陳 艷,李文戈,曹鳳龍,梁麗麗,張恩立

(蚌埠醫(yī)學(xué)院公共基礎(chǔ)學(xué)院,安徽 蚌埠 233030)

差示掃描量熱(DSC)分析法是一種熱分析技術(shù),用于測量在程序控溫下,輸給物質(zhì)和參比物的功率差(如以熱的形式)與溫度的關(guān)系。差示掃描量熱分析法在材料科學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,通過DSC技術(shù)可以研究蛋白質(zhì)的變性/復(fù)性過程、DNA的熔解曲線等,了解生物分子的熱穩(wěn)定性、相變行為,對于研究生物分子的結(jié)構(gòu)和功能具有重要意義。在藥物合成領(lǐng)域,DSC可以應(yīng)用于甄別化學(xué)藥物、檢測藥物的理化常數(shù)、測定藥物純度、對藥物穩(wěn)定性進(jìn)行考查[3]。此外,在藥品檢驗工作中,還可以采用DSC技術(shù)進(jìn)行原料藥熔點的測定、化學(xué)對照品的純度測定、藥物水分的測定,實現(xiàn)藥物質(zhì)量的控制,有助于優(yōu)化合成工藝和提高藥物的質(zhì)量[4-5]。

目前,各大醫(yī)學(xué)院校開設(shè)了多種藥物合成實驗,包括阿司匹林、磺胺醋酰鈉、美沙拉嗪、苯佐卡因、蘆丁和香豆素的合成等。學(xué)生在實驗前期,需要經(jīng)過對所需合成藥物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途以及現(xiàn)有合成方法進(jìn)行調(diào)研,然后確定合適的合成路線和反應(yīng)條件,以此為基礎(chǔ)進(jìn)行實驗操作,得到目標(biāo)產(chǎn)物的粗產(chǎn)物。最后,需要對粗產(chǎn)物進(jìn)行純化,并對其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、純度等進(jìn)行鑒定。對不同的藥物,最終產(chǎn)品純度的鑒定方法不同,可以有熔點的測定、高效液相色譜法(HPLC)、氣相色譜法(GC)、紫外可見光譜法(UV-Vis)和電泳法。根據(jù)藥品的性質(zhì)、用途和實驗條件等因素,為藥品純度的鑒定篩選不同的測定方法。其中,熔點測定法是較為廣泛使用的評估手段。通過藥物熔點的測定,可以了解藥品的純度、結(jié)晶度和雜質(zhì)含量等信息,從而評估藥品的質(zhì)量[6-7]。如通過測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)熔點發(fā)生下降,可以推測出藥品中存在雜質(zhì)或結(jié)晶度有所降低。因此,熔點測定在藥品質(zhì)量控制中具有重要的作用。在學(xué)生綜合實驗中加入產(chǎn)物熔點的測定,可以讓學(xué)生對制備的樣品的純度有更感性的認(rèn)識。目前,藥物熔點測定的方法主要包括毛細(xì)管法和熱分析法。其中,毛細(xì)管法是《中國藥典》中最為經(jīng)典的測定方法,其操作簡便,用量少,實驗步驟相對簡單,對于某些難溶于溶劑的藥品,毛細(xì)管法可以有效地避免藥品的損失和浪費。因此,毛細(xì)管法對藥物熔點的測定易在本科教學(xué)中廣泛開展。目前,醫(yī)學(xué)院校醫(yī)學(xué)化學(xué)實驗課程“熔點的測定”實驗均采用毛細(xì)管測定法,已經(jīng)面向臨床、檢驗、兒科、精神等十幾個專業(yè)開設(shè),受眾面廣。然而,毛細(xì)管法在測定藥品熔點時存在一些不足,如實驗結(jié)果的重現(xiàn)性相對較差,可能會受到多種因素的影響,如溫度、壓力、毛細(xì)管的材質(zhì)和尺寸等;對于某些具有相同或相似熔點的藥品,存在人為視覺上的誤差;此外,對于某些高溫易分解的藥品,毛細(xì)管法可能無法準(zhǔn)確測定其熔點?？偠灾?毛細(xì)管測定法的測試手段過于陳舊和落后,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高,無法滿足現(xiàn)代科技的發(fā)展和行業(yè)需求。而DSC法作為現(xiàn)代先進(jìn)的檢測手段,具有更為準(zhǔn)確、快速、重復(fù)性好等特點,可以通過程序升溫客觀地記錄熔融的全過程,相對于毛細(xì)管法呈現(xiàn)出特有的優(yōu)越性。因此,有必要在本科教學(xué)工作中引入DSC對藥物熔點進(jìn)行測定,提高實驗的準(zhǔn)確性和效率,以保證藥品的質(zhì)量。

