智敏杰, 陳 亮

(西北政法大學(xué) 公安學(xué)院, 陜西 西安 710122)

1 前 言

氯唑西林鈉(cloxacillin sodium)，為白色或類白色結(jié)晶性粉末，有引濕性。在臨床上主要用于治療耐青霉素酶的金黃色葡萄球菌所致的敗血癥、心內(nèi)膜炎、呼吸道感染和皮膚軟組織感染等[1]。目前，國產(chǎn)氯唑西林鈉的澄清度不能達(dá)到中國藥典對氯唑西林鈉的要求，產(chǎn)品普遍存在純度低、溶劑殘留嚴(yán)重等質(zhì)量問題。產(chǎn)生這一問題的根源在于工廠生產(chǎn)的氯唑西林鈉產(chǎn)品外觀形態(tài)不規(guī)則，晶習(xí)不完整。晶體產(chǎn)品的晶習(xí)至關(guān)重要[2]，尤其對于醫(yī)藥產(chǎn)品而言，控制產(chǎn)品晶習(xí)不僅可以提高有效成分濃度[3-4]，而且還會影響產(chǎn)品特性溶出速率[5]。晶體產(chǎn)品的晶習(xí)是由分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部因素共同決定的，在眾多外部因素中，溶劑是主要的影響因素之一。比如KERALIYA 等[6]研究了不同溶劑對甲苯磺丁脲晶習(xí)的影響，國內(nèi)外一些學(xué)者也通過實驗或理論研究了不同溶劑對晶習(xí)的影響[4,7-11]。因此，研究不同溶劑體系對晶體晶習(xí)的影響具有重要意義。

為了研究氯唑西林鈉產(chǎn)品晶習(xí)不完整導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不合格的問題，本文首先測定了氯唑西林鈉在 4種不同溶劑體系中的溶解度，通過氯唑西林鈉的熱力學(xué)分析，篩選出適用于氯唑西林鈉結(jié)晶的溶劑體系。其次，在氯唑西林鈉溶解度研究的基礎(chǔ)上，研究了不同溶劑對氯唑西林鈉晶習(xí)的影響，篩選出適合工業(yè)化生產(chǎn)的最優(yōu)晶習(xí)。最后通過X 射線粉末衍射(X-ray diffraction spectrum, XRD)分析，判定所得到的不同晶習(xí)產(chǎn)品的晶型，并通過熱重分析(thermogravimetry and differential thermal analysis, TG-DTA)對氯唑西林鈉晶體進(jìn)行了熱分析研究。上述研究不僅為進(jìn)一步提高氯唑西林鈉產(chǎn)品質(zhì)量和工藝優(yōu)化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且為性質(zhì)和生產(chǎn)工藝與氯唑西林鈉相似的氨芐西林鈉、美洛西林鈉等產(chǎn)品的研究提供了研究思路和數(shù)據(jù)參考。

2 實驗部分

2.1 實驗裝置與藥品

2.1.1 實驗裝置

測量氯唑西林鈉溶解度的實驗裝置如圖1 所示。該實驗裝置主要由兩部分組成：恒溫溶解體系和激光輔助監(jiān)測體系。利用激光輔助監(jiān)測體系，可以監(jiān)測實驗過程中溶解度的溶解終點(diǎn)。上述設(shè)備的規(guī)格型號與精度等參數(shù)見表1。

圖1 溶解度測定實驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup for solubility measurement

