奎寧的熱解機(jī)理、動力學(xué)及貯存期研究

肖卓炳,宋 科，劉建蘭，田春蓮

吉首大學(xué) 林產(chǎn)化工工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室，張家界 427000

奎寧，是一種天然的生物堿類(Alkaloids)化合物，無臭味，微苦，易溶于乙醇、氯仿、乙醚中，微溶于水和甘油，主要存在于茜草科植物金雞納樹及其同屬植物的樹皮中，占樹皮生物堿總量的70%，故又名金雞納堿[1]。1817年，法國藥劑師Caventou和Pelletier合作從金雞納樹皮中分離得到了奎寧單體，后來被證實(shí)就是存在于金雞納樹皮中的抗瘧疾有效成分[2]。到目前為止，瘧疾仍是全球兒童致命的疾病之一[3]?？鼘幍目汞懟钚灾饕憩F(xiàn)在，能影響瘧原蟲的生長和繁殖[2-4]；抑制原蟲的蛋白合成[5]；干擾其糖代謝[6]。除了抗瘧作用外，奎寧還可用于治療免疫失調(diào)類疾病[7,8]，如紅斑狼瘡、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎。另外，2004年美國FDA批準(zhǔn)奎寧用于治療口腔和咽喉疾病以及癌癥[9]。國內(nèi)外對其藥理、提取、分離純化、化學(xué)合成、含量檢測等均有大量研究，但未見有對其熱穩(wěn)定性及其分解機(jī)理進(jìn)行研究。鑒于在新藥開發(fā)和臨床應(yīng)用中的重要性,探討奎寧的熱穩(wěn)定性規(guī)律、揭示其降解機(jī)理，能夠為改進(jìn)提取和合成工藝、選擇合適劑型、提高制劑質(zhì)量、藥物的合理使用等提供重要科學(xué)依據(jù)[10-12]。

1 材料方法

1.1 樣品

奎寧標(biāo)準(zhǔn)品，由西安飛達(dá)生物技術(shù)有限公司提供，純度在99%以上。

1.2 實(shí)驗方法

1.2.1 熱重分析

熱重分析實(shí)驗在德國NETZSCH 公司的 STA-409-PC 型同步熱分析儀上進(jìn)行。稱取8～10mg奎寧晶體粉末，采用10 ℃/min的線性動態(tài)升溫速率從室溫升至800 ℃，同時以高純度動態(tài)氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，氮?dú)獾牧髁繛?5 mL/min，以配套的70 μL氧化鋁制陶瓷坩堝盛樣。測試過程中熱分析系統(tǒng)自動采集數(shù)據(jù)，同時得到樣品的熱重(TG)曲線和微分熱重(DTG)曲線。

1.2.2 傅里葉紅外光譜分析

熱分解逸出氣體的紅外光譜由德國Bruker公司的TENSOR 27型傅里葉變換紅外光譜儀檢測，將升溫過程產(chǎn)生的氣體經(jīng)傳輸管(保持毛細(xì)傳輸管溫度在220～250 ℃之間)導(dǎo)入紅外光譜儀氣體檢測腔(輸氣線路及光譜儀氣室均保持200 ℃)，在4 000～600 cm-1之間掃描逸出氣體的紅外光譜。

1.3 熱分析動力學(xué)方法

本研究采用普適微分Achar法和積分Coats-Redfern法同時對熱重數(shù)據(jù)和微分熱重數(shù)據(jù)進(jìn)行動力學(xué)分析[12,13]，兩者所采用的方程如下所示：

(1)

(2)

式中：g(α)—積分形式機(jī)理函數(shù)；f(α)—微分形式機(jī)理函數(shù)；T—熱力學(xué)溫度，K；Ea—表觀活化能，kJ/mol；A—指前因子，min-1；R—?dú)怏w常數(shù)，J/(mol·K)；β—升溫速率，K/min；α—轉(zhuǎn)化分?jǐn)?shù)。

分別以ln[g(α)/T2]對1/T和ln[dα/dt/f(α)]對1/T作圖，采用最小二乘法進(jìn)行線性回歸可得到一條直線，從截距和斜率可求算出活化能(Ea)和指前因子(A)。

2 結(jié)果與分析

2.1 奎寧的熱解機(jī)理推斷

圖1 奎寧分子的結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structure of quinine