苯佐卡因(Benzocaine),化學(xué)名為對氨基苯甲酸乙酯,是一種局部麻醉藥,具有止痛的功效,可以用于治療各種原因引起的局部疼痛,例如關(guān)節(jié)痛、神經(jīng)痛、偏頭痛等。“苯佐卡因的合成”是一門綜合性實驗課程,已面向本科院校中的藥學(xué)、藥物分析、制藥工程等專業(yè)的本科生開設(shè)。在合成操作完成后,主要通過標(biāo)準(zhǔn)物TLC對照法和紅外光譜分析法對所制得的藥品進(jìn)行檢測,可以增加DSC法進(jìn)行熔點的測定。本文以該綜合實驗制備出的苯佐卡因藥物為例,探討熱分析技術(shù)在藥物合成實驗教學(xué)過程中的應(yīng)用以及注意事項。通過采用現(xiàn)代化的檢測手段對熔點進(jìn)行科學(xué)的測定,既豐富了實驗內(nèi)容,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,又可以使學(xué)生更好地與現(xiàn)代的科學(xué)研究接軌,對藥物純度的鑒定有正確認(rèn)識。

1 苯佐卡因的合成

經(jīng)過文獻(xiàn)調(diào)研,苯佐卡因可以通過四種途徑進(jìn)行合成:(1)以對甲基苯胺為原料,經(jīng)過?；?、氧化、水解和酯化得到苯佐卡因;(2)先用硫酸亞鐵還原對硝基苯甲酸,得到對氨基苯甲酸,再與無水乙醇在酸性條件下酯化得到苯佐卡因;(3)酯化與還原并為一步進(jìn)行;(4)對硝基苯甲酸在濃硫酸的催化下先酯化生成對硝基苯甲酸乙酯,再經(jīng)過鐵粉還原得到苯佐卡因。綜合考慮反應(yīng)時長、收率和成本等幾方面因素,最終確定用第四種途徑進(jìn)行苯佐卡因的制備。反應(yīng)方程式如圖1所示。

圖1 苯佐卡因合成反應(yīng)方程式

反應(yīng)分為兩步進(jìn)行:第一步,對硝基苯甲酸乙酯的制備。在24 mL無水乙醇中加入6.0 g對硝基苯甲酸;在攪拌和冰水浴冷卻下緩慢加入2 mL濃硫酸,加熱回流4 h;稍冷卻后,攪拌往燒瓶加入100 mL水,減壓蒸去乙醇后進(jìn)行抽濾。濾餅移至研缽內(nèi),研細(xì)后用碳酸鈉水溶液調(diào)pH值至7.5～8.0,抽濾,濾餅用水多次洗滌,干燥即可得對硝基苯甲酸乙酯。第二步,苯佐卡因的制備。在三頸瓶中加入NH4Cl溶液,迅速加熱至95 ℃,加入鋅粉4.3 g,在90～98 ℃下活化20 min。然后慢慢加入5 g對硝基苯甲酸乙酯,在95～98 ℃反應(yīng)90 min。冷卻后,加入少量飽和碳酸鈉溶液調(diào)pH值至7～8,加入氯仿30 mL,攪拌3～5 min,抽濾并洗滌。將濾液傾入分液漏斗中,靜置分層,棄除水層,氯仿用5%稀鹽酸90 mL分三次提取、分液,合并提取液(水層),用40%NaOH溶液調(diào)至pH值為8,析出結(jié)晶,抽濾,得苯佐卡因粗品。粗品以50%乙醇重結(jié)晶,得苯佐卡因純品。

