胆酸在5种溶剂中的溶解度测定及关联

邓一猛, 赵哲赛, 韩庆文, 韩小龙

胆酸在5种溶剂中的溶解度测定及关联

邓一猛1, 赵哲赛1, 韩庆文2, 韩小龙1

(1. 西北大学 化工学院, 陕西 西安 710069; 2. 湖北三峡实验室, 湖北 宜昌 443007)

采用重量法测定了胆酸在甲醇、乙醇、乙酸乙酯、冰醋酸和正丙醇中的溶解度数据，并采用Modified Apelblat 模型、模型、二次多项式模型和三参数van¢t Hoff模型对溶解度数据进行了拟合。通过修正的van¢t Hoff方程分析溶解过程的热力学参数(吉布斯自由能变Δmix、焓变Δmix和熵变Δmix)，并计算了焓相对贡献H和熵相对贡献TS。结果表明，二次多项式模型对溶解度的关联效果最好。在研究所采用的溶剂体系中，Δmix>0，Δmix>0，Δmix>0，说明胆酸的溶解是非自发、不可逆的吸热过程。焓的相对贡献H远大于熵的相对贡献TS，说明胆酸在所选的溶剂的溶解过程中，溶解焓变Δsol对溶解吉布斯能变Δsol的贡献大于溶解熵变Δsol。这些溶解度和热力学性质可为胆酸结晶工艺提供重要的依据。

胆酸；溶解度；模型拟合；溶解热力学性质

1 前 言

胆酸(cholic acid，CA)是存在于人和脊椎动物胆汁中的一种甾类物质[1]，分子式为C24H40O5，结构式如图1所示。CA属于初级胆汁酸，是众多胆汁酸中最容易提取的一种胆汁酸，现代中药制剂中多将其提取入药如复方牛黄散、消痔灵胶囊中，用于治疗热病神昏、中风痰迷、咽喉肿痛、口舌生疮等症状[2-3]。同时胆酸也是熊去氧胆酸、石胆酸、去氧胆酸、鹅去氧胆酸、牛磺胆酸等名贵药物的底物[4-8]，为解决药物学上对牛黄、熊胆、蛇胆等药物的需求和来源紧缺的矛盾[9-10]，因此，研究开发胆酸具有重要意义。

图1 胆酸结构式

目前高纯的胆酸在国内外产量总体不足，但需求旺盛。结晶是物质提纯的主要方法之一，广泛应用于工业生产具有明确的理化性质的各种制品中[11-12]。尤其在制药行业，结晶是最为重要的纯化步骤。溶解度和热力学性质则是决定结晶方法和工艺不可或缺的基础数据[13-16]，此外，溶解度和热力学性质还可为晶体形貌的优化、新晶型的研发提供参考[17-18]。根据文献调研，本研究选取工业提取纯化胆酸最常用的乙醇、乙酸乙酯、醋酸等溶剂，研究胆酸在不同溶剂中的溶解度，并计算其各自的表观热力学性质，可为胆酸提纯的生产工艺开发提供一定的理论基础。

2 实验材料和方法

2.1 实验原料及试剂

胆酸(98%，上海阿位丁生化科技股份有限公司)；甲醇(分析纯，天津市富宇精细化工有限公司)；无水乙醇(分析纯，天津市富宇精细化工有限公司)；乙酸乙酯(分析纯，天津市大茂化学试剂厂)；冰醋酸(分析纯，天津市富宇精细化工有限公司)；正丙醇(分析纯，天津市富宇精细化工有限公司)。以上原料试剂均已通过高效液相色谱(LP-20A，日本岛津公司)验证。

2.2 胆酸的结构表征及熔点测定

胆酸的晶型及结构特征由X射线衍射仪(D/max-2550X，日本理学株式会社)测定。测试条件：扫描范围为2o～50o，扫描度数0.02o，扫描速度为8(o)×min-1。胆酸的熔点和融化焓由差示扫描量热仪(Q20，美国 TA Instruments公司)测定，温度测试范围为20～300 ℃，控制升温速率为10 ℃×min-1，N2保护。

2.3 溶解度测量实验装置和方法

采用重量法[19]测定胆酸在甲醇、乙醇、乙酸乙酯、冰醋酸和正丙醇中的溶解度，其实验装置如图2所示。该装置由超级恒温槽(THCD-2010，宁波天恒仪器厂)、磁力搅拌器(DF-101S，巩义市予华仪器有限公司)和一个带夹套的结晶器组成。环境温度由超级恒温槽循环水控制，恒温精度为±0.01 K。实验温度以水银温度计为准，测温精度为±0.1 K。用磁力搅拌器使固液两相均匀混合，加快胆酸在溶剂中的溶解。

图2 溶解度测定装置图

1. constant temperature water tank 2. glass bottle 3. magnetic stirrer 4. mercury thermometer 5. jacket crystallizer 6. rotor

