姜黃素與鄰苯二酚共晶的太赫茲光譜*

鄭轉平 劉榆杭 趙帥宇 蔣杰偉 盧樂

(西安郵電大學電子工程學院,西安 710121)

姜黃素是一種具有抗炎、抗氧化及抗癌等作用的常用藥物,但是其在水中的溶解度較低.近年來,藥物共晶是一種增強水溶性有限藥物溶解度和溶解性的有效方法.基于此,本文利用太赫茲時域光譜技術(THz-TDS)研究了姜黃素與鄰苯二酚共晶的太赫茲光譜.首先測試了姜黃素、鄰苯二酚、二者物理混合及其共晶在0.5—3.5 THz 的實驗譜.實驗數據顯示共晶獲得的位于3.31 THz 處的吸收峰明顯區別于原料物質,表明THz-TDS 可以有效鑒別姜黃素、鄰苯二酚及其共晶體;基于密度泛函理論,對姜黃素與鄰苯二酚共晶體可能存在的4 種理論晶型進行結構優化與頻譜模擬,其中理論晶型Ⅲ模擬結果與實驗數據比較符合.研究發現,共晶體是通過姜黃素的羰基C10=O3 與鄰苯二酚的羥基O61—H55 形成氫鍵而成,共晶的THz 特征吸收峰是在氫鍵帶動下由共晶中兩分子的官能團共同作用產生的.

1 引言

藥物共晶是藥物活性成分(API)與共晶形成物(CCF)在氫鍵和其他非共價鍵的作用下結合而成的晶體.它是一種重要的多組分復合物,在同一晶格中壓縮至少兩個由非共價鍵連接的分子.研究表明,藥物共晶的結構在一定程度上會對藥物分子的理化性質產生影響,可以顯著改變藥物活性成分的物理化學性質,如溶解度、溶解速率、穩定性、滲透性、可食性和生物利用度等,使得其在藥物開發中有巨大的潛在價值[1?3].現階段,研究共晶的分子結構排布及其微觀的作用模式對藥物應用領域具有重要的現實意義[4?6].

傳統研究中,多采用 X 衍射、紅外與拉曼光譜儀來檢測共晶,但需要色譜法等輔助表征晶體結構[7,8].而振動光譜技術源于分子振動能級的躍遷,并伴有轉動能級改變,被廣泛用于物質的表征辨別中[9].太赫茲波作為轉動光譜,其波長介于微波與紅外波之間,其波段范圍位于0.1—10 THz,由于光子能量與大部分藥物分子的轉動振動能級之間躍遷的能量相當,能夠敏銳地探測到分子低頻振動區域內的偶極躍遷,并對分子間弱相互作用力(氫鍵、范德瓦耳斯力)及分子官能團振動形成“指紋光譜”,受到了越來越多的關注[10].近年來,由于太赫茲波較強的穿透性和光子能量低等特點,基于太赫茲波的太赫茲時域光譜技術(THz-TDS),已經被越來越多地應用于藥物共晶的檢測表征與結構分析中[11,12].如國內Cai 等[12]利用太赫茲時域光譜技術在室溫下研究了阿昔洛韋、富馬酸、阿昔洛韋與富馬酸共晶體的THz 光譜,發現共晶體與原料物質的吸收峰完全不同;Wang 等[13]研究了藥物分子異煙酰胺與硝苯地平共晶體的兩種晶型,測定了共晶在85—325 K 的THz 光譜,結果顯示晶型Ⅰ和Ⅱ在THz 區域有“指紋光譜”.國外Margaret 等[14]研究了藥物分子馬來酸依那普利共晶的兩種多形態的THz 光譜,并結合理論模擬分析了晶型的穩定性;Luczynska 等[15]基于多種光譜技術研究了溴苯甲酸與2,6-二甲基吡嗪共晶的結構,揭示了共晶體系中形成了中等強度的O···H—N 氫鍵.

