维生素C插层的钙铝水滑石的合成及其缓释性能*

2014-06-23高晓蕊顾炜齐晓林李玉鑫

合成化学 2014年3期

关键词：插层层板滑石

高晓蕊，顾炜，齐晓林，李玉鑫

(河北工程大学理学院，河北邯郸 056038)

维生素C插层的钙铝水滑石的合成及其缓释性能*

高晓蕊，顾炜，齐晓林，李玉鑫

(河北工程大学理学院，河北邯郸 056038)

以钙铝水滑石［Ca2Al(LDH)］为主体，维生素C［VC(C6H8O6)］为客体，采用共沉淀法将VC插层到LDH层间合成了新型VC-无机复合材料{Ca2Al(OH)6［(C6H7O6)0.82(NO3)0.18］·1.7H2O(简称Ca2Al-VC)}，其结构和缓释性能经UV-Vis，FT-IR，元素分析，XRD，ICP和TG-DTG表征。研究结果表明，Ca2Al-VC晶型完整，晶相单一，层间距14.6 Å。VC阴离子双层交替垂直于上下层板，插入量为82%;插入到LDH层间的VC热稳定性得到了明显提高，大部分VC的分解发生在442℃附近;VC在高浓度(0.1 mol·L-1)的Na2SO4溶液中释放速度及释放量高于低浓度(0.01 mol·L-1)的Na2SO4溶液;在去离子水中的释放主要靠离子的扩散。

水滑石;维生素C;合成;热稳定性;缓释性能

维生素C［VC(C6H8O6)］的储存、释放数量、时间和空间可控是医药新剂型研究的一个重要方向［1-3］。

水滑石(Ca2Al，简称LDH)由两种金属的氢氧化物构成，LDHs具有特殊的层状结构，其层间离子具有可交换性，因而可用于包括有机无机复合材料制备、离子交换与有害阴离子脱除、异构体化学分离、化学反应控制、局部化学反应合成、催化剂及催化剂载体、发光材料等方面［4-6］。在活性分子储存与释放方面，利用LDH稳定的结构，将药物分子如布洛芬［7］、茚甲新［8］、双氯芬酸钠［9］、姜黄素［10］等引入LDH层间，用于增强药物分子的热稳定性，控制药物分子的释放速率等［11］。

目前将VC插入LDH层间已有报道，如Kameshima［12］分别用共沉淀、离子交换和结构重建法合成了Mg3Al-VC LDHs。结果显示，所有样品中VC的插入量均小于30%，在HCl溶液中脱嵌VC后，测得VC释放率为40%;Gasser［13］等采用离子交换法制备了ZnFe-VC和MgFe-VC LDHs，并使用CO2-3将VC脱嵌出来，测得两者的VC释放率为40%左右;Choy［14］等分别用离子交换和共沉淀方法制备了ZnAl-VC LDHs，发现23.1%的VC进入到LDH中，使用CO2-3脱嵌VC后，测得VC的释放率约50%。

从以上研究可以发现，由于VC的不稳定性，一方面插入到LDHs中的量不是太多，另一方面，VC的释放率也不是很高，所以关于VC插层LDHs的控制释放还有待进一步研究。

本文以LDH为主体，VC为客体，采用共沉淀法将VC插层到LDH层间合成了新型的VC-无机复合材料{Ca2Al(OH)6［(C6H7O6)0.82(NO3)0.18］· 1.7H2O(简称Ca2Al-VC)}，其结构和缓释性能经UV-Vis，FT-IR，元素分析，XRD，ICP和TG-DTG表征。并研究了其结构组成、热稳定性以及VC在不同介质中的缓释性能，以扩展LDH作为生物材料的无机载体的应用。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Lambda 750S型紫外分光光度计(测定波长266 nm);FTS 6000型时间分辩傅里叶变换红外光谱仪(KBr压片);(ICP)J-A1100型电感耦合等离子直读光谱仪;Carlo Erba EA1108型元素分析仪;Panalytical X'Pert Pro型X-射线衍射仪［CuKα辐射(α1=1.540 57 Å，α2=1.544 33 Å，实际α= 1.541 78 Å)，电压40 kV，电流40 mA，扫描范围3℃～75℃，扫描速度0.02°·s-1，谱图经Xfit和Chekcell软件进行拟合，确定各衍射峰对应的晶面］;Rhoemetric Scientific STA-1500H型热重分析仪(将适量VC和Ca2Al-VC分别放入氧化铝坩埚中，在氩气气氛中以10℃·min-1由室温升至700℃)。

所用试剂均为分析纯，Sigma-Aldrich公司。

1.2 合成

(1)Ca2Al-VC的合成

采用共沉淀法:将Ca(NO3)2·4H2O 2.72 g，Al(NO3)3·9H2O 1.88 g和VCNa(C6H7O6Na) 2.97 g溶于100 mL去离子水中，配成混合盐溶液C;将NaOH 1.06 g溶于150 mL去离子水中，配成碱溶液D。搅拌下将D缓慢滴入溶液C中，滴毕，于室温反应120 h。过滤，滤饼依次用去离子水和丙酮洗涤数次，干燥得Ca2Al-VC。

