蘇 鑫,尚澤仁,余暢游,高 也,何兵兵,李康麗*,陳明洋,*,龔俊波,,4

結(jié)晶作為一種精制分離技術(shù),在無機(jī)化工、有機(jī)化工、電化學(xué)、制藥工程等很多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,尤其是溶液結(jié)晶技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了從實驗室研究到工業(yè)應(yīng)用的成熟過渡,已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。 近年來,升華結(jié)晶,作為一種無溶劑結(jié)晶方法,也越來越受到研究者的青睞。 升華結(jié)晶有很多優(yōu)點。 首先,利用固體物質(zhì)的升華特性進(jìn)行分離純化可得到高純物質(zhì),其次,操作過程無需溶劑加入,不僅完全避免了溶劑分子對晶體的影響,更有助于篩選到新晶型,更重要的是,避免了三廢的產(chǎn)生,所獲產(chǎn)品無溶劑殘留,更符合綠色化學(xué)要求。 此外,升華結(jié)晶也是一種獲得高質(zhì)量可解析單晶的有效方法。 總之,在晶體工程領(lǐng)域,升華結(jié)晶在晶型篩選、共晶設(shè)計、晶習(xí)修飾及分離純化等方面優(yōu)勢突出,具有廣泛應(yīng)用前景。 但目前對升華結(jié)晶機(jī)理研究的缺乏,特別是凝華過程晶體的成核、生長理論幾乎處于空白,極大地影響了過程設(shè)計,限制升華結(jié)晶在工業(yè)生產(chǎn)上的放大應(yīng)用。

本論文整理了近年來升華結(jié)晶的機(jī)理研究進(jìn)展及不足,從晶型、共晶設(shè)計、晶體產(chǎn)品分離和純化等方面,總結(jié)了升華在結(jié)晶中的應(yīng)用研究,最后梳理了升華設(shè)備的發(fā)展,并對升華結(jié)晶的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)行展望。

1 升華結(jié)晶的機(jī)理研究

升華是指當(dāng)溫度和壓力低于物質(zhì)的三相點時,物質(zhì)從固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)而沒有液相干預(yù)的過程。 在工業(yè)應(yīng)用中,升華結(jié)晶通常還包括其相反的過程,即凝華,又稱去升華。 圖1 升華相圖中ABCDE 即為完整的升華結(jié)晶過程。 待升華物質(zhì)首先處于A 狀態(tài),隨后被加熱到以點B 表示的溫度。 接著,當(dāng)溫度較高的升華氣流由高溫區(qū)進(jìn)入溫度相對較低的冷端時,會被冷卻導(dǎo)致溫度和壓力均有所降低,圖中點C 所對應(yīng)的溫度和壓力可以作為冷端入口的條件。 升華氣流進(jìn)入冷端后溫度和分壓均明顯降低,點D 表示此時對應(yīng)的狀態(tài)。 之后,升華氣流基本在恒壓條件下冷卻,直到冷端溫度E 點所對應(yīng)的溫度,凝華為固體。 物質(zhì)的升華過程通常伴隨著雜質(zhì)與主體物質(zhì)的分離,則通過凝華往往能夠得到純度較高的晶體產(chǎn)品。 詳細(xì)了解升華結(jié)晶機(jī)理并掌握升華過程的分離機(jī)制,將有利于實現(xiàn)升華制備高純產(chǎn)品,甚至通過借鑒溶液結(jié)晶中調(diào)控手段實現(xiàn)晶體晶型的定向生長。 事實上,升華結(jié)晶因存在氣相的復(fù)雜多變性和難以捕獲性,其機(jī)理研究相對困難,描述升華機(jī)理的文獻(xiàn)有限。 本節(jié)從升華和凝華2 個方面對現(xiàn)有的升華結(jié)晶機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)。

圖1 升華相圖Fig.1 Sublimation phase diagram

1.1 升華過程

圖2 為一個典型的升華結(jié)晶過程示意圖。 按照溫度梯度劃分為升華源區(qū)、氣體傳輸區(qū)域和凝華區(qū)3 部分。 升華源區(qū)的物質(zhì)受熱升華,并沿溫度梯度發(fā)生氣態(tài)傳輸運動,最后在凝華區(qū)發(fā)生氣固相變。早期,較多的研究圍繞升華源區(qū)的固相傳輸機(jī)制,分析晶體或粒子從表面蒸發(fā)到升華的結(jié)構(gòu)和化學(xué)排列[1-3],考察升華過程的速率控制步驟。

圖2 升華結(jié)晶過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of sublimation crystallization

晶體升華是指晶格中的粒子脫離其相鄰環(huán)境,通過擴(kuò)散、解吸到氣相的過程。 微觀層面可將該過程分為4 個步驟:(1)固體顆粒內(nèi)的擴(kuò)散過程;(2)顆粒表面向周圍環(huán)境的擴(kuò)散過程;(3)表面解吸過程;(4)升華流之間的傳質(zhì)過程。 其機(jī)制示意圖見圖3。 那么升華速率究竟取決于哪個過程呢? 實際上,針對不同的升華條件以及物質(zhì)系統(tǒng),升華過程的速率控制步驟不盡相同。

