碳酸镧水合物、其制备方法以及碳酸镧中是否夹杂碱式碳酸镧的判断方法

摘要

本发明涉及一种碳酸镧水合物的制备方法，包括以下步骤：1)，把碳酸氢钠溶液加入氯化镧溶液中，制备八水合碳酸镧，2)，然后在常压，40～120℃温度的条件下脱水制备出稳定的含有1～4个水的碳酸镧。本发明还涉及由此制备方法获得的八水合碳酸镧La

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳酸镧水合物的制备方法，以及由此制备方法获得的八水合碳酸镧La₂(CO₃)₃·8H₂O、含有1～4个水的碳酸镧La₂(CO₃)₃·xH₂O(其中x在1-4之间)，本发明还涉及一种判断碳酸镧中是否夹杂碱式碳酸镧的方法。 

背景技术

慢性肾病是全世界普遍的公共健康问题，它的一种主要并发症是由于肾脏不能排泄体内的磷酸盐，导致血液中磷酸盐水平升高而造成的高磷酸盐血症。高磷酸盐血症的症状主要是血液内磷酸盐含量超过正常水平，并可能会与继发甲状旁腺亢进，代谢性骨骼疾病，软组织钙化，心血管钙化有关。 

目前高磷血症的治疗主要有饮食上控制磷的摄入、透析法除磷、磷结合剂的应用以及必要时甲状旁腺的切除。但有90％～95％的终末期肾病患者是使用服用磷结合剂来减少肠道对磷的吸收而治疗高磷血症的。磷结合剂主要分为传统的含铝或含钙的磷结合剂和非铝、非钙的磷结合剂两大种。含铝的磷结合剂如氢氧化铝、碳酸铝等，若长期服用会造成铝中毒，引起小细胞性贫血、骨软化、阿茨海默氏症等。而含钙的磷结合剂如碳酸钙、醋酸钙等，若长期使用会增加肠道内钙的吸收造成高钙血症，引起心脏和血管钙化。因此理想的治疗高磷血症的结合剂应该是非铝、非钙类的。碳酸镧就是其中一种。 

镧是一种对氧供体原子有强亲和力的稀土元素，镧盐能与食物中磷酸盐结合，形成磷酸镧复合物，通过阻碍磷酸盐的吸 收，从而降低血液中磷酸盐的含量。碳酸镧(LC)是目前较为成熟的非铝、非钙类磷酸盐结合剂之一，它在胃肠道几无吸收，在体内组织中积聚也很少，不会导致血管钙化和其它副作用，耐受性也较好，它必将会成为治疗高磷血症的新药物。美国FDA已于2004年10月批准碳酸镧用于临床。到目前为止，已有多项用碳酸镧治疗高磷血症的报导。但镧离子是硬路易斯酸，有很强的与氢氧根结合的能力，在制备碳酸镧时如不注意条件，很容易生成碱式碳酸镧。到目前为止，碱式碳酸盐未被美国FDA批准可以用于治疗高磷血症，将其用于人体的安全性也未被证实。为了高磷血症患者的健康，安全，需要研发出在制备碳酸镧的过程中避免生成碳碱式碳酸镧的可靠方法。 

现有技术中关于碳酸镧的制备方法一般都是用碳酸钠作为原料来制备。例如有人在专利中报导了用Na₂CO₃与LaCl₃反应，制备碳酸镧的方法，但重复该方法发现，生成的碳酸镧沉淀中夹杂一定量的La(OH)CO₃。此外，现有方法生产的碳酸镧样品颗粒较大，大部分为3～4μm，颗粒较大会导致表面积相对较小，则吸收和吸附磷酸盐的效果不佳。因此，现有的碳酸镧制备方法不能保证制备出的碳酸镧中不含碱式碳酸镧。 

发明内容

本发明的目的主要是提供一种能够避免碱式碳酸镧生成的制备碳酸镧水合物的方法。 

本发明人注意到，Na₂CO₃水溶液呈碱性，在反应过程中溶液的pH值若不加以控制，很容易升高，导致生成的沉淀中夹杂La(OH)CO₃。本发明人经研究发现，如果使用NaHCO₃与LaCl₃作为原料来制备碳酸镧，在制备过程中，会发生以下两个平行反应： 

