3,4,5-THBA无水及水合晶型的光谱实验及理论研究

张慧丽,夏燚,方虹霞,张琪,洪治,杜勇

(中国计量学院 太赫兹技术与应用研究所,杭州　310018)

3,4,5-THBA无水及水合晶型的光谱实验及理论研究

张慧丽,夏燚,方虹霞,张琪,洪治,杜勇*

(中国计量学院 太赫兹技术与应用研究所,杭州310018)

摘要:本文利用傅里叶变换红外(FT-IR)、拉曼(Raman)和太赫兹(THz)光谱技术在室温下对3,4,5-三羟基苯甲酸(3,4,5-THBA)的无水和水合晶型进行了表征。运用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法分别对两种晶型进行了分子结构优化和频率模拟计算,并根据实验数据对其分子振动模式进行归属,发现3,4,5-THBA两晶型的分子振动模式有着显著不同。研究结果表明,结晶水分子与3,4,5-THBA分子之间的相互作用使得水合与无水晶型的空间构型不同。这一研究结果为利用光谱技术辨别药物晶型和进一步分析研究分子内和分子间相互作用提供了实验及理论依据。

关键词:3,4,5-THBA；无水晶型；水合晶型；傅里叶变换红外光谱；拉曼光谱；太赫兹光谱；密度泛函理论

1引言

当药物从溶剂中重结晶时,如果药物分子与水分子在晶格中发生结合,则该药物可能从一种晶型变成另一种晶型,或由无定形转变成晶型。而药物的不同晶型常常具有不同的物理化学性质,这些差异可能会对药物的流动性、稳定性,以及药效等有较大影响[1-3]。此外,由于水分在药物生产和保存中普遍存在,使得保持与控制药物活性成分的晶型一致,成为药物研发、生产以及存储

等领域中一个重要的环节[4]。目前,常用的固体药物晶型检测的谱学检测技术有单晶X射线衍射(XRD)、FT-IR、Raman和THz谱等[5]。XRD是晶型检测的经典方法,但择优取向导致制样重复性问题,给定量分析应用带来麻烦。Raman与IR光谱同属于振动光谱,Raman光谱源于分子极化率的变化；IR光谱检测的是分子振动时产生的偶极矩变化,对极性基团更为灵敏,两种方法的结合对于分子结构的测定和研究将是非常有效的[6-7]。THz波(0.1～10 THz)对于分子间弱的相互作用(如氢键、范德瓦尔斯力等)及大分子的骨架振动(如构型弯曲)、偶极子的旋转和振动跃迁以及晶体中晶格的低频振动吸收都非常敏感[8,9]。这些方法能够从不同的角度反映出药物分子结构的性质,有一定的互补性,因此使用光谱技术研究固体药物尤其是不同晶型类药物的光谱特性具有非常重要的意义。

3,4,5-THBA又名没食子酸,是一种天然酚类化合物,通常以与多元醇组成可水解单宁的形式存在于植物中。它的应用非常广泛,主要为医药、日用化工和食品等行业。3,4,5-THBA的分子式中含有两个基本官能团:羧基和苯酚,使其易与水分子以氢键的方式结合形成与3,4,5-THBA空间构型不同的水合物。剑桥结构数据库(Cambridge Structural Database,CSD)中收录了3,4,5-THBA水合晶型I[10]和II[11],其中水合晶型I为室温下稳定晶型,亦是商业使用晶型；无水晶型有三种晶型,其中无水晶型II为稳定晶型,I和III为亚稳定状态,但均未被CSD收录[12]。2011年Clark等人通过对晶型进行三维分数坐标定义提出了3,4,5-THBA水合晶型III和IV[13]；2013年Braun等人使用29种溶剂分别与水、3,4,5-THBA按一定比例混合,通过快速蒸发、缓慢蒸发和重结晶等方法制备出了5种空间构型不同的3,4,5-THBA水合晶型,并研究了5种晶型可以稳定存在的温度和湿度[12]。这些研究主要涉及晶胞结构的分析、水合晶型的制备和晶型存储的条件等,而对于3,4,5-THBA分子的光谱研究则甚少。本文使用FT-IR、Raman和THz光谱技术对3,4,5-THBA的两种稳定晶型(无水晶型II和水合晶型I,下文简称为无水晶型和水合晶型)进行检测,得到其光谱图；利用DFT理论对这两种晶型的分子进行结构优化和频率模拟计算,将理论计算与实验结果进行对比,对两种晶型的分子振动模式进行了振动归属,从药物分子结构上研究水分子对药物分子振动的影响。