姜黃素(curcumin,CUR)是一種天然的多酚類化合物,是姜黃的主要活性成分之一,具有抗炎、抗氧化、抗腫瘤及保護肝臟和腎臟等多種藥理活性,且對人體的毒副作用很小,非常適合于藥物醫學方面的應用[16?18].但由于其性質不穩定,在堿性條件下主要以酮-稀醇的形式存在,在酸性中性的條件下主要以β-二酮的形式存在,難溶于水,在水中的溶解度僅為7.8 mg/L[19].其生物利用率低、穩定性差等理化性質極大的限制了CUR 在藥物方面的應用發展[20].在不改變CUR 藥物活性成分的前提下改善CUR 的理化性質,已經成為近年來CUR 研究者們主要待解決問題.

已有研究表明,CUR 共晶體在水中溶解度高于CUR 本身[21].但是目前有關CUR 共晶的研究主要集中在共晶體的制備以及對共晶溶解度、溶解速率、穩定性等理化性質[22].而對CUR 共晶體的分子結構及光譜表征的研究一直是有待解決的問題.有機化合物鄰苯二酚(CTL)是一種重要的化工中間體,其生產方便成本低廉.鄧彩赟等[23]利用物理研磨法制備了CUR 與CTL 共晶,采用溴化鉀壓片法測試并表征了4000—400 cm–1波數的紅外光譜數據,根據實驗數據,推測出CUR 與CTL共晶中存在 O—H···O 氫鍵.但是,對于氫鍵的具體連接位置以及形成的共晶分子中CUR 與CTL的分子個數比例尚不清楚.因此本工作將以CTL作為姜黃素共晶合成物,采用THz-TDS 對CUR、CTL、CUR-CTL 共晶、CUR-CTL 物理混合進行THz 光譜測試;通過原料物質與共晶體的X 衍射光譜驗證,發現基于THz 特征吸收峰,THz-TDS可以實現對共晶體的定性表征;構建共晶可能存在的4 種晶型結構,基于DFT 理論,對其進行結構優化和光譜計算,通過與實驗光譜結果進行匹配,推測共晶體的晶型結構,并對共晶體的吸收峰來源進行振動歸屬.

2 實驗與理論

2.1 樣品制備

實驗所用的CUR(純度≥98%,CAS: 458-37-7)和CTL(純度≥99%,CAS: 120-80-9)均購買于上海阿拉丁生化科技股份有限公司,后續使用均未進一步純化.在共晶的制作過程中,首先將CUR與CTL 分別研磨成粉末狀;接著將CUR 和CTL按照物質的量比1∶1 投料,稱量CUR (0.921 g,2.5 mmol)和CTL (0.275 g,2.5 mmol)加入研缽,室溫研磨30 min 得到CUR 和CTL 共晶粉末,在研磨過程中固體粉末從原來CUR 的黃色逐漸變成橘紅色;最后稱量共晶粉末100 mg,在12 MPa 的壓力下制成測試樣品片.在物理混合制備過程中,分別取CUR 和CTL 適量加入研缽,在室溫下充分研磨,稱量研磨好的CUR (50 mg)和CTL (50 mg)加入研缽攪拌均勻,混合樣品呈黃色,在12 MPa的壓力下制成測試樣品片.

2.2 實驗裝置

X 衍射譜測試采用Smart Lab 9 kW (日本理學RIGAKU).其中儀器最大輸出功率為9 kW,額定電壓為60 kV,工作電流為200 mA,掃描角度2θ范圍為5°—90°.

THz 光譜測試采用萊儀特太赫茲(天津)科技有限公司的光譜儀(Advantest,TAS7500 SU).實驗使用的是透射式太赫茲時域光譜系統,其中飛秒激光器產生波長為800—1550 nm 的超短激光脈沖,分別采用光電導天線和光電采樣方法產生和探測THz 脈沖,系統測試光譜范圍為0.5—6.0 THz,光譜分辨率7.8 GHz,測試環境為室溫(295 K).為了減少空氣中的水分對太赫茲波的吸收,常將THz-TDS 系統罩在充滿干燥氮氣的箱體內,以減小空氣中水分對THz 波的吸收和影響,實驗中相對濕度低于2%.

