琚 祥, 陳 葵, 朱家文

(華東理工大學(xué) 化學(xué)工程研究所, 上海 200237)

1 前 言

利福平(rifampicin)，化學(xué)名3-[[(4-甲基-1-哌嗪基)亞氨基]甲基]-利福霉素，分子式C43H58N4O12，分子量為 822.97，是半合成利福霉素類抗生素的一種，臨床上主要用于治療肺結(jié)核和麻風(fēng)病等[1]。因其具有廣譜抗菌作用、毒副作用小、療效高等特點(diǎn)，目前越來越多地制作為復(fù)合藥劑應(yīng)用于其他疾病的治療，例如心內(nèi)膜炎、耐藥性傷寒和呼吸道感染等，市場需求穩(wěn)中有升，因此利福平生產(chǎn)技術(shù)和質(zhì)量的進(jìn)步具有現(xiàn)實(shí)意義[2]。

利福平復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)使得其存在多種晶型及溶劑化物，與結(jié)晶系統(tǒng)使用的溶劑密切相關(guān)[3]。利福平的藥用晶型為I 和II 晶型，I 晶型在正丁醇中重結(jié)晶獲得[4]，II 晶型在丙酮中重結(jié)晶獲得[5]。兩種晶型在堆密度、溶出速率、粒徑、熱穩(wěn)定性等方面有所不同，在一定條件下可以發(fā)生溶劑介導(dǎo)轉(zhuǎn)晶和固體轉(zhuǎn)晶相互轉(zhuǎn)化。在工業(yè)生產(chǎn)中，無論采用正丁醇還是丙酮作為結(jié)晶溶劑，體系中都?xì)埩粲星岸斯ば驇淼恼〈既軇┙M分，且在丙酮中結(jié)晶時(shí)，為追求大粒徑產(chǎn)品，而添加少量水，因此都不能得到形貌完整的I 或II 晶型晶體，常是以混晶形式存在。而相關(guān)研究往往只關(guān)注了兩種晶型在純?nèi)軇┲械臒崃W(xué)數(shù)據(jù)，并未探究在溶劑中長時(shí)間平衡過程中利福平晶型的轉(zhuǎn)變[6]，以及混合溶劑組成中的熱力學(xué)數(shù)據(jù)。

本文研究I 晶型利福平在常用結(jié)晶溶劑中溶解時(shí)發(fā)生的晶型轉(zhuǎn)變。系統(tǒng)測(cè)定在不同溫度下II 晶型利福平在正丁醇-丙酮和水-丙酮兩種混合溶劑體系中的溶解度，并采用多種經(jīng)驗(yàn)方程對(duì)溶解度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。研究結(jié)果能夠?yàn)槔Ｆ缴a(chǎn)工藝優(yōu)化和產(chǎn)品質(zhì)量控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑與儀器

I 晶型和II 晶型利福平，上海新鉑化學(xué)技術(shù)有限公司，經(jīng)高效液相色譜儀檢測(cè)，純度98.030%。經(jīng)粉末X 射線衍射法(powder X-ray diffraction，PXRD)檢測(cè)，結(jié)果如圖1 所示，在13.6° 和14.4° 檢測(cè)到I晶型的特征峰，在9.9° 和11.1° 檢測(cè)到II 晶型的特征峰，原料分別為I 晶型和II 晶型利福平[7]。正丁醇、丙酮均為分析純，由上海泰坦科技股份有限公司提供；去離子水，實(shí)驗(yàn)室自制。

BSA224S-CW 型分析天平(精度(±0.000 1) g)，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；DC-3015 低溫恒溫槽(精度 ±0.1 ℃)，上海恒平科學(xué)儀器有限公司；DZF-6020 型真空干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；D8 Advance 型X 射線衍射儀，布魯克(北京)科技有限公司。

圖1 I 和II 晶型利福平的PXRD 特征圖Fig.1 PXRD pattern of rifampicin I and II

圖2 溶解度測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Schematic diagram of the experimental setup for solubility measurements

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用裝置如圖2 所示。將過量I 晶型利福平分別加入到正丁醇、丙酮、正丁醇-丙酮、水-丙酮混合溶劑中，在一定溫度下恒溫?cái)嚢? h 以上，然后取底層沉淀做PXRD 分析，確定晶型是否發(fā)生轉(zhuǎn)變。