1.3 VC释放率测定

取Ca2Al-VC 50 mg，分别加入去离子水100 mL，0.1 mol·L-1和0.01 mol·L-1Na2SO4溶液中，于室温反应不同时间。将悬浊液过滤，于266 nm测定滤液的紫外吸收强度y。根据自制的标准曲线所拟合得到的方程y=4.150 8Ln(x)+ 325.67，计算出滤液中VC的量(x)。

2 结果与讨论

2.1 表征

(1)XRD

图1为Ca2Al-VC的XRD谱图。由图1可见LDH的特征衍射峰。

Ca2Al-VC的XRD谱图同样具有层状结构的一系列特征衍射峰，说明VC的插层并未破坏LDH的结构，但各级衍射峰均出现了宽化现象，且(110)和(113)晶面衍射峰不是很明显，说明Ca2Al-VC晶体结构的有序性有所降低［15］。同时Ca2Al-VC的(002)和(004)晶面的衍射峰向低角度发生了偏移，计算得d002为14.6 Å，由层间距的增大可初步推断VC已插入到了层间。另外，根据ICP和CHN元素分析数据(C 15.0%，H 3.83%，N 0.64%，Ca 20.5%，Al 6.83%)计算得Ca2Al-VC的化学式为Ca2Al(OH)6［(C6H7O6)0.82(NO3)0.18］·1.7H2O(C 15.0%，H 3.84%，N 0.64%，Ca 20.3%，Al 6.85%)，VC的插入量为82%，同时层间还含有少量NO-3。

由XRD谱图可知Ca2Al-VC的层间距为14.6Å。由于层间距包括层间通道高度和一个层板的厚度，如去掉层板厚度4.8 Å［16］，可得Ca2Al-VC的层间高度为9.8 Å，根据VC分子的大小4.9Å［17］可判断Ca2Al-VC中，VC阴离子应以垂直于上下层板的方式双层交替排列于层间，其中一部分VC阴离子在层间通过内酯五元环上的C=C-O-与上层板由于静电引力相互作用而靠近，而另一部分VC阴离子通过内酯五元环上的C=C-O-与下层板同样由于静电引力相互作用靠近。另外，层间部分间隙位置被水分子和极少量的NO-3占据。

图1 Ca2Al-VC的XRD谱图Figure 1XRD pattern of Ca2Al-VC

(2)IR

图2为VC的钠盐(NaVC)和Ca2Al-VC的IR谱图。由图2可见，NaVC在2 930 cm-1～3 100 cm-1处的吸收峰为VC分子C-H(CH2)的非对称和对称伸缩振动峰;1 740 cm-1～1 700 cm-1，1 600 cm-1～1475 cm-1，1 200 cm-1～1 000 cm-1及1 301 cm-1附近的吸收峰分别对应VC分子中C=O，共轭C=C，C-O的伸缩振动峰以及C-H的弯曲振动峰［14］。

通过与NaVC的IR谱图比较，可以得出Ca2Al-VC各个吸收峰的归属。3 290 cm-1附近出现一宽的吸收峰归属LDH中OH［18］，分别来自于LDH层板、物理吸附水或结晶水的OH振动谱带，与自由状态的OH(约3 600 cm-1)相比，由于层间H2O分子和层间阴离子(VC)及层板羟基形成氢键，因而此峰向低波数移动;NaVC的1 578 cm-1和1 360 cm-1处的两个吸收峰分别对应分子中C=O和C-O的伸缩振动［14］，此两峰在Ca2Al-VC的IR谱图中均向高波数方向发生了移动，位移至1 582 cm-1和1 389 cm-1。可能是由于VC的插入导致了作用于分子内的H键减弱。1 185 cm-1～1 000 cm-1的一些小的尖锐的吸收峰也来自于Ca2Al-VC的C-O伸缩振动。以上数据均说明VC已经进入到了LDH当中。

图2 NaVC和Ca2Al-VC的IR谱图Figure 2IR spectra of NaVC and Ca2Al-VC

图3 Ca2Al-VC和VC的TG-DTG曲线Figure 3TG-DTG curves of Ca2Al-VC and VC

(3)TG-DTG

图3为Ca2Al-VC和VC的TG-DTG曲线。由图3可以看出，Ca2Al-VC的失重分为三步:第一阶段(200℃以下)是表面吸附水和层间水的脱除，最强失水峰出现在120℃附近，失重7.6%(理论值7.8%)，物质的化学式变为Ca2Al(OH)6［(C6H7O6)0.82(NO3)0.18］;第二阶段(200℃～346℃)主要是层板羟基水的脱除，最强失水峰在260℃附近，失重17.3%(理论值13.7%)，物质的化学式变为Ca2AlO3［(C6H7O6)0.82(NO3)0.18］;第三阶段(346℃～600℃)出现了一个较大的失重台，为层间有机阴离子(VC和NO-3)的分解过程，最强分解温度在442℃处，失重20.7%(理论值24.3%)，主要为VC阴离子的分解反应，同时发生LDHs向复合金属氧化物LDO转变的相变［19］，最终物质的化学式为Ca2AlO3.5和C4.92。