2.3 理論計算

理論模擬采用原子軌道線性組合方法(linear combination of atomic orbitals,LCAO)[24].它是量子化學中用于求解分子軌域的一種方法,通過對原子軌域進行線性疊加來構造分子軌域,繼而更有效地描述電子結構、結合及反應性質.具體的計算方法是B3LYP[25],用到的基組為6-311+G (d,p),收斂標準為tight,計算結果沒有使用標度因子修正.圖1 為CUR 與CTL 的分子結構圖,本文在構建 CUR-CTL 共晶可能存在的結構體系基礎上,采用量化密度泛函理論(density functional theory,DFT)對共晶體進行理論計算[26].DFT 由于包含了相關能效應,因此能夠比Hartree-Fock 方法更精確地描述研究對象,但由于相關泛函的精確形式未知,因此采用B3LYP 雜化泛函,在6-311++G(d,p)基組下對共晶體進行結構優化和頻率計算.通過計算結果與實驗結果進行比對,推測出CUR-CTL共晶體的可能晶型.

圖1 CUR (a)與CTL (b)的分子結構Fig.1.Molecular Structure of CUR (a) and CTL (b).

3 實驗結果與討論

3.1 CUR,CTL,CUR-CTL 共晶及其物理混合的THz 實驗譜

圖2 是CUR,CTL,CUR-CTL 共晶與物理混合的太赫茲頻域吸收光譜.由圖可見,CUR 獲得6 個THz 吸收峰,分別位于0.67,1.03,2.05,2.30,2.60,3.07 THz,其中0.67 THz 和1.03 THz 屬于弱吸收峰;CTL 獲得了3 個THz 吸收峰,分別位于1.95,2.49,3.41 THz,其中1.95 THz 屬于強吸收峰;CUR-CTL 物理混合物獲得了4 個吸收峰,分別位于0.67,1.97,2.49,3.06 THz,其中1.97 THz和2.49 THz 與CTL 的 THz 吸收峰匹配,0.67 THz和3.06 THz 與CUR 的吸收峰匹配;CUR-CTL 共晶獲得了3 個吸收峰,分別位于1.03,1.95 THz和3.31 THz,其中1.03 THz 與姜黃素吸收峰匹配,1.95 THz 與鄰苯二酚的 THz 吸收峰匹配,3.31 THz是產生的新 THz 吸收峰.

由實驗結果可見,CUR-CTL 物理混合在0.67 THz 的吸收峰主要來自于CUR 的0.67 THz,1.97 THz 吸收峰主要來自于CTL 在1.95 THz 和CUR 在2.05 THz 的疊加,2.49 THz 吸收峰主要來自于CTL 在2.49 THz 和CUR 在2.30 THz 的疊加,3.06 THz 的吸收峰主要來自于CUR 的3.07 THz,物理混合的THz 吸收峰均來自于CUR 與CTL,并未產生新的吸收峰,說明二者的物理混合中CUR與CTL 各自的分子結構不變,分子間不存在相互作用力.在CUR-CTL 的共晶體中,出現了姜黃素的弱吸收峰1.03 THz,鄰苯二酚的強吸收峰1.95 THz,以及新的吸收峰3.31 THz,說明共晶中姜黃素和鄰苯二酚之間產生了新的分子三維結構,分子間產生新的弱相互作用力.這種作用力的存在使得姜黃素的弱吸收峰(1.03 THz)出現在共晶中,鄰苯二酚1.95 THz 的強吸收峰在共晶中的吸收幅度減弱.此結果表明CUR-CTL 共晶區別于原料物質,晶體的物象結構相比于原料物質已經發生了變化.說明基于 THz-TDS 技術可以對CUR-CTL共晶進行表征.

3.2 CUR,CTL,CUR-CTL 共晶的XDR圖譜

圖3 是CUR,CTL 及CUR-CTL 共晶的X 衍射實驗譜.由圖3 可見,CUR 在7.88°,13.94°,15.56°,16.34°,17.47°,26.16°,27.02°,28.14°和28.96°的特征峰在共晶中消失,CTL 在16.22°,20.02°,23.6°,24.52°,24.86°,32.38°,32.78°,33.58°,33.96°,34.42°的特征峰在共晶中消失,而CUR-CTL 共晶在11.22°,13.6°,20.86°和21.56°出現了新的特征峰[20].此結果說明CUR-CTL 共晶體不是兩種原料物CUR 和CTL 的簡單混合,而是形成了自己獨有的衍射峰,表明CUR-CTL 共晶相比于原料物質其物相結構發生了變化,確認了共晶樣品的生成.此實驗結果驗證了基于THz-TDS 可以辨別檢測CUR-CTL 共晶體的準確性.

