作者：張春桃 王靜康 王永莉 陳巍
【摘要】 差示掃描量熱法(DSC)、傅立葉轉換紅外光譜(FT-IR)和X-射線粉末衍射(XRPD)研究表明實驗室精製得到的頭孢曲松鈉晶體屬單斜晶系，P21/c空間群。在Cerius2工作站SGI IRIX上應用能量最小化法確定了頭孢曲松鈉的晶體結構；基於BFDH、AE模型預測了頭孢曲松鈉晶體的晶習，其中AE模型預測的晶習與實際生長晶習相近，呈薄片狀。實驗定性考察了生長環境對頭孢曲松鈉晶習的影響。
【關鍵詞】 頭孢曲松鈉； 晶體結構； 晶習； X-射線衍射
ABSTRACT Studies of differential scanning calorimetry (DSC), Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy, and X-ray powder diffraction (XRPD) on ceftriaxone sodium purified in laboratory indicate that the ceftriaxone sodium crystal belongs to monoclinic crystal system and space group of P21/c. The crystal structure of ceftriaxone sodium was determined on workstation SGI IRIX of Cerius2 based on the minimizing energy law; the crystal habit was predicted by BFDH law and AE law, respectively, of which the crystal habit predic-ted by AE law was plate, close to the practical habit grown from solution. The effects of crystal growth conditions on crystal habit of ceftriaxone sodium were qualitatively studied by experiments.
KEY WORDS Ceftriaxone sodium; Crystal structure; Crystal habit; X-ray powder diffraction
晶體的微觀結構與物質的宏觀物理、化學性質密切相關，決定著物質的晶形、密度、熔點等。對物質晶體結構的了解，將有助於在原子尺度上闡明物質各種性能的機制，對研究物質結構與性能之間的關係和 規律 具有重要意義［1］。晶習是表征晶體外部整體形態的量［2］。晶態有機固體的外形是其固液分離體系設計和操作的一個重要參數，影響下游操作過程(如過濾、洗滌、乾燥)的效率和物質的性能(如堆密度、機械應力、潤濕性)［2～4］。晶體內部結構特性以及外部生長環境都能影響晶習［5］，如何利用這些信息去預測和控制真實條件下生長晶體的晶習在精細化工領域，尤其是製藥業，越來越受到關注和重視［6～8］。 頭孢曲松鈉(ceftriaxone sodium，C18H16N8Na2O7S3·3.5H2O)，曾譯頭孢三嗪，是新型、長效、廣譜的第三代半合成頭孢菌素，屬於β-內醯胺類抗生素，結構式如Fig.1所示［9］，1978年由瑞士Roche公司研發成功，1982年首次在瑞士上市，1984年12月21日獲得FDA認證，1996年專利到期。自上市以來，產品暢銷全世界，2000年頭孢曲松鈉在世界前200個暢銷藥中列第43位，在國內的銷售額居各抗感染藥物之首［10，11］。目前頭孢曲松鈉的研究熱點集中於合成以及藥理，鮮有報道其晶體結構和晶習方面的研究。由於頭孢曲松鈉難以培養出滿足測試要求的單晶，本文通過X-射線粉末衍射分析，應用分子設計軟體Cerius2(4.6
Fig.1 Structure of ceftriaxone sodium
版本)根據能量最小化方法得到了頭孢曲松鈉分子空間結構，並在此基礎上預測了產品晶習，為頭孢曲松鈉 工業 結晶過程的設計、優化提供了理論指導。
1 實驗部分
1.1 實驗原料
頭孢曲松鈉粗品由山東瑞陽製藥有限公司提供，實驗室精製後產品純度經高壓液相色譜(HPLC)檢測不小於99.5%。試樣再經研磨、篩分，選取粒度範圍在38～45μm之間的細晶用於X-射線粉末衍射測試。
