姜黄素与邻苯二酚共晶的太赫兹光谱*

郑转平 刘榆杭 赵帅宇 蒋杰伟 卢乐

(西安邮电大学电子工程学院,西安 710121)

姜黄素是一种具有抗炎、抗氧化及抗癌等作用的常用药物,但是其在水中的溶解度较低.近年来,药物共晶是一种增强水溶性有限药物溶解度和溶解性的有效方法.基于此,本文利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)研究了姜黄素与邻苯二酚共晶的太赫兹光谱.首先测试了姜黄素、邻苯二酚、二者物理混合及其共晶在0.5—3.5 THz 的实验谱.实验数据显示共晶获得的位于3.31 THz 处的吸收峰明显区别于原料物质,表明THz-TDS 可以有效鉴别姜黄素、邻苯二酚及其共晶体;基于密度泛函理论,对姜黄素与邻苯二酚共晶体可能存在的4 种理论晶型进行结构优化与频谱模拟,其中理论晶型Ⅲ模拟结果与实验数据比较符合.研究发现,共晶体是通过姜黄素的羰基C10=O3 与邻苯二酚的羟基O61—H55 形成氢键而成,共晶的THz 特征吸收峰是在氢键带动下由共晶中两分子的官能团共同作用产生的.

1 引言

药物共晶是药物活性成分(API)与共晶形成物(CCF)在氢键和其他非共价键的作用下结合而成的晶体.它是一种重要的多组分复合物,在同一晶格中压缩至少两个由非共价键连接的分子.研究表明,药物共晶的结构在一定程度上会对药物分子的理化性质产生影响,可以显著改变药物活性成分的物理化学性质,如溶解度、溶解速率、稳定性、渗透性、可食性和生物利用度等,使得其在药物开发中有巨大的潜在价值[1−3].现阶段,研究共晶的分子结构排布及其微观的作用模式对药物应用领域具有重要的现实意义[4−6].

传统研究中,多采用 X 衍射、红外与拉曼光谱仪来检测共晶,但需要色谱法等辅助表征晶体结构[7,8].而振动光谱技术源于分子振动能级的跃迁,并伴有转动能级改变,被广泛用于物质的表征辨别中[9].太赫兹波作为转动光谱,其波长介于微波与红外波之间,其波段范围位于0.1—10 THz,由于光子能量与大部分药物分子的转动振动能级之间跃迁的能量相当,能够敏锐地探测到分子低频振动区域内的偶极跃迁,并对分子间弱相互作用力(氢键、范德瓦耳斯力)及分子官能团振动形成“指纹光谱”,受到了越来越多的关注[10].近年来,由于太赫兹波较强的穿透性和光子能量低等特点,基于太赫兹波的太赫兹时域光谱技术(THz-TDS),已经被越来越多地应用于药物共晶的检测表征与结构分析中[11,12].如国内Cai 等[12]利用太赫兹时域光谱技术在室温下研究了阿昔洛韦、富马酸、阿昔洛韦与富马酸共晶体的THz 光谱,发现共晶体与原料物质的吸收峰完全不同;Wang 等[13]研究了药物分子异烟酰胺与硝苯地平共晶体的两种晶型,测定了共晶在85—325 K 的THz 光谱,结果显示晶型Ⅰ和Ⅱ在THz 区域有“指纹光谱”.国外Margaret 等[14]研究了药物分子马来酸依那普利共晶的两种多形态的THz 光谱,并结合理论模拟分析了晶型的稳定性;Luczynska 等[15]基于多种光谱技术研究了溴苯甲酸与2,6-二甲基吡嗪共晶的结构,揭示了共晶体系中形成了中等强度的O···H—N 氢键.

姜黄素(curcumin,CUR)是一种天然的多酚类化合物,是姜黄的主要活性成分之一,具有抗炎、抗氧化、抗肿瘤及保护肝脏和肾脏等多种药理活性,且对人体的毒副作用很小,非常适合于药物医学方面的应用[16−18].但由于其性质不稳定,在碱性条件下主要以酮-稀醇的形式存在,在酸性中性的条件下主要以β-二酮的形式存在,难溶于水,在水中的溶解度仅为7.8 mg/L[19].其生物利用率低、稳定性差等理化性质极大的限制了CUR 在药物方面的应用发展[20].在不改变CUR 药物活性成分的前提下改善CUR 的理化性质,已经成为近年来CUR 研究者们主要待解决问题.

