雷公藤甲素和雷公藤內(nèi)酯酮熱穩(wěn)定性與分解動力學(xué)

劉建群，余昭芬

江西中醫(yī)藥大學(xué)現(xiàn)代中藥制劑教育部重點實驗室，南昌 330004

類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎屬于嚴(yán)重危害人們健康的10類(種)重大疾病之一，兩年致殘率高達50%，素有“不死的癌癥”之說［1］。雷公藤(Tripterygium wilfordii Hook)是國內(nèi)外公認(rèn)具有良好療效的治療類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等自身免疫功能亢進性疾病的首選中藥［2］。目前有雷公藤片、雷公藤多苷片、雷公藤內(nèi)酯、雷公藤內(nèi)酯軟膏、雷公藤總萜片等國家藥品標(biāo)準(zhǔn)收載的多個國產(chǎn)藥品品種［3］。但雷公藤毒性較大，具有肝、腎、生殖系統(tǒng)等多臟器毒性，是毒副作用和不良反應(yīng)報道較多的中藥［4］。雷公藤甲素(也稱雷公藤內(nèi)酯醇)和雷公藤內(nèi)酯酮是雷公藤的主要有效成分也是其主要毒性成分，為環(huán)氧二萜內(nèi)酯類成分。研究表明，雷公藤甲素和雷公藤內(nèi)酯酮具有很好的免疫抑制和治療類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎作用以及抗腫瘤作用［5-7］。穩(wěn)定性是藥用化合物的基本要求，藥用化合物的熱穩(wěn)定性和它的熱分解歷程在某種程度上與其穩(wěn)定性有密切關(guān)系，也與成品存放期有很大關(guān)系。所以，研究藥用化合物的熱穩(wěn)定性和熱分解歷程對產(chǎn)品穩(wěn)定性和存放期的評價以及產(chǎn)品生產(chǎn)中的質(zhì)量控制和工藝優(yōu)化具有重要意義。我們研究發(fā)現(xiàn)雷公藤經(jīng)煨法炮制后可顯著降低毒性［8，9］。因熱分析過程與煨法炮制加熱過程類似，為進一步研究雷公藤有效成分在炮制過程中的變化規(guī)律，本文首次采用TG-DTG 和DTA-DDTA 熱分析法研究了雷公藤甲素和雷公藤內(nèi)酯酮的熱穩(wěn)定性、分解動力學(xué)及理論貯存期，本結(jié)果可為含雷公藤甲素和雷公藤內(nèi)酯酮藥品的質(zhì)量控制和制劑工藝、雷公藤的炮制減毒以及熱分解產(chǎn)物研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器、材料與試劑

1.1.1 儀器

SII Nano Technology TG/DTA 6300 型熱分析儀(日本精工納米科技有限公司);BT25S 型電子天平(十萬分之一，Sartorius)。

1.1.2 材料與試劑

雷公藤甲素和雷公藤內(nèi)酯酮對照品(≥98%，南京澤朗醫(yī)藥科技有限公司，批號分別為ZL110619，ZL111119);其余試劑均為分析純。

1.2 熱重和差熱分析

稱取雷公藤甲素和雷公藤內(nèi)酯酮約3 mg，于N2氣氛，流速100 mL/min，溫度范圍25～900 ℃，記錄5 ℃/min、10 ℃/min、15 ℃/min 和20 ℃/min 四個不同升溫速率(β)條件下，記錄雷公藤甲素和雷公藤內(nèi)酯酮的熱重、微商熱重和差熱、微商差熱變化曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 雷公藤甲素和雷公藤內(nèi)酯酮的熱分解行為

圖1 為雷公藤甲素(A)和雷公藤內(nèi)酯酮(B)在5 ℃、10 ℃、15 ℃/min 和20 ℃/min 四個不同升溫速率(對應(yīng)圖中曲線編號依次為1→4)條件下的TG、DTG、DTA 和DDTA 曲線。以5 ℃/min 升溫速率條件下熱分析曲線為例說明，TG 曲線只有一個失重平臺，但DTG 曲線出現(xiàn)299 和340 ℃(肩峰，升溫速率≥10 ℃/min)兩個失重峰。DTA-DDTA 曲線出現(xiàn)232 ℃一個吸熱峰和298 ℃一個放熱峰，其中232 ℃峰為熔融峰，與文獻報道熔點基本一致。DTG 299 ℃峰失重率最大，為雷公藤甲素?zé)岱纸夥磻?yīng)最快峰，雷公藤甲素兩步熱分解嚴(yán)重重疊，總失重率為85.5%，400 ℃后分子完全裂解。雷公藤內(nèi)酯酮的熱分解行為與雷公藤甲素非常相似，DTG 曲線出現(xiàn)282 和333 ℃(該肩峰更明顯)兩個失重峰，DTA-DDTA 曲線出現(xiàn)252 ℃一個吸熱峰和280 ℃一個放熱峰，兩步熱分解嚴(yán)重重疊，總失重率為64.4%。考慮藥物常規(guī)制劑工藝溫度和對貯存期影響，因此只對第一步熱分解反應(yīng)進行詳細動力學(xué)分析。