測(cè)量溶解度數(shù)據(jù)的方法有平衡法[8-10]和動(dòng)態(tài)法[11]，本文采取平衡法。將適量溶劑加入到玻璃夾套瓶中，打開恒溫水浴槽并調(diào)節(jié)至指定溫度，然后用精度為0.1 K 的溫度計(jì)測(cè)量夾套瓶內(nèi)體系溫度，微調(diào)水浴槽溫度，直至被測(cè)體系達(dá)到指定溫度。當(dāng)溫度穩(wěn)定后，加入過量的II 晶型利福平，攪拌6 h 使夾套瓶內(nèi)溶液達(dá)到固液平衡。關(guān)閉攪拌，在該溫度下靜置6 h 以上，以保證固液分離，上層溶液中沒有懸浮顆粒。然后吸取上層清液，并通過0.45 μm 微濾膜過濾至潔凈已稱重的培養(yǎng)皿中，迅速稱量培養(yǎng)皿和溶液的質(zhì)量。將培養(yǎng)皿放入真空干燥箱中，干燥48 h 以上，直至質(zhì)量不再變化。

利福平在純?nèi)軇┲械哪柸芙舛仁褂孟率接?jì)算：

利福平在正丁醇-丙酮、水-丙酮混合溶劑中的摩爾溶解度使用下式計(jì)算：

其中，m1為溶質(zhì)的質(zhì)量(g)；m2和m3為不同溶劑的質(zhì)量(g)；M1、M2和M3分別為溶質(zhì)和不同溶劑的相對(duì)分子質(zhì)量(g·mol-1)。

為確保溶解度測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性，實(shí)驗(yàn)時(shí)分別于攪拌4、6 和12 h 后取樣分析，發(fā)現(xiàn)4 h 后溶液濃度已經(jīng)穩(wěn)定不變，因此攪拌時(shí)間6 h 足夠保證固液溶解平衡。實(shí)驗(yàn)使用的溶劑易揮發(fā)，在實(shí)驗(yàn)裝置上添加冷凝管，以保證溶劑的冷凝回流。每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次以保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。對(duì)底層晶體過濾、烘干后，使用PXRD 檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)過程中II 晶型利福平?jīng)]有發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變。

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置的可靠性，測(cè)量了不同溫度下氯化鉀在水中的溶解度，并將測(cè)量值與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[12]比較，相對(duì)偏差在0.5% 以內(nèi)，說明實(shí)驗(yàn)裝置與方法是可靠的，可用于II 晶型利福平溶解度的測(cè)定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 I 晶型利福平在溶劑中的晶型轉(zhuǎn)變

研究I 晶型在溶劑中的溶解度時(shí)，分析底物晶體的PXRD，如圖3 所示。發(fā)現(xiàn)在正丁醇、丙酮、正丁醇-丙酮、水-丙酮溶劑中均發(fā)生了溶劑介導(dǎo)轉(zhuǎn)晶，利福平從I 晶型轉(zhuǎn)變?yōu)镮I 晶型。在I晶型溶解平衡過程中，逐漸形成II 晶型的晶核，然后晶體生長消耗了溶液濃度，進(jìn)而又促進(jìn)原先 I 晶型的溶解，這種晶型轉(zhuǎn)變過程在一些多晶型藥物中普遍存在[13]。所以不宜使用平衡法測(cè)量I 晶型利福平在上述溶劑中的溶解度數(shù)據(jù)。

圖3 I 晶型利福平在不同溶劑中的PXRDFig.3 PXRD pattern of rifampicin form I in different solvents

3.2 II 晶型利福平溶解度數(shù)據(jù)的測(cè)定和關(guān)聯(lián)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了在288.15～323.15 K 時(shí)II 晶型利福平在正丁醇-丙酮、水-丙酮混合溶劑中的溶解度，結(jié)果見表1 和2。

Apelblat 方程[14]越來越多用于溶解度數(shù)據(jù)的擬合，該模型假定溶液的焓變?yōu)闇囟鹊木€性函數(shù)，經(jīng)進(jìn)一步簡化、修訂后可用于關(guān)聯(lián)溶解度與溫度之間的關(guān)系，方程形式如式(3)：

