物理化學(xué)學(xué)報(bào)( Wuli huaxue Xuebao)Acta Phys. -Chim. Sin., 2004, 20(1): 50-54January阿司匹林的熱解機(jī)理及熱動(dòng)力學(xué)研究徐芬孫立賢譚志誠(chéng)梁建國(guó)1周丹紅2邸友瑩蘭孝征張濤(中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所,材料熱化學(xué)實(shí)驗(yàn)室,大連116023;1湖南省藥品檢驗(yàn)所,長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)量子化學(xué)方法( ab initio dFt)計(jì)算了阿司匹林分子的鍵級(jí),據(jù)此計(jì)算結(jié)果提岀了阿司匹林的熱解機(jī)理,按此機(jī)理得到的理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致;運(yùn)用Freeman-Carroll Kissinger和 Ozawa三種方法分別計(jì)算了阿司匹林的熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù):活化能(E)、反應(yīng)級(jí)數(shù)(n)和指前因子(A),其熱解動(dòng)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(cè)定的該物質(zhì)的熔點(diǎn)、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(jì)算,熱解杋理和熱動(dòng)力學(xué),熱重法,差示掃描量熱法中圖分類(lèi)號(hào):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(yàn)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(guó)藥典2000版標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)力學(xué)、釋放機(jī)理及吸收過(guò)程掃描量熱計(jì),均為法國(guó) Setaram公司制造等方面的研究工作目前有很多報(bào)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(bào)導(dǎo)不多.阿司匹林的熱熱(DSC)曲線測(cè)量性能對(duì)于該藥物的生產(chǎn)、穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)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(dòng)力學(xué)方流速為30mL·min-1),控制升溫速率分別為5面對(duì)阿司匹林的熱穩(wěn)定性及熱解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研10、15、20、25K·min-.樣品池系容積為100μL究,但尚未見(jiàn)有關(guān)阿司匹林熱解機(jī)理方面的報(bào)導(dǎo).的Al2O3坩堝近些年來(lái),人們從量子化學(xué)的角度來(lái)預(yù)測(cè)有機(jī)物的DSC曲線:N2流速為50mL·min-1,升溫速率熱解機(jī)理,得到了令人滿意的結(jié)果.本實(shí)驗(yàn)室已為10K·min-;樣品池為帶蓋的鋁坩(容積為30對(duì)多種藥物及材料的熱力學(xué)特性進(jìn)行了深入μL)的研究.本文在已有工作的基礎(chǔ)上,通過(guò)量化計(jì)算,得到了有關(guān)阿司匹林分子的鍵級(jí),用該計(jì)算結(jié)2結(jié)果與討論果預(yù)測(cè)了它的熱解機(jī)理,同時(shí)運(yùn)用三種不同方法系2.1阿司匹林的熱解機(jī)理統(tǒng)地研究了阿司匹林的熱分解動(dòng)力學(xué)參數(shù),使用差測(cè)試了不同升溫速率對(duì)阿司匹林的熱重曲線式掃描量熱法(DSC, differential scanning calorime-的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,其熱分解過(guò)程包括了兩個(gè)try)進(jìn)一步測(cè)定了該物質(zhì)熔化過(guò)程的熱力學(xué)性質(zhì)參階段,升溫速率改變,每個(gè)階段所對(duì)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(guó)煤化率基本保持不變1實(shí)驗(yàn)部分現(xiàn)僅NMH實(shí)率為例(見(jiàn)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(xiàng)目No. I孫立賢等阿司匹林的熱解機(jī)理及熱動(dòng)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(jí)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(dòng)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(dòng)力學(xué)機(jī)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(jī)理,我們首先試圖△1-a4.575△|K1-a)從量子化學(xué)的角度進(jìn)行理論探討,并著重討論第其中,a為t時(shí)刻物質(zhì)已反應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù);R為氣個(gè)階段的熱解過(guò)程.本文應(yīng)用 Cerius2軟件包中ab體常數(shù);T為絕對(duì)溫度;E為活化能;A為指前因tio dft方法對(duì)阿司匹林體系的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)子;n為反應(yīng)級(jí)數(shù).以△lg(da/dt)/△g(1-a)對(duì)化,并計(jì)算出分子的 Maver鍵級(jí).優(yōu)化計(jì)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(jiàn)圖3)LDA)基組選擇DNP( double-numerical basis func然后用 Kissinger和 Ozawa方法再分別計(jì)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(jì)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(jiàn)圖2以ln(B/T2)對(duì)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(jiàn)圖4)級(jí)最小.因此,阿司匹林熱解時(shí),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(duì)應(yīng).因此可以推斷阿司匹林的第一階段的熱解反應(yīng)機(jī)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(dòng)力學(xué)研究圖3中國(guó)煤化工4(1/)/△g(1-a)2.2.1熱動(dòng)力學(xué)計(jì)算的理論方法CNMHGFig3 root uruigluc/ut)ang 1-a)us采用了三種不同方法來(lái)計(jì)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(jì)算阿司process of aspirinActa Phys. -Chim. Sin. Wuli Huaxue Xuebao ) 2004Vol 20-102}r=1523-1179228X9804R2=099949106圖41n(B/T2)對(duì)T1的關(guān)系曲線圖5ln(da/dt)+E/RT對(duì)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(jiàn)圖4.由圖中式中T為在相等質(zhì)量損失時(shí),與升溫速率β、B、的斜率可求E為98.04 k]. molB……相對(duì)應(yīng)的溫度然后,以lgB再用 Ozawa法計(jì)算E值,結(jié)果見(jiàn)表2.