2,3,4-三甲氧基苯甲酸在12种溶剂中的溶解度测量及其热力学建模，研究温度范围为278.15 K–318.15 K

《The Journal of Chemical Thermodynamics》：Solubility measurement and thermodynamic modeling of 2,3,4-trimethoxybenzoic acid in 12 solvents across a temperature range of 278.15?K–318.15?K

三甲氧基苯甲酸在12种溶剂中的固液平衡热力学参数研究表明，溶解度随温度升高而增大，乙二醇乙醚最优。Van't Hoff模型预测效果最佳，KAT-LSER模型显示供氢（α）和温度（1/T）主导溶解性，受氢（β）抑制。热力学参数表明溶解为吸热（ΔH°>0）、熵增（ΔS°>0）和熵驱动（ΔG°<0）过程。

　　

郭晓曦|刘英璐|张玉轩|王英倩|刘鹏|刘秋良|吴宏阳

龙门实验室，中国洛阳，471000

摘要

2,3,4-三甲氧基苯甲酸（TMBA）在不同溶剂中的热力学参数对于药物工程和工业应用的初步研究至关重要。采用质量法校正了TMBA在12种纯溶剂（水、乙二醇、异丙醇、正丙醇、正丙基醋酸酯、异丙基醋酸酯、正丁基醋酸酯、乙醇、乙基醋酸酯、2-丁氧基乙醇、2-甲氧基乙醇、乙二醇乙醚）中的固液平衡，在温度（278.15至318.15 K）和压力（0.1 MPa）条件下进行测定。研究发现，随着温度的升高，TMBA在溶剂中的溶解度增加。TMBA在乙二醇乙醚中的溶解度优于其他选定的纯溶剂。采用Van't Hoff模型、改进的Apelblat模型、Buchowski-Ksiazaczak λh模型和多项式经验模型来描述和预测溶解度的变化趋势。计算结果表明，Van't Hoff模型具有更高的适用性。KAT-LSER模型研究了溶剂对TMBA溶解度的影响，证实了氢键供体（α）和温度（1/T）对TMBA溶解度起主导作用，而氢键受体（β）则表现出抑制作用。此外，计算得到的热力学参数包括ΔsolG°（3.0994–17.8991 kJ mol?1）、ΔsolH°（15.6814–28.5220 kJ mol?1）和ΔsolS°（35.6965–101.0757 J mol?1 K?1），表明在所研究的每种溶剂中，TMBA的溶解过程都是吸热的、熵增加的，并且是由熵驱动的。

引言

2,3,4-三甲氧基苯甲酸（TMBA，CAS:573-11-5，分子式：C10H12O5）是一种属于芳香族羧酸类的有机分子[1]，具有弱酸性、配位性和一定的热稳定性。虽然TMBA本身的具体应用可能不太常见，但其衍生物在食品抗菌、生物制药和环境保护领域[2][3][4]中发挥着重要作用，并且在金属配合物的合成中也具有重要意义[5,6]。如图1所示，TMBA具有独特的结构，苯环上在2、3、4位置上各有一个甲氧基（CH3O），并在苯环的第一个位置上有一个羧基（COOH）。这些官能团的组合赋予了TMBA特定的化学物理性质，例如与Cu2?、Tb3?、Dy3?、Lu3?、Y3?等金属离子的优异螯合作用[6,7]。甲氧基的存在为分子带来了电子供体特性，影响了其溶解度和反应性。羧基则赋予了酸性和形成氢键的能力。这些氢键可以影响溶解度、复合物的形成以及与其他分子的相互作用。因此，TMBA具有以下潜在应用：（1）制药工业：TMBA可以作为合成具有潜在药用价值的更复杂生物活性化合物的前体分子；（2）材料科学：TMBA中的官能团可用于设计新型材料，例如其形成氢键的能力可用于创建超分子结构或聚合物；（3）有机合成：TMBA的结构可以作为通过各种化学转化合成其他有价值有机分子的起点。

尽管TMBA已在某些领域得到广泛应用，但其生产过程中涉及的工艺参数（温度、溶剂等）和物理化学性质（溶解焓、熵和溶剂化吉布斯自由能）仍需进一步明确和优化。溶解度是一个关键的物理化学参数，对TMBA的整个开发过程和应用有着深远的影响。因此，全面掌握促进TMBA溶解度和热力学性质测量与预测的方法和规律至关重要。

了解TMBA在不同溶剂中的溶解行为及其随温度的变化对于优化其潜在应用至关重要。本研究确定了TMBA在十二种有机溶剂中的溶解度，并开发了一个热力学模型来解释其行为。这些知识可以指导TMBA及其衍生物在各个领域的进一步研究[8]。

材料

2,3,4-三甲氧基苯甲酸（TMBA）购自上海麦克林生化有限公司，纯度大于99%，可直接使用而无需重新结晶。所有用于实验的溶剂均为分析级。药品溶剂的来源及其他详细信息见表1。

仪器和溶解度测量

郑州长城科工贸有限公司制造了反应浴低温恒温器（CT-2000）。

热力学建模

本研究分析了TMBA在12种单溶剂中的溶解度数据，并采用了四种热力学模型（Van't Hoff模型、改进的Apelblat模型、Buchowski-Ksiazaczak λh模型和多项式经验模型）来描述和预测溶解度的变化趋势[8][15][16][17]。

XRD分析

本实验采用X射线衍射（XRD）分析，扫描角度为10°–70°，扫描速度为每分钟10°。分析对象包括纯TMBA和在12种饱和溶液中的TMBA结晶。如图8所示，XRD结果显示有22个峰，峰与噪声比（P/N值）大于30%。最高峰出现在2θ = 12.4488 ± 0.0310处，详见表7。采用Scherrer关系式[37]进行数据处理。

结论

在278.15–318.15 K的温度范围内和0.1 MPa的压力下，通过经典激光监测方法测定了TMBA在12种选定溶剂中的平衡溶解度。结果表明，TMBA在所有溶剂中的溶解度均随温度升高而增加。在11种有机溶剂中，温度的升高显著提高了TMBA的溶解度，而在水中的影响较小。此外，在2-乙氧基乙醇和2-甲氧基乙醇中的溶解度也有类似的趋势。

CRediT作者贡献声明

郭晓曦：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法学，研究，数据分析，概念化。刘英璐：研究，数据分析，数据管理。张玉轩：方法学，研究，数据分析，概念化。王英倩：研究，数据分析，数据管理。刘鹏：研究，数据管理，概念化。刘秋良：研究，数据管理，概念化。吴宏阳：撰写 – 原稿

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（22208084）、河南省龙门实验室前沿探索项目（LMQYTSKT018）、玛丽·居里奖学金-UKRI资助（WetCat-PFAS, EP/X02850X/1）、河南省科技研究项目（编号252102320362、252102321056）以及河南省高校重点科研项目（24A610009）的支持。