物理化學學報( Wuli Huaxue Xuebao)50Acta Phys. -Chim. Sin.，2004, 20(1):50~54January阿司匹林的熱解機理及熱動力學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(中國科學院大連化學物理研究所,材料熱化學實驗室,大連116023;I湖南省藥品檢驗所,長沙410000;2遼寧師范大學化學系，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,通過量子化學方法(abinitioDFT)計算了阿司匹林分子的鍵級,據(jù)此計算結(jié)果提出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FreemanCarroll、Kissinger和Ozawa三種方法分別計算了阿司匹林的熱解動力學參數(shù):活化能( E)、反應(yīng)級數(shù)(n)和指前因子(A),其熱解動力學方程為: da/d1=4.74x 10"[exp( - (100.34 +5.18)x10// RT)1(1- a)28土03;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土0.22)K、(29. 17土0.41)kJ- mol-1 和(71.09+1.06)J mol-'. K-I關(guān)鍵詞:阿司匹林， 量化計算， 熱解機理和熱動力學， 熱重法， 差 示掃描量熱法中圖分類號: 0642. 3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版標準.癥狀等方面得到廣泛應(yīng)用1-2.關(guān)于阿司匹林及其Setsys 16/18型綜合分析儀, DSC-141型差式衍生物在體內(nèi)的溶解動力學、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)1360.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Al.O;為參比物,在N2氣氛中(Nz都具有十分重要的意義.張健等人”從熱動力學方流速為30 mL. min-), 控制升溫速率分別為5、面對阿司匹林的熱穩(wěn)定性及熱解動力學進行了研10、15、20、25 K. min-'. 樣品池系容積為100 μL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，人們從量子化學的角度來預(yù)測有機物的DSC曲線: N2流速為50 mL. min-', 升溫速率熱解機理,得到了令人滿意的結(jié)果18-101.本實驗室已為10K: min-'; 樣品池為帶蓋的鋁坩堝(容積為30對多種藥物111及材料121的熱力學特性進行了深入.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-步測定了該物質(zhì)熔化過程的熱力學性質(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;隨著升溫速率的提高,溫度范圍略向高溫方向移動,但每個階段的失重率基本保持不變.1實 驗部分現(xiàn)僅以10K，min-! 的升溫速率為例(見圖1),其2003-06- 13收到初稿, 2003-09-15收到修改稿.聯(lián)系人:孫立賢(E-mail: lxsun@ dicp. ac. cn; Tel & Fax: 0411-4379213)..國家自然科學基金(20073047 )資助項目No.1孫立賢等阿司匹林的熱解機理及熱動力學研究51.2.0-20TG1121。DTG-0.6是9-600.8968 09763 1.0022追--1.2-100200300400500600700800900圖2阿斯匹林分子中的化學鍵鍵級r/KFig. 2Bond orders of aspirin molecule圖1阿斯匹林的TG-DTG曲線Fig. 1Plot of TG-DTG for aspirin匹林第一步 熱分解的動力學參數(shù).設(shè)阿司匹林熱分中TG為熱重曲線,DTG為微分熱重曲線,第一階解的動力學機理函數(shù)為f( a)=(1- x)",由Freeman-段的溫度范圍為420 ~ 550K,失重率為33. 67%;第Carroll法可得方程式(1)、(2):二階段的溫度范圍為550~720 K,失重率為ln(da/dt)+ E/ RT=lnA+ nln(1-a) (1)61.74%.和Als da/dt) __A( 1/T )為了了解阿司匹林的熱解機理,我們首先試圖.H AIg1-a)~ 4. 575 Alg 1-a)-n(2)從量子化學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initio 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)/△lg(1- a)對化,并計算出分子的Mayer鍵級.優(yōu)化計算采用局A(1/ T)/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Ah見圖3)然后用Kisinger!)