圖3 升華過程機(jī)制示意圖Fig.3 Schematic diagram of sublimation process mechanism

Somorjai[1]研究了不同物質(zhì)系統(tǒng)的升華速率以探究晶體升華過程中的速率控制步驟。 結(jié)果表明,對于升華過程中晶體表面不發(fā)生顯著化學(xué)重排的物質(zhì),其表面結(jié)構(gòu)對升華速率起重要作用。 純凈堿性金屬鹵化物的升華即屬于該類情況。 以氯化鈉為例,通過計算晶體分子離開表面的平均自由程,發(fā)現(xiàn)其數(shù)量級相當(dāng)于幾個晶格的間距,這意味著分子必須在晶體表面附近升華[2],且其晶體升華流主要由單體(NaCl)和二聚體(Na2Cl2)組成,晶體表面位錯密度是氯化鈉晶體升華的控制因素,且隨著晶體表面位錯密度的增加,升華速率明顯增大。 對于升華時晶體表面發(fā)生顯著化學(xué)重排的物質(zhì),其升華是由發(fā)生在特定位點的特定反應(yīng)速率所控制的。鹵化銨的升華被證明是一個典型的升華過程中發(fā)生化學(xué)重排的例子[4-7],其升華反應(yīng)涉及一個多階段的過程[7],包括晶體材料的表面重建、離子對之間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移、離子對脫離松弛表面解吸到氣相并離解為中性原子。 Schultz-Dekker 機(jī)制[8]認(rèn)為,離子對脫離松弛表面的解吸過程是鹵化銨升華過程的速率控制步驟,這意味著升華過程中晶體表面被NH3…HCl 的吸附層完全覆蓋。 同屬于此類速率控制機(jī)制的還有高氯酸銨和二硝酰胺銨[9,10]以及4-(1-羥基-1,2-二苯乙基) 吡啶及其氯鹽和硝鹽化合物[11]。

此外,其他3 種步驟也可能成為升華過程的速控步。 對于微小的、完全分散的純態(tài)粒子而言,比如碘及氧化鋁分子[12,13],其升華過程的速率控制步驟為顆粒表面向周圍氣體環(huán)境的擴(kuò)散過程。 而對于含有大量雜質(zhì)的物質(zhì)來說,升華過程是由固體顆粒內(nèi)的擴(kuò)散速率決定的[14]。 此外,當(dāng)發(fā)生在粒子中的擴(kuò)散、解吸等化學(xué)重排過程能夠迅速完成時,升華流之間的傳質(zhì)速率則成為升華過程的速控步[15]這也是影響升華純化的關(guān)鍵步驟之一。 值得注意的是,當(dāng)有外來分子存在情況下,外來分子可以通過與表面重排反應(yīng)的過程產(chǎn)物結(jié)合而產(chǎn)生新的升華產(chǎn)物,或者通過影響晶體表面的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改變升華能,而影響升華速率甚至改變控制升華的過程[1,9,10]。

眾多研究者[16-18]針對特定物質(zhì)的基本升華過程和物理特性,研究了升華過程中晶體表面的結(jié)構(gòu)變化,且存在少數(shù)通過數(shù)值計算及模擬的方法研究固、氣兩相耦合行為的例子[19,20],相關(guān)的熱物理特性以及對升華過程的影響因素進(jìn)一步得到明確。然而,目前的研究大多數(shù)都是基于晶體結(jié)構(gòu)和表面升華的嚴(yán)格假設(shè),實驗和理論預(yù)測出現(xiàn)的較大偏差沒有得到合理解釋,需要進(jìn)一步通過實驗與理論、模擬相結(jié)合的方法,將升華過程劃分為不同的區(qū)域,用計算機(jī)建模形式,分別模擬不同區(qū)域的升華速率和溫度的關(guān)系,由宏觀到微觀逐層深入的開展晶體表面升華時發(fā)生的化學(xué)重排的化學(xué)研究以及揭示晶體表面結(jié)構(gòu)的表面拓?fù)溲芯?此外,還可通過分析升華固體表面的有效能量揭示升華過程的傳輸機(jī)制。

1.2 凝華過程

升華流一旦形成,隨時都可能發(fā)生氣固相變成為晶體。 宏觀上,對凝華過程的研究往往需要包括氣體傳輸和氣固相變過程。 氣體傳輸過程可以通過由系統(tǒng)幾何形狀和實驗條件(重點指操作壓力)決定的幾種不同機(jī)制發(fā)生。 此處重點介紹熱梯度升華過程中所涉及的擴(kuò)散和層流2 種機(jī)制。 擴(kuò)散的特點是自由分子由于濃度或壓力梯度發(fā)生運動而產(chǎn)生的凈通量,通常利用費克定律來描述。 典型的升華結(jié)晶系統(tǒng)中分子運動過程中通常存在2 種碰撞,即氣體分子與管壁之間的碰撞和氣體分子之間的碰撞。 低壓條件下,氣體分子與管壁之間的碰撞更為普遍,此時l與管徑相等;隨著壓力的增加,分子間碰撞占主導(dǎo)地位,l變?yōu)榉肿拥钠骄杂沙?。層流是一種流體沿管道流動的常見現(xiàn)象。 由于升華過程往往在真空條件下進(jìn)行,此處氣體分子的黏性力占主導(dǎo)地位,且為牛頓流體,則該部分通量由Navier-Stokes 方程表示。 氣體傳輸過程中層流和擴(kuò)散是并行發(fā)生的,總通量為2 者之和。

