物理化學(xué)學(xué)報( Wuli huaxue Xuebao)Acta Phys. -Chim. Sin., 2004, 20(1): 50-54January阿司匹林的熱解機理及熱動力學(xué)研究徐芬孫立賢譚志誠梁建國1周丹紅2邸友瑩蘭孝征張濤(中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所,材料熱化學(xué)實驗室,大連116023;1湖南省藥品檢驗所,長沙410000遼寧師范大學(xué)化學(xué)系,大連116029)摘要在用熱重法研究了阿司匹林的熱穩(wěn)定性實驗的基礎(chǔ)上,通過量子化學(xué)方法( ab initio dFt)計算了阿司匹林分子的鍵級,據(jù)此計算結(jié)果提岀了阿司匹林的熱解機理,按此機理得到的理論計算值與實驗結(jié)果一致;運用Freeman-Carroll Kissinger和 Ozawa三種方法分別計算了阿司匹林的熱解動力學(xué)參數(shù):活化能(E)、反應(yīng)級數(shù)(n)和指前因子(A),其熱解動力學(xué)方程為:da/dt=4.74×10lexp(-(100.34±5.18)×103/RT)(1-a)280用差示掃描量熱法測定的該物質(zhì)的熔點、摩爾熔化焓和摩爾熔化熵分別為(409.19±0.22)K、(29,.17±0.41kJ·mol-1和(71.09±1,06)J·mol-.K-1關(guān)鍵詞:阿司匹林,量化計算,熱解杋理和熱動力學(xué),熱重法,差示掃描量熱法中圖分類號:阿司匹林(乙酰苯甲酸)是臨床上應(yīng)用的廣譜1.1試劑與儀器藥物之一.除作為解熱、鎮(zhèn)痛、消炎、抗風(fēng)濕藥物阿司匹林由湖南省藥品檢驗所提供,其純度符外,還在治療心腦血管疾病、糖尿病、緩解晚期癌瘤合中國藥典2000版標(biāo)準癥狀等方面得到廣泛應(yīng)用12.關(guān)于阿司匹林及其Setsys16/18型綜合分析儀,DSC-141型差式衍生物在體內(nèi)的溶解動力學(xué)、釋放機理及吸收過程掃描量熱計,均為法國 Setaram公司制造等方面的研究工作目前有很多報導(dǎo).但阿司匹1.2熱重(TG)·微分熱重(DTG)和差式掃描量林熱穩(wěn)定性方面的研究報導(dǎo)不多.阿司匹林的熱熱(DSC)曲線測量性能對于該藥物的生產(chǎn)、穩(wěn)定性的評價和臨床應(yīng)用熱重曲線以AL2O3為參比物,在N2氣氛中(N2都具有十分重要的意義.張健等人從熱動力學(xué)方流速為30mL·min-1),控制升溫速率分別為5面對阿司匹林的熱穩(wěn)定性及熱解動力學(xué)進行了研10、15、20、25K·min-.樣品池系容積為100μL究,但尚未見有關(guān)阿司匹林熱解機理方面的報導(dǎo).的Al2O3坩堝近些年來,人們從量子化學(xué)的角度來預(yù)測有機物的DSC曲線:N2流速為50mL·min-1,升溫速率熱解機理,得到了令人滿意的結(jié)果.本實驗室已為10K·min-;樣品池為帶蓋的鋁坩(容積為30對多種藥物及材料的熱力學(xué)特性進行了深入μL)的研究.本文在已有工作的基礎(chǔ)上,通過量化計算,得到了有關(guān)阿司匹林分子的鍵級,用該計算結(jié)2結(jié)果與討論果預(yù)測了它的熱解機理,同時運用三種不同方法系2.1阿司匹林的熱解機理統(tǒng)地研究了阿司匹林的熱分解動力學(xué)參數(shù),使用差測試了不同升溫速率對阿司匹林的熱重曲線式掃描量熱法(DSC, differential scanning calorime-的影響.實驗結(jié)果表明,其熱分解過程包括了兩個try)進一步測定了該物質(zhì)熔化過程的熱力學(xué)性質(zhì)參階段,升溫速率改變,每個階段所對應(yīng)的溫度范圍數(shù)略有變化隨養(yǎng)涅違潔的坦高,溫度范圍略向高溫方中國煤化率基本保持不變1實驗部分現(xiàn)僅NMH實率為例(見圖1),其200306-13收到初稿,2003-09-15收到修改稿.聯(lián)系人:孫立賢(E-mail: Ixsun@dicp.ac,cn;Tel&Fax:0411-4379213)家自然科學(xué)基金(20073047)資助項目No. I孫立賢等阿司匹林的熱解機理及熱動力學(xué)研究51DIG088°0973C100(用40050060070080090圖2阿斯匹林分子中的化學(xué)鍵鍵級Fig 2 Bond orders of aspirin molecule圖1阿斯匹林的TG-DTG曲線Fig 1 Plot of TG-DTG for aspirin匹林第一步熱分解的動力學(xué)參數(shù).