II 晶型利福平在不同配比的正丁醇-丙酮混合溶劑中的溶解度數(shù)據(jù)及不同模型計(jì)算值如表1 和圖4 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，利福平在不同配比的溶劑中，溶解度都隨著溫度升高而增大。當(dāng)y1= 1.000 時(shí)，即溶劑為正丁醇時(shí)，利福平的溶解度最小。當(dāng)y1= 0.350 時(shí)，利福平的溶解度最大。從圖5 可以發(fā)現(xiàn)，在相同溫度下，隨著混合溶劑中正丁醇含量的增加，利福平的溶解度先迅速增大，達(dá)到最大值后，然后下降。這種變化趨勢(shì)在高溫時(shí)顯著。低溫時(shí)整體溶解度較低，變化不明顯。其原因可能與分子間氫鍵有關(guān)，丙酮分子中存在羰基，形成氫鍵時(shí)羰基可作為氫鍵受體，但是分子內(nèi)不存在氫鍵供體，在純丙酮溶劑中，不形成氫鍵，所以丙酮易揮發(fā)，且黏度小。正丁醇分子中存在一個(gè)羥基，形成氫鍵時(shí)，既能作為氫鍵受體又能作為氫鍵供體，正丁醇分子間可以形成氫鍵，所以正丁醇相對(duì)丙酮揮發(fā)性小，黏度大。利福平分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分子內(nèi)存在羥基、胺基、羰基等多種能形成氫鍵的基團(tuán)。在丙酮中加入正丁醇，正丁醇中的羥基與利福平分子間形成氫鍵，使得溶解度增大。但當(dāng)正丁醇含量增加，由于正丁醇分子間的氫鍵數(shù)量增加，使得利福平與正丁醇形成氫鍵減少，導(dǎo)致溶解度下降。

表1 利福平在正丁醇-丙酮混合溶劑中的溶解度實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值 Table 1 Experimental and calculated values of rifampicin solubility in 1-butanol-acetone mixed solvents

圖4 利福平在正丁醇-丙酮混合溶劑中 的溶解度 Fig.4 Solubility of rifampicin in 1-butanol-acetone mixed solvents

圖5 利福平在正丁醇-丙酮混合溶劑中的溶解度 與溶劑組成關(guān)系 Fig.5 Relationship between solubility of rifampicin in 1-butanol-acetone mixed solvents and composition of solvents

II 晶型利福平在不同配比的水-丙酮混合溶劑中的溶解度數(shù)據(jù)及不同模型計(jì)算值如表2 和圖6 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，利福平在不同配比溶劑中的溶解度隨著溫度升高而增大。從圖7 可以發(fā)現(xiàn)，在同一溫度下溶解度隨著混合溶劑中水含量的增大而增大。其原因應(yīng)該與正丁醇-丙酮體系類似，容易形成氫鍵的水分子，使得溶劑中與利福平形成的氫鍵增加，進(jìn)而使得溶解度增大。

表2 利福平在水-丙酮混合溶劑中的溶解度實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值Table 2 Experimental and calculated values of rifampicin solubility in water-acetone mixed solvents

圖6 利福平在水-丙酮混合溶劑中的溶解度Fig.6 Solubility of rifampicin in water-acetone mixed solvents

圖7 利福平在水-丙酮混合溶劑中的溶解度與溶劑組成關(guān)系Fig.7 Relationship between solubility of rifampicin in water-acetone mixed solvents and composition of solvents

分別采用Apelblat 方程和理想狀態(tài)方程擬合兩個(gè)溶劑體系中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果見表3。在正丁醇-丙酮溶劑中，兩個(gè)方程的擬合R2均大于0.993，ARD 分別小于5%、12%，最大RMSD 分別為0.819×10-4和1.809×10-4，從整體結(jié)果上來看，Apelblat 方程的擬合效果要優(yōu)于理想狀態(tài)方程。(CNIBS)/ Redlich-Kister方程的擬合結(jié)果見表4，R2大于0.994，關(guān)聯(lián)良好。在水-丙酮溶劑中，Apelblat 方程和理想狀態(tài)方程的擬合 R2均大于 0.994，ARD 分別小于 5%、10%，最大 RMSD 分別為 0.858×10-4和 1.246×10-4，同樣 Apelblat方程的擬合效果優(yōu)于理想狀態(tài)方程。(CNIBS)/Redlich-Kister 方程的擬合R2大于0.999，關(guān)聯(lián)良好。

表3 Apelblat 方程和理想狀態(tài)方程模型參數(shù)回歸結(jié)果Table 3 Parameters of the Apelblat equation and ideal model