图3 CA的PXRD和其模拟曲线

图4 CA的DSC曲线

图5 胆酸在各个溶剂中的溶解度数据曲线

首先将过量的胆酸和溶剂混合加入玻璃瓶中，在设定的温度下搅拌5 h以上。达到溶解平衡后，停止搅拌使颗粒沉淀。待沉降完全后，取上层清液，使用注射器搭配孔径为0.22mm的有机系针头过滤器过滤到预先称重的小瓶(质量为1)中称重，称其质量为2，然后将其放于烘箱中蒸发溶剂，溶剂完全蒸发后质量为3，称量精度均为±0.000 1 g。则3-1为溶质质量，2-3为溶剂质量。每组实验重复上述操作3次，取算术平均值作为最终的实验结果。

胆酸的摩尔溶解度计算公式为

3 实验结果与讨论

3.1 胆酸的结构表征及熔点测定分析

图3为胆酸的X射线粉末衍射(PXRD)结果，其衍射角2为7.47o、10.37o、11.87o、12.92o、14.86o、18.33o、19.65o、21.81o的特征峰明显，与Material studio模拟出来的曲线的特征峰一一相对应。图4为胆酸的DSC曲线，吸热峰前斜率最大点的切线与前基线的延长线的交点为CA的熔点[20]，其熔点m为473.76 K，对其吸热峰积分得熔化焓Dfus为97.73 J×g-1。

3.2 溶解度测定实验装置的可靠性验证

氯化钠在水中的溶解度已有报道，因此，以氯化钠在水中的溶解度为标准，对溶解度测定装置和方法的可靠性进行验证。采用重量法测定氯化钠在水中的溶解度，并与文献值[21]比较，结果如表1所示。从表1可以看出，氯化钠溶解度实验值exp与文献参考值ref符合良好，说明实验装置和方法可靠，可用于测定胆酸在溶剂中的溶解度。

表1 氯化钠在水中的溶解度实验数据wexp和文献数据wref对比

3.3 胆酸溶解度数据及关联

由于冰醋酸冰点为16.2 ℃，所以测定了其在20～55 ℃的溶解度，其余4种溶剂均为0～55 ℃下测定的溶解度，具体测定数据如图5所示。实验结果表明，胆酸在5种溶剂中的溶解度均随温度升高而增大，且对温度变化敏感；在相同温度下，胆酸在不同溶剂中的溶解度大小依次为：冰醋酸>甲醇>乙醇>正丙醇>乙酸乙酯，其规律与溶剂极性规律相同，符合“相似相溶”原理。

采用Modified Apelblat 模型[22](2)、模型[23-24](3)、二次多项式模型[25](4)及三参数van¢t Hoff模型[26](5)对CA在不同溶剂中的溶解度进行关联拟合。

采用RD、ARD和RMSD对热力学模型拟合结果进行分析[27]，考察所选模型的适用性和准确性，计算如式(6)～(8)所示。

RD、ARD和RMSD值越小，说明拟合值与实验值的偏差越小，拟合效果越好；反之，RD、ARD和RMSD值越大，拟合效果越差[28]。实验值与拟合值之间的偏差(RD、ARD和RMSD)见表2。

表2 胆酸在5种溶剂中的溶解度及其拟合偏差

Be continued

从表2可以看出，采用Modified Apelblat 模型、模型、二次多项式模型及三参数van¢t Hoff模型均能很好地关联胆酸在5种有机溶剂中的溶解度数据，其模型方程均可预测胆酸在所测温度范围内不同溶剂中的溶解度，模型拟合参数见表3。对比3种模型的关联结果，二次多项式模型的拟合效果略优于Modified Apelblat 模型、模型和三参数van¢t Hoff模型。

表3 胆酸在5种溶剂中的溶解度模型参数

3.4 溶解热力学分析

在目前的研究中，与van't Hoff方程相比，修正的van't Hoff方程[29]更适合计算溶质溶解过程中的热力学参数，而且当温度改变不大时，溶解焓Δsol和溶解熵Δsol等热力学参数可以看作常数，其表达式如下：

根据实验的溶解度数据，以-1-hm-1为横坐标，ln为纵坐标作图，进行线性拟合，结果见图6。其斜率为，截距为，其拟合参数见表4。其Δsol、Δsol和Δsol可分别用下式计算。

图6 CA溶解度的修正的van't Hoff方程拟合曲线

为了比较Δsol和Δsol对溶解过程相对贡献的大小，这里引入2个热力学参数焓相对贡献H和熵相对贡献TS[30]，计算式如下：

计算的表观热力学性质Δsol、Δsol、Δsol、H和TS见表5。

表5 CA溶解过程的表观热力学参数

由表5可知，胆酸在甲醇、乙醇、乙酸乙酯、冰醋酸和正丙醇中的Δsol、Δsol和Δsol均为正值，说明胆酸在所选的溶剂中的溶解均为非自发、不可逆的吸热过程。其中，冰醋酸的溶解焓变最大，可能是由于冰醋酸的溶解度最大，需要吸收更多的能量来完成溶解过程，而在甲醇、乙醇、乙酸乙酯和正丙醇中，其Δsol从大到小分别为乙酸乙酯>正丙醇>乙醇>甲醇，与其溶解度的规律相反；Δsol从大到小分别为乙酸乙酯>正丙醇>乙醇>甲醇>冰醋酸，也与其溶解度规律相反；Δsol均为正值，说明胆酸与溶剂分子混合打乱了溶剂分子之间的混合，所以体系混乱度增加，符合“熵增定律”。另外，H和TS分别在0.573 1～0.836 1和0.163 9～0.426 9，即H最小值为0.573 1，TS最大值为0.426 9，说明胆酸在所选溶剂溶解过程中，Δsol对Δsol的贡献大于Δsol。