升華氣流沿溫度梯度向下流動,當(dāng)其壓力超過蒸氣壓時凝華現(xiàn)象開始產(chǎn)生。 此時,傳輸方程中必須包含1 個附加項,以說明氣相組分濃度的損失,其方程可從質(zhì)量守恒的角度給出,Morgan 等[21]在分析熱梯度升華分離機(jī)理的研究中給出了詳細(xì)介紹,他還通過理論與實驗相結(jié)合的手段驗證了模型的可信性,為升華在分離純化中的應(yīng)用提供了有效指導(dǎo)。

從微觀角度出發(fā),眾多研究者對SiC 的氣相晶體生長過程作了較為深入的研究。 Nishino 等研究發(fā)現(xiàn),溫度和壓力通過影響氣體環(huán)境中碳組分的濃度進(jìn)而影響SiC 晶體的生長速率。 最初研究者認(rèn)為SiC 氣相晶體是通過氣相化螺旋位錯方式[22]生長,后來周期性臺階陣列[23]的生長方式得到了普遍認(rèn)可。 如圖4 所示,晶體生長進(jìn)展良好時,晶體宏觀生長的主要貢獻(xiàn)來自高臺階上小臺階的橫向運動。小臺階基于較高的陣列出現(xiàn),并在水平面上高速前進(jìn)。 在這種起始條件下,在該層的形成過程中可能發(fā)生階梯聚束過程。 階梯群聚導(dǎo)致生長界面處階梯的平均高度和距離增加。 由于高度和距離的增加,臺階在升華生長表面處變得容易看見。 此外,雜質(zhì)在臺階表面的整合會限制該部分臺階的生長而對其他部分不產(chǎn)生影響,這將會導(dǎo)致凹陷的產(chǎn)生,發(fā)展成平面缺陷或空心缺陷,最終導(dǎo)致微管缺陷。

圖4 SiC 晶體生長模型Fig.4 SiC crystal growth model

Segal 等[24]采用理論與實驗相結(jié)合的方式分析了AlN 晶體生長機(jī)理,采用簡化的一維Navier-Stokes 過程來描述傳質(zhì)過程,同時考慮到氣相Al 和N2的擴(kuò)散及其對流輸送,以及N2在晶體表面吸附/解吸的動力學(xué)限制,摒棄了起始材料和凝華物質(zhì)之間的質(zhì)量作用定律,而采用一般化的Hertz-Kundsen方程將粒子分壓和質(zhì)量通量聯(lián)系起來,并通過一系列線性化求解。 最終發(fā)現(xiàn)AlN 晶體最大生長速率是由氣相中接近化學(xué)計量比的對流輸送物種的增強(qiáng)和由于氮氣的低黏附性對其在晶體中摻入的抑制共同影響決定的。

對于凝華區(qū)晶體的成核、生長過程,目前還未形成系統(tǒng)完備的理論,更沒有與傳統(tǒng)結(jié)晶理論建立很好的關(guān)聯(lián),這直接導(dǎo)致升華結(jié)晶過程的設(shè)計受到限制,一定程度上限制了升華結(jié)晶在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。 但氣相晶體生長過程在現(xiàn)代器件技術(shù),尤其是基于半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 因此,對升華結(jié)晶的機(jī)制進(jìn)行深入研究是很有必要的。 此外,各種分析測試及表征儀器對研究晶體的氣相成核機(jī)理至關(guān)重要,反射高能電子衍射儀、四級質(zhì)譜計以及低能電子衍射斑點等已用來研究物質(zhì)的升華機(jī)理,未來如果能夠?qū)⒍喾N表征儀器與實驗裝置耦合,實時準(zhǔn)確的捕捉凝華區(qū)晶體成核和生長瞬間,這將對理論的建立起巨大的推動作用。

2 升華結(jié)晶在分離精制中的應(yīng)用

2.1 升華結(jié)晶中的多晶型

晶體中分子堆積方式的不同在宏觀上表現(xiàn)為晶體晶型的差異,不同晶型對晶體的物理化學(xué)性質(zhì)、晶體材料的性能等有很大影響。 一般來說,晶體多晶型的獲得主要通過溶液蒸發(fā)[25,26]、冷卻[27,28]和液體擴(kuò)散[29,30]等方法,且所有涉及溶劑的方法都被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)可行、簡單易操作并在很大程度上有利于制備包含客體溶劑的功能多晶物[31-34],但該方法由于很難完全去除溶劑,并且在制備溶解性差或多態(tài)特性的晶體時仍然面臨挑戰(zhàn)。 升華結(jié)晶在制備無客源單晶或不溶性有機(jī)晶體材料方面更加適用且在一定的升華條件下可以獲得高質(zhì)量的有機(jī)晶體材料和藥物晶體以及發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的新晶體形態(tài)[35-39]。

