雷公藤甲素和雷公藤內酯酮熱穩定性與分解動力學

劉建群，余昭芬

江西中醫藥大學現代中藥制劑教育部重點實驗室，南昌 330004

類風濕性關節炎屬于嚴重危害人們健康的10類(種)重大疾病之一，兩年致殘率高達50%，素有“不死的癌癥”之說［1］。雷公藤(Tripterygium wilfordii Hook)是國內外公認具有良好療效的治療類風濕性關節炎等自身免疫功能亢進性疾病的首選中藥［2］。目前有雷公藤片、雷公藤多苷片、雷公藤內酯、雷公藤內酯軟膏、雷公藤總萜片等國家藥品標準收載的多個國產藥品品種［3］。但雷公藤毒性較大，具有肝、腎、生殖系統等多臟器毒性，是毒副作用和不良反應報道較多的中藥［4］。雷公藤甲素(也稱雷公藤內酯醇)和雷公藤內酯酮是雷公藤的主要有效成分也是其主要毒性成分，為環氧二萜內酯類成分。研究表明，雷公藤甲素和雷公藤內酯酮具有很好的免疫抑制和治療類風濕性關節炎作用以及抗腫瘤作用［5-7］。穩定性是藥用化合物的基本要求，藥用化合物的熱穩定性和它的熱分解歷程在某種程度上與其穩定性有密切關系，也與成品存放期有很大關系。所以，研究藥用化合物的熱穩定性和熱分解歷程對產品穩定性和存放期的評價以及產品生產中的質量控制和工藝優化具有重要意義。我們研究發現雷公藤經煨法炮制后可顯著降低毒性［8，9］。因熱分析過程與煨法炮制加熱過程類似，為進一步研究雷公藤有效成分在炮制過程中的變化規律，本文首次采用TG-DTG 和DTA-DDTA 熱分析法研究了雷公藤甲素和雷公藤內酯酮的熱穩定性、分解動力學及理論貯存期，本結果可為含雷公藤甲素和雷公藤內酯酮藥品的質量控制和制劑工藝、雷公藤的炮制減毒以及熱分解產物研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器、材料與試劑

1.1.1 儀器

SII Nano Technology TG/DTA 6300 型熱分析儀(日本精工納米科技有限公司);BT25S 型電子天平(十萬分之一，Sartorius)。

1.1.2 材料與試劑

雷公藤甲素和雷公藤內酯酮對照品(≥98%，南京澤朗醫藥科技有限公司，批號分別為ZL110619，ZL111119);其余試劑均為分析純。

1.2 熱重和差熱分析

稱取雷公藤甲素和雷公藤內酯酮約3 mg，于N2氣氛，流速100 mL/min，溫度范圍25～900 ℃，記錄5 ℃/min、10 ℃/min、15 ℃/min 和20 ℃/min 四個不同升溫速率(β)條件下，記錄雷公藤甲素和雷公藤內酯酮的熱重、微商熱重和差熱、微商差熱變化曲線。

2 結果與討論

2.1 雷公藤甲素和雷公藤內酯酮的熱分解行為

圖1 為雷公藤甲素(A)和雷公藤內酯酮(B)在5 ℃、10 ℃、15 ℃/min 和20 ℃/min 四個不同升溫速率(對應圖中曲線編號依次為1→4)條件下的TG、DTG、DTA 和DDTA 曲線。以5 ℃/min 升溫速率條件下熱分析曲線為例說明，TG 曲線只有一個失重平臺，但DTG 曲線出現299 和340 ℃(肩峰，升溫速率≥10 ℃/min)兩個失重峰。DTA-DDTA 曲線出現232 ℃一個吸熱峰和298 ℃一個放熱峰，其中232 ℃峰為熔融峰，與文獻報道熔點基本一致。DTG 299 ℃峰失重率最大，為雷公藤甲素熱分解反應最快峰，雷公藤甲素兩步熱分解嚴重重疊，總失重率為85.5%，400 ℃后分子完全裂解。雷公藤內酯酮的熱分解行為與雷公藤甲素非常相似，DTG 曲線出現282 和333 ℃(該肩峰更明顯)兩個失重峰，DTA-DDTA 曲線出現252 ℃一個吸熱峰和280 ℃一個放熱峰，兩步熱分解嚴重重疊，總失重率為64.4%。考慮藥物常規制劑工藝溫度和對貯存期影響，因此只對第一步熱分解反應進行詳細動力學分析。