1.2 DSC分析
差示掃描量熱儀(NETZSCH Thermal Analysis DSC204)：樣品置於封口的Al2O3坩鍋中，參比物為空的α-Al2O3坩鍋；升溫速率為5℃/min，升溫範圍從室溫到330℃；載氣為N2，流量50ml/min。儀器的熱焓採用銦作為標準物校正。
1.3 TG分析
本文採用NETZSCH TG209熱重分析儀測試頭孢曲松鈉的TG曲線，升溫速率為10℃/min，載氣為N2，流量為18ml/min。樣品用量為5.08mg，升溫範圍從室溫到200℃。
1.4 紅外分析
本文採用KBr壓片法在NICOLET 560型傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR)上對頭孢曲松鈉進行紅外光譜分析。
1.5 掃描電鏡(SEM)
本文採用Hitachi X650掃描電鏡(SEM)表徵實驗樣品的晶習，操作電壓15kV，樣品放在黏著雙面膠的金屬片上，在觀察前需在氬氣保護下間歇噴金。
1.6 X-射線粉末衍射分析
頭孢曲松鈉的X-射線粉末衍射數據在日本 理學 (Rigaku)D/max-2500型單色X-射線衍射儀上收集，CuKα射線(λ＝1.5405)，石墨單色器，掃描速率1s/step，工作電壓40kV，工作電流100mA，測試溫度(25±1)℃。為保證樣品表面與測角儀軸心平行共面，裝樣採用鋁板背壓法。
2 實驗結果與討論
2.1 DSC曲線
頭孢曲松鈉的DSC譜圖如Fig.2所示，樣品在260℃附近存在一個尖銳的放熱峰，在放熱峰前還存在兩個小的吸熱峰。頭孢曲松鈉DSC曲線260℃附近的放熱峰是樣品熱分解放熱所致［12，13］，實驗測定的熱分解峰頂溫度TP為262.30℃，接近 文獻 值240～265℃［12，13］。與其他大多數頭孢菌素一樣［13］，頭孢曲松鈉的DSC曲線也沒有熔點峰，表明頭孢曲松鈉在熔化前已發生熱分解，故無法用量熱法來測定其純度。
2.2 TG-DTG分析
頭孢曲松鈉的TG-DTG譜圖如Fig.3所示，雖然TG曲線沒有表現出明顯的直角台階狀，但DTG曲線的雙峰卻說明了頭孢曲松鈉在室溫至200℃之間的失重是分兩步完成的。根據TG線的失重百分率 計算 結果可知，第一步失重約6.30%，第二步失重約3.31%。頭孢曲松鈉分子中結晶水的理論百分含量是9.53%，參照 中國 藥典(CP2005)附錄M水分測定法中的費休氏法測得頭孢曲松鈉水分含量為9.5%，而實驗測得TG失重為9.61%，與理論結晶水含量基本相符。因此可推斷頭孢曲松鈉在室溫至200℃之間的TG失重是脫除結晶水所致［14］，Fig.2中DSC曲線熱降解放熱峰前出現的兩個小峰正是頭孢曲松鈉分兩步脫水而產生的吸熱峰。而且，頭孢曲松鈉的DSC曲線並未再出現脫溶劑峰，結合Fig.3所示的TG-DTG譜圖，可以初步判定實驗精製頭孢曲松鈉過程中未見形成溶劑化合物。
2.3 紅外分析
實驗室製備的頭孢曲松鈉與市售國外產品的紅外譜圖如Fig.4所示。β-內醯胺與雜環並接產生的特徵峰出現在1740cm-1處，在3440～3260cm-1處出現的強而寬的峰是-OH和-NH伸縮振動引起的譜帶，-OH和-NH的伸縮振動頻率在此區域相互重疊而不易區分，由於分子內氫鍵，吸收頻率向低頻方向還存在一定的平移。1610cm-1附近處的強峰是芳核骨架振動的特徵峰，1000cm-1附近的特徵峰是芳環C-H面向彎曲振動引起的強吸收峰，但Ar-H在3030cm-1附近的特徵峰由於-OH和-NH的存在而不明顯。1740cm-1處的強峰是羰基伸縮振動的特徵峰，而1650cm-1處的強峰則是醯胺的羰基伸縮振動引起的。
2.4 X-射線粉末衍射分析
測試中發現當2θ>50°後，頭孢曲松鈉的XPRD譜圖不再出現明顯的衍射峰，因此在Rigaku D/max-2500X射線衍射儀上收集5°<2θ<50°的數據，再利用衍射儀隨機軟體進行衍射圖的平滑、Kα2剝離及其背景扣除後得到的頭孢曲松鈉X-射線粉末衍射圖如Fig.5所示，衍射數據表明實驗室製備的頭孢曲松鈉與標準品具有相同的特徵峰位置與強度。本文採用JADE 4.0軟體對頭孢曲松鈉的衍射數據進行指標化，並用JADE 4.0中的最小二乘精修程序對指標化結果進行精修。精修後頭孢曲松鈉X-射線粉末衍射數據的指標化結果見Tab.1，屬於單斜晶系，P21/c空間群，晶胞參數為a=9.2493，b=15.779，c=20.619，α=γ=90°，β=121.34°，單胞內分子數Z=4。通過晶胞參數可計算出頭孢曲松鈉晶體密度Dx=1.71g/cm3，與實驗測出的晶體密度ρc=1.73g/cm3基本吻合。