設(shè)阿司匹林熱分中TG為熱重曲線,DTG為微分熱重曲線,第一階解的動力學(xué)機理函數(shù)為f(a)=(1-a)",由 Freeman段的溫度范圍為420~550K,失重率為33.67%;第Caro法可得方程式(1)、(2)二階段的溫度范圍為550~720K,失重率為In(da/dt)+E/RT=In A+ nIn(1-a)(1)和ld dw dt為了了解阿司匹林的熱解機理,我們首先試圖△1-a4.575△|K1-a)從量子化學(xué)的角度進行理論探討,并著重討論第其中,a為t時刻物質(zhì)已反應(yīng)的質(zhì)量分數(shù);R為氣個階段的熱解過程.本文應(yīng)用 Cerius2軟件包中ab體常數(shù);T為絕對溫度;E為活化能;A為指前因tio dft方法對阿司匹林體系的幾何結(jié)構(gòu)進行優(yōu)子;n為反應(yīng)級數(shù).以△lg(da/dt)/△g(1-a)對化,并計算出分子的 Maver鍵級.優(yōu)化計算采用局(1/7)/Alg(1-a)作圖,應(yīng)為一直線,由直線的域密度近似的方法( local density approximation,斜率可算出E;截距為見圖3)LDA)基組選擇DNP( double-numerical basis func然后用 Kissinger和 Ozawa方法再分別計tions together with polarization functions),該基組相算它的活化能E.根據(jù) Kissinger法當(dāng)于631· Gauss軌道基組.所有計算采用hn(B/T2)=n(AR/E)+ln[-df(a)/dalp-Cerius2軟件中的基于密度泛函理論的DMol3模E/RTP塊,在SGIO2工作站完成,結(jié)果見圖2以ln(B/T2)對1/T(其中T為DTG的峰溫,β為由圖2可知在阿司匹林分子中C1-O3鍵的鍵升溫速率)作圖,由直線的斜率可求出E(見圖4)級最小.因此,阿司匹林熱解時,首先應(yīng)從此斷裂最后根據(jù) Ozawa法失去CO2和0.5CHCH,生成苯甲酸.按此歷程熱解的理論失重率為32.21%,這基本上與熱重曲線的第一階段失重率33.67%相對應(yīng).因此可以推斷阿司匹林的第一階段的熱解反應(yīng)機理如下COOHCoOH20}y-240-546982XCrackingE=104. 6 k]. molcocH3420~550K25R2-093CO2,+0.5 CH, CH,104△(1/T)/△lgl-a)2.2阿司匹林熱解反應(yīng)的動力學(xué)研究圖3中國煤化工4(1/)/△g(1-a)2.2.1熱動力學(xué)計算的理論方法CNMHGFig3 root uruigluc/ut)ang 1-a)us采用了三種不同方法來計算該物質(zhì)熱分解的活△(1/T)/△lg(1-a) during decomposition化能(E).首先根據(jù) Freeman-Carroll法計算阿司process of aspirinActa Phys. -Chim. Sin. Wuli Huaxue Xuebao ) 2004Vol 20-102}r=1523-1179228X9804R2=099949106圖41n(B/T2)對T1的關(guān)系曲線圖5ln(da/dt)+E/RT對ln(1-a)曲線Fig 4 Curve of In(B/T)us TEFig 5 Curve of In(da/dt)+E/RTus In(1-a)d(gB)/d(1/T)=-0.4567E/R(4)阿司匹林熱分解的活化能(E),結(jié)果見圖4.由圖中式中T為在相等質(zhì)量損失時,與升溫速率β、B、的斜率可求E為98.04 k]. molB……相對應(yīng)的溫度然后,以lgB再用 Ozawa法計算E值,結(jié)果見表2.