4 结 论

(1) 常压下，胆酸在所选择的5种有机溶剂中的溶解度均随温度升高而升高，在相同的温度下，胆酸在各个溶剂中的溶解度大小顺序为：冰醋酸>甲醇>乙醇>正丙醇>乙酸乙酯。

(2) 采用Modified Apelblat 模型、模型、二次多项式模型及三参数van¢t Hoff模型拟合胆酸在不同溶剂中的溶解度数据，结果表明4种模型均能取得较好的关联结果。对比4种模型的关联结果，二次多项式模型的拟合效果略优于Modified Apelblat 模型、模型、三参数van¢t Hoff模型。

(3) 采用修正的van¢t Hoff 方程计算了胆酸在5种有机溶剂中的溶解焓变Δsol、溶解熵变Δsol和溶解吉布斯自由能变Δsol，其值均大于0，表明胆酸在5种有机溶剂中的溶解过程均为吸热、熵增的非自发过程。计算了胆酸在各个溶剂中的焓相对贡献H和熵相对贡献TS，结果表明胆酸在所选的溶剂的溶解过程中，溶解焓变Δsol对溶解吉布斯能变Δsol的贡献大于溶解熵变Δsol。

符号说明：

A1, B1,C1— 二次多项式模型参数N— 样本数量 A2, B2,C2— 三参数van¢t Hoff模型R— 气体常数，R=8.314 J×mol-1×K-1 a, b, c— Modified Apelblat 模型参数R2— 拟合优度 ARD— 平均相对偏差RD— 相对偏差 d— 截距RMSD— 均方根偏差 ΔsolG— 溶解吉布斯自由能变，kJ×mol-1ΔsolS— 溶解熵变，J×mol-1×K-1 h, λ— λh模型参数T— 实验温度,K ΔfusH— 熔化焓，kJ×mol-1Thm— 调和平均温度，K ΔsolH— 溶解焓变，kJ×mol-1Tm— 熔点，K k— 斜率wexp— 氯化钠溶解度实验值 Mi— 溶剂的摩尔质量，g×mol-1wref— 氯化钠溶解度文献值 Ms— 溶质的摩尔质量，g×mol-1x— 摩尔溶解度 m1— 空瓶的质量，gxi,cal— 溶解度拟合值 m2— 空瓶加溶液的质量，gxi,exp— 溶解度实验值 m3— 空瓶加溶质的质量，g2θ— 衍射角，(°) mi— 溶剂的质量，gζH— 焓相对贡献 ms— 溶质的质量，gζTS— 熵相对贡献

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Measurement and correlation of cholic acid solubility in five solvents

DENG Yimeng1, ZHAO Zhesai1, HAN Qingwen2, HAN Xiaolong1

(1. School of Chemical Engineering, Northwest University, Xi'an 710069, China;2. Hubei Three Gorges Laboratory, Yichang 443007, China)

The solubility data of cholic acid in methanol, ethanol, ethyl acetate, acetic acid and-propanol were measured by weighting and fitted by the Modified Apelblat model,model, quadratic polynomial model and three-parameters van't Hoff model. The thermodynamic parameters of the dissolution process (Gibbs free energy variation Δmix, enthalpy variation Δmix, and entropy variation Δmix) were analyzed by modified van' t Hoff equation, and the relative contribution of enthalpyHand entropy contributionTSwere also calculated. The results show that the quadratic polynomial model has the best correlation effect for solubility. The results of Δmix>0, Δmix>0 and Δmix>0 for solvents studied indicate that the dissolution of cholic acid is a non-spontaneous and irreversible endothermic process. The relative contribution of enthalpyHwas larger than that of entropyTS, which indicates that the dissolved enthalpy variable Δsolcontributes more to the dissolved Gibbs energy variable Δsolthan that of the dissolved entropy variable Δsol. The obtained solubility and thermodynamic properties can provide basic data for crystallization studies of cholic acid.

cholic acid; solubility; model fitting; dissolution thermodynamic properties

TQ465.92

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2023.05.018

1003-9015(2023)05-0850-08

2022-06-13；

2022-08-26。

湖北三峡实验室开放/创新基金项目(SK212001)。

邓一猛(1997-)，男，山东枣庄人，西北大学硕士生。

韩小龙，E-mail：hanxl@nwu.edu.cn

邓一猛, 赵哲赛, 韩庆文, 韩小龙. 胆酸在5种溶剂中的溶解度测定及关联[J]. 高校化学工程学报, 2023, 37(5): 850-857.

： DENG Yimeng, ZHAO Zhesai, HAN Qingwen, HAN Xiaolong.Measurement and correlation of cholic acid solubility in five solvents[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2023, 37(5): 850-857.