2实验与理论模拟方法

2.1样品的制备与表征

药物样品:3,4,5-THBA无水晶型和水合晶型,订购于西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司,纯度均大于97.5%,使用前未进行进一步纯化或其它加工。

Raman光谱分析采用的是美国Nicolet公司Nicolet Raman 960型傅里叶变换拉曼光谱仪。拉曼位移范围:3700～100 cm-1；波数重复性:±0.2 cm-1,波数精度:±2 cm-1,分辨率为2 cm-1,样品累积扫描64次。

FT-IR光谱分析采用的是美国Nicolet公司Avatar370型傅里叶变换红外光谱仪,扫描范围4000～400 cm-1,分辨率为2 cm-1,样品制备采用溴化钾压片法,每个样品扫描64次。

THz时域光谱(THz Time-Domain Spectroscopy,THz-TDS)采用Z2测量系统(美国Zomega公司)。激发光源为Spectra Physics公司的钛蓝宝石飞秒锁模脉冲激光器,激光重复频率80 MHz、脉宽100 fs、中心波长800 nm。实验中称取约280 mg样品,使用压片法将其制备成直径为13 mm、厚度约为1.5 mm的结构均匀、没有裂缝且两端面平行的样片。测量环境为室温、干燥的氮气环境,相对湿度低于4%。

2.2理论模拟方法

采用Gaussian03软件分别对3,4,5-THBA无水与水合晶型进行单分子模拟,选取密度泛函理论B3LYP方法,结合基组6-31G(d,p)进行理论计算。模拟计算中,首先进行结构优化,再进行频率计算,所有样品的计算没有出现虚频,说明所有优化都找到了分子最小能量结构。考虑到模拟中没有完全考虑电子相关作用和其对非简谐性效应,以及基组选择等因素,采用相应矫正因子0.96[8,14-15],优化后的分子结构见图1所示。

3结果与讨论

3.1IR与Raman光谱分析

图2是3,4,5-THBA的水合晶型与无水晶型的FT-IR光谱图。由FT-IR光谱图可看到,两种晶型在峰强度与位置上有着显著的区别。说明两晶型内部分子间的作用力或作用强度不同,造成红外光谱的差异,从而出现吸收峰数目、位移以及强度上的变化。根据B3LYP/6-31G(d,p)理论计算的频率振动,对实验结果中两种晶型的吸收峰进行分子的振动模式归属。理论和实验的吸收峰及相应的振动模式如表1、2所示。

Fig.1Molecular structures of anhydrous(A)and hydrated(B)3,4,5-THBA

3,4,5-THBA的分子结构比较简单,主要含有的官能团是苯环、羧基和羟基。每种官能团都有其特征振动频率,这些官能团的振动频率常常会相互作用。由表1、2可以看出3,4,5-THBA的无水与水合晶型的振动模式主要是由分子内官能团、化学键伸缩转动的共同作用引起。在2800～3800 cm-1高波数区,主要是-OH和C-H的伸缩振动。无水晶型在该波段的3500 cm-1处归属于ν(O9-H10)的特征峰表现比较尖锐；而水合晶型由于受水分子的影响,在3500 cm-1处的特征峰相比无水晶型表现较弱,且归属于水分子的伸缩振动(ν(O20-H19、O20-H21))。1800～1200 cm-1主要是苯环、C-O、C=O的伸缩振动和C-H的面内摆动,由表1、2可以看出无水晶型与水合晶型在该波数区域的分子振动结构的归属基本相同,但在峰位置和强度上有些差异。在无水晶型1700 cm-1和水合晶型1701 cm-1处均归属于νas(R)+ν(C1-C7、C7-O9、C7=O8)+δ(C7-O9-H10),而水合晶型的特征峰相比无水晶型较强；无水晶型在1647和1668 cm-1处存在的特征峰,在水合晶型中消失；无水晶型在1320 cm-1处特征峰主要归属于C-O的伸缩振动,而在水合晶型中表现为1307和1340 cm-1两个弱的肩峰。此外,在1618、1541、1467、1450和1246 cm-1均出现H19-O20-H21(即水分子)的伸缩振动或剪式振动。在低波数区,主要是C-H和C-C面外摇摆、C-O伸缩振动以及骨架的扭曲等。该波段的峰位有略微差异,主要是峰强度上的差异。