2.1.2 實驗藥品

實驗藥品與試劑：氯唑西林鈉(自己合成，純度＞99%)，試劑(分析純，西安化學(xué)試劑廠)。

2.2 實驗方法與步驟

2.2.1 溶解度測定方法與步驟

將一定量的溶劑準(zhǔn)確稱量后加入結(jié)晶器中，開啟磁力攪拌，待體系溫度恒定在預(yù)設(shè)溫度 30 min后，打開激光監(jiān)視體系，由晶體管激光器產(chǎn)生的激光束從一側(cè)進(jìn)入結(jié)晶器，從另一側(cè)透射后由光電轉(zhuǎn)換器接收，并轉(zhuǎn)換成電信號后由光強(qiáng)器顯示光強(qiáng)數(shù)值。稱量一定量的氯唑西林鈉加入到結(jié)晶器中，待氯唑西林鈉完全溶解后，向結(jié)晶器中加入少量精確稱量的固體物質(zhì)，懸浮于液體中的固體顆粒反射和遮蔽了入射激光的大部分甚至全部，光強(qiáng)顯示器上的讀數(shù)突然降低，隨著固體粒子的逐漸溶解，光強(qiáng)又開始升高，當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到最大值時重復(fù)上述加料過程，直至光強(qiáng)讀數(shù)穩(wěn)定20 min 且未能達(dá)到最大值，此時記錄加入的溶質(zhì)總量。為保證準(zhǔn)確性，每個溫度點(diǎn)的溶解度數(shù)據(jù)重復(fù)測定3 次。氯唑西林鈉在溶劑中的摩爾分率溶解度x 采用式(1)計算得到：

表1 氯唑西林鈉溶解度測定實驗設(shè)備一覽表Table 1 Equipment for the measurement of cloxacillin sodium solubility

式中：m 為溶質(zhì)氯唑西林鈉的質(zhì)量，M 為溶質(zhì)氯唑西林鈉的摩爾質(zhì)量，mA為溶劑 (無水乙醇、丙醇、異丙醇或丙酮) 的質(zhì)量，MA為溶劑 (無水乙醇、丙醇、異丙醇或丙酮) 的摩爾質(zhì)量。

2.2.2 晶習(xí)研究方法與步驟

針對目前氯唑西林鈉產(chǎn)品中存在的問題，為優(yōu)化氯唑西林鈉的生產(chǎn)工藝提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本文考察了不同溶劑體系對氯唑西林鈉晶體晶習(xí)的影響。實驗所用的溶劑體系有：吡啶-乙酸丁酯，水-四氫呋喃，甲醇-無水乙醚，甲醇-乙酸丁酯，甲醇-乙酸乙酯，乙酸乙酯，乙醇。實驗過程中，對于二元溶劑體系采用的是溶析結(jié)晶的方法，即把產(chǎn)品氯唑西林鈉溶于相應(yīng)溶劑中，待氯唑西林鈉完全溶解后向其溶液中滴加溶析劑，隨著溶析劑的加入氯唑西林鈉在二元溶劑中的溶解度降低，最終析出氯唑西林鈉固體。乙酸乙酯溶劑體系中采用的是反應(yīng)結(jié)晶的方法，首先向氯唑西林鈉的水溶液中加入乙酸乙酯，然后向其中滴加稀硫酸，經(jīng)酸化萃取后得到氯唑西林酸的乙酸乙酯溶液，最后向氯唑西林酸的乙酸乙酯溶液中滴加異辛酸鈉的乙酸乙酯溶液，反應(yīng)得到氯唑西林鈉固體。乙醇溶劑體系中采用的是冷卻結(jié)晶的方法，即把產(chǎn)品氯唑西林鈉加入到乙醇溶液中高溫使其溶解，然后降低溫度，隨著溫度的降低氯唑西林鈉在乙醇中的溶解度降低，并析出氯唑西林鈉固體。

實驗結(jié)束后，對不同晶習(xí)氯唑西林鈉產(chǎn)品進(jìn)行XRD 圖譜分析，研究不同晶習(xí)產(chǎn)品的晶型，并進(jìn)一步對其進(jìn)行晶體熱重分析(TG-DTA)。X-射線粉末衍射儀的掃描速率為 1step/s，范圍為 3° ～40°(2θ)。TG-DTA分析控制氮?dú)獗Ｗo(hù)氣的流速在85 mL·min-1，樣品的質(zhì)量為4.4 mg，測定溫度范圍在25～400 ℃，加熱速率為 10 ℃·min-1。

