張慧麗,夏燚,方虹霞,張琪,洪治,杜勇

(中國計(jì)量學(xué)院 太赫茲技術(shù)與應(yīng)用研究所,杭州　310018)

3,4,5-THBA無水及水合晶型的光譜實(shí)驗(yàn)及理論研究

張慧麗,夏燚,方虹霞,張琪,洪治,杜勇*

(中國計(jì)量學(xué)院 太赫茲技術(shù)與應(yīng)用研究所,杭州310018)

摘要:本文利用傅里葉變換紅外(FT-IR)、拉曼(Raman)和太赫茲(THz)光譜技術(shù)在室溫下對(duì)3,4,5-三羥基苯甲酸(3,4,5-THBA)的無水和水合晶型進(jìn)行了表征。運(yùn)用密度泛函理論(DFT)的B3LYP方法分別對(duì)兩種晶型進(jìn)行了分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率模擬計(jì)算,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其分子振動(dòng)模式進(jìn)行歸屬,發(fā)現(xiàn)3,4,5-THBA兩晶型的分子振動(dòng)模式有著顯著不同。研究結(jié)果表明,結(jié)晶水分子與3,4,5-THBA分子之間的相互作用使得水合與無水晶型的空間構(gòu)型不同。這一研究結(jié)果為利用光譜技術(shù)辨別藥物晶型和進(jìn)一步分析研究分子內(nèi)和分子間相互作用提供了實(shí)驗(yàn)及理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞:3,4,5-THBA；無水晶型；水合晶型；傅里葉變換紅外光譜；拉曼光譜；太赫茲光譜；密度泛函理論

1引言

當(dāng)藥物從溶劑中重結(jié)晶時(shí),如果藥物分子與水分子在晶格中發(fā)生結(jié)合,則該藥物可能從一種晶型變成另一種晶型,或由無定形轉(zhuǎn)變成晶型。而藥物的不同晶型常常具有不同的物理化學(xué)性質(zhì),這些差異可能會(huì)對(duì)藥物的流動(dòng)性、穩(wěn)定性,以及藥效等有較大影響[1-3]。此外,由于水分在藥物生產(chǎn)和保存中普遍存在,使得保持與控制藥物活性成分的晶型一致,成為藥物研發(fā)、生產(chǎn)以及存儲(chǔ)

等領(lǐng)域中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)[4]。目前,常用的固體藥物晶型檢測的譜學(xué)檢測技術(shù)有單晶X射線衍射(XRD)、FT-IR、Raman和THz譜等[5]。XRD是晶型檢測的經(jīng)典方法,但擇優(yōu)取向?qū)е轮茦又貜?fù)性問題,給定量分析應(yīng)用帶來麻煩。Raman與IR光譜同屬于振動(dòng)光譜,Raman光譜源于分子極化率的變化；IR光譜檢測的是分子振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的偶極矩變化,對(duì)極性基團(tuán)更為靈敏,兩種方法的結(jié)合對(duì)于分子結(jié)構(gòu)的測定和研究將是非常有效的[6-7]。THz波(0.1～10 THz)對(duì)于分子間弱的相互作用(如氫鍵、范德瓦爾斯力等)及大分子的骨架振動(dòng)(如構(gòu)型彎曲)、偶極子的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)躍遷以及晶體中晶格的低頻振動(dòng)吸收都非常敏感[8,9]。這些方法能夠從不同的角度反映出藥物分子結(jié)構(gòu)的性質(zhì),有一定的互補(bǔ)性,因此使用光譜技術(shù)研究固體藥物尤其是不同晶型類藥物的光譜特性具有非常重要的意義。

