化學反應中水分的控制方法

張全冰 丁現(xiàn)帥

(陜西漢江藥業(yè)集團股份有限公司，陜西 漢中 723000)

隨著國家對安全生產(chǎn)和藥品質量要求的日益提高，在現(xiàn)階段的化工或化學制藥生產(chǎn)中，對化學反應的控制提出了更高的要求。在化工生產(chǎn)或化學制藥中，有不少化學反應是需要嚴格忌水的，若反應體系中水分的含量到達一定水平，不但會導致目標產(chǎn)物的減少、雜質的生成，影響產(chǎn)品質量，還可能造成整批產(chǎn)品的報廢甚至引發(fā)劇烈反應而導致沖料、爆炸等安全事故[1]。如下面2個化學反應(圖1，2)。

圖1所示反應為溴代反應，若有少量水存在，會生成其它的產(chǎn)物，影響目標產(chǎn)物的純度和收率。

圖2所示反應為甲?；磻?，若反應體系有少量水存在，則在反應過程中會生成雜質，導致后期產(chǎn)品分離困難，也會伴隨出現(xiàn)劇烈放熱現(xiàn)象，并有沖料的風險。

圖1 反應方程式1

所以，針對此類忌水的反應，必須從多方面控制反應體系中的水分。在化學反應的過程中，尤其是反應體系比較大的反應設備中，對水的控制不容易做到位。水分可能由固體原料的水分，液體原料的水分，溶劑的水分，設備中的水分殘留，空氣中的水分或者化學反應生成的水分來進入反應體系?？刂坪盟?，就能使化學反應正常進行，得到目標產(chǎn)物，因此，本文建議從以下幾方面對水分的引入進行控制(表1)。

圖2 反應方程式2

表1 水分的引入及控制方式

對于固體原料，首先需要對水分這一檢驗項目制定嚴格的含量標準。然后，對投料前的原料要進行水分的測定。另外還需要從固體原料的理化性質，生產(chǎn)工藝來進行判斷：有些原料易于吸潮，在進行檢測后，對該原料要密封保存，防止水分進入。有些原料在生產(chǎn)(析晶)的最后一步，使用了水做溶劑或在含水的溶劑體系中析晶，這些原料需更加嚴格地控制水分的含量。對于含有結晶水的化合物，在投料前，一定要認真識別，盡量選擇無水化合物，防止結晶水影響化學反應。另外，在使用固體原料前，要觀察物料狀態(tài)，確定有無吸潮現(xiàn)象。必要時可對要使用的固體原料進行二次干燥。

對于液體原料，也需要制定嚴格的水分含量標準，并進行水分的測定。常規(guī)的一般可使用卡爾費休試劑進行水分含量滴定，對有些含酮基團的液體原料，還需要用專用醛酮試劑進行測定。對于含水量達不到要求的液體原料，可使用脫水劑進行脫水，要注意脫水劑的穩(wěn)定性，不能與液體原料發(fā)生反應。對于使用的溶劑，優(yōu)先購買無水溶劑或含水量較低的溶劑進行使用，對于溶劑中水分的去除，可使用脫水劑如氫化鈣、分子篩等進行脫水，也可對特定溶劑如甲苯使用共沸脫水的方式進行脫水。

很多的液體原料易吸潮，如暴露在空氣中或儲存的容器密封不嚴或儲存時間較長，都可能從空氣中吸收水分，導致前期的檢驗結果和使用時實際含量不符。建議在實際的使用中，可在先把不相互反應的溶劑投入到反應體系中以后，再取樣進行水分檢測，若水分不合格，就不要使用或重新處理后再進行使用，防止在加入其它的原料后，由于溶劑或反應體系中的水分影響產(chǎn)品的反應進程。

對于設備中的水分，反應前要充分干燥，確保水分的殘留在一定限度內(nèi)。實驗室用的反應容器較小，大部分是玻璃材質，易于觀察，能發(fā)現(xiàn)水分的存在，容易清洗及干燥。但是在大型的反應釜或反應罐里面，做到無水的要求就比較難。建議使用相應的溶劑升溫至回流進行清洗并干燥，保證管道、滴加計量罐、冷凝器等輔助設施均被清洗干凈，必要時拆下易于拆卸的部分進行清洗干燥，尤其是U型管等不易干燥的部位，然后在干燥氮氣的保護下進行干燥，防止潮濕的空氣進入。

