作者：张春桃 王静康 王永莉 陈巍
【摘要】 差示扫描量热法(DSC)、傅立叶转换红外光谱(FT-IR)和X-射线粉末衍射(XRPD)研究表明实验室精制得到的头孢曲松钠晶体属单斜晶系，P21/c空间群。在Cerius2工作站SGI IRIX上应用能量最小化法确定了头孢曲松钠的晶体结构；基于BFDH、AE模型预测了头孢曲松钠晶体的晶习，其中AE模型预测的晶习与实际生长晶习相近，呈薄片状。实验定性考察了生长环境对头孢曲松钠晶习的影响。
【关键词】 头孢曲松钠； 晶体结构； 晶习； X-射线衍射
ABSTRACT Studies of differential scanning calorimetry (DSC), Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy, and X-ray powder diffraction (XRPD) on ceftriaxone sodium purified in laboratory indicate that the ceftriaxone sodium crystal belongs to monoclinic crystal system and space group of P21/c. The crystal structure of ceftriaxone sodium was determined on workstation SGI IRIX of Cerius2 based on the minimizing energy law; the crystal habit was predicted by BFDH law and AE law, respectively, of which the crystal habit predic-ted by AE law was plate, close to the practical habit grown from solution. The effects of crystal growth conditions on crystal habit of ceftriaxone sodium were qualitatively studied by experiments.
KEY WORDS Ceftriaxone sodium; Crystal structure; Crystal habit; X-ray powder diffraction
晶体的微观结构与物质的宏观物理、化学性质密切相关，决定着物质的晶形、密度、熔点等。对物质晶体结构的了解，将有助于在原子尺度上阐明物质各种性能的机制，对研究物质结构与性能之间的关系和规律具有重要意义［1］。晶习是表征晶体外部整体形态的量［2］。晶态有机固体的外形是其固液分离体系设计和操作的一个重要参数，影响下游操作过程(如过滤、洗涤、干燥)的效率和物质的性能(如堆密度、机械应力、润湿性)［2～4］。晶体内部结构特性以及外部生长环境都能影响晶习［5］，如何利用这些信息去预测和控制真实条件下生长晶体的晶习在精细化工领域，尤其是制药业，越来越受到关注和重视［6～8］。 头孢曲松钠(ceftriaxone sodium，C18H16N8Na2O7S3·3.5H2O)，曾译头孢三嗪，是新型、长效、广谱的第三代半合成头孢菌素，属于β-内酰胺类抗生素，结构式如Fig.1所示［9］，1978年由瑞士Roche公司研发成功，1982年首次在瑞士上市，1984年12月21日获得FDA认证，1996年专利到期。自上市以来，产品畅销全世界，2000年头孢曲松钠在世界前200个畅销药中列第43位，在国内的销售额居各抗感染药物之首［10，11］。目前头孢曲松钠的研究热点集中于合成以及药理，鲜有报道其晶体结构和晶习方面的研究。由于头孢曲松钠难以培养出满足测试要求的单晶，本文通过X-射线粉末衍射分析，应用分子设计软件Cerius2(4.6
Fig.1 Structure of ceftriaxone sodium
版本)根据能量最小化方法得到了头孢曲松钠分子空间结构，并在此基础上预测了产品晶习，为头孢曲松钠工业结晶过程的设计、优化提供了理论指导。
1 实验部分
1.1 实验原料
头孢曲松钠粗品由山东瑞阳制药有限公司提供，实验室精制后产品纯度经高压液相色谱(HPLC)检测不小于99.5%。试样再经研磨、筛分，选取粒度范围在38～45μm之间的细晶用于X-射线粉末衍射测试。
1.2 DSC分析
差示扫描量热仪(NETZSCH Thermal Analysis DSC204)：样品置于封口的Al2O3坩锅中，参比物为空的α-Al2O3坩锅；升温速率为5℃/min，升温范围从室温到330℃；载气为N2，流量50ml/min。仪器的热焓采用铟作为标准物校正。
1.3 TG分析
本文采用NETZSCH TG209热重分析仪测试头孢曲松钠的TG曲线，升温速率为10℃/min，载气为N2，流量为18ml/min。样品用量为5.08mg，升温范围从室温到200℃。
1.4 红外分析
本文采用KBr压片法在NICOLET 560型傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)上对头孢曲松钠进行红外光谱分析。