已有研究表明,CUR 共晶体在水中溶解度高于CUR 本身[21].但是目前有关CUR 共晶的研究主要集中在共晶体的制备以及对共晶溶解度、溶解速率、稳定性等理化性质[22].而对CUR 共晶体的分子结构及光谱表征的研究一直是有待解决的问题.有机化合物邻苯二酚(CTL)是一种重要的化工中间体,其生产方便成本低廉.邓彩赟等[23]利用物理研磨法制备了CUR 与CTL 共晶,采用溴化钾压片法测试并表征了4000—400 cm–1波数的红外光谱数据,根据实验数据,推测出CUR 与CTL共晶中存在 O—H···O 氢键.但是,对于氢键的具体连接位置以及形成的共晶分子中CUR 与CTL的分子个数比例尚不清楚.因此本工作将以CTL作为姜黄素共晶合成物,采用THz-TDS 对CUR、CTL、CUR-CTL 共晶、CUR-CTL 物理混合进行THz 光谱测试;通过原料物质与共晶体的X 衍射光谱验证,发现基于THz 特征吸收峰,THz-TDS可以实现对共晶体的定性表征;构建共晶可能存在的4 种晶型结构,基于DFT 理论,对其进行结构优化和光谱计算,通过与实验光谱结果进行匹配,推测共晶体的晶型结构,并对共晶体的吸收峰来源进行振动归属.

2 实验与理论

2.1 样品制备

实验所用的CUR(纯度≥98%,CAS: 458-37-7)和CTL(纯度≥99%,CAS: 120-80-9)均购买于上海阿拉丁生化科技股份有限公司,后续使用均未进一步纯化.在共晶的制作过程中,首先将CUR与CTL 分别研磨成粉末状;接着将CUR 和CTL按照物质的量比1∶1 投料,称量CUR (0.921 g,2.5 mmol)和CTL (0.275 g,2.5 mmol)加入研钵,室温研磨30 min 得到CUR 和CTL 共晶粉末,在研磨过程中固体粉末从原来CUR 的黄色逐渐变成橘红色;最后称量共晶粉末100 mg,在12 MPa 的压力下制成测试样品片.在物理混合制备过程中,分别取CUR 和CTL 适量加入研钵,在室温下充分研磨,称量研磨好的CUR (50 mg)和CTL (50 mg)加入研钵搅拌均匀,混合样品呈黄色,在12 MPa的压力下制成测试样品片.

2.2 实验装置

X 衍射谱测试采用Smart Lab 9 kW (日本理学RIGAKU).其中仪器最大输出功率为9 kW,额定电压为60 kV,工作电流为200 mA,扫描角度2θ范围为5°—90°.

THz 光谱测试采用莱仪特太赫兹(天津)科技有限公司的光谱仪(Advantest,TAS7500 SU).实验使用的是透射式太赫兹时域光谱系统,其中飞秒激光器产生波长为800—1550 nm 的超短激光脉冲,分别采用光电导天线和光电采样方法产生和探测THz 脉冲,系统测试光谱范围为0.5—6.0 THz,光谱分辨率7.8 GHz,测试环境为室温(295 K).为了减少空气中的水分对太赫兹波的吸收,常将THz-TDS 系统罩在充满干燥氮气的箱体内,以减小空气中水分对THz 波的吸收和影响,实验中相对湿度低于2%.

2.3 理论计算

理论模拟采用原子轨道线性组合方法(linear combination of atomic orbitals,LCAO)[24].它是量子化学中用于求解分子轨域的一种方法,通过对原子轨域进行线性叠加来构造分子轨域,继而更有效地描述电子结构、结合及反应性质.具体的计算方法是B3LYP[25],用到的基组为6-311+G (d,p),收敛标准为tight,计算结果没有使用标度因子修正.图1 为CUR 与CTL 的分子结构图,本文在构建 CUR-CTL 共晶可能存在的结构体系基础上,采用量化密度泛函理论(density functional theory,DFT)对共晶体进行理论计算[26].DFT 由于包含了相关能效应,因此能够比Hartree-Fock 方法更精确地描述研究对象,但由于相关泛函的精确形式未知,因此采用B3LYP 杂化泛函,在6-311++G(d,p)基组下对共晶体进行结构优化和频率计算.通过计算结果与实验结果进行比对,推测出CUR-CTL共晶体的可能晶型.

图1 CUR (a)与CTL (b)的分子结构Fig.1.Molecular Structure of CUR (a) and CTL (b).

3 实验结果与讨论

3.1 CUR,CTL,CUR-CTL 共晶及其物理混合的THz 实验谱

图2 是CUR,CTL,CUR-CTL 共晶与物理混合的太赫兹频域吸收光谱.由图可见,CUR 获得6 个THz 吸收峰,分别位于0.67,1.03,2.05,2.30,2.60,3.07 THz,其中0.67 THz 和1.03 THz 属于弱吸收峰;CTL 获得了3 个THz 吸收峰,分别位于1.95,2.49,3.41 THz,其中1.95 THz 属于强吸收峰;CUR-CTL 物理混合物获得了4 个吸收峰,分别位于0.67,1.97,2.49,3.06 THz,其中1.97 THz和2.49 THz 与CTL 的 THz 吸收峰匹配,0.67 THz和3.06 THz 与CUR 的吸收峰匹配;CUR-CTL 共晶获得了3 个吸收峰,分别位于1.03,1.95 THz和3.31 THz,其中1.03 THz 与姜黄素吸收峰匹配,1.95 THz 与邻苯二酚的 THz 吸收峰匹配,3.31 THz是产生的新 THz 吸收峰.