空氣中的水分，也可能隨著空氣進入非封閉的反應體系。在20 ℃時，空氣中的水分含量可達到20 g/m3，且隨著溫度和濕度的升高，空氣中的含水量會大于該含量。

空氣中水分計算公式可按以下經(jīng)驗公式計算：

Hs=η*(18/22.4)*Ps/(P-Ps)

其中：Hs——空氣中含水量，kg/m3；

η——相對濕度；

Ps——對應溫度下水的飽和壓力；

P——標準大氣壓力。

在小試實驗或工業(yè)化生產(chǎn)上，防止空氣中水分進入反應體系的一種措施就是使用干燥的惰性氣體進行保護。常見的可選擇的惰性氣體有氮氣和氬氣，氣體密度如表2所示。在放大或工業(yè)化生產(chǎn)上，由于氮氣的使用成本低，易于制造，安全性高，所以一般使用氮氣進行保護。在使用氮氣做保護氣時，需要對進入反應體系的氮氣進行脫水，常規(guī)的脫水方法為使用固體或液體脫水劑。固體可選擇無水氯化鈣、氫化鈣等進行脫水，液體脫水劑可選擇濃硫酸進行脫水，為保證脫水效果，也可以使用多級脫水。需要注意的是，要在進反應系統(tǒng)前，要設置緩沖或過濾設施，避免將脫水劑帶入反應體系。在物料加入前，先用干燥的氮氣對反應系統(tǒng)進行置換，將反應空間的含水的空氣置換出來，加入物料后，若條件允許，可進行再次置換，易揮發(fā)的物料可先裝入滴加設備中。二次氮氣置換時，可先將這些物料隔離，置換完成后，進行滴加混合。在滴加物料或反應的過程中，氮氣要始終開啟，保持微正壓，可通過流量計進行控制，直至反應結束。這樣操作能有效防止空氣中水分進入反應體系。

表2 氣體密度對比表Tab. 2 Gas density comparison table

在小試實驗中，對于常規(guī)的反應體系，優(yōu)先使用氬氣進行保護，氬氣的密度較大，易于在反應體系內(nèi)下部沉積，對于無氣體生成的反應，可通過充滿干燥氬氣的氣球對反應體系進行保護，先將固體物料和溶劑加入反應瓶中，將液體物料加入分液漏斗，反應體系抽真空，然后通過開關連接裝有干燥氬氣的氣球，用氣球里的干燥氬氣對反應體系的空氣進行置換，并保持相同的壓力，再將滴液漏斗備好的物料加入反應體系，開始進行反應，反應過程中，氣球開關一直開啟，保持反應體系為微正壓即可，直至反應結束。小試實驗中，惰性保護氣體仍然需要進行干燥，干燥方式可參考工業(yè)化氮氣的干燥方法。

反應中生成的水分可能會抑制反應的進行，可使用共沸脫水或添加脫水劑的方式進行處理。有些反應可選用與水共沸的溶劑，通過回流共沸，將生成的水通過溶劑帶出去，也可以加入乙酸酐、原甲酸三甲酯(如圖3)等除水劑，讓除水劑和水通過化學反應，生成不影響反應的化合物或溶劑，控制反應條件，將副產(chǎn)物進行蒸餾分離。如果反應中可使用廉價的原料把水處理掉，那參與反應的溶劑、固體原料、液體原料就可以把水分標準控制的寬一些。如在乙酰化反應中，加入乙酸酐來消耗反應體系中的水分及生成的水分。

圖3 反應方程式

從化學反應的本質來看，除水的主要原因是有些化學品會與水發(fā)生劇烈反應，生成其它物質，導致參與反應原料的變化，生成了其它物質；或者原料遇水大量放熱，造成反應急劇進行，導致溫度失控。如果做好控制原料的水分，使用惰性氣體保護的控制空氣中的水分，控制反應設備中殘留的水分，控制反應生成的水分，以實現(xiàn)總水分的控制，是可以保證反應體系的水分在一個相對較低的水平的，是能夠使用忌水的化學原料如金屬鈉，三氯化磷等順利參與化學反應，并按照我們設定的目標來完成化學反應的。