雷公藤甲素和雷公藤內(nèi)酯酮為雷公藤的主要有效成分和毒性成分，為避免這兩個有效成分的完全損失，并適當(dāng)降低其毒性，雷公藤炮制溫度不宜超過450 ℃，適宜炮制溫度為200～450 ℃。因大于200℃兩者開始分解，因此其制劑工藝過程中溫度宜控制在200 ℃以下。

2.2 雷公藤甲素和雷公藤內(nèi)酯酮的熱分解動力學(xué)

2.2.1 多速率法求解動力學(xué)參數(shù)

5、10、15、20 ℃/min 4 種不同升溫速率下，采用多速率Kissinger 和Ozawa 法計算雷公藤甲素和雷公藤內(nèi)酯酮第一步熱分解動力學(xué)，在TG-DTG 曲線所取的數(shù)據(jù)見表1。

圖1 雷公藤甲素(A)及雷公藤內(nèi)酯酮(B)不同升溫速率下的TG、DTG、DTA 和DDTA 曲線Fig.1 TG，DTG，DTA and DDTA curves of triptolide(A)and triptonide(B)at different heating rates

表1 DTG 曲線第一步分解反應(yīng)數(shù)據(jù)(β:升溫速率;Tp:峰溫值)Table 1 DTG curve data of the first stage thermal decomposition reaction(β:heating rate;Tp:peak temperature)

Kissinger 法計算方程［10］為:

式中Tp為DTG 曲線的峰溫值，Ea為表觀活化能，單位為kJ/mol，A 為指前因子，單位為min-1，R為氣體常數(shù)，單位為J/(mol·K)，β 為升溫速率。

Ozawa 法計算方程［10］為:

式中g(shù)(a)是最概然機制函數(shù)的積分形式，T 是熱力學(xué)溫度，其他各符號的意義同上。

利用lgβ 對1/T 作圖，得線性回歸方程:雷公藤甲素:lnβ=-7618(1/T)+13.985，r=0.9733;雷公藤內(nèi)酯酮:lnβ=-7026.8(1/T)+13.347，r=0.9964。從而求得熱分解動力學(xué)參數(shù)Ea 和線性相關(guān)系數(shù)r(見表2)。

表2 采用Kissinger 法和Ozawa 法求得的動力學(xué)參數(shù)Table 2 Kinetic parameters obtained by Kissinger and Ozawa methods

2.2.2 單一升溫速率法求解動力學(xué)參數(shù)

Coats-Redfern 法計算方程［10］為:

以ln［g(α)/T2］對1/T 作圖，經(jīng)線性回歸可得到一條直線，從截距l(xiāng)n［AR/(βEa)］和斜率(-Ea/R)可求算出Ea 和A。

Achar 法計算方程［10］為:

式中T 為絕對溫度，f(α)是微分形式機制函數(shù)，其他各符號的意義同上。

以ln［(dα/dt)/f(α)］對1/T 作圖，經(jīng)線性回歸可得到一條直線，從截距l(xiāng)nA 和斜率(-Ea/R)可求算出Ea 和A。

Coats-Redfern 法和Achar 法計算所需數(shù)據(jù)見表3。

將實驗數(shù)據(jù)T、α、dα/dt 用積分法Coats-Redfern方程和微分法Achar 方程結(jié)合常用的40 種機制函數(shù)［11］，計算出Ea、lnA 和r。當(dāng)線性相關(guān)性較好(r接近于1)，且兩種方法所得Ea 和lnA 最為接近，而且Ea 和lnA 與多速率掃描法處理結(jié)果基本一致時，所對應(yīng)的機制函數(shù)即為該反應(yīng)最可能的反應(yīng)機制函數(shù)，相應(yīng)的Ea 和A 即為該反應(yīng)的活化能和指前因子［10，11］。采用β 為5 ℃/min 的TG-DTG 曲線作為單速率法的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對第一步失重的單速率法計算結(jié)果見表4。