2.5 頭孢曲松鈉晶體結構的確定
分子的空間結構信息對於確定晶體結構，研究晶體所屬空間群和原子位置具有重要作用。因此，在研究晶體結構之前研究分子的空間結構是必要的。分子的空間結構一般可以由兩種方法得到：一是通過實驗的方法，主要包括X-射線單晶衍射和2D-NMR技術；另一個是通過計算機輔助分子設計的理論計算方法，目前主要包括「原始」機制、半經驗機制以及分子機制模型，其中分子機制模型又有能量最小化、網格搜索、蒙特卡羅(Monte Carlo)以及分子動力學模擬等方法［15］。雖然單晶結構分析是諸多固態物質結構分析方法中提供信息最多、最常用的研究方法，已經成為合成化學及其相關學科、晶體工程和超分子化學等研究領域中必不可少的研究手段［16］，但目前X-射線單晶衍射儀對測試晶體的三維尺度(最小維的空間尺度不小於0.01mm)和質地(晶體不能出現缺陷)有嚴格的要求，由於頭孢曲松鈉晶體是薄片狀晶習，難以培養出合乎單晶測試要求的晶體，有一維的空間尺度小於0.01mm。頭孢曲松鈉是一種大分子有機鹽類，具有離子化合物的特性。因此本 論文 應用分子設計軟體Cerius2(4.6版本)中的3D-sketcher環境畫出分子結構圖，再通過電荷分配，選擇Dreading 2.21力場，最後根據能量最小化方法得到可能的頭孢曲松鈉分子空間結構如Fig.6所示。
頭孢曲松鈉晶體的晶胞投影如Fig.7所示，晶胞中每2個頭孢曲松鈉分子和7個水分子按Fig.6所示組成一個不對稱單元。由Fig.1可知，頭孢曲松鈉是一種大分子有機羧酸鈉鹽，存在鈉離子(Na+)與頭孢曲松酸根離子(C18H16N8O7S3)2-之間強的離子鍵；除此之外，每個晶胞中還存在眾多既是質子受體又能提供質子的水分子，而且每個(C18H16N8O7S3)2-中還含有2個-NH(與電負性大的N原子形成強極性鍵的氫原子)和6個-CO-(電負性大且又能提供孤對 電子 的氧原子)，易與水分子或其它頭孢曲松鈉分子之間的-CO-和-NH形成氫鍵，如Fig.7中虛線所示。
【摘要】 差示掃描量熱法(DSC)、傅立葉轉換紅外光譜(FT-IR)和X-射線粉末衍射(XRPD)研究表明實驗室精製得到的頭孢曲松鈉晶體屬單斜晶系，P21/c空間群。在Cerius2工作站SGI IRIX上應用能量最小化法確定了頭孢曲松鈉的晶體結構；基於BFDH、AE模型預測了頭孢曲松鈉晶體的晶習，其中AE模型預測的晶習與實際生長晶習相近，呈薄片狀。實驗定性考察了生長環境對頭孢曲松鈉晶習的影響。
【關鍵詞】 頭孢曲松鈉； 晶體結構； 晶習； X-射線衍射
ABSTRACT Studies of differential scanning calorimetry (DSC), Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy, and X-ray powder diffraction (XRPD) on ceftriaxone sodium purified in laboratory indicate that the ceftriaxone sodium crystal belongs to monoclinic crystal system and space group of P21/c. The crystal structure of ceftriaxone sodium was determined on workstation SGI IRIX of Cerius2 based on the minimizing energy law; the crystal habit was predicted by BFDH law and AE law, respectively, of which the crystal habit predic-ted by AE law was plate, close to the practical habit grown from solution. The effects of crystal growth conditions on crystal habit of ceftriaxone sodium were qualitatively studied by experiments.