对照第二和第三阶段的失重值，推测VC的分解可能在脱除层板羟基水时就已开始［13］，但实验值17.3%与理论值13.7%相差不大，说明发生分解的VC只是一小部分，而大部分的分解还是发生在442℃附近。为证明这一推测，在同样条件下对VC进行TG-DTG分析。从VC的DTG曲线可以看出，VC在232℃左右会发生分解。这一结果证实了我们的猜测是正确的。尽管Ca2Al-VC在第二失重阶段发生了少量VC的分解，但从整体上说，VC插入LDH层间后，分解温度提高了大约210℃，大大增强了VC的热稳定性，说明LDH确实是一种很好的储存VC的基质。

2.2 VC的控制释放

为了确定Ca2Al-VC中VC的紫外吸收峰位置，对Ca2Al-VC和NaVC进行了UV-Vis测定，结果见图4。通过对比发现，Ca2Al-VC的λmax与NaVC相一致，均位于266 nm附近。因此，在后续VC释放实验中，均以266 nm下的紫外吸收峰为准计算VC的释放量。

为了考察Ca2Al-VC中VC释放性能，分别将其放入去离子水，0.1 mol·L-1和0.01 mol·L-1Na2SO4溶液中进行VC缓释实验，结果见图5。由图5可以看出，在不同介质中，VC的释放曲线显示了大致相同的释放规律。释放可分为以下3个阶段:第一阶段为初期的突释效应阶段;第二阶段为VC的相对平稳的释放阶段，释放速度较慢;第三阶段为VC释放的平台期，在此阶段VC已基本释放完毕。

比较Ca2Al-VC中VC在不同介质中的释放率，可以发现在浓度较大(0.1 mol·L-1)的Na2SO4溶液中，VC在60 min时，其释放率可基本达到最大值(66.0%);在0.01 mol·L-1Na2SO4溶液中，VC释放速度有所减慢;到120 min时，VC释放率基本达到最大值(62%);而在水溶液中，VC释放速度大大降低，240 min后，VC释放率基本维持在38%左右。从VC的释放结果来看，溶液中阴离子SO2-4的浓度越大，VC的释放速度越快，因此，可以推断VC的释放可能主要依靠阴离子SO2-4对VC离子的交换。

因此，对于VC在Na2SO4溶液中的释放可以描述为以下过程:在释放的前30 min，VC在层间和外界的浓度差很大，同时溶液中大量存在可与之交换的SO2-4，使得部分VC被快速释放，尤其是在高浓度的0.1 mol·L-1Na2SO4溶液中，VC的突释现象更明显。在30 min～60 min，由于SO2-4的插入逐渐破坏层板与VC之间的结合，使得分子间力作用逐渐减弱，VC较易于从层间脱离，但此时的浓度差仍然存在，VC继续被释放，随着溶液中可用来交换的SO2-4浓度逐渐减少，使得VC的释放速度也逐渐减小，直至达到平衡。120 min以后，VC基本不再释放。

综上所述，VC的释放主要表现为离子交换反应，同时受浓度差和分子间作用力(包括氢键力、静电力、分子间力等)的影响。Ca2Al-VC中VC在不同介质中的释放机理将另文报道。

图4 Ca2Al-VC和NaVC的UV-Vis谱图Figure 4UV-Vis spectra of Ca2Al-VC and NaVC

图5 Ca2Al-VC在不同介质中的释放率和时间关系曲线Figure 5Release curves of Ca2Al-VC in deionized water and Na2SO4solutions

3 结论

以钙铝水滑石［Ca2Al(LDH)］为主体，维生素C(VC)为客体，采用共沉淀法将VC插层到LDH层间合成了新型的VC-无机复合材料(简称Ca2Al-VC)。研究结果表明，Ca2Al-VC晶型完整，晶相单一，层间距为14.6 Å;VC阴离子双层交替垂直于上下层板，插入量为82%。TG-DTG分析表明，插入到LDH层间的VC热稳定性得到了明显提高，大部分VC的分解发生在442℃附近。VC的释放实验结果显示，VC在高浓度(0.1 mol·L-1)Na2SO4溶液中，释放速度及释放量高于低浓度(0.01 mol·L-1)Na2SO4溶液，而在去离子水中的释放主要靠离子的扩散。

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Synthesis and Sustained-release of Vitamin C Intercalated Ca/Al Layered Double Hydroxide

GAO Xiao-Rui，GU Wei，QI Xiao-Lin，LI Yu-Xin

(College of Science，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China)