雷公藤甲素和雷公藤内酯酮热稳定性与分解动力学

刘建群，余昭芬

江西中医药大学现代中药制剂教育部重点实验室，南昌 330004

类风湿性关节炎属于严重危害人们健康的10类(种)重大疾病之一，两年致残率高达50%，素有“不死的癌症”之说［1］。雷公藤(Tripterygium wilfordii Hook)是国内外公认具有良好疗效的治疗类风湿性关节炎等自身免疫功能亢进性疾病的首选中药［2］。目前有雷公藤片、雷公藤多苷片、雷公藤内酯、雷公藤内酯软膏、雷公藤总萜片等国家药品标准收载的多个国产药品品种［3］。但雷公藤毒性较大，具有肝、肾、生殖系统等多脏器毒性，是毒副作用和不良反应报道较多的中药［4］。雷公藤甲素(也称雷公藤内酯醇)和雷公藤内酯酮是雷公藤的主要有效成分也是其主要毒性成分，为环氧二萜内酯类成分。研究表明，雷公藤甲素和雷公藤内酯酮具有很好的免疫抑制和治疗类风湿性关节炎作用以及抗肿瘤作用［5-7］。稳定性是药用化合物的基本要求，药用化合物的热稳定性和它的热分解历程在某种程度上与其稳定性有密切关系，也与成品存放期有很大关系。所以，研究药用化合物的热稳定性和热分解历程对产品稳定性和存放期的评价以及产品生产中的质量控制和工艺优化具有重要意义。我们研究发现雷公藤经煨法炮制后可显著降低毒性［8，9］。因热分析过程与煨法炮制加热过程类似，为进一步研究雷公藤有效成分在炮制过程中的变化规律，本文首次采用TG-DTG 和DTA-DDTA 热分析法研究了雷公藤甲素和雷公藤内酯酮的热稳定性、分解动力学及理论贮存期，本结果可为含雷公藤甲素和雷公藤内酯酮药品的质量控制和制剂工艺、雷公藤的炮制减毒以及热分解产物研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 仪器、材料与试剂

1.1.1 仪器

SII Nano Technology TG/DTA 6300 型热分析仪(日本精工纳米科技有限公司);BT25S 型电子天平(十万分之一，Sartorius)。

1.1.2 材料与试剂

雷公藤甲素和雷公藤内酯酮对照品(≥98%，南京泽朗医药科技有限公司，批号分别为ZL110619，ZL111119);其余试剂均为分析纯。

1.2 热重和差热分析

称取雷公藤甲素和雷公藤内酯酮约3 mg，于N2气氛，流速100 mL/min，温度范围25～900 ℃，记录5 ℃/min、10 ℃/min、15 ℃/min 和20 ℃/min 四个不同升温速率(β)条件下，记录雷公藤甲素和雷公藤内酯酮的热重、微商热重和差热、微商差热变化曲线。

2 结果与讨论

2.1 雷公藤甲素和雷公藤内酯酮的热分解行为

图1 为雷公藤甲素(A)和雷公藤内酯酮(B)在5 ℃、10 ℃、15 ℃/min 和20 ℃/min 四个不同升温速率(对应图中曲线编号依次为1→4)条件下的TG、DTG、DTA 和DDTA 曲线。以5 ℃/min 升温速率条件下热分析曲线为例说明，TG 曲线只有一个失重平台，但DTG 曲线出现299 和340 ℃(肩峰，升温速率≥10 ℃/min)两个失重峰。DTA-DDTA 曲线出现232 ℃一个吸热峰和298 ℃一个放热峰，其中232 ℃峰为熔融峰，与文献报道熔点基本一致。DTG 299 ℃峰失重率最大，为雷公藤甲素热分解反应最快峰，雷公藤甲素两步热分解严重重叠，总失重率为85.5%，400 ℃后分子完全裂解。雷公藤内酯酮的热分解行为与雷公藤甲素非常相似，DTG 曲线出现282 和333 ℃(该肩峰更明显)两个失重峰，DTA-DDTA 曲线出现252 ℃一个吸热峰和280 ℃一个放热峰，两步热分解严重重叠，总失重率为64.4%。考虑药物常规制剂工艺温度和对贮存期影响，因此只对第一步热分解反应进行详细动力学分析。

雷公藤甲素和雷公藤内酯酮为雷公藤的主要有效成分和毒性成分，为避免这两个有效成分的完全损失，并适当降低其毒性，雷公藤炮制温度不宜超过450 ℃，适宜炮制温度为200～450 ℃。因大于200℃两者开始分解，因此其制剂工艺过程中温度宜控制在200 ℃以下。

2.2 雷公藤甲素和雷公藤内酯酮的热分解动力学

2.2.1 多速率法求解动力学参数

5、10、15、20 ℃/min 4 种不同升温速率下，采用多速率Kissinger 和Ozawa 法计算雷公藤甲素和雷公藤内酯酮第一步热分解动力学，在TG-DTG 曲线所取的数据见表1。

图1 雷公藤甲素(A)及雷公藤内酯酮(B)不同升温速率下的TG、DTG、DTA 和DDTA 曲线Fig.1 TG，DTG，DTA and DDTA curves of triptolide(A)and triptonide(B)at different heating rates

表1 DTG 曲线第一步分解反应数据(β:升温速率;Tp:峰温值)Table 1 DTG curve data of the first stage thermal decomposition reaction(β:heating rate;Tp:peak temperature)

Kissinger 法计算方程［10］为:

式中Tp为DTG 曲线的峰温值，Ea为表观活化能，单位为kJ/mol，A 为指前因子，单位为min-1，R为气体常数，单位为J/(mol·K)，β 为升温速率。

Ozawa 法计算方程［10］为:

式中g(a)是最概然机制函数的积分形式，T 是热力学温度，其他各符号的意义同上。

利用lgβ 对1/T 作图，得线性回归方程:雷公藤甲素:lnβ=-7618(1/T)+13.985，r=0.9733;雷公藤内酯酮:lnβ=-7026.8(1/T)+13.347，r=0.9964。从而求得热分解动力学参数Ea 和线性相关系数r(见表2)。

表2 采用Kissinger 法和Ozawa 法求得的动力学参数Table 2 Kinetic parameters obtained by Kissinger and Ozawa methods

2.2.2 单一升温速率法求解动力学参数

Coats-Redfern 法计算方程［10］为:

以ln［g(α)/T2］对1/T 作图，经线性回归可得到一条直线，从截距ln［AR/(βEa)］和斜率(-Ea/R)可求算出Ea 和A。

Achar 法计算方程［10］为:

式中T 为绝对温度，f(α)是微分形式机制函数，其他各符号的意义同上。

以ln［(dα/dt)/f(α)］对1/T 作图，经线性回归可得到一条直线，从截距lnA 和斜率(-Ea/R)可求算出Ea 和A。

Coats-Redfern 法和Achar 法计算所需数据见表3。

将实验数据T、α、dα/dt 用积分法Coats-Redfern方程和微分法Achar 方程结合常用的40 种机制函数［11］，计算出Ea、lnA 和r。当线性相关性较好(r接近于1)，且两种方法所得Ea 和lnA 最为接近，而且Ea 和lnA 与多速率扫描法处理结果基本一致时，所对应的机制函数即为该反应最可能的反应机制函数，相应的Ea 和A 即为该反应的活化能和指前因子［10，11］。采用β 为5 ℃/min 的TG-DTG 曲线作为单速率法的基础数据。对第一步失重的单速率法计算结果见表4。

表3 采用Coats-Redfern、Achar 法计算所需的第一步失重数据Table 3 The firt stage weightlessness data by Coats-Redfern and Achar methods

表4 采用Coats-Redfern、Achar 法求得与多速率法相吻合的第一步失重动力学参数Table 4 The firt stage weightlessness kinetic parameters obtained by Coats-Redfern and Achar methods

2.3 热分解动力学参数确定

将表2 与表4 结果对比可知，雷公藤甲素第一步失重机制函数为36 号［11］时，线性相关性较好(r接近于1)，两种方法所得Ea 和lnA 最为接近，并且由Coats-Redfern 与Achar 方程计算出的Ea 和lnA与多速率法计算的结果最为接近。按36 号机制函数计算，四种方法计算第一步热分解动力学参数平均值为:Ea=136.66 kJ/mol，lnA=26.47。因此确定第一步热分解为Chemical reaction 控制机制，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。同法确定雷公藤内酯酮第一步失重机制函数为32 号［11］，为Chemical reaction 控制机制，符合二级反应方程，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内酯酮贮存期的推断

根据阿伦尼乌斯公式，在一定反应温度Tc 下的反应速率常数k=Ae-Ea/(RTc)，将雷公藤甲素第一步热分解活化能Ea(136.66 kJ/mol)和lnA(26.47)代入公式，可求得在室温Tc=25 ℃(298.15 K)时，k的负对数值pk=12.46。在贮存温度(室温25℃)，β 为5 ℃/min 条件下，根据药品pk 值和药品商品规定贮存期的相关性［12］，pk＞10.5 的区间内，贮存有效期为4～5 年，推断雷公藤甲素的理论贮存期为4～5 年。

同法求得雷公藤内酯酮在室温Tc=25 ℃(298.15 K)时，k 的负对数值pk=11.34，同法推断雷公藤内酯酮的理论贮存期为4～5 年。

3 结论

热分析曲线结果表明雷公藤甲素和雷公藤内酯酮热分解行为相似，除脱水峰外，失重均分为两步，但重叠严重，从200 ℃到490 ℃左右热分解失重率分别为85.5%和64.4%。DTA-DDTA 曲线均出现一个熔融吸热峰和一个分解放热峰。采用单速率法和多速率法测得雷公藤甲素的第一步热分解的机制是Chemical reaction 控制，符合Reaction order 方程，平均表观活化能Ea 为136.66 kJ/mol，指前因子lnA为26.47。根据第一步热分解的Ea 和A 推断，在室温(25 ℃)下，雷公藤甲素的理论贮存期为4～5 年。同法测得雷公藤内酯酮的第一步热分解的机制是Chemical reaction 控制，符合二级反应方程，平均表观活化能Ea 为127.19 kJ/mol，指前因子lnA 为25.23，理论贮存期为4～5 年。从活化能比较表明雷公藤甲素比雷公藤内酯酮更稳定。

雷公藤甲素和雷公藤内酯酮为雷公藤的主要有效成分和毒性成分，为避免这两个有效成分的完全损失，并适当降低其毒性，雷公藤炮制温度不宜超过450 ℃，适宜炮制温度为200～450 ℃。因大于200℃两者开始分解，因此其制剂工艺过程中温度宜控制在200 ℃以下。本结果可为含雷公藤甲素和雷公藤内酯酮药品的质量控制和制剂工艺、雷公藤的炮制减毒以及热分解产物研究提供参考。

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