和Ozawal151方法再分別計LDA ),基組選擇DNP(double- numerical basis func-tions together with polarization functions), 該基組相算它的活化能E.根據(jù)Kissinger法:當于6-31". Gaussian 軌道基組.所有計算采用ln(β/ Tp)=In(AR/ E) +In[ -df(x)/da]ap-Cerius2軟件中的基于密度泛函理論的DMol3模E/ RT,(3塊，在SGI O2工作站完成,結(jié)果見圖2.以In(β/ T:)對1/ Tp(其中Tp為DTG的峰溫，β為由圖2可知，在阿司匹林分子中C,-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0.5CH2CH2,生成苯甲酸.按此歷程熱0.解的理論失重率為32. 21%,這基本上與熱重曲線0.0的第一階段失重率33.67%相對應(yīng).因此可以推斷-0.5阿司匹林的第-階段的熱解反應(yīng)機理如下:COOHy-2.40 -5469.82 xCrackingE=104.6 kJ. mol--OCOCHs 420~550 KR2=0.99663-3044一58789To-CO2, -0.5 CH2CH21040(1 1T)/0g(1-a)圖3 Alg(da/dt)/Alg(1-a)對 0(1/ T)/Alg(1-a)2.2阿司匹林熱解反 應(yīng)的動力學研究曲線2.2.1熱動力學計 算的理論方法Fig.3 Plot of△lg(da/dt)/Slg(1-a) Us采用了三種不同方法來計算該物質(zhì)熱分解的活0(1/ T)/ Olg(1 - a) during decomposition化能(E).首先根據(jù)Freeman-Carroll法3計算阿司，process of aspirinActa Phys. -Chim. Sin. ( Wuli Huaxue Xuebao), 2004Vol.20-9.026.0-945.009.8y-26.885+2.79X-10.2 -1523-11792.28 xR2099949E=98.04 kJ. mol-'-10.6R2-09988123.0141.2 1.0080604 0.20.014121.00.80.60.40.20010 r'ln(1-a)圖4 ln(β/T; )對T;1的關(guān)系曲線圖5ln(da/dt)+ E/ RT對ln(1 - a )曲線Fig. 4Curve of ln(β/TH) us Tp'Fig.5 Curve of ln(da/dt)+ E/ RT us ln(1-a)d(lgβ)/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、Bz、的斜率可求E為98. 04kJ. mol-'.......相對應(yīng)的溫度T、T2、 .......然后，以lgβ再用Ozawa法計算E值,結(jié)果見表2.當a在對1/ T作圖得一直線,由其斜率可計算出E.0.2~0.8范圍內(nèi)時，E值在90.11~ 107. 32 kJ.而指前因子( A)可根據(jù)式5的關(guān)系,mol-1范圍內(nèi)變動,其均值為96.71 kJ. mol-', 它與ln(dx/dt)+ E/ RT=lnA+ nln(1- a) (5)前兩種方法得到的E值很接近，這表明阿司匹林熱以ln(da/dt)+ E/ RT對ln(1- a)作圖,由截距可分解動力學機理函數(shù)f(a)=(1- ax)"的假設(shè)是成求得A,斜率為n.立的.由三種方法得到的E的平均值為(100.34土2.2.2熱解 反應(yīng)動力學參數(shù)的計算5.18)kJ mol-'.以10K:min-1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=100.34 kJ. 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4.74x10";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士A、E、n值代入動力學方程:0.3.da/dt= A[exp(- E/ RT)](1- a)"分別以5、10、15. 20、25K min-I 的升溫速率得:測得阿司匹林的TG-DTG曲線,用Kissinger 法計算da/dt=4.74x 10"[exp(- (100.34 +5.18)x10*/ RT)](1- a)2.8土0.3表1用 Freeman-Carroll法測得的活化能E和反應(yīng)級數(shù)nTable 1Determination of E and n based on the Freeman-Carroll methodE -5-Dynamic parameter ValueMean value Standard deviation104. 59Endohem-10-E/kJ+ mol-106.23106. 28土1.7108. 