圖1為奎寧分子的平面結(jié)構(gòu)。由圖2(a)所示，奎寧在219.93 ℃之前，熱重曲線和微分熱重曲線一直都平滑無降低，說明在此之前奎寧一直處于穩(wěn)定狀態(tài)而未分解。219.93 ℃之后，TG曲線和DTG曲線開始降低，奎寧開始發(fā)生分解，熱分解共分為兩步，第一步由219.93 ℃至389.93 ℃，結(jié)合實(shí)驗失重率58.67%(見圖2(a)和表1)初步推斷化學(xué)鍵斷裂情況[13-16]，推斷可能首先是O11-C12、C13-O24這兩個化學(xué)鍵的斷裂，其次與C10相連支鏈上的原子相繼發(fā)生斷裂，這些化學(xué)鍵斷裂形成小分子氣體逸出，造成的理論失重率為55.26%，與實(shí)驗失重率相吻合；第二步分解在389.93 ℃開始，一直到800 ℃時結(jié)束，該過程TG曲線下降緩慢，而DTG曲線基本保持水平，主要是殘余骨架中苯并吡啶環(huán)的深度裂解碳化造成的緩慢失重過程，過程將產(chǎn)生大量揮發(fā)性氣體產(chǎn)生，而殘留物中的氫和氧受熱繼續(xù)分離[17]。

圖2 奎寧晶體在10 ℃/min下測定的(a)熱重-微分熱重曲線和(b)熱分解過程逸出氣體的三維紅外光譜圖Fig.2 (A) TG and DTG curves at 10 ℃/min of quinine and (B) three dimensional infrared spectrum of evolved gases from the thermal decomposition

表1 奎寧各步熱分解的特征參數(shù)

圖3 奎寧(a)第一步和(b)第二步熱分解過程中不同溫度下的逸出氣體的紅外光譜曲線Fig.3 Infrared spectrum of evolved gases from the thermal decomposition of quinine (A) at first stage and (B) at second stage

圖2b為奎寧熱分解時逸出氣體隨溫度變化的紅外吸收光譜，分別選取250、300、350 ℃處的紅外光譜解析第一步分解時逸出氣體的官能團(tuán)，經(jīng)解析其主要的波數(shù)、振動類型及對應(yīng)的吸收基團(tuán)(見圖3a)，首先溫度低于300 ℃時，檢測到O-H(3 741 cm-1)、C-H(2 954～3 019 cm-1)和CO(2 102～2 183 cm-1)等官能團(tuán)的伸縮振動峰，印證了之前推斷奎寧第一步分解分子中O11-C12、C13-O24這兩個化學(xué)鍵的優(yōu)先斷裂的推斷，它們在斷裂之后形成了醇類和CO；當(dāng)溫度為350 ℃時，除了發(fā)現(xiàn)上述官能團(tuán)振動并進(jìn)一步增強(qiáng)外，還檢測到CO2(2 305～2 362 cm-1，667 cm-1)、N-H(3 627 cm-1，715 cm-1)和C-O-C(1 056 cm-1)的伸縮振動和彎曲振動，說明與C10相連支鏈上的原子相繼發(fā)生斷裂并裂解，形成了CO、CO2、醇類、醚類和胺類等物質(zhì)。選取400 ℃、500 ℃、600、700 ℃處的紅外光譜解析第二步分解時逸出氣體的官能團(tuán)，這四個溫度處的吸收峰波數(shù)基本相一致，僅隨時間的增加對應(yīng)吸收處的吸光度增大，說明它們?yōu)橥环N類氣體，產(chǎn)自同一步驟的熱解，僅檢測到O-H(3 741 cm-1)、N-H(3 627 cm-1，715 cm-1)和CO2(2 305～2 362 cm-1，667 cm-1)等簡單基團(tuán)的伸縮振動和彎曲振動峰，印證了該步驟屬于殘余骨架中苯環(huán)、吡啶環(huán)的深度裂解碳化過程，形成了CO2、H2O、NH3等氣體。至此，如圖4所示，奎寧的熱解過程可以做以下描述。

圖4 不同溫度范圍內(nèi)奎寧熱分解機(jī)理推斷Fig.4 Inference for the thermal decomposition mechanism of quinine at various temperatures

2.2 熱解動力學(xué)

2.2.1 最概然動力學(xué)模型

由于奎寧晶體在219.93～389.93 ℃之間，晶體分子中與苯并吡啶環(huán)相連基團(tuán)的化學(xué)鍵先后發(fā)生了斷裂，先后釋放了醇類、CO、CO2、醚類、胺類等物質(zhì)，且分解失重速度快；在第二步失重即389.93 ℃之后的區(qū)間中，殘余分子骨架中苯并吡啶環(huán)的深度裂解碳化過程較為緩慢，且無明顯的失重臺階和微分失重峰，過程較復(fù)雜。因此本研究對第一步(219.93～389.93 ℃)分解進(jìn)行動力學(xué)分析。