當(dāng)a在對1/T作圖得一直線,由其斜率可計算出E0.2~0.8范圍內(nèi)時,E值在90.11~107.32kJ而指前因子(A)可根據(jù)式(5舶關(guān)系mol-1范圍內(nèi)變動,其均值為96.71kJ·mol-,它與ln(da/dt)+E/RT=lnA+mln(1-α)(5)前兩種方法得到的E值很接近,這表明阿司匹林熱以mn(da/dt)+E/RT對mn(1-a)作圖,由截距可分解動力學(xué)機理函數(shù)f(a)=(1-a)"的假設(shè)是成求得A,斜率為立的.由三種方法得到的E的平均值為(100.34±2.2.2熱解反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的計算5. 18)k]. mol-I以10K·min-的升溫速率測得阿司匹林的圖5為以ln(da/dT)+E/RT對ln(1-a)繪TG-DTG曲線用 Freeman-Carroll法計算其熱分解制的曲線(E=100.34kJ·mol-),由截距求得A活化能(E)和反應(yīng)級數(shù)(n)(見圖3和表1).由表1為474×101;由斜率可得n也為2.8.將求得的可知,E為(106.28±1.7)kJ·mol-;n為2.8±A、E、n值代入動力學(xué)方程0.3.da/dt= Alex(- E/Rt)I(分別以5、10、15、20、25K·min-的升溫速率得測得阿司匹林的 TG-DTG曲線,用 Kissinger法計算da/dt=4.74×10exp(-(100.34±5.18)103/RT)](1-a)2303(6)表1用 Freeman-Carroll法測得的活化能E和反應(yīng)級數(shù)nTable 1 Determination of e and n based on the freeman-Dynamic parameter value Mean value Standard deviEndotherm2.80.3表2用0zawa法測得的TH中國煤化工SC曲線CNMHGSCfor aspirinTable 2 Determination of e based on the Ozawa methodE/kJ·ml91.0990.1191.8910.7898.31107.32No. I孫立賢等阿司匹林的熱解機理及熱動力學(xué)研究表3阿斯匹林熔化過程的熱力學(xué)參數(shù)的測定值Table 3 Thermodynamic parameters in fusion process of aspirin△Hm/ k]. mol409.44414.67408.98414.7970.9409.11414.52Mean value409.19414.6729.1771.092.3阿司匹林熔化過程熱力學(xué)參數(shù)的測定35(6):461阿司匹林的熔點為409K;但NST中未見hany0.MN: dssas.R.s. larn. Acta He熔化焓和熔化熵報導(dǎo).本文用差式掃描量熱法2000,74(4):3516 Chronos, N, A. F: Wilson, D. J,: Janes, S. L: Hutton, R. H.(DSC)測量了阿司匹林的熔化過程(見圖6)參照Buller, N. P; Goodall, A. H. Clin. Sci., 1994, 87: 575熱重曲線圖1可知,圖6中的吸熱峰出現(xiàn)在失重之72h1n,;Ww1,s..;Cha,D.H.1 South central unit前,故該峰為熔化吸熱峰.從DSC曲線準確測得其Nationalities( Nat. Sci. Edition ) 2002, 21(4): 21 [5t t相應(yīng)的熔點(Tn)熔化焓(ΔHn);并根據(jù)熱力學(xué)公土筠,陳棟華.中南民族大學(xué)學(xué)報( Zhongnan Mingzu Daxue式ΔSn=ΔHn/T計算出熔化熵(ΔSa),詳細結(jié)果Xuebao),2002,21(4):21]見表3Chinese J. Inorganic Chem,2001,17:538[王惠,楊海峰冉新權(quán),文振翼,史啟禎.無機化學(xué)學(xué)報( Wuji Huaxue Xue3結(jié)論0),2001,17:538]通過量化計算對阿司匹林的熱解機理進行了9Wang,x:m.xc.:1.X: uyang,:uo,MD理論探討,并運用熱力學(xué)方法對其動力學(xué)過程進行S.S. J. Wuhan Univ. Nat Sci. Ed.), 2001, 47: 399 [f4憲,顏肖慈,黎新,歐陽禮,羅明道,屈松生.