,1,2i与A相隔的原子数，隔离系数，为2.7。,中南大学资源加工与生物工程学院,用基团电负性为判据进行捕收剂分子设计,二、捕收剂基团电负性的计算例一、计算黄药离子的g,中南大学资源加工与生物工程学院,用基团电负性为判据进行捕收剂分子设计,二、捕收剂基团电负性的计算例二、计算黑药离子的g,中南大学资源加工与生物工程学院,用基团电负性为判据进行捕收剂分子设计,三、根据捕收剂基团电负性讨论结构与性能（一）判断捕收剂对矿物作用的范围和能力大小-1,中南大学资源加工与生物工程学院,用基团电负性为判据进行捕收剂分子设计,三、根据捕收剂基团电负性讨论结构与性能（一）判断捕收剂对矿物作用的范围和能力大小-2第(I)类硫化矿捕收剂第(I)类硫化矿捕收剂在硫化矿表面主要是发生化学吸附，药剂与矿物表面晶格阳离子间形成共价键。硫化矿捕收剂多为含硫键合原子的有机物，基团电负性较小，容易同含d6d10电子的电负性较大的金属硫化矿反应，包括铜、铅、锌、铋、汞、镍、铁、金、银等金属硫化矿及自然金属。一般说或2越小，键合的共价性越大，键合越牢固，并且极性小疏水性强，即越小捕收能力越强。,中南大学资源加工与生物工程学院,用基团电负性为判据进行捕收剂分子设计,三、根据捕收剂基团电负性讨论结构与性能（一）判断捕收剂对矿物作用的范围和能力大小-2第(III)类硫化矿捕收剂第(III)类硫化矿捕收剂多为含氧键合原子的有机物，基团电负性较大容易与电负性较小的离子包括钙、镁、钡等矿物作用(即亲石金属矿物)，作用方式包括靠静电力的双电层吸附和离子键型的化学吸附，这时药剂的g越大或越大，电离成离子的趋势越大，吸附越易发生。例如羧酸类捕收剂对含钙矿物的作用，此时值位于较高范围内，但由于离子极化和变形性等原因，也可使离子键具有一定程度的共价性，且随着共价性增多而增强键的牢固程度。从而增加了矿物的疏水性。该组的总趋势是值较大，但组内则值较小者捕收能力强。,中南大学资源加工与生物工程学院,用基团电负性为判据进行捕收剂分子设计,三、根据捕收剂基团电负性讨论结构与性能（一）判断捕收剂对矿物作用的范围和能力大小-3第(II)类硫化矿捕收剂第(II)类硫化矿捕收剂是处于中间位置的捕收剂，多为含氧、氮等键合原子的有机物，g值处于中等程度，易于同d电子较少的过渡金属矿物(即亲铁金属矿物)，如钛、铬、锆、钽、铌、锰、铁等金属氧化矿作用。这些金属的硫化矿(如硫化铁矿)可以用硫化矿捕收剂浮选，它们的氧化矿可以用第(III)类捕收剂浮选，但如用第(II)类捕收剂，如羟肟酸等，则捕收力强并有较好的选择性。这类药剂与矿物作用形成的键型也处于中间状态，但当较小，即共价性较大时，作用强度和选择性都可能更佳。,中南大学资源加工与生物工程学院,用基团电负性为判据进行捕收剂分子设计,三、根据捕收剂基团电负性讨论结构与性能（一）判断捕收剂对矿物作用的范围和能力大小-4总结：捕收剂的捕收力过强时，可招致选择性下降，因此，在同一类药剂中，g值较大者则捕收力较弱，但选择性可能较好。例如，在第(I)类中的黄药与黑药相比较，黑药的g略大，捕收力较弱，但选择性较好。第(III)类的胂酸、膦酸及烃基磺酸的g值稍大，它们的选择性都比羧酸更好些。,中南大学资源加工与生物工程学院,用基团电负性为判据进行捕收剂分子设计,三、根据捕收剂基团电负性讨论结构与性能（二）药剂极性基内部结构对捕收性能的影响-1同时由硫原子作为键合原子的黄药、黑药等，它们的浮选性能并不相同，这是由于极性基内部结构不同引起的，通过基团电负性的计算，可以显示这种结构方面定量的差异。以黑药和黄药极性基的计算对比说明，计算出极性基各原子间的键对n*的贡献如下：,中南大学资源加工与生物工程学院,黑药,黄药,用基团电负性为判据进行捕收剂分子设计,三、根据捕收剂基团电负性讨论结构与性能（二）药剂极性基内部结构对捕收性能的影响-2黑药中的S-P键对n*的贡献比黄药中的S-C键大0.09，即黑药中的P原子比黄药中的C原子相比，使其基团电负性增大。黑药中的P=S键使n*增大0.26，黄药中的C=S键极性则非常小，基本无影响，这一差别使黑药的g值较大。黑药极性基的两个P-O键使n*增大0.552，黄药中的一个C-O键仅对n*贡献0.37，这是使黑药g值比黄药大的主要原因。黑药中的两个-CH2-基使n*减少0.0292，比黄药的一个-CH2-基相差0.046，使黑药的g略有减小。