01n2.92.8土0.3-20414.67 K3.03203403038040042040460E: activation energy; n: reaction orderT /K圖6阿斯匹林的 DSC曲線Fig.6 Curve of DSC for aspirin表2用Ozawa法測得的ETable 2 Determination of E based on the Ozawa method0.20.30.40.5.70.8E/ J，m1-192.5091.0990.1101. 89105.7898.3107.32No.1孫立賢等阿司匹林的熱解機理及熱動力學研究3表3阿斯匹林熔化過程的熱力學參數(shù)的測定值Table 3Thermodynamic parameters in fusion process of aspirinNo.Tn/KT,/K△Hm/kJ: mol- '△Sm/J mol-' K-'409. 44414. 6728.7170. 12409. 40414. 7729. 79.72. 76408.98414. 7929.0370.98409.02414.4229. 4371. 95409.11414. 5228. 89.70. 62Mean value414.6729. 1771. 09土. Stand. deviation。土0.22土0.18土0.41土1.062.3阿司匹林熔化過程熱力學參數(shù)的測定35(6): 4611阿司匹林的熔點為409 K10];但NIST中未見AI-Gohary, O. M. N. ; Al- Kassas, R. s. Pharm. Acta Helv,2000, 74(4):351熔化焓和熔化熵報導(dǎo)，本文用差式掃描量熱法6 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Zhang, J.;Wu, s. J. ;Chen, D. H. J. South Central Unin.前，故該峰為熔化吸熱峰.從DSC曲線準確測得其Naionalities( Nat. Sci. Edition), 2002,21(4):21 [張 健,吳相應(yīng)的熔點(Tm)、熔化焓(OHm);并根據(jù)熱力學公士筠，陳棟華.中南民族大學學報(ZhongnanMingzuDaxueXuebao), 2002, 21(4):21]式△Sm=AHm/ Tm計算出熔化熵(△s.),詳細結(jié)果8 Wang.H.; Yang,H. F. ;Ran,X. Q:Wen,Z. Y. ;Shi,Q. Z.見表3.Chimese 1. Inorganic Chem. 2001,17:538王惠, 楊海峰，冉新權(quán),文振翼,史啟禎。無機化學學報( Wuyji Huaxue Xue-3結(jié)論bao), 2001, 17: 5381通過量化計算,對阿司匹林的熱解機理進行了9 Wang,H. X.; Yan, X C. ;Li, X. ;Ouyang, L. ; Luo, M. D. ;Qu,s.s. J. Wuhan Univ. (Nat. Sci. Ed. ) , 2001, 47:399 [王 輝理論探討,并運用熱力學方法對其動力學過程進行憲，顏肖慈,黎新, 歐陽禮,羅明道.屈松生.武漢大學學報了基礎(chǔ)研究,得出了阿司匹林第--步熱解的動力學( Wuhan Daxue Xuebao ) 2001, 47: 3991方程為:0 Wang, J. ; Gu, J. D. ; Tian, A. M. Acta Chimica Sinica, 2002, 60da/dt=4.74x 10"[exp(-(100.34+5.18) x 10*/(4):590 [汪 敬, 顧健德，田安民.化學學報( Huaxue Xue-RT)](1- ax)2.8土03bao), 2002, 60(4) : 590]11 Xu,F. ; Sun, L. X. ;Tan, Z. C. ;Nan,Z. D. ; Yu, P. ; Zhang, T.測定了阿司匹林的熔點熔化焓和熔化熵分別為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.物理化學學報( Wuli .Huaxue Xuebao), 2002, 18(10):947]References13 Freeman, E. S. ;Carroll, B. 1. Plys. Chem, 1958, 62: 39414 Liu, Z. H. ; Hatayama, L. Z. Handbook of analytical chemistry,Altman, R. ; Scaziota, A. ; Cordero Fuenes, J. Thromb. Res.,1988, 51: 259Section for thermal analysis. Bejing: Chemical Industry Press,2000:46 [劉振海, 龜山立子編.分析化學手冊，熱分析.北2 Zou, H.Q. ; Gu, w. X. Guang Dong Pharma, 1998, (1);:1京:化學工業(yè)出版社, 2000: 46][鄒恒琴,古維新.廣東藥學( Guangdong Yaoxue), 1988, (1):11Gilian, P. M. ;Mary, T. K. Analytical Chemisry, 1998, 70(2):15 Hu, R. Z. ; Shi, Q, Z. Kinetis for thermal analysis. Bijing:409Science Press, 2001:108 [胡榮祖, 史啟禎.