基于紫外吸收及導(dǎo)數(shù)光譜監(jiān)測乙酸鈉催化合成阿司匹林的反應(yīng)研究

邵建群 唐靜成 徐艷霞 張 楓

(首都醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，北京 100069)

阿司匹林(aspirin)的學(xué)名為乙酰水楊酸，從1897年人工合成以來已有一百多年的時(shí)間。阿司匹林是人類商業(yè)史上最成功的合成藥物，目前仍是民眾生活中不可缺少的藥物之一[1]。通過水楊酸和乙酸酐合成得到阿司匹林的反應(yīng)詳見圖1。

圖1 阿司匹林的合成Fig.1 Synthesis of aspirin

在合成阿司匹林的反應(yīng)中，通常是以濃酸為催化劑[2-3]。由于濃酸會腐蝕設(shè)備，污染環(huán)境，現(xiàn)已報(bào)道了多種改進(jìn)的堿性催化劑[4-5]和酸性催化劑[6-7]。但不管采用何種催化劑合成阿司匹林時(shí)，如果反應(yīng)時(shí)間太長，溫度過高，不僅有副反應(yīng)，也會導(dǎo)致產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中的乙酰基被脫掉，而影響產(chǎn)率。所以采用適宜的分析測定手段，準(zhǔn)確判斷合成阿司匹林的反應(yīng)終點(diǎn)，是提高產(chǎn)率的關(guān)鍵。紫外可見分光光度法是利用物質(zhì)對紫外可見光的吸收光譜來對物質(zhì)進(jìn)行分析測定。這種測定方法具有準(zhǔn)確性高，實(shí)用性強(qiáng)，易于操作等優(yōu)點(diǎn)，且可用于微量和痕量物質(zhì)的分析，有較多的研究人員[8-9]采用紫外可見導(dǎo)數(shù)光譜對藥品含量進(jìn)行檢測。在本課題組所報(bào)道的以酸性檸檬酸為催化劑合成阿司匹林的實(shí)驗(yàn)研究[10]中，就是采用紫外二階導(dǎo)數(shù)光譜方法監(jiān)測反應(yīng)過程、并判斷合成阿司匹林的反應(yīng)終點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)所采用的是堿性乙酸鈉為催化劑，通過對反應(yīng)體系中阿司匹林和水楊酸的紫外光譜、二階導(dǎo)數(shù)光譜的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以及兩種光譜的相互印證，判斷在合成反應(yīng)體系中阿司匹林和水楊酸的濃度隨時(shí)間變化的情況，從而推斷出采用乙酸鈉為催化劑時(shí)，不同反應(yīng)溫度的實(shí)驗(yàn)條件下合成阿司匹林達(dá)到反應(yīng)終點(diǎn)時(shí)所需的時(shí)間。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

1.1.1 儀器

RCTBS025控溫磁力攪拌器(德國IKA公司)； BT25S電子分析天平(北京賽多利斯儀器有限公司)；UV2550紫外可見分光光度計(jì)(日本島津公司)。

1.1.2 試劑

分析純，無水乙醇(北京現(xiàn)代東方精細(xì)化學(xué)品有限公司)；水楊酸(西隴化工股份有限公司)；乙酰水楊酸(天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所)；乙酸酐(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；乙酸鈉(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 紫外光譜的采集及二階導(dǎo)數(shù)光譜的轉(zhuǎn)換

在250 ～350 nm的紫外波長范圍，分別掃描無水乙醇溶解的阿司匹林、水楊酸、乙酸酐和乙酸鈉對照品溶液，得到各物質(zhì)的零階紫外吸收光譜。從圖2可知，阿司匹林的最大吸收波長為274 nm，水楊酸的最大吸收波長為304 nm。因幾種物質(zhì)的紫外吸收光譜互有重疊，為消除組分的干擾并準(zhǔn)確進(jìn)行定量分析，將零階紫外吸收光譜轉(zhuǎn)換為二階導(dǎo)數(shù)光譜[11-12]。

圖3即為根據(jù)島津UV2550儀器功能，轉(zhuǎn)換為紫外二階導(dǎo)數(shù)的光譜。實(shí)驗(yàn)選定以二階導(dǎo)數(shù)光譜的289 nm為阿司匹林的定量測定點(diǎn)，此處水楊酸、乙酸酐和乙酸鈉二階導(dǎo)數(shù)值為零，沒有干擾。選定308 nm為水楊酸的定量測定點(diǎn)，此處阿司匹林、乙酸酐和乙酸鈉的二階導(dǎo)數(shù)值為零，沒有干擾。

圖2 紫外吸收光譜Fig.2 Ultraviolet absorption spectrum

圖3 紫外二階導(dǎo)數(shù)光譜Fig.3 Second derivative ultraviolet spectrum

1.2.2 阿司匹林標(biāo)準(zhǔn)溶液配制和工作曲線的建立

準(zhǔn)確稱取阿司匹林0.04 g，用無水乙醇溶解定容于100 mL容量瓶中。再分別吸取此溶液0、1、2、4、6、8 mL并用無水乙醇定容于10 mL容量瓶中，配成0、40、80、160、240、320 μg·mL-1系列標(biāo)準(zhǔn)阿司匹林溶液。