2 DSC法測定苯佐卡因熔點

2.1 DSC測試條件的確定

2.1.1 儀器參數(shù)的設(shè)置

DSC采用同步熱分析儀(STA449-F5)進(jìn)行測試。測試溫度范圍0～400 ℃;樣品用量3.5 mg。

DSC在實際熱分析過程中,一般會采用與樣品和坩堝不反應(yīng)的惰性氣體作為氣氛,以保護(hù)傳感器,防止樣品在加熱過程中被氧化,避免樣品受熱分解后的產(chǎn)物腐蝕測量池。實驗過程中氣氛流量要保持穩(wěn)定,不穩(wěn)定的氣流會造成基線波動,氣氛氣流量一般為20～100 mL/min。因此,本次測試使用氮氣為保護(hù)氣,分別采用30 mL/min 和50 mL/min的氣體流量對樣品的熔點進(jìn)行測定分析,讓學(xué)生對不同流量對測試結(jié)果的影響有感性認(rèn)識。

升溫速率是影響檢測結(jié)果的重要因素。對不同的藥物可調(diào)整不同的升溫速率。對于熔融效應(yīng)比較明顯的藥物,較低的升溫速率可以提高實驗的準(zhǔn)確度,但相應(yīng)的測試時間也會增加。對于在熔融過程中存在分解現(xiàn)象的樣品,即不穩(wěn)定的樣品,可能導(dǎo)致純度和熔點值降低。本次測試分別采用5 K/min和10 K/min的升溫速率對樣品的熔點進(jìn)行測定分析,讓學(xué)生對不同升溫速率對測試結(jié)果的影響有感性認(rèn)識。

2.1.2 測試注意事項

為確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性,在進(jìn)行DSC測試前,儀器需先進(jìn)行空燒,用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校正儀器,包括溫度校正和儀器校正。正式測試時,需要提醒學(xué)生確保樣品是干燥的,以避免水分對測試結(jié)果的影響。同時,樣品需要進(jìn)行充分的研磨,盡量不產(chǎn)生靜凝結(jié)塊,盛裝樣品時與坩堝底部接觸充分。將樣品平鋪在坩堝底部,輕輕壓緊,將死體積減到最小。操作過程中,需要提醒學(xué)生不能用手接觸坩堝,避免手上的油脂沾染坩堝導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的偏差。還應(yīng)避免用硬物清理樣品托及實驗區(qū),若有灰塵或粉末可用洗耳球吹干凈。

2.2 數(shù)據(jù)處理

用差示掃描量熱儀軟件進(jìn)行譜圖分析,導(dǎo)出Excel數(shù)據(jù),用Origin2021軟件,以溫度T(℃)為橫坐標(biāo),以單位重量樣品在某個溫度下所造成的熱電偶的電位差DSC(μV/mg)為縱坐標(biāo)進(jìn)行繪圖。

3 結(jié)果與分析

通過DSC進(jìn)行熔融測試時,隨著程序的升溫,物質(zhì)在熔融區(qū)間會出現(xiàn)明顯的吸熱現(xiàn)象。圖2中顯示出兩個向上的吸熱峰。其中,圖2為固定氣體流速30 mL/min,升溫速率分別為5 K/min和10 K/min下測得的DSC曲線。