龔俊波課題組[40]通過升華法獲得了適用于單晶X 射線衍射的異煙肼Ⅱ型針狀晶體,并證實了異煙肼Ⅱ型單晶結(jié)構(gòu)和其Ⅱ型薄膜之間的一致性。Würthner 及其同事[41]首次通過空氣中簡單升華法生長得到了n 通道有機(jī)晶體管,同時,他們還發(fā)現(xiàn)通過升華得到了2,6-二氯萘二亞胺的新晶型。 此外,通過調(diào)控溫度以實現(xiàn)升華結(jié)晶過程中對晶型的控制也是可操作的[42-44]。 龔俊波課題組[45]通過改變升華溫度分別制備了剛性分子香豆素的2 種多晶型物的大晶體,并通過單晶X 射線衍射和一系列機(jī)械測試考察了該模型系統(tǒng)的構(gòu)效關(guān)系,結(jié)果表明分子構(gòu)象的靈活性并不是表現(xiàn)出特定機(jī)械行為的先決條件,不同的機(jī)械行為只能歸因于其不同的分子排列和分子間相互作用。 沈等[46]在升華結(jié)晶中,通過控制操作溫度實現(xiàn)了5-甲氧基水楊酸吖嗪的多晶型制備及其轉(zhuǎn)化控制。 此外,在升華過程中引入外來蒸汽分子對所制備晶體的形貌和晶型也會產(chǎn)生影響。 余秋碩等[47]分別研究了在水和異丙醇分子存在下,琥珀酸晶體形態(tài)和晶型變化,發(fā)現(xiàn)水蒸氣更有利于α 型琥珀酸,而異丙醇更有利于β型琥珀酸的形成。 司坦唑醇是一種合成代謝類固醇,研究證明其有2 種多晶型物。 但溶液法極其容易得到其溶劑化物,無法獲得無溶劑司坦唑醇晶體,缺乏司坦唑醇晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。 Karpinska 等[48]為探索產(chǎn)生該問題的原因,開發(fā)了一種低溫梯度新型升華法,在135 ～170 ℃范圍內(nèi)對司坦唑醇進(jìn)行真空升華,于135 和170 ℃分別得到司坦唑醇晶型1 和晶型2 的純組分,并通過單晶X 射線衍射解析得到2 種晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。 研究發(fā)現(xiàn),2 種晶體結(jié)構(gòu)中均由于分子堆積困難而存在孔洞,從而解釋了為什么溶液法無法獲得無溶劑晶體;此外,還觀察發(fā)現(xiàn)密度較低、穩(wěn)定性較差的晶型2 是在較低溫度下得到的,而在較高溫度下會轉(zhuǎn)化為較為穩(wěn)定的晶型1。 為驗證及拓展低溫梯度升華法制備高質(zhì)量單晶的普適性和實用性,Karpinska 和其同事[49]利用該方法制備了從有機(jī)化合物草酸、無金屬酞菁到藥物晶體非那西汀等20 多種高質(zhì)量單晶,證明低溫梯度升華法適用于多種不同類別有機(jī)化合物晶體的制備,尤其對于溶液法只能得到溶劑化物的物質(zhì)來說,低溫梯度升華法是一種高度選擇性技術(shù)。

表1 給出了本節(jié)中涉及到的幾種典型的升華結(jié)晶物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)及升華溫度,初步得出適用于升華結(jié)晶的物質(zhì)一般為環(huán)境穩(wěn)定性有機(jī)小分子,且升華溫度一般選為低于熔點10 ～50 ℃。 升華法制備單晶已被證明是一種高選擇性、可控制性強(qiáng)的潛在方法,尤其在制備受溶劑影響較大而難以獲得純態(tài)單晶的晶體材料方面具有重要意義。 但是,在發(fā)現(xiàn)并有效分離由升華制備的多態(tài)有機(jī)晶體方面仍具挑戰(zhàn)性。

表1 升華結(jié)晶物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)及其升華條件Table 1 Chemical structure and sublimation conditions of sublimation crystalline materials

2.2 共晶

共晶是多組分晶體的一部分,多組分晶體主要包括溶劑化物、包合晶體、鹽和水合物等[50]。 一般來說,與組裝2 個共構(gòu)體相比,設(shè)計和合成含有2 個及以上組分的共晶體具有更大的挑戰(zhàn)性,但它為設(shè)計具有可調(diào)節(jié)的物理化學(xué)性能、電氣、光電或磁特性的多功能有機(jī)材料提供了一個有效的方法,因此被廣泛應(yīng)用于光電、半導(dǎo)體、非線性光學(xué)、農(nóng)業(yè)和制藥[51]等領(lǐng)域。 近年來,以溶劑為媒介[52-54](包括漿化、反溶劑添加、反應(yīng)結(jié)晶等)、固體基底為介質(zhì)[55](包括研磨、溶劑輔助研磨)和熔融結(jié)晶[56]的方法被廣泛用于共晶的制備。 然而,仍存在一些問題。例如,溶劑介導(dǎo)的方法受到溶劑的選擇、溶劑化物形成和單組分晶體結(jié)晶等問題的限制。 研磨法通常需要特定設(shè)備保持較高的研磨頻率,且目標(biāo)產(chǎn)品往往含有雜質(zhì),此外研磨工藝規(guī)模的放大難以保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。 最近,共升華被證明可作為一種快速制備高質(zhì)量共晶體的有效方法,它可以擺脫溶劑選擇的限制、克服因研磨而造成的晶體質(zhì)量不純等問題[57-60]。