掃描不同濃度阿司匹林溶液的紫外吸收光譜，轉(zhuǎn)化為二階導(dǎo)數(shù)光譜，選取波長在289 nm處的二階導(dǎo)數(shù)值作為阿司匹林的定量指標(biāo)。阿司匹林的線性回歸方程為：y=0.014 5x-0.000 4。y表示289 nm處的二階導(dǎo)數(shù)值，x表示阿司匹林的濃度，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 8。阿司匹林的濃度在0～320 μg·mL-1范圍內(nèi)有良好的線性關(guān)系。

1.2.3 水楊酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制和工作曲線的建立

精密稱取水楊酸0.04 g，用無水乙醇溶解定容于100 mL容量瓶中。再分別吸取此溶液0、200、400、600、800、1 000 μL并用無水乙醇定容于10 mL容量瓶中，配成0、8、16、24、32、40 μg·mL-1系列標(biāo)準(zhǔn)水楊酸溶液。

掃描不同濃度水楊酸溶液的紫外吸收光譜，轉(zhuǎn)化為二階導(dǎo)數(shù)光譜，選取波長在308 nm處的二階導(dǎo)數(shù)值作為水楊酸的定量指標(biāo)。水楊酸的線性回歸方程為：y=0.005 5x-0.000 4。y表示308 nm處的二階導(dǎo)數(shù)值，x表示水楊酸的濃度，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 5。水楊酸濃度在0～40 μg·mL-1范圍內(nèi)有良好的線性關(guān)系

1.2.4 阿司匹林的合成與監(jiān)測

采用水浴控溫磁力攪拌器，分別控制反應(yīng)溫度條件為45、55、65、75 ℃。根據(jù)文獻(xiàn)[4]所報(bào)道的最佳投料比例，在干燥的反應(yīng)瓶中加入水楊酸3 g(約0.022 mol)、乙酸酐6 mL(約0.064 mol)和催化劑乙酸鈉0.28 g。反應(yīng)開始后，每間隔0.51 min反應(yīng)時(shí)間，從反應(yīng)瓶中取樣100 μL，用無水乙醇定容于10 mL容量瓶中。然后再從此容量瓶中取50 μL，并與3 mL無水乙醇混勻后，分別進(jìn)行紫外吸收光譜的測定。把不同實(shí)驗(yàn)樣品的紫外吸收光譜轉(zhuǎn)換為紫外二階導(dǎo)數(shù)光譜，根據(jù)阿司匹林和水楊酸的工作曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出不同時(shí)間點(diǎn)時(shí)阿司匹林和水楊酸的含量。

2 結(jié)果

2.1 45 ℃反應(yīng)體系的監(jiān)測結(jié)果

在控制反應(yīng)溫度為45 ℃的條件下，從圖4可知，反應(yīng)物水楊酸的濃度在約0 ～20 min內(nèi)從最大濃度逐漸下降，同時(shí)生成物阿司匹林的濃度則在不斷增加。

圖4 45 ℃反應(yīng)體系中阿司匹林和水楊酸濃度隨時(shí)間變化Fig.4 Concentration of aspirin and salicylic acid change with the length of time in synthesis reaction system at 45 ℃

對照圖5所截取的5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的紫外光譜圖可以看到，在20 min的反應(yīng)過程中，304 nm處水楊酸的最大吸收峰在逐漸消失，而274 nm處阿司匹林的最大吸收峰則在逐漸形成。

圖5 45 ℃反應(yīng)體系中不同時(shí)間點(diǎn)的紫外吸收光譜Fig.5 Ultraviolet absorption spectra of different time points in synthesis reaction system at 45 ℃

2.2 55 ℃反應(yīng)體系的監(jiān)測結(jié)果

在控制反應(yīng)溫度為55 ℃的條件下，從圖6可知，水楊酸的濃度在0 ～10 min內(nèi)從最大下降到零，而生成物阿司匹林的濃度不斷增加。

圖6 55 ℃反應(yīng)體系中阿司匹林和水楊酸濃度隨時(shí)間變化Fig.6 Concentration of aspirin and salicylic acid change with the length of time in synthesis reaction system at 55 ℃

對照圖7所截取的5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的紫外光譜圖可以看到，在10 min的反應(yīng)過程中，304 nm處水楊酸的最大吸收峰漸漸消失，而274 nm處阿司匹林的最大吸收峰則在漸漸形成。

圖7 55 ℃反應(yīng)體系中不同時(shí)間點(diǎn)的紫外吸收光譜Fig.7 Ultraviolet absorption spectra of different time points in synthesis reaction system at 55 ℃

2.3 65 ℃反應(yīng)體系的監(jiān)測結(jié)果

在控制反應(yīng)溫度為65 ℃的條件下，從圖8可知，水楊酸的濃度在0 ～4 min內(nèi)，從最大快速下降到零，而生成物阿司匹林的濃度則快速增加。

圖8 65 ℃反應(yīng)體系中阿司匹林和水楊酸濃度隨時(shí)間變化Fig.8 Concentration of aspirin and salicylic acid change with the length of time in synthesis reaction system at 65 ℃