(1)NaHCO₃与LaCl₃反应释放出H⁺， 

(2)H⁺会与HCO₃^-反应，生成水和CO₂。 

这两个反应在制备碳酸镧过程中呈动态平衡，可以使反应在较低的pH下进行，从而在制备碳酸镧的同时，又能够避免碱式碳酸镧的生成。 

本发明提供一种碳酸镧水合物的制备方法，包括以下步骤： 

步骤1)，把碳酸氢钠溶液加入氯化镧溶液中，制备八水合碳酸镧，La₂(CO₃)₃·8H₂O，其红外光谱特征峰主要在850.3cm^-1、746.6cm^-1和678.6cm^-1，另外在1477.9cm^-1和1377.7cm^-1处也有特征峰；所述氯化镧溶液的La³⁺浓度为0.5-5mol/L；和 

步骤2)，然后在常压，40～120℃，优选50～100℃，更优选60～80℃温度的条件下脱水制备出稳定的含有1～4个水的碳酸镧，La₂(CO₃)₃·xH₂O，其中x在1-4之间，其红外光谱特征峰主要在849.6cm^-1、747.4cm^-1和681.0cm^-1；另外在1483.4cm^-1和1394.9cm^-1处也有特征峰。 

其中，在步骤1)中，生成八水合碳酸镧的方程式如下： 

H⁺+HCO^-＝H₂O+CO₂↑ 

2La³⁺+3HCO₃^-＝La₂(CO₃)₃↓+3H⁺

2La³⁺+6HCO₃^-＝La₂(CO₃)₃↓+3H₂O+3CO₂↑ 

从方程式可以看出，溶液中存在两个反应，一个是La³⁺与HCO₃^-反应生成La₂(CO₃)₃沉淀，另一个是HCO₃^-与溶液中的H⁺发生酸碱中和反应。上述两个平行反应一个是酸碱中和反应，反应速度很快；另一个是沉淀生成反应，在反应体系不存在碳酸镧晶核的条件下，反应几乎不进行。当滴加碳酸氢钠速度较慢时，由于没有碳酸镧晶核生成，沉淀反应不进行，因此所加入的碳酸氢钠只参与酸碱中和反应，使得溶液的pH在反应的初始阶段能升到5.5左右而未见碳酸镧沉淀的生成(见图1)。 

在这种情况下由于体系的pH值较高，制备的碳酸镧产物中夹杂碱式碳酸镧的风险较大。为了避免上述风险，我们采取下述措施： 

根据本发明，步骤1)中，先向反应器中加入氯化镧水溶液，其La³⁺浓度为0.5-5mol/L，优选1-3mol/L，更优选2mol/L，pH为0-3。 

其中，步骤1)中，碳酸氢钠水溶液的加入分两个阶段： 

在开始阶段，先快速一次往氯化镧水溶液中加入少量碳酸氢钠水溶液，其浓度为0.2-4mol/L，优选0.3-3mol/L，更优选1mol/L，碳酸氢钠水溶液占氯化镧水溶液体积的0.05-0.4，优选0.1-0.3，更优选0.15-0.25，最优选0.2。 

在此情况下，当快速一次加入少量碳酸氢钠溶液后，溶液的pH值有一个升到3左右的突越，同时出现絮状的La₂(CO₃)₃沉淀。这是由于一部分NaHCO₃中和了体系的H⁺，使溶液的pH值升高，另一方面脉冲式的NaHCO₃加入会造成反应体系中局部NaHCO₃浓度较高，促进HCO₃^-与La³⁺反应生成碳酸镧晶核。 

然后，再以0.01mL/s-10mL/s，优选0.05mL/s-5mL/s，更优选0.08mL/s-2mL/s，最优选0.1mL/s-1mL/s的速度往氯化镧溶液中滴加碳酸氢钠溶液，直至pH值出现拐点时反应停止。 