在共升華過程中,通過將2 種或2 種以上晶體組分的物理混合物加熱至升華,再次去升華得到共晶體。 Robinson 等[61]通過共升華法成功制備了2種1,2,3,5-二噻二唑基共晶體,以克服二噻二唑基用于有機(jī)磁性或?qū)щ娦圆牧蠒r的二聚抗磁問題。錢等[62]利用共升華法制備了一種稀有的染料共晶材料,并證明染色性能優(yōu)于單組分,同時提高了該材料的相結(jié)晶度,為該染料共晶在染料工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)和進(jìn)一步應(yīng)用提供了可能。 Lombard 等[63]受Robertson[64]研究的啟發(fā),探究了溶劑使用量和結(jié)晶方法對共晶形成的影響。 在該項研究中,共升華法顯示出了極大的獨特性,與超聲輔助結(jié)晶、溶液輔助研磨、研磨法相比,共升華法能夠完全擺脫溶劑的影響,使得鹵鍵共晶和氫鍵共晶能夠同時等量形成。 同時,Lombard 及其同事[65]利用16 種常見的有機(jī)分子共晶體,通過比較共升華和研磨法,證明了共升華在制備多組分晶體中的通用性和多功能性,并對可能產(chǎn)生的問題,如2 組分升華溫度差異大、異構(gòu)化、和降解問題進(jìn)行了討論并提出解決策略。 在Lombard 等[66]的另一項研究中,證明升華可以作為一種選擇性制備鹽和共晶的方法。 此外,共升華過程中可以通過加入某種過量的起始材料實現(xiàn)對晶型的控制,也可以通過特定時間段移走熱源而分離多組分共晶。 因此,與溶液結(jié)晶相比,升華結(jié)晶可以通過控制溫度和時間使其結(jié)果具有可預(yù)測、可調(diào)控性,有望成為有機(jī)共晶體可控結(jié)晶的有力工具。

共升華制備共晶體效率高、設(shè)備和工藝實現(xiàn)簡單,特別是對一些不溶性共晶體構(gòu)象,受溶劑種類、數(shù)量選擇性大的共晶產(chǎn)品來說,共升華提供了一種不可替代的方法。 但是,共升華制備共晶受相互作用強(qiáng)度、蒸汽壓和溫度等多種因素的影響,通過簡單地比較分子間相互作用能并不能準(zhǔn)確地表示是否會形成共晶,而如果可以確定氣相中分子組成及濃度,這將是有用的,這需要并值得進(jìn)一步研究。同時,目前利用共升華制備共晶的例子均通過簡易裝置,且停留在研究初期,而更精確、復(fù)雜的儀器勢必會改善共升華實驗結(jié)果和產(chǎn)生更高的產(chǎn)率,這將會是共升華領(lǐng)域發(fā)展的一大潛在研究點。

2.3 產(chǎn)品純化

升華結(jié)晶過程中不涉及溶劑,避開了一系列因使用溶劑而造成的后續(xù)操作,如溶解、沉淀、過濾和焙燒等,且與熔融結(jié)晶[67,68]相比,升華結(jié)晶始終在低于熔點的結(jié)晶溫度下操作,這在很大程度上避免了熱激活過程對晶體質(zhì)量產(chǎn)生的負(fù)面影響,更有利于結(jié)構(gòu)完美晶體的生成,因此升華結(jié)晶常用于對純度有較高要求的產(chǎn)品的制備與純化,尤其是光電子、激光工程和太陽能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域材料的制備。 例如,通過真空升華制備得到高純度V2O5解決了前期生產(chǎn)技術(shù)的流程冗雜、成本高等問題[69]。 在水楊酸粗品的精制方法中,升華精制法因“三廢”少、收率高、質(zhì)量優(yōu)等特點也脫穎而出[70]。 此外,Fedorov等[71]通過升華結(jié)晶的方法,分離純化As2S3硫化礦得到了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.999 99%的超純砷。 Wang等[72]通過升華結(jié)晶對工業(yè)級MoO3進(jìn)行分離純化,得到了超純β-MoO3。 Tripathi 和Pflaum[43]采用梯度升華技術(shù)對一種雙極性有機(jī)電子材料進(jìn)行純化,獲得高純度的晶體。 李清潔等[73]對升華提純技術(shù)的應(yīng)用作了較為全面的總結(jié)。 在眾多分離純化技術(shù)中,有時單靠某種技術(shù)往往不能滿足所有產(chǎn)品的分離純化要求。 升華結(jié)晶與溶析結(jié)晶、精餾和膜分離等其他技術(shù)的耦合以及多效升華,即將上一次升華產(chǎn)品作為下一次升華的原料進(jìn)行操作,在未來的工業(yè)應(yīng)用中具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?Chen 等[74]通過升華與反溶劑結(jié)晶法耦合純化4,4′-二氨基二苯醚,Gileva 等[75]采用雙升華技術(shù)實現(xiàn)了MoO3分離純化。