圖3 CUR,CTL,CUR-CTL 共晶的X 衍射實驗譜Fig.3.X-ray diffraction experimental spectra of CUR,CTL,and CUR-CTL co-crystal.

4 理論模擬及結果分析

4.1 共晶的結構模型

根據CUR 與CTL 的氫鍵供受體位置以及氫鍵合成規律,本文模擬了CUR-CTL 共晶體的4 種可能晶型,如圖4 所示.紅色陰影表示CUR 與CTL 的氫鍵連接結構.其中,理論晶型Ⅰ(圖4(a))是CUR 的羰基C11=O4,C10=O3 分別與CTL的羥基O61—H55,O60—H54 通過雙氫鍵連接而成,理論晶型Ⅱ(圖4(b))是CUR 的羰基C11=O4與CTL 的羥基O61—H55 通過單氫鍵作用而成,理論晶型Ⅲ(圖4(c))是CUR 的羰基C10=O3 與CTL 的羥基O61—H55 通過單氫鍵作用而成,理論晶型Ⅳ(圖4(d))是CUR 的羰基C11=O4,C10=O3 分別與兩個CTL 分子的羥基O75—H69,O61—H55 通過雙氫鍵連接而成.

圖4 CUR-CTL 共晶分子結構 (a)晶型Ⅰ;(b)晶型Ⅱ;(c)晶型Ⅲ;(d)晶型ⅣFig.4.Molecular structures of CUR-CTL co-crystal: (a) Form I;(b) form II;(c) form III;(d) form Ⅳ.

4.2 太赫茲光譜理論分析

圖5 是CUR-CTL 共晶體的理論模擬結果與實驗譜.其中,理論數據由洛倫茲函數展寬,半高寬為5 cm–1.由圖5 可見,晶型Ⅰ,Ⅱ的模擬數據與實驗結果相差較大,晶型Ⅳ除了2.06 THz 與實驗的1.95 THz 匹配較好以外,其余的模擬結果與實驗譜相差較大.晶型Ⅲ在研究范圍內獲得了5 個光學模式,分別位于1.03,1.95,2.47,2.71 THz 和3.34 THz,其中1.03,1.95 THz 和3.34 THz 分別與 實驗吸收峰1.03,1.95 THz 和3.31 THz 相匹配,理論數據與實驗峰匹配較好.但是,晶型Ⅲ中獲得的2.47 THz 和2.71 THz 的光學模式并未對應實驗峰.可能的原因一是理論計算中采用密度泛函理論B3LYP 方法計算的頻率是諧振頻率,并沒有考慮非諧振效應的影響,且選擇的基組也會在一定程度上影響分子體系能量計算的準確性,產生高估或低估的現象,從而出現實驗與理論頻譜數據的偏差;二是理論結構優化是在絕對0 K 下進行的,而實驗測試在常溫下(295 K).Otsuka 等[27]研究得出,隨著溫度的升高,樣品THz 譜的分辨率隨之下降,容易導致較小的吸收峰被淹沒無法分辨.由理論數據發現,晶型Ⅲ的分子結構能量在4 種晶型中最低,分子結構最穩定,由此推斷CUR-CTL 共晶體系為理論晶型Ⅲ,CUR 的羰基(C10=O3)與CTL 的羥基(O61—H55)通過氫鍵(O61—H55···O3—C10)連接形成新的晶體.

圖5 CUR-CTL 共晶的實驗與模擬THz 圖譜Fig.5.Experimental and simulated THz spectra of CURCTL co-crystal.