3 結(jié)果與討論

3.1 氯唑西林鈉的溶解度

β-內(nèi)酰胺抗生素在高溫下容易降解[12-14]，氯唑西林鈉作為β-內(nèi)酰胺抗生素的一種，其在298 K 以下降解可以忽略不及，但是當(dāng)溫度高于298 K 時，氯唑西林鈉的降解不可忽略，且其降解隨溫度的升高而加速[15]。為了研究氯唑西林鈉的溶解特性，并為篩選氯唑西林鈉最優(yōu)晶習(xí)提供基礎(chǔ)溶劑數(shù)據(jù)，本文測定了278～298 K，氯唑西林鈉在無水乙醇、丙醇、異丙醇及丙酮中的溶解度，如圖2 所示。圖中，xexp為氯唑西林鈉在溶劑中的摩爾分?jǐn)?shù)溶解度的實驗值。

圖2 氯唑西林鈉在溶劑中的溶解度Fig.2 Solubility of cloxacillin sodium in pure solvents

由圖2 可以看出，氯唑西林鈉在上述4 種純?nèi)軇┲械娜芙舛榷茧S溫度的升高而增大，在同一溫度下，氯唑西林鈉在這 4 種純?nèi)軇┲械娜芙舛鹊拇笮№樞驗椋簾o水乙醇＞丙醇＞異丙醇＞丙酮。對于大多數(shù)物質(zhì)而言，溶解度應(yīng)符合相似相溶原理，即極性溶質(zhì)在溶劑中的溶解度隨極性的降低而降低。查詢數(shù)據(jù)手冊可知[16]，上述 4 種溶劑的極性大小為：乙醇＞丙酮＞丙醇＞異丙醇。依據(jù)相似相溶原理，氯唑西林鈉在乙醇、丙醇和異丙醇中的溶解度大小依次應(yīng)為：乙醇＞丙醇＞異丙醇，在丙酮中的溶解度應(yīng)在乙醇和丙醇之間。但是，實測溶解度數(shù)據(jù)顯示丙酮中氯唑西林鈉的溶解度最小，原因主要是溶解度除了遵循相似相溶原理外，還受到溶質(zhì)溶劑物理化學(xué)性質(zhì)、溶質(zhì)與溶劑分子間作用力等因素的影響[17-18]。

為了便于預(yù)測其它溫度下氯唑西林鈉的溶解度數(shù)值，本文利用經(jīng)驗公式對實驗測得的溶解度數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)值擬合。結(jié)晶過程由于涉及固相，過程復(fù)雜，國內(nèi)外許多學(xué)者通過研究大量的固液平衡基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提出了一些簡化經(jīng)驗方程來預(yù)測固液平衡的溶解度數(shù)據(jù)。在這些簡化經(jīng)驗方程中，Apelblat 經(jīng)驗方程在擬合固液相的溶解度方面得到了廣泛的應(yīng)用[19-22]。因此，本文利用 Apelblat 經(jīng)驗方程[23-24]對氯唑西林鈉在單溶劑中的溶解度進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。Apelblat 經(jīng)驗方程為：

式中：x 為溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)溶解度，A、B、C 都為模型待定參數(shù)，T 為熱力學(xué)溫度，單位為K。利用Apelblat 經(jīng)驗方程，擬合氯唑西林鈉在單溶劑中的溶解度，結(jié)果如圖2 所示，擬合得到的模型參數(shù)和相關(guān)系數(shù)R2均列于表2。由圖2 可見，Apelblat 經(jīng)驗方程可以很好地描述氯唑西林鈉在無水乙醇、丙醇、異丙醇和丙酮4 種溶劑中的溶解度。

為了進(jìn)一步檢驗Apelblat 經(jīng)驗方程的擬合效果，利用log-logistic 分布函數(shù)對Apelblat 經(jīng)驗方程擬合結(jié)果的可靠性進(jìn)行了分析。log-logistic 分布函數(shù)可表示為[25-26]：