3,4,5-THBA又名沒食子酸,是一種天然酚類化合物,通常以與多元醇組成可水解單寧的形式存在于植物中。它的應(yīng)用非常廣泛,主要為醫(yī)藥、日用化工和食品等行業(yè)。3,4,5-THBA的分子式中含有兩個(gè)基本官能團(tuán):羧基和苯酚,使其易與水分子以氫鍵的方式結(jié)合形成與3,4,5-THBA空間構(gòu)型不同的水合物。劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(Cambridge Structural Database,CSD)中收錄了3,4,5-THBA水合晶型I[10]和II[11],其中水合晶型I為室溫下穩(wěn)定晶型,亦是商業(yè)使用晶型；無水晶型有三種晶型,其中無水晶型II為穩(wěn)定晶型,I和III為亞穩(wěn)定狀態(tài),但均未被CSD收錄[12]。2011年Clark等人通過對(duì)晶型進(jìn)行三維分?jǐn)?shù)坐標(biāo)定義提出了3,4,5-THBA水合晶型III和IV[13]；2013年Braun等人使用29種溶劑分別與水、3,4,5-THBA按一定比例混合,通過快速蒸發(fā)、緩慢蒸發(fā)和重結(jié)晶等方法制備出了5種空間構(gòu)型不同的3,4,5-THBA水合晶型,并研究了5種晶型可以穩(wěn)定存在的溫度和濕度[12]。這些研究主要涉及晶胞結(jié)構(gòu)的分析、水合晶型的制備和晶型存儲(chǔ)的條件等,而對(duì)于3,4,5-THBA分子的光譜研究則甚少。本文使用FT-IR、Raman和THz光譜技術(shù)對(duì)3,4,5-THBA的兩種穩(wěn)定晶型(無水晶型II和水合晶型I,下文簡稱為無水晶型和水合晶型)進(jìn)行檢測,得到其光譜圖；利用DFT理論對(duì)這兩種晶型的分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率模擬計(jì)算,將理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,對(duì)兩種晶型的分子振動(dòng)模式進(jìn)行了振動(dòng)歸屬,從藥物分子結(jié)構(gòu)上研究水分子對(duì)藥物分子振動(dòng)的影響。

2實(shí)驗(yàn)與理論模擬方法

2.1樣品的制備與表征

藥物樣品:3,4,5-THBA無水晶型和水合晶型,訂購于西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司,純度均大于97.5%,使用前未進(jìn)行進(jìn)一步純化或其它加工。

Raman光譜分析采用的是美國Nicolet公司Nicolet Raman 960型傅里葉變換拉曼光譜儀。拉曼位移范圍:3700～100 cm-1；波數(shù)重復(fù)性:±0.2 cm-1,波數(shù)精度:±2 cm-1,分辨率為2 cm-1,樣品累積掃描64次。

FT-IR光譜分析采用的是美國Nicolet公司Avatar370型傅里葉變換紅外光譜儀,掃描范圍4000～400 cm-1,分辨率為2 cm-1,樣品制備采用溴化鉀壓片法,每個(gè)樣品掃描64次。

THz時(shí)域光譜(THz Time-Domain Spectroscopy,THz-TDS)采用Z2測量系統(tǒng)(美國Zomega公司)。激發(fā)光源為Spectra Physics公司的鈦藍(lán)寶石飛秒鎖模脈沖激光器,激光重復(fù)頻率80 MHz、脈寬100 fs、中心波長800 nm。實(shí)驗(yàn)中稱取約280 mg樣品,使用壓片法將其制備成直徑為13 mm、厚度約為1.5 mm的結(jié)構(gòu)均勻、沒有裂縫且兩端面平行的樣片。測量環(huán)境為室溫、干燥的氮?dú)猸h(huán)境,相對(duì)濕度低于4%。

2.2理論模擬方法

采用Gaussian03軟件分別對(duì)3,4,5-THBA無水與水合晶型進(jìn)行單分子模擬,選取密度泛函理論B3LYP方法,結(jié)合基組6-31G(d,p)進(jìn)行理論計(jì)算。模擬計(jì)算中,首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,再進(jìn)行頻率計(jì)算,所有樣品的計(jì)算沒有出現(xiàn)虛頻,說明所有優(yōu)化都找到了分子最小能量結(jié)構(gòu)。考慮到模擬中沒有完全考慮電子相關(guān)作用和其對(duì)非簡諧性效應(yīng),以及基組選擇等因素,采用相應(yīng)矯正因子0.96[8,14-15],優(yōu)化后的分子結(jié)構(gòu)見圖1所示。

3結(jié)果與討論

3.1IR與Raman光譜分析

圖2是3,4,5-THBA的水合晶型與無水晶型的FT-IR光譜圖。由FT-IR光譜圖可看到,兩種晶型在峰強(qiáng)度與位置上有著顯著的區(qū)別。說明兩晶型內(nèi)部分子間的作用力或作用強(qiáng)度不同,造成紅外光譜的差異,從而出現(xiàn)吸收峰數(shù)目、位移以及強(qiáng)度上的變化。根據(jù)B3LYP/6-31G(d,p)理論計(jì)算的頻率振動(dòng),對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中兩種晶型的吸收峰進(jìn)行分子的振動(dòng)模式歸屬。理論和實(shí)驗(yàn)的吸收峰及相應(yīng)的振動(dòng)模式如表1、2所示。