對照圖9所截取的5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的紫外光譜圖可以看到，在反應(yīng)了4 min時(shí)，304 nm處水楊酸的最大吸收峰消失了，同時(shí)274 nm處阿司匹林的最大吸收峰形成了。

圖9 65 ℃反應(yīng)體系中不同時(shí)間點(diǎn)的紫外吸收光譜Fig.9 Ultraviolet absorption spectra of different time points in synthesis reaction system at 65 ℃

2.4 75 ℃反應(yīng)體系的監(jiān)測結(jié)果

在控制反應(yīng)溫度為75 ℃條件下，從圖10可知，水楊酸的濃度在約0 ～3 min內(nèi)，從最大迅速下降到零，而阿司匹林的濃度則快速增加。

對照圖11所截取的5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的紫外光譜圖可以看到，在反應(yīng)了3 min時(shí)，304 nm處水楊酸的最大吸收峰消失了，同時(shí)274 nm處阿司匹林的最大吸收峰形成了。

2.5 不同條件下合成阿司匹林的產(chǎn)率和純度

根據(jù)不同溫度條件下，對合成阿司匹林的監(jiān)測結(jié)果，分別在反應(yīng)瓶中加入3 g(約0.022 mol)水楊酸、6 mL(約0.064 mol)乙酸酐和0.28 g乙酸鈉，控制溫度為45、55、65、75 ℃。各自反應(yīng)20、10、4、3 min后，把合成阿司匹林的反應(yīng)瓶冷卻至室溫后加入30 mL蒸餾水，有結(jié)晶析出。再用冰水浴充分冷卻，然后對得到的阿司匹林晶體進(jìn)行減壓過濾，并使晶體充分晾干，分別稱質(zhì)量后，計(jì)算出不同條件下合成阿司匹林粗品的產(chǎn)率。又準(zhǔn)確稱取干燥后不同條件下合成的阿司匹林80 mg，用無水乙醇定容于10 mL容量瓶中。再從中吸取溶液250 μL，用無水乙醇定容于10 mL容量瓶中，分別測定各溶液的紫外吸收，計(jì)算合成阿司匹林粗品的純度。粗品的產(chǎn)率和純度結(jié)果詳見表1。

圖10 75 ℃反應(yīng)體系中阿司匹林和水楊酸濃度隨時(shí)間變化Fig.10 Concentration of aspirin and salicylic acid change with the length of time in synthesis reaction system at 75 ℃

圖11 75 ℃反應(yīng)體系中不同時(shí)間點(diǎn)的紫外吸收光譜Fig.11 Ultraviolet absorption spectra of different time points in synthesis reaction system at 75 ℃

表1 阿司匹林的產(chǎn)率和純度Tab.1 The yield and purity of aspirin

3 討論

3.1 反應(yīng)溫度對合成阿司匹林的影響

3.2 催化劑對合成阿司匹林的影響

反應(yīng)溫度為 45、55、65、75 ℃時(shí)得到粗品阿司匹林的平均純度為81.0%，分析未重結(jié)晶的粗品純度低的原因可能是由于乙酸鈉為偏堿性物質(zhì)，在阿司匹林結(jié)晶析出的過程中，體系中存在的少量催化劑乙酸鈉會使合成得到的阿司匹林水解，致使乙?；摰魧?dǎo)致阿司匹林結(jié)構(gòu)被破壞，使粗品的純度有所降低。所以為避免產(chǎn)物水解以提高粗品的純度，在反應(yīng)完成后要盡快使體系中的溶液降溫，析出阿司匹林晶體后也要盡快減壓過濾，使固液分離。

阿司匹林是與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的藥物[13-15]，環(huán)保高效的阿司匹林合成方法是制藥企業(yè)所追求的發(fā)展方向。本研究合成阿司匹林的催化劑為乙酸鈉，相對于使用濃酸催化劑來說，是一種環(huán)保型的催化劑。以往對催化劑乙酸鈉的研究缺少對阿司匹林反應(yīng)體系中物質(zhì)變化過程的分析測定[4]，也不能準(zhǔn)確判斷出反應(yīng)終點(diǎn)。本研究所采用的紫外吸收光譜、二階導(dǎo)數(shù)光譜法可以實(shí)現(xiàn)對阿司匹林反應(yīng)體系的實(shí)時(shí)監(jiān)測并準(zhǔn)確判斷出反應(yīng)終點(diǎn)。且實(shí)驗(yàn)所用紫外可見分光光度計(jì)準(zhǔn)確性高，分析測定方法實(shí)用性強(qiáng)并易于操作。因此本實(shí)驗(yàn)方法可以為采用催化合成阿司匹林的相關(guān)企業(yè)和研究者提供借鑒和參考。

致謝：本論文獲得“基礎(chǔ)與專業(yè)藥學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(首都醫(yī)科大學(xué))”和“醫(yī)學(xué)化學(xué)與藥學(xué)北京高等學(xué)校示范性校內(nèi)創(chuàng)新實(shí)踐基地(首都醫(yī)科大學(xué))”兩大平臺的支持。