槲皮素的熱降解機理及其分解動力學研究

郭滿滿，肖卓炳，彭密軍，于華忠，郭瑞軻

吉首大學林產化工工程湖南省重點實驗室，張家界427000

槲皮素(quercetin)又名櫟精，槲皮黃素，化學名為3，5，7，3'，4'-五羥基黃酮，分子量為302.23，屬于植物雌激素，是具有類雌激素效應的天然化合物，具有很高的藥用價值。它是一些中草藥的有效成分，如菟絲子、桑寄生、筋骨草、毛耳草、蒲黃、白花敗醬草、葫蘆巴、荔枝、魚腥草等中都含有豐富的槲皮素［1］，藥典記載槲皮素是瓦松、銀杏葉的主要成分。近年來，有關槲皮素的研究很多，其中在雌激素相關性疾病研究最多，主要包括乳腺癌、骨質疏松、前列腺癌、宮頸癌等疾病［2，3］。在這些疾病研究中，槲皮素主要表現為誘導腫瘤細胞凋亡，調節(jié)破骨細胞分化，調控體內雌激素代謝，對腫瘤黏附、侵襲、血管形成各過程都有影響［4-6］。與其他黃酮類藥物藥理作用相比，槲皮素有其獨特性。它是許多中藥材的有效成分之一，又是某些成藥的質量指標。槲皮素應用非常廣泛，主要為醫(yī)藥、日用化工和食品等行業(yè)。國內外對其藥理、提取、分離純化、含量檢測等均有大量研究，但未見有對其熱解機理及其動力學進行研究。

研究藥物的熱穩(wěn)定性和熱降解過程對藥物的穩(wěn)定性改進和存放期評價以及藥物生產、開發(fā)決策控制有很大的現實意義和指導意義。而熱分析技術是研究化合物熱穩(wěn)定性的重要手段［7-9］。為此，本研究應用TG-DTG技術來研究槲皮素的熱分解行為，協同使用Kissinger法［10］、Ozawa法［10］、Achar法［10］和Coats-Redfern法［11］來推導其最可能的熱分解機理，并求出相關的動力學參數。

1 材料與方法

1.1 材料

槲皮素標準品(由成都歐康植化科技有限公司提供，純度為99.0%)

1.2 熱重分析

熱分析實驗在德國NETZSCH公司生產的STA 409 PC/TG-DTG型熱分析儀上進行。實驗分別采用不同升溫速率(5、10、15 K/min)在室溫至700℃進行動態(tài)升溫實驗，試樣用量控制在10 mg左右，以高純度氮氣(99.99%)為載氣，流量為40 mL/min，系統自動采集數據，得到樣品的TG-DTG曲線。

1.3 熱分析動力學方法

1.3.1 多重升溫速率法

(1)Kissinger法:

式中Tp為DTG曲線的峰溫值，Eα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J/(mol·K)］，β為升溫速率。

分別分析多個TG-DTG曲線，取出β對應的Tp。求出各個 lnβ/和1/Tp。利用lnβ/對1/Tp作圖，經最小二乘法線性擬合可得到動力學參數Eα、lnA和相關系數(r)。

(2)Ozawa法:

式中g(α)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，依據最小二乘法用自編程序對基本數據進行線性回歸，得動力學參數Eα及r。

1.3.2 單一升溫速率法

(1)Coats-Redfern法:

以ln［g(α)/T2］對1/T作圖，采用最小二乘法進行線性回歸可得到一條直線，從截距l(xiāng)n(AR/βEα)和斜率(-Eα/RT)可求算出活化能Eα和指前因子A。

(2)Achar法:

式中，f(α)是微分形式機理函數，其它各符號的意義同上文。

以ln［(dα/dt)/f(α)］對1/T作圖，采用最小二乘法擬合數據，從直線截距l(xiāng)nA和斜率(-Eα/RT)可求算出活化能Eα和指前因子A。

將實驗數據T、轉化率α、轉化速率dα/dt用積分法Coats-Redfern方程和微分法Achar方程結合常用40種機理函數［12］，計算出Eα、lnA和線性相關系數r。當線性相關性較好(r接近于1)，且兩種方法所得Eα和lnA最為接近，而且活化能與多速率掃描法處理結果一致時，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Eα和A即為該反應的活化能和指前因子。

本實驗首先應用多重升溫速率法求出反應的活化能Eα，再應用單一升溫速率法(結合多重升溫速率法求出的Eα)推測出最可能的熱分解反應機制。

1.4 分子鍵級模擬

采用ChemOffice中的ChemDraw軟件繪制化合物分子結構并在Chem3D中進行結構能量最小優(yōu)化，然后運用Gaussian量子化學軟件，采用Hartree-Fock從頭計算法，在HF/3-21G*水平下計算分子鍵級，計算精度和收斂閥值取程序內定值，全部計算工作均在微機上完成［13］。

2 結果與討論

2.1 槲皮素的熱降解機理推斷

圖1為槲皮素分子的主要鍵級，圖2為槲皮素在10℃/min下測定的熱分析曲線(其他升溫速率下與此相似)。

化合物的熱分解分兩步完成:第一步從57℃到180℃，根據鍵級大小推斷斷裂的化學鍵可能是C2-O10、C9-O10，C13-O17，結合失重率10.02%推斷此步失重是失去兩個O原子，理論失重率10.58%與之相吻合;第二步從180℃到402℃，根據槲皮素的鍵級強弱推斷，可能是剩余分子中C12-O18鍵斷裂和C9-C15鍵斷裂，結合失重率25.43%推斷此步只失去一個苯環(huán)，18-OH基團在斷裂之后與9號鍵相連，理論失重率25.81%與之相吻合。