Fig.1Molecular structures of anhydrous(A)and hydrated(B)3,4,5-THBA

3,4,5-THBA的分子結(jié)構(gòu)比較簡單,主要含有的官能團(tuán)是苯環(huán)、羧基和羥基。每種官能團(tuán)都有其特征振動(dòng)頻率,這些官能團(tuán)的振動(dòng)頻率常常會(huì)相互作用。由表1、2可以看出3,4,5-THBA的無水與水合晶型的振動(dòng)模式主要是由分子內(nèi)官能團(tuán)、化學(xué)鍵伸縮轉(zhuǎn)動(dòng)的共同作用引起。在2800～3800 cm-1高波數(shù)區(qū),主要是-OH和C-H的伸縮振動(dòng)。無水晶型在該波段的3500 cm-1處歸屬于ν(O9-H10)的特征峰表現(xiàn)比較尖銳；而水合晶型由于受水分子的影響,在3500 cm-1處的特征峰相比無水晶型表現(xiàn)較弱,且歸屬于水分子的伸縮振動(dòng)(ν(O20-H19、O20-H21))。1800～1200 cm-1主要是苯環(huán)、C-O、C=O的伸縮振動(dòng)和C-H的面內(nèi)擺動(dòng),由表1、2可以看出無水晶型與水合晶型在該波數(shù)區(qū)域的分子振動(dòng)結(jié)構(gòu)的歸屬基本相同,但在峰位置和強(qiáng)度上有些差異。在無水晶型1700 cm-1和水合晶型1701 cm-1處均歸屬于νas(R)+ν(C1-C7、C7-O9、C7=O8)+δ(C7-O9-H10),而水合晶型的特征峰相比無水晶型較強(qiáng)；無水晶型在1647和1668 cm-1處存在的特征峰,在水合晶型中消失；無水晶型在1320 cm-1處特征峰主要?dú)w屬于C-O的伸縮振動(dòng),而在水合晶型中表現(xiàn)為1307和1340 cm-1兩個(gè)弱的肩峰。此外,在1618、1541、1467、1450和1246 cm-1均出現(xiàn)H19-O20-H21(即水分子)的伸縮振動(dòng)或剪式振動(dòng)。在低波數(shù)區(qū),主要是C-H和C-C面外搖擺、C-O伸縮振動(dòng)以及骨架的扭曲等。該波段的峰位有略微差異,主要是峰強(qiáng)度上的差異。

Fig.2FT-IR spectra of(a)anhydrous 3,4,5-THBA and(b)hydrated 3,4,5-THBA in different spectral regions(A):650～1800 cm-1;(B):2500～3800 cm-1

Table 1　Assignments of major bands of 3,4,5-THBA anhydrous polymorphs(IR spectra)

續(xù)表1

Table 2　Assignments of major bands of 3,4,5-THBA hydrate polymorphs(IR)

續(xù)表2

由3,4,5-THBA的無水與水合晶型FT-IR光譜圖上的明顯區(qū)別可知,在水合晶型中存在的結(jié)晶水影響3,4,5-THBA分子自身的振動(dòng),使得其分子結(jié)構(gòu)中所含的官能團(tuán)的振動(dòng)頻率與無水晶型相比有不同程度的偏移。

3,4,5-THBA的水合與無水晶型的Raman光譜如圖3所示。理論和實(shí)驗(yàn)的Raman特征峰及相應(yīng)的振動(dòng)模式如表3、4所示。比較它們的Raman譜圖可知,兩種晶型的區(qū)別是顯著的。在1000～1200 cm-1波數(shù)區(qū),主要?dú)w屬于C-C的伸縮振動(dòng)、C-H的面內(nèi)擺動(dòng)、C-O的伸縮振動(dòng)和骨架振動(dòng)；無水晶型在譜圖上表現(xiàn)為幾個(gè)相對(duì)較弱的散射峰,水合晶型的譜圖僅有兩個(gè)比較明顯的尖峰。無水晶型在1597和1614 cm-1處的肩峰主要?dú)w屬于苯環(huán)的伸縮振動(dòng),由于水分子的作用在水合晶型的譜圖中表現(xiàn)為一個(gè)尖峰,位置藍(lán)移至1621 cm-1。1691 cm-1主要?dú)w屬于C=O的伸縮振動(dòng)和苯環(huán)的伸縮變形,而水合晶型(1692 cm-1)在該處的強(qiáng)度顯著增加,說明水分子的存在影響了一些官能團(tuán)的振動(dòng)頻率。在150～900 cm-1波數(shù)區(qū),水合晶型中335 cm-1處的散射峰在無水晶型中并不存在,它的出現(xiàn)是由于水分子的面內(nèi)擺動(dòng)(ρ(H19-O20-H21))；無水晶型358 cm-1處散射峰歸屬于νas(R)+ρ(O13-H14、O17-H18),而在水合晶型中由于結(jié)晶水分子的面外搖擺的影響(ω(H19-O20-H21))表現(xiàn)為350和366 cm-1兩個(gè)肩峰。無水晶型435 cm-1與水合晶型在443 cm-1處的散射峰歸屬于ω(O15-H16)。兩晶型在500～600 cm-1之間的三個(gè)散射峰歸屬于O9-H10的面內(nèi)擺動(dòng)和苯環(huán)的不對(duì)稱伸縮,三個(gè)峰的位置和強(qiáng)度均有略微變化。無水晶型中772 cm-1處歸屬于O-H的面內(nèi)擺動(dòng)的特征峰,在水合晶型該波數(shù)處并無表現(xiàn)。無水晶型中723和803 cm-1的散射峰在水合晶型中分別偏移到696和794 cm-1。