在此过程中，进一步加入HCO₃^-后反应体系的pH值降低，这主要是因为HCO₃^-与La³⁺反应生成La₂(CO₃)₃、释放大量H⁺所致。随着碳酸氢钠的进一步加入，溶液反应体系中所产生的La₂(CO₃)₃数量不断增加，但体系的pH值基本保持不变，这是由于酸碱中和反应和沉淀反应达到一个动态平衡所致，因此整个La₂(CO₃)₃生成反应是在一个较低的pH条件下(如4左右)进行。当体系中的La³⁺被完全转化成La₂(CO₃)₃沉淀后，随着NaHCO₃进一步加入，体系的pH成突跃性升高，因此可以通过最后这个 突跃来判断反应的终点。 

根据本发明，步骤1)中，反应停止后，将滤液抽滤，并用蒸馏水洗涤三次，将八水合碳酸镧滤饼放在通风处自然晾干。经红外光谱鉴定，该八水合碳酸镧的红外光谱特征峰主要在850.3cm^-1、746.6cm^-1和678.6cm^-1，另外在1477.9cm^-1和1377.7cm^-1处也有特征峰。 

在步骤2)中，为了使步骤1)形成的八水合碳酸镧脱水，根据本发明，将八水合碳酸镧放在烘箱中，在常压下，在温度为40～120℃，优选50～100℃，更优选60～80℃下保持18～24h，即可得到更加稳定的含有1～4个水的碳酸镧，La₂(CO₃)₃·xH₂O，其中x在1-4之间，优选x为1.5-3.5，更优选x为2.5-3.4，最优选x为3.3。 

经红外光谱鉴定，该含有1～4个水的碳酸镧的红外光谱特征峰主要在849.6cm^-1、747.4cm^-1和681.0cm^-1；另外在1483.4cm^-1和1394.9cm^-1处也有特征峰。 

本发明获得的碳酸镧水合物，尤其是含有1～4个水的碳酸镧，可以作为用于制备用于治疗高磷血症的药物。本发明人研究还发现，对所述碳酸镧进一步处理后能够更好地用于治疗高磷血症，具体而言，对于直接法制备的颗粒较大的碳酸镧样品，如果采用球磨的方法对样品进行研磨，就可以使样品颗粒更小，甚至达到纳米级别，其表面积显著增大，从而能够更好地吸收和吸附磷酸盐，因此在用于治疗高磷血症的药物中表现出良好的治疗效果。 

因此，为了制备纳米级碳酸镧，根据本发明，将步骤2)获得的含有1～4个水的碳酸镧放在球磨机中球磨1-5小时，优选1.5-3小时，最优选2小时，得到粒径为100～400nm，优选200～300nm的碳酸镧颗粒。该碳酸镧纳米颗粒可以制备用于治疗高磷血症的药物。 

另外，通过元素分析和EDTA滴定可以确定所制备产物的碳镧摩尔比，理论上如果制备的样品是八水合碳酸镧，分子式为La₂(CO₃)₃·8H₂O，因此分子中碳镧摩尔比应为3/2＝1.5，而如果制备的样品为碱式碳酸镧(分子式为La(OH)CO₃)或者其中掺杂碱式碳酸镧，样品中中碳镧摩尔比将小于1.5，具体而言，当碳镧摩尔比为1.0时，则样品为碱式碳酸镧，当碳镧摩尔比介于1.0和1.5之间时，则碳酸镧中掺杂有碱式碳酸镧。 

因此本发明还提供一种检测碳酸镧中是否夹杂碱式碳酸镧的判断方法，其特征在于，计算碳酸镧的碳镧摩尔比，当碳镧摩尔比为1.5，则不夹杂碱式碳酸镧，当碳镧摩尔比小于1.5，则夹杂碱式碳酸镧。 