以上均為目標(biāo)產(chǎn)物升華、去升華從而去除雜質(zhì)以制備或純化產(chǎn)品,事實上,其反思路也能提供一種獲得純品的方法。 Grobelny 等[76]利用一種易于升華的物質(zhì),通過固態(tài)研磨法與1,2-二(4-吡啶基)乙烯形成光反應(yīng)共晶,而后在光反應(yīng)過程中又簡單升華,產(chǎn)生純態(tài)的光產(chǎn)物。 Gentili 等[77]則提出了一種“升華輔助納米結(jié)構(gòu)”的新概念,使用由升華化合物制成的基底,先是實現(xiàn)晶型的控制而后升華化合物自動消除,從而得到了高純的納米結(jié)構(gòu)。 圖5 展示了“升華輔助納米結(jié)構(gòu)”方案。 通過選取滿足特定要求的易升華物質(zhì),為所制備純品提供有效的操作手段,最后得到目標(biāo)產(chǎn)物,這種“反向制備高純產(chǎn)品”的方法可作為升華提純的新思路。

圖5 “升華輔助納米結(jié)構(gòu)”方案[77]Fig.5 Scheme of sublimation-aided nanostructuring[77]

升華結(jié)晶作為一個無溶劑的綠色操作過程,氣相分子間相互作用取代了溶質(zhì)-溶劑的相互作用,在去升華過程中,與主體物質(zhì)相比,氣體雜質(zhì)往往不能形成新的獨立相,而從升華結(jié)晶場中逸出從而被消除。 在針對某種物質(zhì)進(jìn)行升華精制操作時,原料升華、氣相傳質(zhì)、產(chǎn)物凝華及收集等過程對產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要,但目前對各過程發(fā)生的理論研究不成熟,實現(xiàn)各操作過程的設(shè)備和儀器未實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的案例更是相對較少。 因此,基于升華實現(xiàn)化學(xué)品分離和純化技術(shù)的研究和開發(fā)未來會是一個研究熱點。

2.4 升華結(jié)晶的其他應(yīng)用

通常來講,晶型控制是通過溶液結(jié)晶中溶劑選擇和添加劑的使用來實現(xiàn)的,而在升華結(jié)晶中,模板劑的使用為實現(xiàn)晶型篩選提供了可選方案。 Solomos 等[78]通過硅氧烷涂層模板導(dǎo)向升華,得到了純凈的亞穩(wěn)態(tài)β-二苯脲。 O’Malley 等[79]在共升華過程使用特制添加劑,實現(xiàn)了對3 種共晶形貌的控制以優(yōu)化晶體性能,其相貌對比如圖6 所示。 在工業(yè)生產(chǎn)及實驗室中,升華結(jié)晶受限的一大原因在于升華溫度過高而導(dǎo)致的高能耗、安全性問題以及升華速率慢導(dǎo)致的生產(chǎn)率低。 最近,Kamali 等[80,81]的一項研究表明,通過選用合適的添加劑,可以在控制晶型的基礎(chǔ)上有效降低升華溫度。 比如乙酰胺作為添加劑,實現(xiàn)了卡馬西平升華溫度降低20 ℃同時加速升華速率的結(jié)果,戊酸在二氟尼沙、吡拉西坦和對氨基苯甲酸的升華結(jié)晶中是一種有效的添加劑。 此外,在制藥工業(yè)中,由于許多藥物原料藥可以升華并具有羧酸、酰胺基團(tuán)等,通過選用合適的模板劑或適當(dāng)?shù)奶砑觿┮栽鰪?qiáng)相關(guān)官能團(tuán)的升華從而進(jìn)行調(diào)控,可以提供一種綠色的、無溶劑的、更有針對性的藥物多晶控制方法。

圖6 添加劑添加前后晶體形貌對比圖[79]Fig.6 Comparison of crystal morphology before and after additive addition[79]

在手性分子拆分領(lǐng)域,升華結(jié)晶也可發(fā)揮一定的作用[82,83]。 Sarma 等[84]證明了通過升華結(jié)晶和熔融結(jié)晶獲得的晶體在CSD 統(tǒng)計中表現(xiàn)出較高的高Z′結(jié)構(gòu)百分比。 在太陽能電池材料制備領(lǐng)域,近距離升華因其高生產(chǎn)量和高材料利用率被認(rèn)為是一種具有大面積制造潛力的技術(shù)[85-90]。 CdTe 基三元合金薄膜,Cd1-xMgxTe(CMT),具有較高的帶隙,常被用于提高CdTe 光伏電池的效率,而射頻濺射法和共蒸發(fā)法作為用于生長Cd1-xMgxTe(CMT)薄膜的方法,存在沉積速度慢、空間均勻性差、不適合大規(guī)模生產(chǎn)等問題。 Kobyakov 等[91]開發(fā)了一種新的升華源設(shè)計,通過共升華法沉積制備CMT 薄膜,能夠顯著提高沉積速率制得空間均勻性良好的CMT薄膜。