由实验结果可见,CUR-CTL 物理混合在0.67 THz 的吸收峰主要来自于CUR 的0.67 THz,1.97 THz 吸收峰主要来自于CTL 在1.95 THz 和CUR 在2.05 THz 的叠加,2.49 THz 吸收峰主要来自于CTL 在2.49 THz 和CUR 在2.30 THz 的叠加,3.06 THz 的吸收峰主要来自于CUR 的3.07 THz,物理混合的THz 吸收峰均来自于CUR 与CTL,并未产生新的吸收峰,说明二者的物理混合中CUR与CTL 各自的分子结构不变,分子间不存在相互作用力.在CUR-CTL 的共晶体中,出现了姜黄素的弱吸收峰1.03 THz,邻苯二酚的强吸收峰1.95 THz,以及新的吸收峰3.31 THz,说明共晶中姜黄素和邻苯二酚之间产生了新的分子三维结构,分子间产生新的弱相互作用力.这种作用力的存在使得姜黄素的弱吸收峰(1.03 THz)出现在共晶中,邻苯二酚1.95 THz 的强吸收峰在共晶中的吸收幅度减弱.此结果表明CUR-CTL 共晶区别于原料物质,晶体的物象结构相比于原料物质已经发生了变化.说明基于 THz-TDS 技术可以对CUR-CTL共晶进行表征.

3.2 CUR,CTL,CUR-CTL 共晶的XDR图谱

图3 是CUR,CTL 及CUR-CTL 共晶的X 衍射实验谱.由图3 可见,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°出现了新的特征峰[20].此结果说明CUR-CTL 共晶体不是两种原料物CUR 和CTL 的简单混合,而是形成了自己独有的衍射峰,表明CUR-CTL 共晶相比于原料物质其物相结构发生了变化,确认了共晶样品的生成.此实验结果验证了基于THz-TDS 可以辨别检测CUR-CTL 共晶体的准确性.

图3 CUR,CTL,CUR-CTL 共晶的X 衍射实验谱Fig.3.X-ray diffraction experimental spectra of CUR,CTL,and CUR-CTL co-crystal.

4 理论模拟及结果分析

4.1 共晶的结构模型

根据CUR 与CTL 的氢键供受体位置以及氢键合成规律,本文模拟了CUR-CTL 共晶体的4 种可能晶型,如图4 所示.红色阴影表示CUR 与CTL 的氢键连接结构.其中,理论晶型Ⅰ(图4(a))是CUR 的羰基C11=O4,C10=O3 分别与CTL的羟基O61—H55,O60—H54 通过双氢键连接而成,理论晶型Ⅱ(图4(b))是CUR 的羰基C11=O4与CTL 的羟基O61—H55 通过单氢键作用而成,理论晶型Ⅲ(图4(c))是CUR 的羰基C10=O3 与CTL 的羟基O61—H55 通过单氢键作用而成,理论晶型Ⅳ(图4(d))是CUR 的羰基C11=O4,C10=O3 分别与两个CTL 分子的羟基O75—H69,O61—H55 通过双氢键连接而成.

图4 CUR-CTL 共晶分子结构 (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 太赫兹光谱理论分析

图5 是CUR-CTL 共晶体的理论模拟结果与实验谱.其中,理论数据由洛伦兹函数展宽,半高宽为5 cm–1.由图5 可见,晶型Ⅰ,Ⅱ的模拟数据与实验结果相差较大,晶型Ⅳ除了2.06 THz 与实验的1.95 THz 匹配较好以外,其余的模拟结果与实验谱相差较大.晶型Ⅲ在研究范围内获得了5 个光学模式,分别位于1.03,1.95,2.47,2.71 THz 和3.34 THz,其中1.03,1.95 THz 和3.34 THz 分别与 实验吸收峰1.03,1.95 THz 和3.31 THz 相匹配,理论数据与实验峰匹配较好.但是,晶型Ⅲ中获得的2.47 THz 和2.71 THz 的光学模式并未对应实验峰.可能的原因一是理论计算中采用密度泛函理论B3LYP 方法计算的频率是谐振频率,并没有考虑非谐振效应的影响,且选择的基组也会在一定程度上影响分子体系能量计算的准确性,产生高估或低估的现象,从而出现实验与理论频谱数据的偏差;二是理论结构优化是在绝对0 K 下进行的,而实验测试在常温下(295 K).Otsuka 等[27]研究得出,随着温度的升高,样品THz 谱的分辨率随之下降,容易导致较小的吸收峰被淹没无法分辨.由理论数据发现,晶型Ⅲ的分子结构能量在4 种晶型中最低,分子结构最稳定,由此推断CUR-CTL 共晶体系为理论晶型Ⅲ,CUR 的羰基(C10=O3)与CTL 的羟基(O61—H55)通过氢键(O61—H55···O3—C10)连接形成新的晶体.