武漢大學(xué)學(xué)報了基礎(chǔ)研究,得出了阿司匹林第一步熱解的動力學(xué)Wuhan Daxue Xuebao ) 2001, 47:3991方程為0 Wang, J; Gu, J D,; Tian, A M. Acta Chimica sinica, 2002, 60da/dt=4.74×l0lexp(-(100.34±5.18)×103/(4):590[汪敬,顧健德,田安民.化學(xué)學(xué)報( Huaxue xueRT)](1-a)2bao),2002,60(4):590]測定了阿司匹林的熔點、熔化焓和熔化熵分別為11 Xu, F: Sun, L, X; Tan, Z C,; Nan, Z D: Yu, P,: Zhang, T.J. Thermal Analysis and Calorimetry, 2003, 74: 335(409.19±0.22)K、(29.17±0.41)kJ·mol-和12 Nan, Z. D: Tan, Z.C.: Sun, L.X. Acta Phys. -Chim. Sin, 2002(71.09±1.06)J·mol-….K-18(10):947南照東,譚志誠,孫立賢.物理化學(xué)學(xué)報(WReferences13 Freeman, E S; Carroll, B. J. Phys. Chem., 1958, 62: 394I Altman, R: Scazziota, A: Cordero Fuenes, J. Thromb Res.14 Liu, Z H: Hatayama, L Z. Handbook of analytical chemistry1988,51:22 Zou, H Q: Gu, W.X. Guang Dong Pharma, 1998,(1)16[劉振海,龜山立子編,分析化學(xué)手冊,熱分析.北鄒恒琴,古維新.廣東藥學(xué)( Guangdong Yaoxue),1988,(1):11京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000:4613 Gilian, P. M: Mary, T K. Analytical Chemistry, 1998, 70(2)Science press,2001:108胡榮祖,史啟禎.熱分析動力學(xué)t Wang, J; Zhang, R. H. Acta Pharmaceutica Sinica, 2000, 35(6)北京科學(xué)出版社,2001:108461[王晉,張汝華.藥學(xué)學(xué)報( Yaoxne xuebao)2000,THemEActa Phys. -Chim. Sin. Wuli Huaxue Xuebao ) 2004Vol 20Studies on Thermal decomposition mechanism and Kinetics of aspirinXu Fen Sun Li-Xian Tan Zhi-Cheng Liang Jian-Guo Zhou Dan-Hong Di You-Ying Lan Xiao-Zheng Zhang TaoMaterial Thermochemistry Laboratory, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023;Hunan Institute of Drug Detection, Changsha 410000; Department of Chemistry, Liaoning Normal University,116029)Abstract The mechanism of thermal decomposition of aspirin was studied by both thermogravimetry andMayer bond orders calculated by Cerius2 software. The parameters of thermal decomposition kinetics for aspirinsuch as activation energy( E), reaction order ( n) and frequency factor (A) were obtained by thermogravime-try. The kinetic equation of thermal decomposition of aspirin is expressed asda/dt=4.74×10texp(-(100.34±5.18)×103/R)1(1-a)23=3Melting point, molar enthalpy and entropy of fusion of aspirin were examined to be(409. 