水分滴定法是药品质量标准中的常规检查项目，药品中的水分包括结晶水与吸附水，水分含量的多少对药品的稳定性、理化性质及药效作用等均有影响，控制药品的水分可以预防药品吸潮，霉变，水解，氧化等。因此有必要对药品中的水分进行检查并控制其限度。其中费休氏水分滴定法由于具有重复性好，准确度高，适用范围广等特点，能最大限度地保证分析结果的准确性，因而受到社会各界的认可，现已经成为国际上通用的水分测定法。

 

目前各国药典均收载了费休氏水分滴定法的通则或附录，例如：USP<921>water determination ,EP2.5.12 water semi-micro determination，ChP2015  0832 水分测定法，日本药局方（JP）通则<2.48>waterdetermination (karl fischer method)。

 

一、容量法滴定原理

 

水分测定基于 R. W. Bunsen描述的反应：

 

I 2 +SO 2 + 2 H2O  →  2HI + H2SO 4

 

卡尔费休发现了此反应可以在含有过量二氧化硫的无水环境中测定水分含量。实验证明甲醇是合适的溶剂。为了让反应平衡向右边进行，必须中和反应过程产生的酸（HI 和 H2SO4）。

 

卡尔费休用吡啶实现这个目标。Smith, Bryanz 和 Mitchell [6] 阐明了两步反应：

 

1.  I 2 + SO2 + 3 Py + H2O→  2 Py-H +I–+ Py•SO 3–

 

2.  Py•SO3  + CH3OH  →  Py-H + CH3SO 4

 

根据上述反应式可见，甲醇不仅作为溶剂，并且直接参与反应。在醇溶液中，碘和水按 1:1 反应。在无醇溶液中，碘和水按 1:2 反应：

 

1.  I 2 + SO2 + 3Py + H2O→  2Py-H +I–+ Py•SO 3–

 

2.  Py•SO 3 +H2O →  Py-H + HSO 4–

 

J. C. Verhoff 和 E. Barenrecht 对卡尔费休反应进一步研究表明：

 

•  吡啶并没有直接参与反应，即：吡啶仅作为缓冲剂，并且可以被其他碱代替。

 

•  卡尔费休反应速率 k 取决于介质的 pH 值，

 

-d[I 2]/dt = k • [I 2 ] • [SO 2 ] • [H 2 O]

 

pH 和反应速率的这种关系的一种解释是：它并非由于在水的影响下被碘氧化的二氧化硫本身，而是由于二氧化硫和甲醇反应形成的甲基亚硫酸根离子。二氧化硫和甲醇的反应如下：

 

2 CH3 OH+ SO 2 →  CH3OH 2 + + CH3 OSO2 -

 

溶液的 pH 值越高，就有更多的质子被捕捉而形成更多的甲基亚硫酸根离子，卡尔费休反应的速度就越快。

 

当 pH 介于5.5至8之间时，所有的二氧化硫均可反应形成甲基亚硫酸盐，此时反应速率最大。当 pH 大于 8.5时，由于碘和氢氧根或甲基化离子之间的反应，反应速率会增大，但这将导致终点消失，并消耗更多的碘。

 

二、容量法卡尔费休试剂

 

2.1 单组分卡尔费休试剂

 

滴定剂含有碘、二氧化硫、咪唑，溶于醇溶液。溶剂是甲醇，也可以使用适合于样品的混合甲醇溶剂。

 

2.1.1 单组分卡尔费休试剂特点

 

单组分处理简便，价格低廉  滴定度稳定性较差，滴定速度较慢。

 

试剂大约可以存储两年。试剂若保存在密封瓶中，滴定度大约以每年 0.5mg/mL 的速度下降。

 

2.1.2 浓度规格及适用样品：

 

5 mg/mL 适用于含水量在 1000 ppm 至 100%之间的样品，

 

2 mg/mL 适用于含水量小于 1000 ppm 的样品，

 

1 mg/mL 适用于含水量小于 200 ppm 的样品。

 

双组分卡尔费休试剂

 

滴定剂含有碘和甲醇。溶剂含有二氧化硫、咪唑和甲醇。

 

2.2.1双组分卡尔费休试剂特点

 

滴定速度快，滴定度稳定  溶剂溶解能力有限，双组分试剂能使滴定速度快至原先的二至三倍。两种组分在存储时均极为稳定。如果瓶口密封紧密，滴定剂的滴定度就很稳定。

 

2.2.2 浓度规格及适用样品：

 

5 mg/mL 适用于含水量在 1000 ppm 至 100%之间的样品

 

2 mg/mL 适用于含水量小于 1000 ppm 的样品

 

含吡啶试剂

 

除确保快速精确进行卡尔费休滴定的无吡啶试剂外，含吡啶的试剂因其价格低廉及生产工艺简单而仍然广泛应用。

 

单组分试剂：滴定剂内含有碘、二氧化硫和吡啶，溶于甲醇，溶剂为甲醇或甲醇的混合物。一些生产商将滴定剂内吡啶的含量稍微增加以提高滴定速度，这些滴定剂通常以“快速”标识。为获得更佳的稳

 

定性，很多生产商将滴定剂分为 A 液和 B 液（A 液是溶于甲醇的二氧化硫和吡啶，B 液是溶于甲醇的碘），这些溶液在使用前以 1:1 配制，从而形成单组分滴定剂。

 

双组分试剂：

 

滴定剂内含碘，溶解于甲醇。溶剂内含有二氧化硫和咪唑溶于醇类（通常是甲醇）或醇类混合物。将滴定剂和溶剂分开瓶装能增加卡尔费休试剂的稳定性，提高使用寿命并获得更快的滴定速度。

 

2.4  醛酮专用试剂

 

