智敏杰, 陳 亮

(西北政法大學 公安學院, 陜西 西安 710122)

1 前 言

氯唑西林鈉(cloxacillin sodium)，為白色或類白色結晶性粉末，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、心內膜炎、呼吸道感染和皮膚軟組織感染等[1]。目前，國產氯唑西林鈉的澄清度不能達到中國藥典對氯唑西林鈉的要求，產品普遍存在純度低、溶劑殘留嚴重等質量問題。產生這一問題的根源在于工廠生產的氯唑西林鈉產品外觀形態(tài)不規(guī)則，晶習不完整。晶體產品的晶習至關重要[2]，尤其對于醫(yī)藥產品而言，控制產品晶習不僅可以提高有效成分濃度[3-4]，而且還會影響產品特性溶出速率[5]。晶體產品的晶習是由分子內部結構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的影響，國內外一些學者也通過實驗或理論研究了不同溶劑對晶習的影響[4,7-11]。因此，研究不同溶劑體系對晶體晶習的影響具有重要意義。

為了研究氯唑西林鈉產品晶習不完整導致產品質量不合格的問題，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分析，篩選出適用于氯唑西林鈉結晶的溶劑體系。其次，在氯唑西林鈉溶解度研究的基礎上，研究了不同溶劑對氯唑西林鈉晶習的影響，篩選出適合工業(yè)化生產的最優(yōu)晶習。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產品的晶型，并通過熱重分析(thermogravimetry and differential thermal analysis, TG-DTA)對氯唑西林鈉晶體進行了熱分析研究。上述研究不僅為進一步提高氯唑西林鈉產品質量和工藝優(yōu)化提供了基礎數據，而且為性質和生產工藝與氯唑西林鈉相似的氨芐西林鈉、美洛西林鈉等產品的研究提供了研究思路和數據參考。

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。上述設備的規(guī)格型號與精度等參數見表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

將一定量的溶劑準確稱量后加入結晶器中，開啟磁力攪拌，待體系溫度恒定在預設溫度 30 min后，打開激光監(jiān)視體系，由晶體管激光器產生的激光束從一側進入結晶器，從另一側透射后由光電轉換器接收，并轉換成電信號后由光強器顯示光強數值。稱量一定量的氯唑西林鈉加入到結晶器中，待氯唑西林鈉完全溶解后，向結晶器中加入少量精確稱量的固體物質，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，光強顯示器上的讀數突然降低，隨著固體粒子的逐漸溶解，光強又開始升高，當光強達到最大值時重復上述加料過程，直至光強讀數穩(wěn)定20 min 且未能達到最大值，此時記錄加入的溶質總量。為保證準確性，每個溫度點的溶解度數據重復測定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備一覽表Table 1 Equipment for the measurement of cloxacillin sodium solubility

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

2.2.2 晶習研究方法與步驟

針對目前氯唑西林鈉產品中存在的問題，為優(yōu)化氯唑西林鈉的生產工藝提供基礎數據，本文考察了不同溶劑體系對氯唑西林鈉晶體晶習的影響。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晶的方法，即把產品氯唑西林鈉溶于相應溶劑中，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結晶的方法，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，反應得到氯唑西林鈉固體。乙醇溶劑體系中采用的是冷卻結晶的方法，即把產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。

實驗結束后，對不同晶習氯唑西林鈉產品進行XRD 圖譜分析，研究不同晶習產品的晶型，并進一步對其進行晶體熱重分析(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分析控制氮氣保護氣的流速在85 mL·min-1，樣品的質量為4.4 mg，測定溫度范圍在25～400 ℃，加熱速率為 10 ℃·min-1。

3 結果與討論

3.1 氯唑西林鈉的溶解度

β-內酰胺抗生素在高溫下容易降解[12-14]，氯唑西林鈉作為β-內酰胺抗生素的一種，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)晶習提供基礎溶劑數據，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數溶解度的實驗值。

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 種純溶劑中的溶解度都隨溫度的升高而增大，在同一溫度下，氯唑西林鈉在這 4 種純溶劑中的溶解度的大小順序為：無水乙醇＞丙醇＞異丙醇＞丙酮。對于大多數物質而言，溶解度應符合相似相溶原理，即極性溶質在溶劑中的溶解度隨極性的降低而降低。查詢數據手冊可知[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為：乙醇＞丙醇＞異丙醇，在丙酮中的溶解度應在乙醇和丙醇之間。但是，實測溶解度數據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，還受到溶質溶劑物理化學性質、溶質與溶劑分子間作用力等因素的影響[17-18]。

為了便于預測其它溫度下氯唑西林鈉的溶解度數值，本文利用經驗公式對實驗測得的溶解度數據進行了數值擬合。結晶過程由于涉及固相，過程復雜，國內外許多學者通過研究大量的固液平衡基礎數據提出了一些簡化經驗方程來預測固液平衡的溶解度數據。在這些簡化經驗方程中，Apelblat 經驗方程在擬合固液相的溶解度方面得到了廣泛的應用[19-22]。因此，本文利用 Apelblat 經驗方程[23-24]對氯唑西林鈉在單溶劑中的溶解度進行數據擬合。Apelblat 經驗方程為：

式中：x 為溶質的摩爾分數溶解度，A、B、C 都為模型待定參數，T 為熱力學溫度，單位為K。利用Apelblat 經驗方程，擬合氯唑西林鈉在單溶劑中的溶解度，結果如圖2 所示，擬合得到的模型參數和相關系數R2均列于表2。由圖2 可見，Apelblat 經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。