式中：I 為總的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。

基于最小二乘法，利用氯唑西林鈉在無水乙醇、丙醇、異丙醇和丙酮4 種溶劑下溶解度預(yù)測值與實驗值xpre/xexp的比值和累積概率Pf，對式(3)進(jìn)行擬合，得到4 種溶劑下縮減因子a、形狀因子p 和相關(guān)系數(shù)R2，擬合結(jié)果均列于表2 中。利用擬合得到的 a 和 p 的數(shù)值，由式(4)得到 4 種溶劑下Apelblat 經(jīng)驗方程擬合結(jié)果與實驗值比值xpre/xexp的概率密度函數(shù)曲線，如圖3 所示。

圖3 概率密度函數(shù)曲線Fig.3 Curves of probability density function

由表2 和圖3 可見，Apelblat 簡化經(jīng)驗方程能很好地描述氯唑西林鈉在純?nèi)軇┲械娜芙舛?。其中，Apelblat 簡化經(jīng)驗方程對乙醇溶劑的溶解度數(shù)據(jù)擬合效果最好，誤差范圍在±5%，丙醇溶劑中的溶解度數(shù)據(jù)擬合效果次之，誤差在±15%，對異丙醇和丙酮溶劑中的溶解度數(shù)據(jù)擬合效果較差，誤差在 ±25%。Apelblat 簡化經(jīng)驗方程對異丙醇和丙酮溶劑中的溶解度數(shù)據(jù)擬合效果較差原因在于，氯唑西林鈉在這2 種溶劑中的溶解度較小，現(xiàn)有儀器的測量精度帶來的相對誤差較大，導(dǎo)致實驗測量數(shù)據(jù)分散性較大。

3.2 溶劑體系的選擇

氯唑西林鈉溶解度的測定為研究其溶液結(jié)晶的方式、溶劑的選擇、產(chǎn)品的晶習(xí)等提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文根據(jù)氯唑西林鈉在不同溶劑中的溶解度研究了氯唑西林鈉結(jié)晶的溶劑體系的選擇，并最終考察了不同溶劑體系對產(chǎn)品晶習(xí)等的影響。

結(jié)晶通常是指溶質(zhì)從溶液中析出然后形成晶體的一個過程，不同的結(jié)晶方法選取的溶劑體系不同。對于溶析結(jié)晶，溶劑選擇易于溶解氯唑西林鈉的溶劑體系，溶析劑選擇難以溶解氯唑西林鈉的溶劑體系。此外，所選溶劑和溶析劑必須互溶。氯唑西林鈉在甲醇、水和吡啶中易于溶，在乙酸丁酯、四氫呋喃、無水乙醚和乙酸乙酯中難以溶解。因此，甲醇、水和吡啶可以作為氯唑西林鈉的溶劑，乙酸丁酯、四氫呋喃、無水乙醚和乙酸乙酯可以作為氯唑西林鈉的溶析劑?？紤]到溶析結(jié)晶還需分析溶劑和溶析劑的互溶性，將上述試劑的互溶性列于表3。

由表3 可知，氯唑西林鈉溶析結(jié)晶的溶劑體系有：甲醇-乙酸丁酯、甲醇-四氫呋喃、甲醇-無水乙醚、甲醇-乙酸乙酯、水-四氫呋喃、吡啶-乙酸丁酯、吡啶-四氫呋喃、吡啶-無水乙醚和吡啶-乙酸乙酯。由溶析實驗發(fā)現(xiàn)，氯唑西林鈉在甲醇-四氫呋喃、吡啶-四氫呋喃、吡啶-無水乙醚和吡啶-乙酸乙酯的溶劑體系中加入約 30 倍的溶析劑仍然沒有晶體析出。因此，上述4 種溶劑體系不能作為氯唑西林鈉溶析結(jié)晶的溶劑體系。基于此，本文考察了氯唑西林鈉在另外5 種溶劑體系(吡啶-乙酸丁酯，水-四氫呋喃，甲醇-無水乙醚，甲醇-乙酸乙酯，甲醇-乙酸丁酯) 中的晶習(xí)。