醛（R-CHO）和酮（R-CO-R）与通常的含甲醇试剂反应生成缩醛和缩酮，反应中产生的水同时被滴定，从而导致水分含量升高甚至终点消失。因此含有醛（R-CHO）和酮（R-CO-R）基团的化合物的水分测定应使用醛酮专用试剂。

 

2.5  含乙醇的卡尔费休试剂

 

由于乙醇比甲醇毒性低，含乙醇的双组分卡尔费休试剂。这些试剂也可用于酮的滴定，因为酮在乙醇中形成缩酮的速度远比在甲醇中形成的速度慢。滴定剂含碘和乙醇，溶剂含二氧化硫、咪唑、2-乙醇胺和乙醇。

 

2.6 各国药典关于卡尔费休试剂浓度的规定

 

药典	卡尔费休试剂浓度
USP<921>	测定含水量低的样品（1%以下），最好使用卡氏试剂浓度2.0mg/ml以下的试剂。
EP 2.5.12	卡氏试剂的平均浓度下降至标称值的80%后就不可再使用。（例如，标称值是5.0mg/ml的卡氏试剂，浓度下降至 4.0mg/ml，便不可使用）
ChP 0832	无
JP 2.48	无

 

三、影响容量法滴定的因素

 

1、样品的 pH

 

由于卡尔费休反应的最大速率在 5.5 到 8 的 pH 范围之间，在实际操作过程中应避免pH 值小于 4 和大于 8。滴定酸性或碱性样品时，应加入缓冲试剂调节 pH 值（用咪唑作为碱性缓冲试剂，用水杨酸作为酸性缓冲试剂）。

 

2、样品与卡尔费休试剂是否有副反应

 

需要注意的是，样品是否会与卡尔费休试剂包括甲醇反应，造成结果的误差，例如含醛（R-CHO）和酮（R-CO-R）的化合物与通常会与甲醇试剂反应，造成水分结果误差。

 

3、溶液对卡尔费休反应的影响

 

化学计量关系（H2O 和 I2 的摩尔比）由溶剂的类型决定：

 

醇溶液 H2O:I 2= 1:1  （比如：甲醇）

 

无醇溶液H2O:I 2= 2:1 （比如：二甲基甲酰胺）

 

Eberius [3] 研究发现溶剂里的甲醇含量大于等于20%时碘和水按 1:1 的比例反应，因此甲醇的量始终不得少于要求的最低量。如果必须使用不含甲醇得滴定剂（比如，滴定醛和酮），可以选用其他的伯醇，例如乙二醇一甲醚。

 

4、水分含量对卡尔费休反应的影响

 

H2O:I2 的摩尔比还受样品含水量的影响。J.C. Verhoff 和 E. Barendrecht 发现：当水分含量大于 1mol/L 时滴定度将提高。然而实际操作中并不多见，因为溶剂的含水量微乎其微。

 

5、空气湿度

 

空气湿度是导致卡尔费休滴定出现误差的最主要因素。湿气可以进入样品，滴定剂和滴定台。所以滴定台必须尽可能的密封，同时用干燥剂进行保护，此外，滴定前进行预滴定，将滴定杯内部滴定至无水状态。卡尔费休滴定仪的安装位置不能距空调太近！

 

四、溶剂

 

大部分混合溶剂必须含有一定剂量的乙醇（最好是甲醇）以确保卡尔费休反应的进行。含有醛（R-CHO）和酮（R-CO-R）基团的化合物的水分测定应使用醛酮专用试剂。

 

五、标定

 

USP药典规定采用纯化水，酒石酸二钠，USP标准物质或其他商业采购的具有可追踪证书的国家标准物质；其中，水分含量较低的样品检测，建议用酒石酸二钠标定。

 

EP药典规定采用纯化水或具有证明文件的标准物质标定；

 

ChP药典规定采用纯化水标定；

 

JP药典规定采用纯化水及甲醇水溶液进行标定。

 

药典	标定物质用量
USP<921>	纯化水：2-250mg  水；      酒石酸二钠：20-125mg
EP 2.5.12	/
ChP 0832	纯化水：10-30mg
JP 2.48	纯化水：约30mg

 

六、样品的取样量

 

药典	样品取样量
USP<921>	称取含有2-250mg水分的样品
EP 2.5.12	按专论项下称取
ChP 0832	精密称取供试品适量(约消耗费休氏试液1～5ml)
JP 2.48	称取含有5~30mg水分的样品

 

七、卡氏水分方法适用性确认

 

USP，ChP及JP均未要求对卡氏水分方法进行确认，但EP认为，水分测定的准确性与所选的卡氏试剂及以及其与样品的共同作用均有关系，因此要求按下面方法对其适用性进行确认。

 

1、确认方法

 

 称取样品，测量其含水量(mg)，分点（至少5个点）分别加入已知量的水分50%~100%，每次加入后测定累计水分含量，用下式计算百分回收率（r）。

 

 

式中：

 

W1=加入水的数量，mg；

 

W2=测出水的数量，mg。

 

以累计加入水的量为横坐标，累计加入测得水的量为纵坐标，作一条直线，计算斜率b，在y坐标的截距（a）和校正曲线在x轴的截距（d）。

 

用下式计算百分偏差e1， e2：

 

 

式中：

 

a=在y轴的截距；水的毫克数；

 

d=在x轴的截距；水的毫克数；

 

M =待测物质的水分；水的毫克数。

 

2、接受标准

 

平均回收率r=97.5%~102.5%；|e1|和|e2|≤2.5%；b=0.975~1.025。

 

参考文献

 

USP 40 <921> water determination

EP 9 2.5.12 water: semi-micro determination

ChP2015  0832 水分测定法

JP17 2.48 water determination (karl fischer method)

GTP良好滴定规范-梅特勒