Fig.3Raman spectra of(a)anhydrous 3,4,5-THBA and(b)hydrated 3,4,5-THBA in different spectral regions(A):150～900 cm-1;(B):900～1800 cm-1

Table 3　Assignments of major bands of 3,4,5-THBA anhydrous polymorphs(Raman spectra)

續(xù)表3

Table 4　Assignments of major bands of 3,4,5-THBA hydrate polymorphs(Raman spectra)

續(xù)表4

表1-4注：R苯環(huán),ν伸縮振動(dòng)(s表示對(duì)稱,as表示不對(duì)稱),δ剪式振動(dòng),ρ面內(nèi)擺動(dòng),ω面外搖擺,s:強(qiáng)烈,vs:非常強(qiáng)烈,m:中等,w:微弱,vw:非常微弱,sh:肩峰

從Raman光譜的以上分析可知,其振動(dòng)模式主要是由分子的官能團(tuán)或化學(xué)鍵的共同作用,兩晶型光譜上的顯著區(qū)別是由于結(jié)晶水分子對(duì)3,4,5-THBA的振動(dòng)產(chǎn)生了影響。相比于FT-IR光譜,Raman光譜還包含了100～650 cm-1區(qū)域的信息,且在這一波段水分子3,4,5-THBA分子振動(dòng)的影響也是比較明顯。

3.2THz光譜分析

太赫茲光譜技術(shù)可以通過物質(zhì)晶格振動(dòng)來探測分子間作用力,因此基于該技術(shù)對(duì)于晶型變化的反映最為直接而有效。圖4是3,4,5-THBA水合晶型與無水晶型的太赫茲頻域光譜。

Fig.4THz absorption Spectra of(a)anhydrous 3,4,5-THBA and(b)hydrated 3,4,5-THBA

由圖我們可以看到,兩種晶型在1.06和1.26 THz處的吸收峰沒有移動(dòng),但無水晶型在這兩處的吸收峰強(qiáng)度更強(qiáng)而幅度更窄。而最為顯著的吸收特征峰存在明顯移動(dòng),無水晶型在1.53 THz處而水合晶型偏移至1.51 THz處。水合晶型在1.70 THz處產(chǎn)生了新的吸收峰；而無水晶型在1.83 THz處的吸收峰在水合晶型中消失。這說明兩種晶型的分子空間構(gòu)型、構(gòu)象以及相應(yīng)的晶格振動(dòng)并不相同。