為了進一步檢驗Apelblat 經驗方程的擬合效果，利用log-logistic 分布函數對Apelblat 經驗方程擬合結果的可靠性進行了分析。log-logistic 分布函數可表示為[25-26]：

式中：I 為總的數據點數。

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 種溶劑下溶解度預測值與實驗值xpre/xexp的比值和累積概率Pf，對式(3)進行擬合，得到4 種溶劑下縮減因子a、形狀因子p 和相關系數R2，擬合結果均列于表2 中。利用擬合得到的 a 和 p 的數值，由式(4)得到 4 種溶劑下Apelblat 經驗方程擬合結果與實驗值比值xpre/xexp的概率密度函數曲線，如圖3 所示。

圖3 概率密度函數曲線Fig.3 Curves of probability density function

由表2 和圖3 可見，Apelblat 簡化經驗方程能很好地描述氯唑西林鈉在純溶劑中的溶解度。其中，Apelblat 簡化經驗方程對乙醇溶劑的溶解度數據擬合效果最好，誤差范圍在±5%，丙醇溶劑中的溶解度數據擬合效果次之，誤差在±15%，對異丙醇和丙酮溶劑中的溶解度數據擬合效果較差，誤差在 ±25%。Apelblat 簡化經驗方程對異丙醇和丙酮溶劑中的溶解度數據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，現有儀器的測量精度帶來的相對誤差較大，導致實驗測量數據分散性較大。

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晶的方式、溶劑的選擇、產品的晶習等提供了基礎數據。本文根據氯唑西林鈉在不同溶劑中的溶解度研究了氯唑西林鈉結晶的溶劑體系的選擇，并最終考察了不同溶劑體系對產品晶習等的影響。

結晶通常是指溶質從溶液中析出然后形成晶體的一個過程，不同的結晶方法選取的溶劑體系不同。對于溶析結晶，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，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晶的溶劑體系?；诖?，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。

工廠生產氯唑西林鈉的結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，反應生成的氯唑西林鈉產品作為固體析出。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結晶的晶習。

冷卻結晶應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晶的溶劑。根據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晶的方式。對于冷卻結晶，本研究考察了氯唑西林鈉在乙醇中冷卻結晶的晶習。

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

3.3 溶劑體系對晶習的影響

氯唑西林鈉在上述不同溶劑體系中結晶得到的產品晶習如圖4 所示。由圖4 可以看出，氯唑西林鈉晶體存在2 種晶習——針狀晶習和片狀晶習。氯唑西林鈉在吡啶-乙酸丁酯、甲醇-無水乙醚、水-四氫呋喃、乙酸乙酯體系中結晶得到的產品為針狀晶習，見圖4。其中，水-四氫呋喃體系中的針狀晶習，比較細小。甲醇-無水乙醚中的針狀晶習，長徑比較大，與水-四氫呋喃體系中的晶習相比，直徑較大。吡啶-乙酸丁酯和乙酸乙酯中的針狀晶習相似，均為類似纖維的針狀。由于針狀晶習的產品容易聚結和破碎，在過濾時容易堵塞濾布，使得過濾時間增大，此外容易產生溶劑包藏，使得產品溶劑殘留嚴重，質量不能達標，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晶得到的產品均為片狀晶習。其中，甲醇-乙酸乙酯體系中的片狀晶習，產品厚度較小。甲醇-乙酸丁酯和乙醇體系中的片狀產品呈長方體狀，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晶的溶劑體系。相對于針狀晶習，片狀晶習產品容易過濾和干燥，溶劑包藏要明顯降低，利于工業(yè)化生產和提高產品質量。由此可知，氯唑西林鈉的最優(yōu)晶習為片狀晶習。

3.4 晶體產品分析

3.4.1 晶型分析

不同溶劑結晶時可能會產生多晶型[29]，為了判斷不同晶習的氯唑西林鈉的晶型，本文對前面所得到的氯唑西林鈉產品，進行XRD 圖譜分析，結果如圖5 所示，圖中XRD圖譜自下而上對應的溶劑體系分別為(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產品屬于同一晶型，這一晶型產品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晶水，為了研究結晶水與氯唑西林鈉分子之間的關系，本文對氯唑西林鈉產品進行了熱重分析(TG-DTA)，分析結果如圖6 所示。在氯唑西林鈉TG 圖譜中，在145～170 ℃出現了第1 個失重臺階，失重量為3.6%，在163 ℃出現一個吸熱峰。根據氯唑西林鈉的分子式可知，氯唑西林鈉中含結晶水量為 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 ℃出現了一個吸熱峰。在TG 圖譜中，大約189 ℃時出現了第2 個失重臺階，氯唑西林鈉的質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，相應的 TG 圖譜中在194 ℃出現一放熱峰。

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晶水為非游離態(tài)，其與氯唑西林鈉分子之間結合緊密，很難除去。

4 結 論

(1) 氯唑西林鈉在無水乙醇、丙醇、異丙醇及丙酮四種純溶劑中的溶解度都隨溫度的升高而增大，利用Apelblat 經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——片狀晶習和針狀晶習，這2 種晶習的產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 — 溶質氯唑西林鈉的質量，g

mA— 溶劑的質量，g

M — 溶劑氯唑西林鈉的摩爾質量，g·mol-1

MA— 溶劑的摩爾質量，g·mol-1

p — 形狀因子

S — 溶解度，103xexp

x — 摩爾分率溶解度

上標

pre — 預測值

exp — 實驗值