表1 為共晶形成前后分子的鍵長鍵角.如表1所示,氫鍵C10=O3···H55—O61 的形成使得C10=O3(CUR)的鍵長由0.12984 nm 縮短到0.12131 nm,O61—H55(CTL)的鍵長由0.08141 nm 伸長到了0.09698 nm,使得鍵角∠C34C10O3 由117.96300°增至124.79870°,鍵角∠C49O61H55 由111.14600°增至116.49998°,其中C61—H55 的鍵長變化與鄧彩赟等[23]的研究成果一致.由此可見,氫鍵的生成改變了CUR 與CTL 分子內部的結構參數.

表1 姜黃素與鄰苯二酚鍵長和鍵角Table 1.Bond length and bond angle of curcumin and catechol.

表2 為CUR-CTL 共晶體實驗數據與理論晶型Ⅲ的計算結果.基于理論與實驗數據匹配,CURCTL 共晶體在1.03 THz(圖6(a))處的振動模式來自于CUR 分子中碳鏈C34—C10—C32 的擺動,該擺動帶動苯環R2 面外擺動,并通過氫鍵C10=O30···H55—O61 帶動CTL 分子的面內擺動;1.95 THz(圖6(b))處的振動模式主要來源于CUR 分子中-C16H3與苯環R2 的面外扭動,同時通過氫鍵C10=O30···H55—O61 帶動CTL 分子輕微的面外擺動;3.34 THz(圖6(c))處的模式主要是來源于氫鍵C10=O30···H55—O61 的伸縮和CUR 碳鏈C30—C32—C10 的擺動,同時帶動苯環R2 與R1面外擺動.

表2 CUR-CTL 共晶體實驗和理論計算數據Table 2.The results of experimental and calculated data of CUR-CTL co-crystal.

圖6 CUR-CTL 共晶在不同峰位的振動模式 (a) 1.03 THz;(b) 1.95 THz;(c) 3.34 THzFig.6.Vibrational modes of CUR-CTL co-crystal at different peaks: (a) 1.03 THz;(b) 1.95 THz;(c) 3.34 THz.

通過對共晶吸收峰來源的歸納,發現1.03 THz吸收峰是在氫鍵的帶動下由鄰苯二酚面內擺動與姜黃素的碳鏈、苯環R2 共同作用產生,其中鄰苯二酚作用模式比較明顯,所以使得姜黃素的弱吸收峰在共晶中重現;1.95 THz 的吸收峰中,相較于姜黃素苯環R2 和甲基CH3的較明顯扭動,鄰苯二酚的作用模式明顯較弱,所以使得鄰苯二酚的強吸收峰1.95 THz 在共晶中吸收幅度減弱;3.34 THz 屬于共晶體分子間作用產生的新吸收峰,主要是氫鍵和碳鏈作用帶動苯環引起的.總體來說,共晶中的3 個吸收峰的來源都不是單個分子的作用,而是在氫鍵帶動下由共晶中兩分子的官能團共同作用產生的,氫鍵等弱相互作用力的存在不僅改變了兩個分子的結構參數,而且重新建立了新的分子間作用力,繼而影響了共晶的作用模式,使得CUR-CTL共晶在太赫茲波段呈現出與原料試劑不同的THz 吸收峰.

5 結論

本文采用THz-TDS 測量了CUR,CTL 及其物理混合和共晶的太赫茲光譜.實驗數據表明,CUR,CTL 及其物理混合在測試范圍內分別獲得6 個、3 個及4 個THz 吸收峰;共晶獲得3 個吸收峰,分別位于1.03,1.95 THz 和3.31 THz,此吸收峰有別于其原料物質及其物理混合樣品,說明共晶相比于原料物質形成了新的物象結構.此外,借助X 衍射實驗譜驗證了THz-TDS 可以很好完成共晶的表征.基于密度泛函理論,模擬了CUR-CTL共晶可能存在的4 種晶型結構,研究結果表明共晶體系是由單個姜黃素和鄰苯二酚分子通過單氫鍵連接而成.最后,基于THz 實驗吸收峰與理論數據的良好匹配效果,分析歸納了共晶THz 吸收峰的來源,發現其THz 吸收峰不是來源于單個分子的振動,而是通過氫鍵C10=O30···H55—O61 由兩個分子的官能團共同振動引起的.本研究將為CUR-CTL 共晶的表征、共晶分子的結構體系及低頻作用模式的確認提供有效的參考數據.