,中南大学资源加工与生物工程学院,黑药,黄药,用基团电负性为判据进行捕收剂分子设计,三、根据捕收剂基团电负性讨论结构与性能（二）药剂极性基内部结构对捕收性能的影响-3可见黑药的g值比黄药的大，捕收力比黄药弱，主要原因是由于与键合原子硫相邻的磷原子的电负性比黄药中相邻的碳原子的电负性小，以及黑药中间隔原子是两个电负性较大的氧原子，也就是P-S键及O-P键的极性较C-S、O-C键更大所造成的。以上讨论表明：结构为-A-B-C的基团，其中A原子(键合原子)决定药剂与矿物作用的专属性(即应用范围)和能力强弱，B、C原子则主要影响捕收作用的强弱。其中相邻原子B的电负性越大则整个基团的电负性越小；间隔原子C的电负性越大，基团电负性将越大。,中南大学资源加工与生物工程学院,黑药,黄药,用基团电负性为判据进行捕收剂分子设计,四、用基团电负性研究捕收剂分子中烃基的长短捕收剂为了获得在矿物表面的亲固能力，而需有极性基团，但极性基团的亲水性又要抵消一部分非极性基的疏水作用。根据前面讨论，基团电负性g及电负性差(g-H)、(g-M)或2表示药剂自身或与矿物键合时极性的大小，因此可以将它作为亲水能力大小的标度。若使药剂具有气派的疏水性，则非极性基的疏水能力必须克服自身极性基的亲水性。若使矿物吸附捕收剂后产生足够的疏水性以达到浮选，则非极性基除了克服自身的亲水性外，还要克服矿物的亲水性。经推导可得如下公式：k是换算系数，为一个-CH2-基的自由能，n烃基中-CH2-的个数，R2表示药剂与矿物成分键合时(g-M)2，价键的极性特征，M2表示矿物TW二元素极性标度电负性差平方(T-W)2。,中南大学资源加工与生物工程学院,用基团电负性为判据进行捕收剂分子设计,四、用基团电负性研究捕收剂分子中烃基的长短下图为捕收剂极性基与非极性基的关系,中南大学资源加工与生物工程学院,若k=1，=1，图中结果表明：对带有某种极性基的药剂，如欲使其对某一矿物具有足够的捕收能力时，它的非极性基就要有多大。用半经验的货理论的方法确定这一关系，对于研制特定性能的药剂及正确使用和筛选药剂都是有用的。,捕收剂与金属离子形成的化合物的疏水-亲水性，决定了非极性基的大小及药剂键合原子同金属间成键的极性大小二因素。硫化矿捕收剂非极性基比例小，对此影响也小，键为共价性，极性小，使化合物亲水性低，故主要显示键特性的影响；氧化矿捕收剂非极性比例大，发生影响也大，而键为离子性，极性大，对化合物疏水的贡献较小，因而显示键特性不明显。,由此可理解硫化矿捕收剂与矿物作用选择性高于氧化矿捕收剂的原因。,用基团电负性为判据进行捕收剂分子设计,第四节混合用药,中南大学资源加工与生物工程学院,浮选药剂分子设计,浮选药剂的研究方向之一是合成新药，另一个方向是研究混合用药，从目前文献报道的情况看，后者的发展势头很大。国外著名选厂几乎无一例外地采用了混合用药制度，国内的经验也证明混合用药的优越性。一、混合用药效果混合用药可使精矿品位和回收率提高，浮选速度加快。捕收剂、起泡剂、调整剂均可采用混合用药。例如：混合黄药浮选硫化矿在捕收剂用量相同的情况下，混合用药的指标高于单一用药。氧化石蜡皂与粗妥尔油混用浮选贫赤铁矿用氧化石蜡皂浮选贫赤铁矿，我国已经积累了丰富的经验。实践证明,将氧化石蜡皂与粗妥尔油3:1混合使用，比单一使用氧化石蜡皂效果好。,中南大学资源加工与生物工程学院,混合用药,一、混合用药效果混合用药可使精矿品位和回收率提高，浮选速度加快。捕收剂、起泡剂、调整剂均可采用混合用药。例如：3.起泡剂的混合使用在国外不少浮选厂混合使用或配合使用两种或两种以上起泡剂。美国的铜矿浮选厂有50%以上同时使用两种起泡剂，加拿大某选厂使用己醇与其它起泡剂，赞比亚某选厂使用三乙氧基丁烷与甲基戊醇混合使用。然而系统地对混合起泡剂的作用效果进行的研究报道尚很少。4.氧化石蜡皂与粗妥尔油混用浮选贫赤铁矿为了提高浮选效果，常将两种(或数种)调整剂联合使用，组成各种配方。例如，在抑制闪锌矿时，将硫酸锌、二氧化硫或亚硫酸盐、硫化钠、碳酸钠、石灰、氰化物等组成不同配方；抑制方铅矿时，将重铬酸盐、二氧化硫或亚硫酸盐、硫化钠、淀粉等组成各种配方，或将羧甲基纤维素与水玻璃组成配方，使用这些配方往往比单用一种调整剂效果好。,中南大学资源加工与生物工程学院,混合用药,二、混合用药的配方类型混合用药的配方类型主要有以下几种：强药剂与弱药剂共用，如戊黄药与乙黄药。廉价药与高价药共用，如甲黄药与