當(dāng)a在對(duì)1/T作圖得一直線,由其斜率可計(jì)算出E0.2~0.8范圍內(nèi)時(shí),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(dòng),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(duì)mn(1-a)作圖,由截距可分解動(dòng)力學(xué)機(jī)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(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算5. 18)k]. mol-I以10K·min-的升溫速率測(cè)得阿司匹林的圖5為以ln(da/dT)+E/RT對(duì)ln(1-a)繪TG-DTG曲線用 Freeman-Carroll法計(jì)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(jí)數(shù)(n)(見(jiàn)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(dòng)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(cè)得阿司匹林的 TG-DTG曲線,用 Kissinger法計(jì)算da/dt=4.74×10exp(-(100.34±5.18)103/RT)](1-a)2303(6)表1用 Freeman-Carroll法測(cè)得的活化能E和反應(yīng)級(jí)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(cè)得的TH中國(guó)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(jī)理及熱動(dòng)力學(xué)研究表3阿斯匹林熔化過(guò)程的熱力學(xué)參數(shù)的測(cè)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(guò)程熱力學(xué)參數(shù)的測(cè)定35(6):461阿司匹林的熔點(diǎn)為409K;但NST中未見(jiàn)hany0.MN: dssas.R.s. larn. Acta He熔化焓和熔化熵報(bào)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(cè)量了阿司匹林的熔化過(guò)程(見(jiàn)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(zhǔn)確測(cè)得其N(xiāo)ationalities( Nat. Sci. Edition ) 2002, 21(4): 21 [5t t相應(yīng)的熔點(diǎn)(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(bào)( Zhongnan Mingzu Daxue式ΔSn=ΔHn/T計(jì)算出熔化熵(ΔSa),詳細(xì)結(jié)果Xuebao),2002,21(4):21]見(jiàn)表3Chinese J. Inorganic Chem,2001,17:538[王惠,楊海峰冉新權(quán),文振翼,史啟禎.無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)( Wuji Huaxue Xue3結(jié)論0),2001,17:538]通過(guò)量化計(jì)算對(duì)阿司匹林的熱解機(jī)理進(jìn)行了9Wang,x:m.xc.:1.X: uyang,:uo,MD理論探討,并運(yùn)用熱力學(xué)方法對(duì)其動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行S.S. J. Wuhan Univ. Nat Sci. Ed.), 2001, 47: 399 [f4憲,顏肖慈,黎新,歐陽(yáng)禮,羅明道,屈松生.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)了基礎(chǔ)研究,得出了阿司匹林第一步熱解的動(dòng)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(bào)( Huaxue xueRT)](1-a)2bao),2002,60(4):590]測(cè)定了阿司匹林的熔點(diǎn)、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(chéng),孫立賢.物理化學(xué)學(xué)報(bào)(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(cè),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(dòng)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(bào)( 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(guó)化學(xué)會(huì)第24屆學(xué)術(shù)年會(huì)征文啟事中國(guó)化學(xué)會(huì)第24屆學(xué)術(shù)年會(huì)定于2004年4月24-27日在湖南省長(zhǎng)沙市舉行.會(huì)議由中國(guó)化學(xué)會(huì)主辦湖南大學(xué)承辦湖南省化學(xué)化工學(xué)會(huì)協(xié)辦大會(huì)主題為新世紀(jì)的中國(guó)化學(xué)——機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)會(huì)議主席為白春禮院士,王柯敏任會(huì)議執(zhí)行主席;姚建年、周夢(mèng)君仼會(huì)議秘書(shū)長(zhǎng).會(huì)議共設(shè)21個(gè)分會(huì)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(jī)固體電子過(guò)程與分子電子學(xué)、高分子化學(xué)與物理、生物有機(jī)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(jī)和高分子光電子材料、催化化學(xué)、理論化學(xué)和計(jì)箅與模擬化學(xué)、配位化學(xué)與生物無(wú)機(jī)化學(xué)、固體化學(xué)與物理無(wú)機(jī)化學(xué)、21世紀(jì)的應(yīng)用化學(xué)、國(guó)防科技中的特種化學(xué)問(wèn)題3個(gè)專題論壇牝?qū)W教育論壇、化學(xué)科普論壇、化學(xué)與社會(huì)論壇會(huì)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(huì)議交流形式為大會(huì)特邀報(bào)告、分會(huì)邀請(qǐng)報(bào)告、專題報(bào)告與討論、墻報(bào)展講等,報(bào)名表及應(yīng)征論文請(qǐng)直接寄給各分會(huì)聯(lián)系人,有關(guān)會(huì)議詳細(xì)內(nèi)容、報(bào)名表、各分會(huì)地址、聯(lián)系方式請(qǐng)從中國(guó)化學(xué)會(huì)網(wǎng)頁(yè)下載網(wǎng)址為htp:!//www.cs/2004nh htm會(huì)議期間還將組織成果、產(chǎn)品以及儀器展示,包括實(shí)用技術(shù)交流產(chǎn)品、專業(yè)圖書(shū)及試劑展示實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備演示頂目洽談狺息發(fā)布等.會(huì)議將設(shè)置展臺(tái)提供信息服務(wù).需要者請(qǐng)從速聯(lián)系索取有關(guān)通知內(nèi)容中國(guó)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?？蒲性核脮?huì)議注冊(cè)費(fèi)會(huì)員600元非會(huì)員850元,學(xué)生憑證減半不含博士后)年會(huì)CNMHG理入會(huì)手續(xù)中國(guó)化學(xué)會(huì)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