工廠生產(chǎn)氯唑西林鈉的結(jié)晶工藝是在乙酸乙酯溶劑體系中，由氯唑西林酸和異辛酸鈉反應(yīng)生成氯唑西林鈉。由于氯唑西林鈉在乙酸乙酯中不溶解，反應(yīng)生成的氯唑西林鈉產(chǎn)品作為固體析出。因此對于乙酸乙酯溶劑體系，本文考察了氯唑西林鈉在乙酸乙酯體系中反應(yīng)結(jié)晶的晶習(xí)。

冷卻結(jié)晶應(yīng)選擇氯唑西林鈉在溶劑中的溶解度隨溫度下降而明顯減少的溶劑，且要求氯唑西林鈉的溶解度在該溶劑中要盡可能的大，因此略溶、微溶和極微溶解的溶劑不適合做氯唑西林鈉冷卻結(jié)晶的溶劑。根據(jù)中國藥典藥物溶解度的級別[27]可知，氯唑西林鈉在無水乙醇中溶解，在丙醇中略溶，在異丙醇中微溶，在丙酮中極微溶解。此外，氯唑西林鈉在二元溶劑甲醇-乙酸乙酯和甲醇-乙酸丁酯中的溶解度隨溫度變化不大[28]，不適宜采用冷卻結(jié)晶的方式。由圖2 可知，氯唑西林鈉在乙醇中的溶解度隨溫度變化最為明顯，溶解度較大，因此氯唑西林鈉在乙醇中可以采取冷卻結(jié)晶的方式。對于冷卻結(jié)晶，本研究考察了氯唑西林鈉在乙醇中冷卻結(jié)晶的晶習(xí)。

表3 試劑的互溶性Table 3 Miscibility of solvents

3.3 溶劑體系對晶習(xí)的影響

氯唑西林鈉在上述不同溶劑體系中結(jié)晶得到的產(chǎn)品晶習(xí)如圖4 所示。由圖4 可以看出，氯唑西林鈉晶體存在2 種晶習(xí)——針狀晶習(xí)和片狀晶習(xí)。氯唑西林鈉在吡啶-乙酸丁酯、甲醇-無水乙醚、水-四氫呋喃、乙酸乙酯體系中結(jié)晶得到的產(chǎn)品為針狀晶習(xí)，見圖4。其中，水-四氫呋喃體系中的針狀晶習(xí)，比較細(xì)小。甲醇-無水乙醚中的針狀晶習(xí)，長徑比較大，與水-四氫呋喃體系中的晶習(xí)相比，直徑較大。吡啶-乙酸丁酯和乙酸乙酯中的針狀晶習(xí)相似，均為類似纖維的針狀。由于針狀晶習(xí)的產(chǎn)品容易聚結(jié)和破碎，在過濾時容易堵塞濾布，使得過濾時間增大，此外容易產(chǎn)生溶劑包藏，使得產(chǎn)品溶劑殘留嚴(yán)重，質(zhì)量不能達(dá)標(biāo)，因此吡啶-乙酸丁酯、甲醇-無水乙醚、水-四氫呋喃、乙酸乙酯體系都不適合作為氯唑西林鈉結(jié)晶的溶劑體系。

氯唑西林鈉在甲醇-乙酸乙酯、甲醇-乙酸丁酯和乙醇中結(jié)晶得到的產(chǎn)品均為片狀晶習(xí)。其中，甲醇-乙酸乙酯體系中的片狀晶習(xí)，產(chǎn)品厚度較小。甲醇-乙酸丁酯和乙醇體系中的片狀產(chǎn)品呈長方體狀，厚度相對較大。因此，優(yōu)先選擇甲醇-乙酸丁酯和乙醇體系作為氯唑西林鈉結(jié)晶的溶劑體系。相對于針狀晶習(xí)，片狀晶習(xí)產(chǎn)品容易過濾和干燥，溶劑包藏要明顯降低，利于工業(yè)化生產(chǎn)和提高產(chǎn)品質(zhì)量。由此可知，氯唑西林鈉的最優(yōu)晶習(xí)為片狀晶習(xí)。