圖2 氣體流量30 mL/min,升溫速度分別為5 K/min和10 K/min

可以看出,升溫速度為10 K/min時測得的吸收峰的峰形較大,特征峰的溫度會向高溫移動,相鄰峰的分離能力下降,5 K/min的升溫速度將有利于相鄰峰的分離。而當(dāng)固定升溫速率不變,均為10 K/min時,不同的氣體流速對特征峰的位置沒有影響,但對相鄰峰的分離能力有影響,如圖3所示。流速大時,更有利于分離?；诖?我們選擇在較慢的升溫速率,即5 K/min,氣體流速為30 mL/min的條件下對苯佐卡因的DSC曲線測繪,并進(jìn)行熔點數(shù)據(jù)的分析,結(jié)果如圖4所示。

圖3 升溫速度10 K/min,氣體流量分別為30 mL/min和50 mL/min

圖4 苯佐卡因在5 K/min的升溫速度,30 mL/min的氣體流量下測得的DSC曲線

熔點是指物質(zhì)從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時所對應(yīng)的溫度。在對固體物質(zhì)進(jìn)行加熱時,隨著溫度的逐漸升高,該物質(zhì)會吸收熱量而出現(xiàn)部分固體融化(初熔)的現(xiàn)象。隨著受熱時間的延長,吸收熱量的增多,越來越多的固體物質(zhì)向液態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)化,最終所有的固體物質(zhì)熔融轉(zhuǎn)化為液態(tài)(全熔)。如圖4所示,將DSC曲線中基線的切線延長,與對應(yīng)于吸熱峰轉(zhuǎn)變開始的曲線最大斜處所作切線相交,交點對應(yīng)的溫度稱為初熔時的熔點(初熔點)T1。而當(dāng)溫度繼續(xù)升高,固體受熱進(jìn)一步熔融,到吸熱峰峰谷時,固體剛好完全融化全部熔融,所對應(yīng)的溫度稱為終熔點T2。熔點為初熔點與終熔點的平均值。由此,可以從圖3中得出苯佐卡因的T1為154 ℃,T2為176 ℃,熔點為165 ℃。結(jié)合上文對圖2的分析,升溫速度的變化會對特征峰的峰形有影響,隨著升溫速率的增加,特征峰向高溫移動,即T2變大向高溫移動,而T1的數(shù)值變化不大。這是因為在達(dá)到初熔溫度值后,爐體溫度不是恒定不變的,一直以一定的升溫速率增加,而樣品融化總是需要一定的時間,在融化的過程中,爐體溫度一直以較快的速度在增加,導(dǎo)致固體完全融化時設(shè)備在短時間內(nèi)升高到較高的溫度,測得的T2偏大。由此可見,在不同的測試條件下,T1較為穩(wěn)定,一般不會發(fā)生變化,而T2隨著測試條件的變化而變化。教師在指導(dǎo)學(xué)生通過DSC測藥物的熔點時,需要提醒學(xué)生保持每次測試條件要一致,否則會導(dǎo)致測試結(jié)果偏差,無可比性。

4 結(jié)語

熔點測定對藥物質(zhì)量的鑒定具有重要作用,是藥物合成實驗中不可或缺的檢測步驟。鑒于學(xué)生實驗中使用的毛細(xì)管測定熔點的方法過于陳舊,測出的熔點誤差較大,本文以學(xué)生綜合實驗制備得到的苯佐卡因樣品為例,通過差示掃描量熱法對其進(jìn)行熔點測定和數(shù)據(jù)分析?，F(xiàn)代化檢測設(shè)備在本科實驗教學(xué)中的應(yīng)用,使學(xué)生能夠快速完成檢測任務(wù),縮短實驗周期,提高實驗效率的同時,還能夠自主進(jìn)行實驗操作和數(shù)據(jù)分析,可以更好地理解科學(xué)原理和實驗內(nèi)容,提高實踐能力,促進(jìn)實驗教學(xué)和科研的融合,并推動學(xué)科建設(shè)和實驗室發(fā)展。