本发明利用样品的碳镧摩尔比作为判据，可以检测例如碳酸镧原料药中是否夹杂碱式碳酸镧，具有操作简便，结果准确可信的特点。 

本发明的创新之处主要体现在以下几个方面： 

1、为避免形成碱式碳酸镧，我们使用NaHCO₃而不是Na₂CO₃，因此在制备过程中发生两个平行反应：(1)NaHCO₃与LaCl₃反应中释放出H⁺，(2)H⁺与HCO₃^2-反应，生成水和CO₂。这两个反应在制备碳酸镧过程中呈动态平衡，可以使反应在较低的pH下进行，从而避免了碱式碳酸镧的生成。 

2、上述两个平行反应一个是酸碱中和反应，反应速度很快；另一个是沉淀生成反应，在反应体系不存在碳酸镧晶核的条件下，反应几乎不进行。为了促进第二反应的正常进行，在反应开始时在低pH的LaCl₃溶液中下先快速一次加入一定量的NaHCO₃水溶液，使溶液局部pH过高而生成碳酸镧沉淀的晶核，然后再一滴滴往LaCl₃溶液滴加NaHCO₃水溶液，使新生成的碳酸镧沉淀在最初的晶核上外延生长。只有这样，体系中两个平 行反应同步进行，从而使反应体系的pH值实现动态平衡，从而在较低的pH环境下制备碳酸镧。 

3、全程监控溶液的pH值，绘制整个反应过程的pH-反应时间曲线，当体系中的镧离子完全转化为碳酸镧时，体系的pH会发生突跃。可以将该突跃作为判据，停止反应。 

4、利用反应过程的pH-反应时间曲线，可以实现碳酸镧的生产自动化。 

5、直接法制备的产物抽滤后可以得到八水合碳酸镧(La₂(CO₃)₃·8H₂O)，将八水合碳酸镧在常压，40～120℃，优选50～100℃，更优选60～80℃下脱水，可以制备更加稳定、更有药用价值的La₂(CO₃)₃·xH₂O，其中x在1-4之间，优选x为1.5-3.5，更优选x为2.5-3.4，最优选x为3.3。 

附图说明

图1：缓慢滴加NaHCO₃过程中加入体积-pH变化曲线； 

图2：直接法制备八水合碳酸镧的时间-pH变化曲线； 

图3：直接法合成八水合碳酸镧与标准卡片(25-1400)比较； 

图4：八水合碳酸镧的红外光谱； 

图5：碱式碳酸镧的红外光谱； 

图6：含1～4个水的碳酸镧红外光谱；该图中的碳酸镧含3.3个水，其特征波数在低波段； 

图7：含水碳酸镧的SEM图； 

图8：球磨后获得的纳米颗粒碳酸镧的SEM图； 

图9：八水合碳酸镧的热重曲线； 

图10：含1～4个水的碳酸镧的热重曲线； 

图11：磷酸盐的标准曲线； 

图12：pH3.0情况下的磷酸盐吸附曲线； 

图13：pH5.4情况下的磷酸盐吸附曲线； 

图14：纳米颗粒的XRD图。 

具体实施方式

以下通过实施例来进一步描述本发明，但本发明并不限于这些实施方式。 

一、碳酸镧的表征实验

1、XRD

X射线多晶衍射仪(XRD，Rigaku Dmax-2000)：CuK 单色辐射源，加速电压40KV，电流150mV，用于测定样品的晶型及其变化、结晶度、结晶完善程度。扫描范围：5～60°，采用连续扫描方式。并与La₂(CO₃)₃·8H₂O标准卡片25-1400进行比较。 

2、滴定、元素分析

2.1实验采用EDTA滴定样品得到镧元素的含量

配制250mL 0.02mol/L锌标准溶液： 

基准物氧化锌于1000℃马弗炉中干燥5h，降温至120℃后置于干燥器中，冷却至室温。称取0.8118g氧化锌，加入盐酸溶解，定容至250mL，配制浓度为1.995×10^-2M的锌溶液 