3.4 晶體產(chǎn)品分析

3.4.1 晶型分析

不同溶劑結(jié)晶時可能會產(chǎn)生多晶型[29]，為了判斷不同晶習(xí)的氯唑西林鈉的晶型，本文對前面所得到的氯唑西林鈉產(chǎn)品，進(jìn)行XRD 圖譜分析，結(jié)果如圖5 所示，圖中XRD圖譜自下而上對應(yīng)的溶劑體系分別為(a)吡啶-乙酸丁酯、(b)甲醇-無水乙醚、(c)水-四氫呋喃、(d)乙酸乙酯、(e)乙醇、(f)甲醇-乙酸乙酯、(g)甲醇-乙酸丁酯。由圖 5 可以看出，氯唑西林鈉在上述不同溶劑體系中得到的晶體產(chǎn)品的XRD 圖譜峰位置完全重合。由此可知，氯唑西林鈉的上述晶習(xí)產(chǎn)品屬于同一晶型，這一晶型產(chǎn)品XRD 圖譜的特征峰有 6.9°、11.5°、13.0°和 15.2°。

3.4.2 熱分析研究

圖5 氯唑西林鈉X-射線粉末衍射圖譜Fig.5 X-ray diffraction patterns of cloxacillin sodium

圖6 氯唑西林鈉的TG-DTA 曲線圖Fig.6 TG-DTA curves of cloxacillin sodium

氯唑西林鈉分子中含有一個結(jié)晶水，為了研究結(jié)晶水與氯唑西林鈉分子之間的關(guān)系，本文對氯唑西林鈉產(chǎn)品進(jìn)行了熱重分析(TG-DTA)，分析結(jié)果如圖6 所示。在氯唑西林鈉TG 圖譜中，在145～170 ℃出現(xiàn)了第1 個失重臺階，失重量為3.6%，在163 ℃出現(xiàn)一個吸熱峰。根據(jù)氯唑西林鈉的分子式可知，氯唑西林鈉中含結(jié)晶水量為 3.78%。含水量與失重量兩者基本相等，這表明在145～170 ℃為氯唑西林鈉的脫水過程。由于脫水過程為吸熱過程，需要吸收大量的熱量，因此在163 ℃出現(xiàn)了一個吸熱峰。在TG 圖譜中，大約189 ℃時出現(xiàn)了第2 個失重臺階，氯唑西林鈉的質(zhì)量隨著溫度的升高急劇下降，說明該臺階為氯唑西林鈉的分解失重過程，分解過程為放熱過程，相應(yīng)的 TG 圖譜中在194 ℃出現(xiàn)一放熱峰。

氯唑西林鈉的脫水溫度較高，在145～170 ℃，并且脫水后氯唑西林鈉很快發(fā)生了降解，因此氯唑西林鈉的結(jié)晶水為非游離態(tài)，其與氯唑西林鈉分子之間結(jié)合緊密，很難除去。

4 結(jié) 論

(1) 氯唑西林鈉在無水乙醇、丙醇、異丙醇及丙酮四種純?nèi)軇┲械娜芙舛榷茧S溫度的升高而增大，利用Apelblat 經(jīng)驗方程可以較好地擬合氯唑西林鈉在上述4 種溶劑中的溶解度。

(2) 不同的溶劑體系中氯唑西林鈉存在2 種晶習(xí)——片狀晶習(xí)和針狀晶習(xí)，這2 種晶習(xí)的產(chǎn)品都屬于同一種晶型。

(3) TG-DTA 分析表明，氯唑西林鈉的分解溫度為194 ℃、脫水溫度為163 ℃。

符號說明：

a — 縮減因子

m — 溶質(zhì)氯唑西林鈉的質(zhì)量，g

mA— 溶劑的質(zhì)量，g

M — 溶劑氯唑西林鈉的摩爾質(zhì)量，g·mol-1

MA— 溶劑的摩爾質(zhì)量，g·mol-1

p — 形狀因子

S — 溶解度，103xexp

x — 摩爾分率溶解度

上標(biāo)

pre — 預(yù)測值

exp — 實驗值