雷公藤甲素和雷公藤內酯酮為雷公藤的主要有效成分和毒性成分，為避免這兩個有效成分的完全損失，并適當降低其毒性，雷公藤炮制溫度不宜超過450 ℃，適宜炮制溫度為200～450 ℃。因大于200℃兩者開始分解，因此其制劑工藝過程中溫度宜控制在200 ℃以下。

2.2 雷公藤甲素和雷公藤內酯酮的熱分解動力學

2.2.1 多速率法求解動力學參數

5、10、15、20 ℃/min 4 種不同升溫速率下，采用多速率Kissinger 和Ozawa 法計算雷公藤甲素和雷公藤內酯酮第一步熱分解動力學，在TG-DTG 曲線所取的數據見表1。

圖1 雷公藤甲素(A)及雷公藤內酯酮(B)不同升溫速率下的TG、DTG、DTA 和DDTA 曲線Fig.1 TG，DTG，DTA and DDTA curves of triptolide(A)and triptonide(B)at different heating rates

表1 DTG 曲線第一步分解反應數據(β:升溫速率;Tp:峰溫值)Table 1 DTG curve data of the first stage thermal decomposition reaction(β:heating rate;Tp:peak temperature)

Kissinger 法計算方程［10］為:

式中Tp為DTG 曲線的峰溫值，Ea為表觀活化能，單位為kJ/mol，A 為指前因子，單位為min-1，R為氣體常數，單位為J/(mol·K)，β 為升溫速率。

Ozawa 法計算方程［10］為:

式中g(a)是最概然機制函數的積分形式，T 是熱力學溫度，其他各符號的意義同上。

利用lgβ 對1/T 作圖，得線性回歸方程:雷公藤甲素:lnβ=-7618(1/T)+13.985，r=0.9733;雷公藤內酯酮:lnβ=-7026.8(1/T)+13.347，r=0.9964。從而求得熱分解動力學參數Ea 和線性相關系數r(見表2)。

表2 采用Kissinger 法和Ozawa 法求得的動力學參數Table 2 Kinetic parameters obtained by Kissinger and Ozawa methods

2.2.2 單一升溫速率法求解動力學參數

Coats-Redfern 法計算方程［10］為:

以ln［g(α)/T2］對1/T 作圖，經線性回歸可得到一條直線，從截距ln［AR/(βEa)］和斜率(-Ea/R)可求算出Ea 和A。

Achar 法計算方程［10］為:

式中T 為絕對溫度，f(α)是微分形式機制函數，其他各符號的意義同上。

以ln［(dα/dt)/f(α)］對1/T 作圖，經線性回歸可得到一條直線，從截距lnA 和斜率(-Ea/R)可求算出Ea 和A。

Coats-Redfern 法和Achar 法計算所需數據見表3。

將實驗數據T、α、dα/dt 用積分法Coats-Redfern方程和微分法Achar 方程結合常用的40 種機制函數［11］，計算出Ea、lnA 和r。當線性相關性較好(r接近于1)，且兩種方法所得Ea 和lnA 最為接近，而且Ea 和lnA 與多速率掃描法處理結果基本一致時，所對應的機制函數即為該反應最可能的反應機制函數，相應的Ea 和A 即為該反應的活化能和指前因子［10，11］。采用β 為5 ℃/min 的TG-DTG 曲線作為單速率法的基礎數據。對第一步失重的單速率法計算結果見表4。