對于手性拆分、高Z′結(jié)構(gòu)的研究,以及太陽能電池材料的制備方面,升華結(jié)晶可提供一種有效手段。 模板劑和添加劑的使用,為晶型篩選、晶體形貌控制、降低升華能耗等方面提供了一些機(jī)會,但同時存在很大的挑戰(zhàn)。 界面上模板導(dǎo)向的多晶選擇性仍然是一個復(fù)雜的過程,在具有不同官能團(tuán)末端的模板上界面相互作用如何導(dǎo)致不同晶體形態(tài)的出現(xiàn),添加劑的存在是通過怎樣的分子間作用影響升華溫度、加快升華速率,晶體習(xí)性預(yù)測和升華熱力學(xué)理論模型的發(fā)展可能會為回答以上問題提供突破口。

3 升華結(jié)晶設(shè)備

升華結(jié)晶設(shè)備是進(jìn)行升華結(jié)晶的必要條件,但目前,升華結(jié)晶設(shè)備的發(fā)展仍未實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,用于實驗室研究的升華裝置的設(shè)計開發(fā)也不盡完備。通常來說,升華結(jié)晶裝置主要包括以下幾部分:用于升華流傳輸?shù)闹黧w升華管,用于將源物質(zhì)加熱至其升華溫度的加熱裝置以及用于收集凝華物質(zhì)的冷端。 事實上,在很多升華結(jié)晶案例中,通常需要減小壓強(qiáng)以降低操作溫度,即采用真空升華的方式,此時則需要額外的抽真空裝置。 真空升華的優(yōu)點還在于真空環(huán)境能夠保護(hù)化合物不被氧化。 多年來,各研究者針對升華結(jié)晶裝置的主要部分分別作了改進(jìn),尤其是針對有機(jī)半導(dǎo)體材料的升華提純,提出了一系列不同的升華裝置。 以下對一些有代表性的升華裝置作簡要介紹。

Helin 等[92]為提高升華載物量,設(shè)計了一種大容量實驗室真空升華裝置。 其裝置圖如圖7 所示。該裝置由1 個帶有支撐導(dǎo)軌的水平夾套組成高熱升華室,由纏繞在夾套上的電阻絲作為熱源,還包括1個與水平夾套軸線平行且比水平夾套長得多的直型耐熱玻璃管,作為水冷式冷凝器。 夾套兩端用橡膠塞密封,其中1 個橡膠塞通過玻璃管與真空系統(tǒng)連接。 該裝置最大的特點是其較大的容量、簡單的構(gòu)造和靈活的操作方法。 作者用該裝置實現(xiàn)了多達(dá)100 g 的包括8-羥基喹啉、對氨基苯酚、五氯苯酚和對氟苯酸等物質(zhì)的升華制備。 Berg 等[93]報道了2 種分級升華分離金屬螯合物的真空升華器。 第1種裝置采用多段加熱的方式將升華管分為4 個部分,每1 段加熱夾套中流動不同的液體,沿升華管形成1 個不連續(xù)的溫度梯度。 第2 種裝置采用電阻絲作為熱源,沿升華管形成1 個連續(xù)溫度梯度,在升華管另一端施加1 個冷凝器降低溫度使物質(zhì)凝華。 通過實驗發(fā)現(xiàn),連續(xù)溫度梯度比非連續(xù)溫度梯度在物質(zhì)分離方面更有效。 其2 種升華裝置示意圖如圖8和圖9。 一種典型的實驗室用升華裝置(如圖10 所示)通常由熱臺和帶有冷指的玻璃管組成。 固體物質(zhì)在達(dá)到升華點后升華,最后在冷指端凝華。

圖7 大容量實驗室真空升華裝置[92]Fig.7 Vacuum sublimation device for large capacity laboratory[92]

圖8 多段加熱升華管[93]Fig.8 Multi-stage heating sublimation tube[93]

圖9 連續(xù)溫度升華管[93]Fig.9 Continuous temperature sublimation tube[93]

圖10 帶有冷指的升華裝置Fig.10 Sublimation device with cold fingers

對于有機(jī)半導(dǎo)體材料的升華提純,升華提純裝置普遍存在的問題是一次升華提純操作后需要較長的冷卻時間,延誤生產(chǎn)周期,不利于生產(chǎn)效率。針對此問題,圖11 的多溫區(qū)有機(jī)材料真空升華提純裝置提出了一種開合式管式電阻爐的方法[94],管式電阻爐中設(shè)置多組相互獨立的電阻絲,通過增加管式爐的溫區(qū)而增加材料凝華的路徑,提高材料的提純度。 推車式提純升華裝置[95]提出了一種可移動的真空加熱推車,使得在固定式玻璃升華系統(tǒng)完工后,迅速移開加熱爐及真空系統(tǒng)推車并進(jìn)行另一套生化系統(tǒng)的工作,以此提高生產(chǎn)效率,圖12 為該裝置的示意圖。 此外,還存在一種由1 個高真空裝置和多套升華管組成的升華提純裝置,旨在通過1 套真空系統(tǒng)處理多套升華裝置,以降低固定資產(chǎn)投入,提高生產(chǎn)效率[96]。 Jeon 等[97,98]還先后報道了2種實驗室用高效升華凈化系統(tǒng),通過在升華管中設(shè)置帶有孔板的擋板,增強(qiáng)氣體分子之間的有效碰撞以及延長氣相傳輸距離,使得氣相在沉積之前能夠有效分離,從而顯著提高了樣品純度。