由表1可知，隨著升溫速率的增大，槲皮素的熱分解溫度也隨著增大。說明隨著升溫速率的增大，槲皮素沒有隨之在同一溫度下分解，槲皮素的熱降解是一個緩慢的過程，由于溫度快速升高致使槲皮素沒有迅速達到完全快速的熱傳遞，造成分子有效碰撞(分子動能)也隨之向后推移。由于第二步之后分解比較復雜，不是簡單的熱分解過程，且殘留的物質較少，所以只對前兩步分解反應進行動力學分析。

表1 不同升溫速率下的DTG峰溫Table 1 Peak temperatures of DTG curves at different heating rates

2.2 槲皮素的熱分解動力學

2.2.1 多速率法求取動力學參數

5、10、15℃/min 3種不同升溫速率下，多速率Kissinger和Ozawa法計算標題化合物兩步熱分解在TG-DTG曲線所取的數據見表1。根據方程可求得動力學參數，見表2。

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

2.2.2 熱分解機制函數的推斷

采用β為10℃/min的TG-DTG曲線作為單速率法的基礎數據。Achar法和Coats-Redfern法同時進行，相互印證。對兩步失重的單速率法計算時，數據見表3。

表3 采用Achar、Coats-Redfern法計算所需的兩步失重數據(β=10℃/min)Table 3 Two-stage weightlessness data by Achar and Coats-Redfern methods(β=10℃/min)

將數據T、α、dα/dt用積分法Coats-Redfern方程和微分法Achar方程結合常用40種機制函數，計算出Eα、lnA和r(表4)。當線性相關性較好，兩種方法所得Eα和lnA最為接近，且活化能與多速率掃描法處理結果一致時，所對應編號的機制函數即為該反應最可能的反應機制函數，相應的Eα和A即為該反應的活化能和指前因子。

表4 采用Coats-Redfern、Achar法求得的具有較好線性相關的動力學參數(β=10℃/min)Table 4 Linearly dependent kinetic parameters by Achar and Coats-Redfern methods(β=10℃/min)

2.2.3 動力學參數確定

將表2與表4結果對比可知，第一步失重機制函數為16號，第二步為36號時，線性相關性較好(r接近于1)，兩種方法所得Eα和lnA最為接近，并且由Achar與Coats-Redfern方程計算出的Eα和lnA與Ozawa法和Kissinger法計算的結果較為接近。

表5 兩步分解的動力學參數Table 5 Kinetic datas for the two-stage weightlessness

表5比較了在不同方法所得動力學參數。可以確定第一步熱分解為隨機成核與隨后生長控制機制，符合Avrami-Erofeev方程，Eα=95.69 kJ/mol，lnA=28.61，f(α)=1-α，g(α)=-ln(1-α);第二步熱分解為化學反應控制機制，符合反應級數方程，Eα=286.99 kJ/mol，lnA=56.07，f(α)=(1-α)2，g(α) =(1-α)-1-1。

2.3 槲皮素貯存期的推斷

根據求算得到的第一步分解Eα和A，則在一定反應溫度Tc下的反應速率常數k=Ae-Ea/RTc，進一步求算得到不同貯存溫度下對應的反應速率常數k和負對數值pk。在貯存溫度下，根據藥品pk值和藥品商品規(guī)定貯存期的相關性［14］，即pk＜3.5的區(qū)間內，貯存期不到1年;4＜pk＜7.5的區(qū)間內，貯存有效期為1.5～2年;在7.5＜pk＜11的區(qū)間內，貯存有效期為3年;pk＞10.5的區(qū)間內，貯存有效期為4～5年。不同溫度對應的貯存期對應的結果如下表所示。

表6 不同溫度下槲皮素的貯存期Table 6 The shelflife of quercetin at different temperatures

由表6可知，槲皮素在室溫下貯存期為1.5～2年，經推斷溫度與其貯存有直接關系，建議在較低溫度下(低于-60℃)貯存槲皮素，以便于更長久的使用。

3 結論

升溫速率的變化對槲皮素的熱失重有明顯的影響，隨著升溫速率的升高，樣品的起始分解溫度和終止分解溫度均向高溫移動，最大失重速率溫度也隨之升高。

通過熱分析曲線，可知槲皮素的失重分兩步，將單速率法——Achar法(微分法)和Coats-Redfern法(積分法)求得的結果，與多速率法——Kissinger法和Ozawa法的結果相互驗證，基本一致。因此，通過熱分析及其動力學方法來研究中藥活性成分的熱穩(wěn)定性及其動力學參數是可行的，多種單速率法和多速率法相互印證更能確保結果的可靠性。

經Gaussian模擬和熱重數據結合分析，槲皮素在第一步分解時，失去2個O原子;第二步分解時失去一個苯環(huán);槲皮素第一步熱分解(即熱失效)表觀活化能Eα=95.69 kJ/mol，lnA=28.61，微分機理函數f(α)=1-α，積分機理函數g(α)=-ln(1-α)。

根據第一步熱分解的動力學參數推斷在室溫(25℃)下，槲皮素的貯存期為1.5～2年，建議在較低溫度下(低于-60℃)貯存槲皮素，以便于更長久的使用。此結果可以為目前大量含槲皮素藥品的質量監(jiān)控和評價提供依據。本文所用熱分析動力學方法，分析操作過程簡便、快捷，僅需要微量(毫克級)樣品，且可以得到各步分解過程的模型機理函數，這些優(yōu)勢都是傳統的傳統初均速率法分析藥物穩(wěn)定性所不具備的。

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