表3 采用Coats-Redfern、Achar 法計算所需的第一步失重數據Table 3 The firt stage weightlessness data by Coats-Redfern and Achar methods

表4 采用Coats-Redfern、Achar 法求得與多速率法相吻合的第一步失重動力學參數Table 4 The firt stage weightlessness kinetic parameters obtained by Coats-Redfern and Achar methods

2.3 熱分解動力學參數確定

將表2 與表4 結果對比可知，雷公藤甲素第一步失重機制函數為36 號［11］時，線性相關性較好(r接近于1)，兩種方法所得Ea 和lnA 最為接近，并且由Coats-Redfern 與Achar 方程計算出的Ea 和lnA與多速率法計算的結果最為接近。按36 號機制函數計算，四種方法計算第一步熱分解動力學參數平均值為:Ea=136.66 kJ/mol，lnA=26.47。因此確定第一步熱分解為Chemical reaction 控制機制，符合Reaction order 方程，Ea=136.66 kJ/mol，lnA=26.47，g(α)=(1-α)-1-1，f(α)=(1-α)2。同法確定雷公藤內酯酮第一步失重機制函數為32 號［11］，為Chemical reaction 控制機制，符合二級反應方程，Ea=127.19 kJ/mol，lnA=25.23，g(α)=1-(1-α)2，f(α)=1/2(1-α)-1。

2.4 雷公藤甲素和雷公藤內酯酮貯存期的推斷

根據阿倫尼烏斯公式，在一定反應溫度Tc 下的反應速率常數k=Ae-Ea/(RTc)，將雷公藤甲素第一步熱分解活化能Ea(136.66 kJ/mol)和lnA(26.47)代入公式，可求得在室溫Tc=25 ℃(298.15 K)時，k的負對數值pk=12.46。在貯存溫度(室溫25℃)，β 為5 ℃/min 條件下，根據藥品pk 值和藥品商品規定貯存期的相關性［12］，pk＞10.5 的區間內，貯存有效期為4～5 年，推斷雷公藤甲素的理論貯存期為4～5 年。

同法求得雷公藤內酯酮在室溫Tc=25 ℃(298.15 K)時，k 的負對數值pk=11.34，同法推斷雷公藤內酯酮的理論貯存期為4～5 年。

3 結論

熱分析曲線結果表明雷公藤甲素和雷公藤內酯酮熱分解行為相似，除脫水峰外，失重均分為兩步，但重疊嚴重，從200 ℃到490 ℃左右熱分解失重率分別為85.5%和64.4%。DTA-DDTA 曲線均出現一個熔融吸熱峰和一個分解放熱峰。采用單速率法和多速率法測得雷公藤甲素的第一步熱分解的機制是Chemical reaction 控制，符合Reaction order 方程，平均表觀活化能Ea 為136.66 kJ/mol，指前因子lnA為26.47。根據第一步熱分解的Ea 和A 推斷，在室溫(25 ℃)下，雷公藤甲素的理論貯存期為4～5 年。同法測得雷公藤內酯酮的第一步熱分解的機制是Chemical reaction 控制，符合二級反應方程，平均表觀活化能Ea 為127.19 kJ/mol，指前因子lnA 為25.23，理論貯存期為4～5 年。從活化能比較表明雷公藤甲素比雷公藤內酯酮更穩定。

雷公藤甲素和雷公藤內酯酮為雷公藤的主要有效成分和毒性成分，為避免這兩個有效成分的完全損失，并適當降低其毒性，雷公藤炮制溫度不宜超過450 ℃，適宜炮制溫度為200～450 ℃。因大于200℃兩者開始分解，因此其制劑工藝過程中溫度宜控制在200 ℃以下。本結果可為含雷公藤甲素和雷公藤內酯酮藥品的質量控制和制劑工藝、雷公藤的炮制減毒以及熱分解產物研究提供參考。

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