表3 采用Coats-Redfern、Achar 法計算所需的第一步失重數(shù)據(jù)Table 3 The firt stage weightlessness data by Coats-Redfern and Achar methods

表4 采用Coats-Redfern、Achar 法求得與多速率法相吻合的第一步失重動力學(xué)參數(shù)Table 4 The firt stage weightlessness kinetic parameters obtained by Coats-Redfern and Achar methods

2.3 熱分解動力學(xué)參數(shù)確定

將表2 與表4 結(jié)果對比可知，雷公藤甲素第一步失重機制函數(shù)為36 號［11］時，線性相關(guān)性較好(r接近于1)，兩種方法所得Ea 和lnA 最為接近，并且由Coats-Redfern 與Achar 方程計算出的Ea 和lnA與多速率法計算的結(jié)果最為接近。按36 號機制函數(shù)計算，四種方法計算第一步熱分解動力學(xué)參數(shù)平均值為:Ea=136.66 kJ/mol，lnA=26.47。因此確定第一步熱分解為Chemical reaction 控制機制，符合Reaction order 方程，Ea=136.66 kJ/mol，lnA=26.47，g(α)=(1-α)-1-1，f(α)=(1-α)2。同法確定雷公藤內(nèi)酯酮第一步失重機制函數(shù)為32 號［11］，為Chemical reaction 控制機制，符合二級反應(yīng)方程，Ea=127.19 kJ/mol，lnA=25.23，g(α)=1-(1-α)2，f(α)=1/2(1-α)-1。

2.4 雷公藤甲素和雷公藤內(nèi)酯酮貯存期的推斷

根據(jù)阿倫尼烏斯公式，在一定反應(yīng)溫度Tc 下的反應(yīng)速率常數(shù)k=Ae-Ea/(RTc)，將雷公藤甲素第一步熱分解活化能Ea(136.66 kJ/mol)和lnA(26.47)代入公式，可求得在室溫Tc=25 ℃(298.15 K)時，k的負(fù)對數(shù)值pk=12.46。在貯存溫度(室溫25℃)，β 為5 ℃/min 條件下，根據(jù)藥品pk 值和藥品商品規(guī)定貯存期的相關(guān)性［12］，pk＞10.5 的區(qū)間內(nèi)，貯存有效期為4～5 年，推斷雷公藤甲素的理論貯存期為4～5 年。

同法求得雷公藤內(nèi)酯酮在室溫Tc=25 ℃(298.15 K)時，k 的負(fù)對數(shù)值pk=11.34，同法推斷雷公藤內(nèi)酯酮的理論貯存期為4～5 年。

3 結(jié)論

熱分析曲線結(jié)果表明雷公藤甲素和雷公藤內(nèi)酯酮熱分解行為相似，除脫水峰外，失重均分為兩步，但重疊嚴(yán)重，從200 ℃到490 ℃左右熱分解失重率分別為85.5%和64.4%。DTA-DDTA 曲線均出現(xiàn)一個熔融吸熱峰和一個分解放熱峰。采用單速率法和多速率法測得雷公藤甲素的第一步熱分解的機制是Chemical reaction 控制，符合Reaction order 方程，平均表觀活化能Ea 為136.66 kJ/mol，指前因子lnA為26.47。根據(jù)第一步熱分解的Ea 和A 推斷，在室溫(25 ℃)下，雷公藤甲素的理論貯存期為4～5 年。同法測得雷公藤內(nèi)酯酮的第一步熱分解的機制是Chemical reaction 控制，符合二級反應(yīng)方程，平均表觀活化能Ea 為127.19 kJ/mol，指前因子lnA 為25.23，理論貯存期為4～5 年。從活化能比較表明雷公藤甲素比雷公藤內(nèi)酯酮更穩(wěn)定。

雷公藤甲素和雷公藤內(nèi)酯酮為雷公藤的主要有效成分和毒性成分，為避免這兩個有效成分的完全損失，并適當(dāng)降低其毒性，雷公藤炮制溫度不宜超過450 ℃，適宜炮制溫度為200～450 ℃。因大于200℃兩者開始分解，因此其制劑工藝過程中溫度宜控制在200 ℃以下。本結(jié)果可為含雷公藤甲素和雷公藤內(nèi)酯酮藥品的質(zhì)量控制和制劑工藝、雷公藤的炮制減毒以及熱分解產(chǎn)物研究提供參考。

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