表4 (CNIBS)/Redlich-Kister 方程模型參數(shù)回歸結(jié)果Table 4 Parameters of the (CNIBS)/Redlich-Kister equation and ideal model

3.3 熱力學(xué)參數(shù)

固液平衡體系的熱力學(xué)參數(shù)可以通過修正的van’t Hoff 方程來計(jì)算。在恒定壓力下溶質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾溶解焓計(jì)算公式如式(9)[17]：

其中Tm為所有實(shí)驗(yàn)溫度的平均值(本實(shí)驗(yàn)中Tm= 305.22 K)，計(jì)算公式如式(10)：

式中：N 為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的溫度點(diǎn)數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)摩爾溶解吉布斯自由能和標(biāo)準(zhǔn)摩爾溶解熵計(jì)算公式如式(11)、(12)：

式中：intercept 是以lnxi和(1/T ?1/Tm)作圖得出的截距。

溶解過程中焓變和熵變的貢獻(xiàn)通過式(13)、(14)計(jì)算：

兩種混合體系中的熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果如表5 所示。在兩種體系中利福平和均為正值，表明在這些體系的溶解為吸熱過程，該結(jié)果與溶解度隨著溫度升高而增大相符合。此外根據(jù)van’t Hoff 方程計(jì)算得到的吉布斯自由能為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溶解吉布斯自由能，所以不能據(jù)此判斷反應(yīng)是否自發(fā)進(jìn)行。ξH的計(jì)算結(jié)果均大于50%，說明在實(shí)驗(yàn)過程中ΔsolHom對(duì)ΔsolGom的貢獻(xiàn)較大。

表5 利福平溶解熱力學(xué)性質(zhì)Table 5 Thermodynamic properties of rifampicin solutions

4 結(jié) 論

(1) I 晶型利福平在正丁醇、丙酮、正丁醇-丙酮、水-丙酮混合溶劑中發(fā)生溶劑介導(dǎo)轉(zhuǎn)晶，轉(zhuǎn)變?yōu)镮I晶型，因此在這些溶劑中I 晶型的溶解度難以通過平衡法測(cè)量。

(2) 采用平衡法測(cè)定了288.15～323.15 K 時(shí)II 晶型利福平在正丁醇-丙酮和水-丙酮混合溶劑體系中的溶解度。在所有體系中，溶解度隨著溫度升高而增大。使用Apelblat 模型能夠很好擬合溶解度數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)結(jié)果良好。

(3) 在正丁醇-丙酮體系中溶解度隨著正丁醇的摩爾比增加先增大后減小，在摩爾比0.350 附近溶解度最大。在水-丙酮體系中，溶解度隨著水的摩爾比增加而增大。引入溫度參數(shù)采用(CNIBS)/Redlich-Kister模型進(jìn)行修正，結(jié)果顯示關(guān)聯(lián)良好，改善了模型單因素預(yù)測(cè)的缺陷，有效地提高了利福平在二元混合溶劑中溶解度的預(yù)測(cè)精度。

(4) 根據(jù)van’t Hoff 方程計(jì)算了利福平在兩種混合溶劑中的ΔsolHom、ΔsolGom和ΔsolSom。由結(jié)果可知，ΔsolHom均為正值，表明利福平在溶劑體系中的溶解均為吸熱反應(yīng)，溶解度值隨著溫度升高增大，實(shí)驗(yàn)值很好地符合這一結(jié)論。

符號(hào)說明：

a,b — 理想狀態(tài)方程模型參數(shù)

A,B,C — 修訂的Apelblat 方程參數(shù)

ARD — 平均相對(duì)偏差

B0,B1,B2,B3,B4— 模型(CNIBS)/R-K 方程參數(shù)

m1,m2,m3— 溶質(zhì)利福平和溶劑的質(zhì)量，g

M1M2M3— 溶質(zhì)利福平和溶劑的相對(duì)分子質(zhì)量，g·mol-1

R — 氣體常數(shù)，J·mol-1·K-1

R2— 擬合優(yōu)度判定系數(shù)

RD — 相對(duì)偏差

RMSD — 均方根偏差

T — 實(shí)驗(yàn)溫度，K

Tm— 平均溫度，K

xcal— 溶質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)的計(jì)算值

xi— 溶質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)值

y1— 正丁醇-丙酮溶劑中正丁醇的摩爾分?jǐn)?shù)，%

y2— 水-丙酮溶劑中水的摩爾分?jǐn)?shù)，%