Fig.2FT-IR spectra of(a)anhydrous 3,4,5-THBA and(b)hydrated 3,4,5-THBA in different spectral regions(A):650～1800 cm-1;(B):2500～3800 cm-1

Table 1　Assignments of major bands of 3,4,5-THBA anhydrous polymorphs(IR spectra)

续表1

Table 2　Assignments of major bands of 3,4,5-THBA hydrate polymorphs(IR)

续表2

由3,4,5-THBA的无水与水合晶型FT-IR光谱图上的明显区别可知,在水合晶型中存在的结晶水影响3,4,5-THBA分子自身的振动,使得其分子结构中所含的官能团的振动频率与无水晶型相比有不同程度的偏移。

3,4,5-THBA的水合与无水晶型的Raman光谱如图3所示。理论和实验的Raman特征峰及相应的振动模式如表3、4所示。比较它们的Raman谱图可知,两种晶型的区别是显著的。在1000～1200 cm-1波数区,主要归属于C-C的伸缩振动、C-H的面内摆动、C-O的伸缩振动和骨架振动；无水晶型在谱图上表现为几个相对较弱的散射峰,水合晶型的谱图仅有两个比较明显的尖峰。无水晶型在1597和1614 cm-1处的肩峰主要归属于苯环的伸缩振动,由于水分子的作用在水合晶型的谱图中表现为一个尖峰,位置蓝移至1621 cm-1。1691 cm-1主要归属于C=O的伸缩振动和苯环的伸缩变形,而水合晶型(1692 cm-1)在该处的强度显著增加,说明水分子的存在影响了一些官能团的振动频率。在150～900 cm-1波数区,水合晶型中335 cm-1处的散射峰在无水晶型中并不存在,它的出现是由于水分子的面内摆动(ρ(H19-O20-H21))；无水晶型358 cm-1处散射峰归属于νas(R)+ρ(O13-H14、O17-H18),而在水合晶型中由于结晶水分子的面外摇摆的影响(ω(H19-O20-H21))表现为350和366 cm-1两个肩峰。无水晶型435 cm-1与水合晶型在443 cm-1处的散射峰归属于ω(O15-H16)。两晶型在500～600 cm-1之间的三个散射峰归属于O9-H10的面内摆动和苯环的不对称伸缩,三个峰的位置和强度均有略微变化。无水晶型中772 cm-1处归属于O-H的面内摆动的特征峰,在水合晶型该波数处并无表现。无水晶型中723和803 cm-1的散射峰在水合晶型中分别偏移到696和794 cm-1。

Fig.3Raman spectra of(a)anhydrous 3,4,5-THBA and(b)hydrated 3,4,5-THBA in different spectral regions(A):150～900 cm-1;(B):900～1800 cm-1

Table 3　Assignments of major bands of 3,4,5-THBA anhydrous polymorphs(Raman spectra)

续表3

Table 4　Assignments of major bands of 3,4,5-THBA hydrate polymorphs(Raman spectra)

续表4

表1-4注：R苯环,ν伸缩振动(s表示对称,as表示不对称),δ剪式振动,ρ面内摆动,ω面外摇摆,s:强烈,vs:非常强烈,m:中等,w:微弱,vw:非常微弱,sh:肩峰

从Raman光谱的以上分析可知,其振动模式主要是由分子的官能团或化学键的共同作用,两晶型光谱上的显著区别是由于结晶水分子对3,4,5-THBA的振动产生了影响。相比于FT-IR光谱,Raman光谱还包含了100～650 cm-1区域的信息,且在这一波段水分子3,4,5-THBA分子振动的影响也是比较明显。

3.2THz光谱分析

太赫兹光谱技术可以通过物质晶格振动来探测分子间作用力,因此基于该技术对于晶型变化的反映最为直接而有效。图4是3,4,5-THBA水合晶型与无水晶型的太赫兹频域光谱。

Fig.4THz absorption Spectra of(a)anhydrous 3,4,5-THBA and(b)hydrated 3,4,5-THBA

由图我们可以看到,两种晶型在1.06和1.26 THz处的吸收峰没有移动,但无水晶型在这两处的吸收峰强度更强而幅度更窄。而最为显著的吸收特征峰存在明显移动,无水晶型在1.53 THz处而水合晶型偏移至1.51 THz处。水合晶型在1.70 THz处产生了新的吸收峰；而无水晶型在1.83 THz处的吸收峰在水合晶型中消失。这说明两种晶型的分子空间构型、构象以及相应的晶格振动并不相同。