熱分析動力學Wang, J. ; Zhang, R. H. Aeta Pharmaceutica Sinica, 2000, 35(6):北京:科學出版社, 2001: 108]461 [王 晉, 張汝華.藥學學報( Yaoxue Xuebao ) 2000,16 EI Banna, H. M. J. Pharm. Sci, 1978, 67: 110954Acta Phys. Chim. Sin. ( Wuli Huaxue Xuebao), 2004Vol.20Studies on Thermal Decomposition Mechanism and Kinetics of Aspirin'Xu FenSun Li-Xian Tan Zhi-Cheng Liang Jian-Guo'Zhou Dan-Hong2° Di You-Ying Lan Xiao-ZhengZhang Tao( Material Thermochemistry Laboratory, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian116023;' Hunan Institute of Drug Detection, Changsha 410000; 2 Deparment of Chemistry, Liaoning Normal Universiry,Dalian116029)AbstractThe 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 aspirin,such 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 as:da/d1=4. 74x 10"[exp(- (100. 34+5.18)x10*/ RT)](1- ax)2.8土0.3Melting point, molar enthalpy and entropy of fusion of aspirin were examined to be (409. 19 +0.22) K, (29. 17土0.41)kJ mol-' and (71. 09+1.06) J. mol-'. 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 experiment.Keywords:Aspirin,Quantum chemistry calculation,Mechanism and kinetics of thermal decomposition,Thermogravimetry, 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)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)址業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)好業(yè)業(yè)業(yè)奴業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)駛業(yè)業(yè)業(yè)址業(yè)業(yè)址業(yè)中國化學會第24屆學術(shù)年會征文啟事中國化學會第24屆學術(shù)年會定于2004年4月24-27日在湖南省長沙市舉行.會議由中國化學會主辦湖南大學承辦湖南省化學化工學會協(xié)辦大會主題為新世紀的中國化學一機會 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、周夢君任會議秘書長，會議共設(shè)21個分會綠色化學、納米化學、化學生物學、化學信息學、有序超薄膜與超分子化學、分子磁體、有機固體電子過程與分子電子學、高分子化學與物理、生物有機藥物化學、生命科學中的分析化學、電化學、光化學、復(fù)雜體系的分離分析、晶體化學、有機和高分子光電子材料、催化化學、理論化學和計算與模擬化學、配位化學與生物無機化學、固體化學與物理無機化學、21世紀的應(yīng)用化學、國防科技中的特種化學問題3個專題論壇化學教育論壇、化學科普論壇、化學與社會論壇會議征集:前瞻性綜述、學科現(xiàn)狀、前沿及展望、系統(tǒng)性研究成果及原創(chuàng)性研究工作等論文。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.國化學會網(wǎng)頁下載.網(wǎng)址為http: / /www. ces. ac, cn/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)備演示項目洽談信息發(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.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、科研院所利用此次契機參與會展擴大影響會議注冊費會員600元非會員850元.學生憑證減半(不含博士后)年會期間開設(shè)會員入會登記處現(xiàn)場辦理入會手續(xù),中國化學會聯(lián)系人劉地址北京2709信箱郵編100080電話/傳真010- 62568157 ;電子信箱ceslj@ icas. ac. cn