圖11 多溫區(qū)有機(jī)材料真空升華提純裝置[94]Fig.11 Vacuum sublimation purification device for organic materials in multi-temperature zone[94]

圖12 推車式提純升華裝置[95]Fig.12 Vacuum sublimation purification device with cart[95]

除了上述升華裝置外,近距離升華作為一個較新的研究方法逐漸得到發(fā)展。 在生長、分離或純化有機(jī)晶體方面,它往往不需要真空或惰性載氣環(huán)境也能實現(xiàn)分離純化目的。 陶緒堂課題組[99-101]提出了一種新型的有機(jī)單晶生長方法——微間距升華技術(shù),它通過微米尺寸間距在基質(zhì)上直接快速生長有機(jī)單晶。 其操作設(shè)備僅包括1 個熱臺和2 個硅片作為基質(zhì),極少量的有機(jī)粉末被分散在底部基質(zhì)上,通過熱臺提供的熱量,有機(jī)粉末從底部基質(zhì)升華至頂部基質(zhì)的下表面,去升華形成微晶。 該技術(shù)中,2 個基質(zhì)之間的微間距是決定晶體生長形態(tài)的關(guān)鍵因素。 有趣的是,不同于傳統(tǒng)升華方法中的蒸汽直接固化為晶體,該方法晶體生長機(jī)制為蒸汽-熔體-結(jié)晶的結(jié)晶過程。 這種簡單高效的有機(jī)晶體生長技術(shù)使得升華結(jié)晶的生長機(jī)制和實現(xiàn)技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展,在生長時間、材料利用率、實時觀測適用性等方面具有明顯優(yōu)勢,顯然為今后有機(jī)晶體的研究和應(yīng)用提供了有利條件。

升華設(shè)備的研發(fā)是研究升華結(jié)晶的重點和難點之一,一方面在實驗室研究階段,精準(zhǔn)的設(shè)備無疑會加速理論研究工作的進(jìn)展,而理論的成熟建立則會對升華結(jié)晶的工業(yè)放大起推動作用。 縱觀升華裝置的發(fā)展歷程,升華器的發(fā)展水平遠(yuǎn)比凝華器先進(jìn),凝華固體的收集通常需要一定的后續(xù)操作,可能會對產(chǎn)品產(chǎn)生一些不必要的損失,因此升華設(shè)備研究的工作重點可以放在升華物質(zhì)結(jié)晶捕集器,繼而秉承升華設(shè)備進(jìn)料加熱裝置與出料冷卻裝置一體化的思想,借鑒發(fā)展完備的精餾塔的多級分離裝置,研發(fā)得到可以放大應(yīng)用的升華設(shè)備。

4 結(jié)語

大量研究結(jié)果表明,當(dāng)溶液結(jié)晶和熔融結(jié)晶無法獲得高質(zhì)量單晶時,升華結(jié)晶可以為制備高質(zhì)量單晶提供一種新的途徑。 此外,共升華在共晶制備方面是一種有效的結(jié)晶技術(shù),即使不同組分的升華溫度不同,通過采取一些措施,共升華仍然可以順利進(jìn)行。 無論對于單晶生長,還是共晶設(shè)計,升華結(jié)晶對于控制晶體晶型、形貌等都有其調(diào)控手段。在醫(yī)藥、有機(jī)光電材料、精細(xì)化學(xué)品等對產(chǎn)品純度要求較高的行業(yè),使用升華結(jié)晶實現(xiàn)高純分離已經(jīng)被證明是一種高效、操作簡單的手段。 升華從其傳統(tǒng)模式逐漸發(fā)展,越來越多的新升華形式得到開發(fā),其研究重點越來越傾向于梯度升華、微間距升華、以及多尺度升華等。 但目前,對于升華結(jié)晶相關(guān)原理的探究還不夠深入,沒有形成成熟的理論模式,這在一定程度上限制了升華結(jié)晶的進(jìn)一步應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化。 此外,對于升華結(jié)晶的應(yīng)用研究大多處于實驗室階段,升華裝置相對簡單,很少有標(biāo)準(zhǔn)形式的升華設(shè)備設(shè)計出來。 深入研究升華結(jié)晶機(jī)理,開發(fā)適合規(guī)?；a(chǎn)的升華結(jié)晶設(shè)備,是升華結(jié)晶在有機(jī)化工、醫(yī)藥化工甚至航天化工等領(lǐng)域的一大發(fā)展趨勢。