图5 CUR-CTL 共晶的实验与模拟THz 图谱Fig.5.Experimental and simulated THz spectra of CURCTL co-crystal.

表1 为共晶形成前后分子的键长键角.如表1所示,氢键C10=O3···H55—O61 的形成使得C10=O3(CUR)的键长由0.12984 nm 缩短到0.12131 nm,O61—H55(CTL)的键长由0.08141 nm 伸长到了0.09698 nm,使得键角∠C34C10O3 由117.96300°增至124.79870°,键角∠C49O61H55 由111.14600°增至116.49998°,其中C61—H55 的键长变化与邓彩赟等[23]的研究成果一致.由此可见,氢键的生成改变了CUR 与CTL 分子内部的结构参数.

表1 姜黄素与邻苯二酚键长和键角Table 1.Bond length and bond angle of curcumin and catechol.

表2 为CUR-CTL 共晶体实验数据与理论晶型Ⅲ的计算结果.基于理论与实验数据匹配,CURCTL 共晶体在1.03 THz(图6(a))处的振动模式来自于CUR 分子中碳链C34—C10—C32 的摆动,该摆动带动苯环R2 面外摆动,并通过氢键C10=O30···H55—O61 带动CTL 分子的面内摆动;1.95 THz(图6(b))处的振动模式主要来源于CUR 分子中-C16H3与苯环R2 的面外扭动,同时通过氢键C10=O30···H55—O61 带动CTL 分子轻微的面外摆动;3.34 THz(图6(c))处的模式主要是来源于氢键C10=O30···H55—O61 的伸缩和CUR 碳链C30—C32—C10 的摆动,同时带动苯环R2 与R1面外摆动.

表2 CUR-CTL 共晶体实验和理论计算数据Table 2.The results of experimental and calculated data of CUR-CTL co-crystal.

图6 CUR-CTL 共晶在不同峰位的振动模式 (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.

通过对共晶吸收峰来源的归纳,发现1.03 THz吸收峰是在氢键的带动下由邻苯二酚面内摆动与姜黄素的碳链、苯环R2 共同作用产生,其中邻苯二酚作用模式比较明显,所以使得姜黄素的弱吸收峰在共晶中重现;1.95 THz 的吸收峰中,相较于姜黄素苯环R2 和甲基CH3的较明显扭动,邻苯二酚的作用模式明显较弱,所以使得邻苯二酚的强吸收峰1.95 THz 在共晶中吸收幅度减弱;3.34 THz 属于共晶体分子间作用产生的新吸收峰,主要是氢键和碳链作用带动苯环引起的.总体来说,共晶中的3 个吸收峰的来源都不是单个分子的作用,而是在氢键带动下由共晶中两分子的官能团共同作用产生的,氢键等弱相互作用力的存在不仅改变了两个分子的结构参数,而且重新建立了新的分子间作用力,继而影响了共晶的作用模式,使得CUR-CTL共晶在太赫兹波段呈现出与原料试剂不同的THz 吸收峰.

5 结论

本文采用THz-TDS 测量了CUR,CTL 及其物理混合和共晶的太赫兹光谱.实验数据表明,CUR,CTL 及其物理混合在测试范围内分别获得6 个、3 个及4 个THz 吸收峰;共晶获得3 个吸收峰,分别位于1.03,1.95 THz 和3.31 THz,此吸收峰有别于其原料物质及其物理混合样品,说明共晶相比于原料物质形成了新的物象结构.此外,借助X 衍射实验谱验证了THz-TDS 可以很好完成共晶的表征.基于密度泛函理论,模拟了CUR-CTL共晶可能存在的4 种晶型结构,研究结果表明共晶体系是由单个姜黄素和邻苯二酚分子通过单氢键连接而成.最后,基于THz 实验吸收峰与理论数据的良好匹配效果,分析归纳了共晶THz 吸收峰的来源,发现其THz 吸收峰不是来源于单个分子的振动,而是通过氢键C10=O30···H55—O61 由两个分子的官能团共同振动引起的.本研究将为CUR-CTL 共晶的表征、共晶分子的结构体系及低频作用模式的确认提供有效的参考数据.