配制EDTA溶液： 

称取EDTA 7.4464g，溶解到1000mL水中。 

EDTA标定： 

用移液管吸取20.00mL Zn²⁺标准溶液于锥形瓶中，加2滴二甲酚橙指示剂，滴加200g/L六亚甲基四胺至溶液呈现稳定紫红色，再加5mL六亚甲基四胺。用EDTA滴定，当溶液由紫红色恰转变为黄色即为终点。平行测三次。 

La³⁺含量的测定： 

称取一定量的样品，加盐酸完全溶解，定容至100.00mL，用移液管吸取15.00mL，滴定方法同EDTA标定。平行测三次。 

2.2元素分析

使用vario EL元素分析仪(Elementar Analysensysteme GmbH)对样品C和H的元素分析得到样品的含碳量和含氢量，同时可以通过H含量来计算样品还有多少个水。 

3.红外光谱

使用Thermo Scientific公司NICOLET iN10 MX显微红外光谱仪；检测器：MCT/A；分束器：KBr/Ge；扫描次数：64；分辨率：4cm^-1。 

4.SEM(扫描电镜)观察颗粒大小

使用JEOL公司生产的JSM-6700F型场发射扫描电子显微镜进行，加速电压为5kV。 

5.热重表征

使用美国Thermal Analysis公司的Q600SDT TGA-DTA-DSC同步测定仪，扫描范围为10℃--1000℃，升温速度为10℃/min。 

二、制备实施例

实施例1：

先向烧瓶中加入50mL氯化镧水溶液，其La³⁺浓度为2mol/L，pH为0～2。开始时，先快速一次往氯化镧水溶液中加入10mL碳酸氢钠水溶液，其浓度为1mol/L，此时溶液的pH值有一个升到3左右的突越，同时出现絮状的La₂(CO₃)₃沉淀。然后再以0.08mL/s的速度往氯化镧溶液中加入碳酸氢钠溶液，直至pH值出现拐点，呈突跃性升高时反应停止，共加入碳酸氢钠溶液320mL。图2给出直接法制备八水合碳酸镧时间-pH变化曲线。 

滤液抽滤，并用蒸馏水洗涤三次，将滤饼放在通风处自然晾干。 

图3给出了所获得的八水合碳酸镧(标记为03-25)与标准卡片(25-1400)比较。可以看出峰位基本一致，和标准卡片的匹配度约为920(100％匹配时数值为1000)。 

表1表示EDTA滴定La₂(CO₃)₃·8H₂O中La含量结果。 

表1 

表3为八水合碳酸镧干燥脱水前后的元素分析结果。 

表3 

将获得的八水合碳酸镧放在烘箱中，在常压下，在一定温 度下保持18h，得到含1～4个水的碳酸镧，具体而言，当此温度为55℃时，得到含3.3个水的碳酸镧，当此温度为75℃时，得到含2.5个水的碳酸镧，此温度为120℃时，得到含1个水的碳酸镧。 

表4为样品干燥前后的C与La含量变化。 

表4 

可见，基本没有碱式碳酸镧的存在。 

图4为八水合碳酸镧的红外光谱， 

图5是碱式碳酸镧的红外光谱， 

图6是含1～4个水的碳酸镧的红外光谱。 

可见，在较低波数时，八水合碳酸镧的特征峰分别在850，746，678cm^-1，而碱式碳酸镧的特征峰在858，724，696cm^-1；因此红外光谱表明，该实施例获得的产物是碳酸镧而非碱式碳酸镧。 

图7是含水碳酸镧的SEM图。从图7中看出，样品为片状结构，颗粒大小为3～4μm。 

将制得的含1～4个水的碳酸镧放在球磨机中，球磨2小时，得到200～300nm的碳酸镧颗粒。 

图8是球磨后获得的纳米颗粒碳酸镧的SEM。从图8看出，进行球磨后得到纳米级的颗粒，样品颗粒变为200～300nm。 

图9为八水合碳酸镧的热重曲线； 

图10为含1～4个水的碳酸镧的热重曲线。 

实施例2：

先向烧瓶中加入50mL氯化镧水溶液，其La³⁺浓度为2.5mol/L，pH为1.5。开始时，先快速一次往氯化镧水溶液中加入15mL碳酸氢钠水溶液，其浓度为0.81mol/L，此时溶液的pH值有一个升到3左右的突越，同时出现絮状的La₂(CO₃)₃沉淀。然后再以2mL/s的速度往氯化镧溶液中加入碳酸氢钠溶液，直至pH值出现拐点，呈突跃性升高时反应停止，共加入碳酸氢钠溶液380mL。滤液抽滤，并用蒸馏水洗涤三次，将滤饼放在通风处自然晾干。 