將DFT理論在太赫茲波段的模擬譜與實(shí)驗(yàn)光譜進(jìn)行比較,結(jié)果如圖5所示。無水晶型的吸收峰在1.06、1.26、1.51和1.83 THz,而模擬計(jì)算的吸收峰僅在1.88 THz一處。水合晶型的吸收峰在1.06、1.26、1.53和1.70 THz,模擬計(jì)算的吸收峰在0.73、1.45和1.87 THz。實(shí)驗(yàn)與理論存在的一定偏差,首先是因?yàn)槔碚撃M是在絕對(duì)零度下進(jìn)行的,沒有考慮熱效應(yīng)。其次,由于實(shí)驗(yàn)測量的是3,4,5-THBA晶體結(jié)構(gòu),晶格中存在分子間的弱相互作用力,而模擬計(jì)算的是單分子,沒有考慮分子間的相互作用。理論的吸收峰歸屬于分子內(nèi)官能團(tuán)或化學(xué)鍵參與的變形振動(dòng)、扭動(dòng)和彎曲振動(dòng)[16],而實(shí)驗(yàn)光譜中除此之外的吸收峰主要源于分子之間的相互作用。無水晶型在1.88 THz處的吸收是由于羧基上的C=O與C-O的面外扭動(dòng)以及苯環(huán)以C1-C4為軸的面外搖擺。水合晶型在0.73 THz處的吸收是由于水分子的面外搖擺、3,4,5-THBA分子以C1-C4為軸的整體面外搖擺；1.45 THz處的吸收峰歸屬于:苯環(huán)以C3為中心的面內(nèi)擺動(dòng)與水分子以H18為中心的整體移動(dòng)；1.87 THz處的吸收峰歸屬于水分子的面外搖擺、羧基的C=O與C-O以C7為中心的面外扭動(dòng)以及苯環(huán)以C1-C4為軸的面外搖擺。所有的振動(dòng)模式均歸屬于基團(tuán)的集體振動(dòng)模式。

Fig.5Comparison between experimental(a)and calculated(b)THz absorption spectrum of(A)anhydrous 3,4,5-THBA and(B)hydrated 3,4,5-THBA

4結(jié)論

采用FT-IR、Raman和THz光譜技術(shù)對(duì)3,4,5-THBA的無水與水合晶型進(jìn)行了光譜表征,結(jié)合模擬計(jì)算獲得的兩種晶型的單分子振動(dòng)頻率結(jié)果,對(duì)其進(jìn)行了分子振動(dòng)模式歸屬。結(jié)果表明這些振動(dòng)主要是以官能團(tuán)和化學(xué)鍵的轉(zhuǎn)動(dòng)為主要特征,不同峰位的扭轉(zhuǎn)模式及振動(dòng)幅度不同；同時(shí)說明水分子與3,4,5-THBA之間的相互作用影響了3,4,5-THBA的振動(dòng)模式和空間構(gòu)型及構(gòu)象,從而使得3,4,5-THBA水合晶型表現(xiàn)出與無水晶型不同的理化性質(zhì)。這一研究結(jié)果為利用光譜技術(shù)辨別藥物多晶型和進(jìn)一步分析多晶型分子內(nèi)和分子間相互作用提供了實(shí)驗(yàn)及理論參考。

致謝

感謝浙江理工大學(xué)化學(xué)系薛佳丹、李亞芳在拉曼、紅外光譜測試實(shí)驗(yàn)過程中的大力幫助。

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Experimental and Theoretical Ion the Spectra of Hydrated and Anhydrous 3,4,5-THBA

ZHANG Hui-li,XIA Yi,FANG Hong-xia,ZHANG Qi,HONG Zhi,DU Yong*

(CentreforTerahertzResearch,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018,China)

Abstract:In this study,hydrated and anhydrous polymorphs of 3,4,5-trihydroxybenzoic acid(3,4,5-THBA)were characterized by Fourier transform infrared(FT-IR),Raman and terahertz(THz)spectroscopic techniques at room temperature.The density function theory(DFT)calculation with B3LYP method is applied to simulate the corresponding optimized structures and vibrational frequencies.The different vibrational modes are assigned by comparison between the experimental and theoretical spectra of two polymorphs.There is obvious difference within the molecular vibrational modes of hydrated 3,4,5-THBA and those of anhydrous one.The results show that the interactions between water and 3,4,5-THBA molecules make molecular configurations significantly different within hydrated and anhydrous polymorphs.This work offer the experimental and theoretical benchmark for identifying pharmaceutical polymorphs and also further studying the intramolecular and intermolecular interactions with spectroscopic technologies.

Key words:3,4,5-THBA; anhydrous; hydrated; Fourier transform infrared spectrum; Raman spectrum; terahertz spectrum; density function theory

文章編號(hào):10.13883/j.issn1004-5929.201602011

收稿日期:2014-12-04; 修改稿日期:2014-12-11

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(21205110,61377108)

作者簡介:張慧麗(1989-),女,碩士,主要從事太赫茲光譜檢測方面研究,E-mail:FallinNovember@163.com 通訊作者:杜勇,副教授,主要從事拉曼、太赫茲波譜等方面研究,E-mail:yongdu@cjlu.edu.cn

中圖分類號(hào):O657.3; O433.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

doi:10.13883/j.issn1004-5929.201602001