1.5 扫描电镜(SEM)
本文采用Hitachi X650扫描电镜(SEM)表征实验样品的晶习，操作电压15kV，样品放在黏着双面胶的金属片上，在观察前需在氩气保护下间歇喷金。
1.6 X-射线粉末衍射分析
头孢曲松钠的X-射线粉末衍射数据在日本理学(Rigaku)D/max-2500型单色X-射线衍射仪上收集，CuKα射线(λ＝1.5405)，石墨单色器，扫描速率1s/step，工作电压40kV，工作电流100mA，测试温度(25±1)℃。为保证样品表面与测角仪轴心平行共面，装样采用铝板背压法。
2 实验结果与讨论
2.1 DSC曲线
头孢曲松钠的DSC谱图如Fig.2所示，样品在260℃附近存在一个尖锐的放热峰，在放热峰前还存在两个小的吸热峰。头孢曲松钠DSC曲线260℃附近的放热峰是样品热分解放热所致［12，13］，实验测定的热分解峰顶温度TP为262.30℃，接近文献值240～265℃［12，13］。与其他大多数头孢菌素一样［13］，头孢曲松钠的DSC曲线也没有熔点峰，表明头孢曲松钠在熔化前已发生热分解，故无法用量热法来测定其纯度。
2.2 TG-DTG分析
头孢曲松钠的TG-DTG谱图如Fig.3所示，虽然TG曲线没有表现出明显的直角台阶状，但DTG曲线的双峰却说明了头孢曲松钠在室温至200℃之间的失重是分两步完成的。根据TG线的失重百分率计算结果可知，第一步失重约6.30%，第二步失重约3.31%。头孢曲松钠分子中结晶水的理论百分含量是9.53%，参照中国药典(CP2005)附录M水分测定法中的费休氏法测得头孢曲松钠水分含量为9.5%，而实验测得TG失重为9.61%，与理论结晶水含量基本相符。因此可推断头孢曲松钠在室温至200℃之间的TG失重是脱除结晶水所致［14］，Fig.2中DSC曲线热降解放热峰前出现的两个小峰正是头孢曲松钠分两步脱水而产生的吸热峰。而且，头孢曲松钠的DSC曲线并未再出现脱溶剂峰，结合Fig.3所示的TG-DTG谱图，可以初步判定实验精制头孢曲松钠过程中未见形成溶剂化合物。
2.3 红外分析
实验室制备的头孢曲松钠与市售国外产品的红外谱图如Fig.4所示。β-内酰胺与杂环并接产生的特征峰出现在1740cm-1处，在3440～3260cm-1处出现的强而宽的峰是-OH和-NH伸缩振动引起的谱带，-OH和-NH的伸缩振动频率在此区域相互重叠而不易区分，由于分子内氢键，吸收频率向低频方向还存在一定的平移。1610cm-1附近处的强峰是芳核骨架振动的特征峰，1000cm-1附近的特征峰是芳环C-H面向弯曲振动引起的强吸收峰，但Ar-H在3030cm-1附近的特征峰由于-OH和-NH的存在而不明显。1740cm-1处的强峰是羰基伸缩振动的特征峰，而1650cm-1处的强峰则是酰胺的羰基伸缩振动引起的。
2.4 X-射线粉末衍射分析
测试中发现当2θ>50°后，头孢曲松钠的XPRD谱图不再出现明显的衍射峰，因此在Rigaku D/max-2500X射线衍射仪上收集5°<2θ<50°的数据，再利用衍射仪随机软件进行衍射图的平滑、Kα2剥离及其背景扣除后得到的头孢曲松钠X-射线粉末衍射图如Fig.5所示，衍射数据表明实验室制备的头孢曲松钠与标准品具有相同的特征峰位置与强度。本文采用JADE 4.0软件对头孢曲松钠的衍射数据进行指标化，并用JADE 4.0中的最小二乘精修程序对指标化结果进行精修。精修后头孢曲松钠X-射线粉末衍射数据的指标化结果见Tab.1，属于单斜晶系，P21/c空间群，晶胞参数为a=9.2493，b=15.779，c=20.619，α=γ=90°，β=121.34°，单胞内分子数Z=4。通过晶胞参数可计算出头孢曲松钠晶体密度Dx=1.71g/cm3，与实验测出的晶体密度ρc=1.73g/cm3基本吻合。
2.5 头孢曲松钠晶体结构的确定
分子的空间结构信息对于确定晶体结构，研究晶体所属空间群和原子位置具有重要作用。因此，在研究晶体结构之前研究分子的空间结构是必要的。分子的空间结构一般可以由两种方法得到：一是通过实验的方法，主要包括X-射线单晶衍射和2D-NMR技术；另一个是通过计算机辅助分子设计的理论计算方法，目前主要包括“原始”机制、半经验机制以及分子机制模型，其中分子机制模型又有能量最小化、网格搜索、蒙特卡罗(Monte Carlo)以及分子动力学模拟等方法［15］。虽然单晶结构分析是诸多固态物质结构分析方法中提供信息最多、最常用的研究方法，已经成为合成化学及其相关学科、晶体工程和超分子化学等研究领域中必不可少的研究手段［16］，但目前X-射线单晶衍射仪对测试晶体的三维尺度(最小维的空间尺度不小于0.01mm)和质地(晶体不能出现缺陷)有严格的要求，由于头孢曲松钠晶体是薄片状晶习，难以培养出合乎单晶测试要求的晶体，有一维的空间尺度小于0.01mm。头孢曲松钠是一种大分子有机盐类，具有离子化合物的特性。因此本论文应用分子设计软件Cerius2(4.6版本)中的3D-sketcher环境画出分子结构图，再通过电荷分配，选择Dreading 2.21力场，最后根据能量最小化方法得到可能的头孢曲松钠分子空间结构如Fig.6所示。
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