图3给出了所获得的八水合碳酸镧(标记为02-23)与标准卡片(25-1400)比较。可以看出峰位基本一致，和标准卡片的匹配度约为920。 

将获得的八水合碳酸镧放在烘箱中，在常压下，在一定温度下保持24h，得到1～4个水的碳酸镧，具体而言，当此温度为60℃时，得到含3.0个水的碳酸镧，当此温度为75℃时，得到含2.4个水的碳酸镧，此温度为110℃时，得到含1.5个水的碳酸镧。 

将制得的1～4个水的碳酸镧放在球磨机中，球磨3小时，得到200～300nm的碳酸镧颗粒。 

表2EDTA滴定La₂(CO₃)₃·8H₂O中La含量结果 

表2 

实施例3：

先向烧瓶中加入50mL氯化镧水溶液，其La³⁺浓度为1.5mol/L，pH为1.0。开始时，先快速一次往氯化镧水溶液中加入8mL碳酸氢钠水溶液，其浓度为1.51mol/L，此时溶液的pH值有一个升到3左右的突越，同时出现絮状的La₂(CO₃)₃沉淀。然后再以1.5mL/s的速度往氯化镧溶液中加入碳酸氢钠溶液，直至pH值出现拐点，呈突跃性升高时反应停止，共加入碳酸氢钠溶液260mL。滤液抽滤，并用蒸馏水洗涤三次，将滤饼放在通风处自然晾干。 

将获得的八水合碳酸镧放在烘箱中，在常压下，在一定温度下保持20h，得到3～4个水的碳酸镧，具体而言，当此温度为50℃时，得到含3.5个水的碳酸镧，当此温度为80℃时，得到含2.0个水的碳酸镧，此温度为120℃时，得到含1个水的碳酸镧。 

将制得的1～4个水的碳酸镧放在球磨机中，球磨1.5小时，得到200～300nm的碳酸镧颗粒。 

三、应用实施例

磷酸盐吸附实验：钼锑抗钼蓝光度法测定磷酸盐含量

磷酸盐标准曲线的绘制

取7支50mL比色管，分别磷酸标准操作溶液0mL，0.50mL，1.00mL，3.00mL，5.00mL，10.00mL，15.00mL加入1mL抗坏血酸溶液，混匀。30s后加2mL钼酸盐溶液，充分混匀。放置15min，于700nm波长处，以试剂空白溶液为参比，测量吸光度，绘制标准曲线。 

图11为磷酸盐标准曲线。 

pH3.0情况下的磷酸盐吸附曲线

配制醋酸-氢氧化锂为3.0缓冲液，使用钼锑抗钼蓝紫外光度法测定溶液中的磷酸盐含量，确定碳酸镧结合率。 

图12为pH3.0磷酸盐吸附曲线。 

从图12可以看出反应在10min时出现拐点，55％的PO₄^3-转化为LaPO₄，然后反应速度减慢，经过4h溶液中PO₄^3-的几乎100％被转化为LaPO₄。 

pH5.4情况下的磷酸盐吸附曲线

配制六亚甲基四胺-HCl为pH5.4缓冲液，使用钼锑抗钼蓝紫外光度法测定溶液中的磷酸盐含量，确定碳酸镧结合率。 

图13为pH5.4磷酸盐吸附曲线。 

从图13中看出，在pH5.4的条件下，吸附曲线并没有出现明显的拐点，经过4h，溶液中的磷酸盐基本已经被吸附完全。