将DFT理论在太赫兹波段的模拟谱与实验光谱进行比较,结果如图5所示。无水晶型的吸收峰在1.06、1.26、1.51和1.83 THz,而模拟计算的吸收峰仅在1.88 THz一处。水合晶型的吸收峰在1.06、1.26、1.53和1.70 THz,模拟计算的吸收峰在0.73、1.45和1.87 THz。实验与理论存在的一定偏差,首先是因为理论模拟是在绝对零度下进行的,没有考虑热效应。其次,由于实验测量的是3,4,5-THBA晶体结构,晶格中存在分子间的弱相互作用力,而模拟计算的是单分子,没有考虑分子间的相互作用。理论的吸收峰归属于分子内官能团或化学键参与的变形振动、扭动和弯曲振动[16],而实验光谱中除此之外的吸收峰主要源于分子之间的相互作用。无水晶型在1.88 THz处的吸收是由于羧基上的C=O与C-O的面外扭动以及苯环以C1-C4为轴的面外摇摆。水合晶型在0.73 THz处的吸收是由于水分子的面外摇摆、3,4,5-THBA分子以C1-C4为轴的整体面外摇摆；1.45 THz处的吸收峰归属于:苯环以C3为中心的面内摆动与水分子以H18为中心的整体移动；1.87 THz处的吸收峰归属于水分子的面外摇摆、羧基的C=O与C-O以C7为中心的面外扭动以及苯环以C1-C4为轴的面外摇摆。所有的振动模式均归属于基团的集体振动模式。

Fig.5Comparison between experimental(a)and calculated(b)THz absorption spectrum of(A)anhydrous 3,4,5-THBA and(B)hydrated 3,4,5-THBA

4结论

采用FT-IR、Raman和THz光谱技术对3,4,5-THBA的无水与水合晶型进行了光谱表征,结合模拟计算获得的两种晶型的单分子振动频率结果,对其进行了分子振动模式归属。结果表明这些振动主要是以官能团和化学键的转动为主要特征,不同峰位的扭转模式及振动幅度不同；同时说明水分子与3,4,5-THBA之间的相互作用影响了3,4,5-THBA的振动模式和空间构型及构象,从而使得3,4,5-THBA水合晶型表现出与无水晶型不同的理化性质。这一研究结果为利用光谱技术辨别药物多晶型和进一步分析多晶型分子内和分子间相互作用提供了实验及理论参考。

致谢

感谢浙江理工大学化学系薛佳丹、李亚芳在拉曼、红外光谱测试实验过程中的大力帮助。

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Experimental and Theoretical Ion the Spectra of Hydrated and Anhydrous 3,4,5-THBA

ZHANG Hui-li,XIA Yi,FANG Hong-xia,ZHANG Qi,HONG Zhi,DU Yong*

(CentreforTerahertzResearch,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018,China)

Abstract:In this study,hydrated and anhydrous polymorphs of 3,4,5-trihydroxybenzoic acid(3,4,5-THBA)were characterized by Fourier transform infrared(FT-IR),Raman and terahertz(THz)spectroscopic techniques at room temperature.The density function theory(DFT)calculation with B3LYP method is applied to simulate the corresponding optimized structures and vibrational frequencies.The different vibrational modes are assigned by comparison between the experimental and theoretical spectra of two polymorphs.There is obvious difference within the molecular vibrational modes of hydrated 3,4,5-THBA and those of anhydrous one.The results show that the interactions between water and 3,4,5-THBA molecules make molecular configurations significantly different within hydrated and anhydrous polymorphs.This work offer the experimental and theoretical benchmark for identifying pharmaceutical polymorphs and also further studying the intramolecular and intermolecular interactions with spectroscopic technologies.

Key words:3,4,5-THBA; anhydrous; hydrated; Fourier transform infrared spectrum; Raman spectrum; terahertz spectrum; density function theory

文章编号:10.13883/j.issn1004-5929.201602011

收稿日期:2014-12-04; 修改稿日期:2014-12-11

基金项目:国家自然科学基金(21205110,61377108)

作者简介:张慧丽(1989-),女,硕士,主要从事太赫兹光谱检测方面研究,E-mail:FallinNovember@163.com 通讯作者:杜勇,副教授,主要从事拉曼、太赫兹波谱等方面研究,E-mail:yongdu@cjlu.edu.cn

中图分类号:O657.3; O433.5

文献标志码:A

doi:10.13883/j.issn1004-5929.201602001