19+0. 22)K,(29. 17+0. 41)kJ. mol- and(71. 09+1.06)J.mol-I. K, respectively, by means of DSc with a rising temperatureprogram. The results obtained show that theoretical mass-loss derived from Mayer bond orders of aspirin is in verygood agreement with that obtained from thermogravimetry experimentKeywords: Aspirin, Quantum chemistry calculation, Mechanism and kinetics of thermal decompositionThermogravimetry, Differential scanning calorimetry(dSc)Received: June 13, 2003; Revised: September 15, 2003. Correspondent: Sun Li-Xian(E-mail: lxsun@ dicp ac, cn; Tel& Fax: 0411-4379213)The Project Supported by NSFC (20073047)中國化學(xué)會第24屆學(xué)術(shù)年會征文啟事中國化學(xué)會第24屆學(xué)術(shù)年會定于2004年4月24-27日在湖南省長沙市舉行.會議由中國化學(xué)會主辦湖南大學(xué)承辦湖南省化學(xué)化工學(xué)會協(xié)辦大會主題為新世紀的中國化學(xué)——機會與挑戰(zhàn)會議主席為白春禮院士,王柯敏任會議執(zhí)行主席;姚建年、周夢君仼會議秘書長.會議共設(shè)21個分會綠色化學(xué)、納米化學(xué)、化學(xué)生物學(xué)、化學(xué)信息學(xué)、有序超薄膜與超分子化學(xué)、分子磁體、有機固體電子過程與分子電子學(xué)、高分子化學(xué)與物理、生物有機藥物化學(xué)、生命科學(xué)中的分析化學(xué)、電化學(xué)、光化學(xué)、復(fù)雜體系的分離分析、晶體化學(xué)、有機和高分子光電子材料、催化化學(xué)、理論化學(xué)和計箅與模擬化學(xué)、配位化學(xué)與生物無機化學(xué)、固體化學(xué)與物理無機化學(xué)、21世紀的應(yīng)用化學(xué)、國防科技中的特種化學(xué)問題3個專題論壇牝?qū)W教育論壇、化學(xué)科普論壇、化學(xué)與社會論壇會議征集前瞻性綜述、學(xué)科現(xiàn)狀、前沿及展望、系統(tǒng)性研究成果及原創(chuàng)性硏究工作等論文.會議交流形式為大會特邀報告、分會邀請報告、專題報告與討論、墻報展講等,報名表及應(yīng)征論文請直接寄給各分會聯(lián)系人,有關(guān)會議詳細內(nèi)容、報名表、各分會地址、聯(lián)系方式請從中國化學(xué)會網(wǎng)頁下載網(wǎng)址為htp:!//www.cs/2004nh htm會議期間還將組織成果、產(chǎn)品以及儀器展示,包括實用技術(shù)交流產(chǎn)品、專業(yè)圖書及試劑展示實驗儀器、設(shè)備演示頂目洽談狺息發(fā)布等.會議將設(shè)置展臺提供信息服務(wù).需要者請從速聯(lián)系索取有關(guān)通知內(nèi)容中國煤化工歡迎廣大科技工作者踴躍投稿積極參加,歡迎相關(guān)企業(yè)高校科研院所利用會議注冊費會員600元非會員850元,學(xué)生憑證減半不含博士后)年會CNMHG理入會手續(xù)中國化學(xué)會聯(lián)系人劉鈞地址北京2709信箱郵編:100080電話/傳真10-62568157;電子信箱csj@icas