采用普適Achar法和Coats-Redfern法對10 ℃/min的TG-DTG曲線進(jìn)行動力學(xué)處理，微分法和積分法兩者的計算可以同時進(jìn)行，相互印證，所需數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 采用Achar、Coats-Redfern法計算所需的失重數(shù)據(jù) (β=10 ℃/min)

將表2中數(shù)據(jù)T、α、dα/dt代入40種常用機(jī)制函數(shù)[18,19]，求得對應(yīng)的f(α)和g(α)的值，再代入積分法Coats-Redfern方程和微分法Achar方程，經(jīng)最小二乘法線性擬合，計算出Ea、lnA和r，數(shù)據(jù)見表3。當(dāng)線性相關(guān)性較好(接近1)，兩種方法所得Ea和lnA最為接近時，所對應(yīng)編號的機(jī)制函數(shù)即為該反應(yīng)最可能的反應(yīng)機(jī)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。

表3 采用Coats-Redfern、Achar法求得的具有較好線性相關(guān)的動力學(xué)參數(shù) (β=10 ℃/min)

由表3所示，經(jīng)過40組函數(shù)模型的線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)奎寧分子第一步分解只有5組模型的相關(guān)性比較好(接近于1)，因此奎寧熱分解最可能的機(jī)制函數(shù)將在這幾組函數(shù)模型中產(chǎn)生。

2.2.2 動力學(xué)三因子

將表3中Achar法和Coats-Redfern法計算所得兩組數(shù)據(jù)對比可知，當(dāng)失重機(jī)制函數(shù)為36號時，不但線性相關(guān)性較好(r接近于1)，而且兩種方法所得Ea和lnA最為接近。

表4比較了在不同方法所得動力學(xué)參數(shù)，可以確定奎寧第一步熱分解為化學(xué)反應(yīng)控制機(jī)制，符合反應(yīng)級數(shù)方程，反應(yīng)級數(shù)n=2，Ea=159.85kJ/mol,lnA=32.79,f(α)=(1-α)2,g(α)=(1-α)-1-1。

表4 奎寧的熱分解動力學(xué)參數(shù)

2.3 奎寧貯存期的推斷

根據(jù)求算得到的奎寧晶體第一步分解時的表觀活化能Ea和指前因子A，則在一定反應(yīng)溫度Tc下的反應(yīng)速率常數(shù)k=Ae-Ea/RTc，進(jìn)一步求算得到分解反應(yīng)速率常數(shù)k的負(fù)對數(shù)值pk。在貯存溫度(室溫25 ℃)下，根據(jù)藥品pk值和藥品商品規(guī)定貯存期的相關(guān)性，即pk<7.5的區(qū)間內(nèi),貯存有效期為1.5～2a；在7.510.5，貯存期有效期為4～5a[12,20]。

經(jīng)計算在室溫下(25 ℃)貯存，奎寧降解反應(yīng)速率常數(shù)的負(fù)對數(shù)pk為13.76，處于pk>10.5的區(qū)間內(nèi)，進(jìn)而推斷奎寧的貯存期為4～5a。

3 結(jié)論

通過熱重-紅外聯(lián)用分析并結(jié)合量子化學(xué)計算，可知奎寧晶體的熱分解分兩步，第一步從219.93 ℃到389.93 ℃，奎寧晶體分子中與苯并吡啶環(huán)相連基團(tuán)的化學(xué)鍵先后發(fā)生了斷裂，先后釋放了醇類、CO、CO2、醚類、胺類等物質(zhì)，且分解失重速度快；第二步從389.93 ℃至800 ℃，殘余分子骨架中苯并吡啶環(huán)的深度裂解碳化過程較為緩慢，且無明顯的失重臺階和微分失重峰，形成了CO2、H2O、NH3等氣體，分解機(jī)理經(jīng)熱重數(shù)據(jù)和紅外光譜解析對比能夠相互驗證，吻合。通過對奎寧第一步分解過程的熱分析數(shù)據(jù)進(jìn)行動力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)微分Achar法與積分Coats-Redfern法的結(jié)果相互驗證，基本一致，可以確定第一步熱分解為化學(xué)反應(yīng)控制機(jī)制，符合反應(yīng)級數(shù)方程，反應(yīng)級數(shù)n=2，Ea=133.16kJ/mol,lnA=29.17,f(α)=(1-α)2,g(α)=(1-α)-1-1。最終，根據(jù)奎寧的熱分解動力學(xué)參數(shù)推斷在室溫(25 ℃)下，奎寧的貯存期為4～5a。此結(jié)果可以為目前大量含奎寧藥品的質(zhì)量監(jiān)控和評價提供依據(jù)。