KEY WORDS Ceftriaxone sodium; Crystal structure; Crystal habit; X-ray powder diffraction
晶體的微觀結構與物質的宏觀物理、化學性質密切相關，決定著物質的晶形、密度、熔點等。對物質晶體結構的了解，將有助於在原子尺度上闡明物質各種性能的機制，對研究物質結構與性能之間的關係和 規律 具有重要意義［1］。晶習是表征晶體外部整體形態的量［2］。晶態有機固體的外形是其固液分離體系設計和操作的一個重要參數，影響下游操作過程(如過濾、洗滌、乾燥)的效率和物質的性能(如堆密度、機械應力、潤濕性)［2～4］。晶體內部結構特性以及外部生長環境都能影響晶習［5］，如何利用這些信息去預測和控制真實條件下生長晶體的晶習在精細化工領域，尤其是製藥業，越來越受到關注和重視［6～8］。 頭孢曲松鈉(ceftriaxone sodium，C18H16N8Na2O7S3·3.5H2O)，曾譯頭孢三嗪，是新型、長效、廣譜的第三代半合成頭孢菌素，屬於β-內醯胺類抗生素，結構式如Fig.1所示［9］，1978年由瑞士Roche公司研發成功，1982年首次在瑞士上市，1984年12月21日獲得FDA認證，1996年專利到期。自上市以來，產品暢銷全世界，2000年頭孢曲松鈉在世界前200個暢銷藥中列第43位，在國內的銷售額居各抗感染藥物之首［10，11］。目前頭孢曲松鈉的研究熱點集中於合成以及藥理，鮮有報道其晶體結構和晶習方面的研究。由於頭孢曲松鈉難以培養出滿足測試要求的單晶，本文通過X-射線粉末衍射分析，應用分子設計軟體Cerius2(4.6
Fig.1 Structure of ceftriaxone sodium
版本)根據能量最小化方法得到了頭孢曲松鈉分子空間結構，並在此基礎上預測了產品晶習，為頭孢曲松鈉 工業 結晶過程的設計、優化提供了理論指導。
1 實驗部分
1.1 實驗原料
頭孢曲松鈉粗品由山東瑞陽製藥有限公司提供，實驗室精製後產品純度經高壓液相色譜(HPLC)檢測不小於99.5%。試樣再經研磨、篩分，選取粒度範圍在38～45μm之間的細晶用於X-射線粉末衍射測試。
1.2 DSC分析
差示掃描量熱儀(NETZSCH Thermal Analysis DSC204)：樣品置於封口的Al2O3坩鍋中，參比物為空的α-Al2O3坩鍋；升溫速率為5℃/min，升溫範圍從室溫到330℃；載氣為N2，流量50ml/min。儀器的熱焓採用銦作為標準物校正。
1.3 TG分析
本文採用NETZSCH TG209熱重分析儀測試頭孢曲松鈉的TG曲線，升溫速率為10℃/min，載氣為N2，流量為18ml/min。樣品用量為5.08mg，升溫範圍從室溫到200℃。
1.4 紅外分析
本文採用KBr壓片法在NICOLET 560型傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR)上對頭孢曲松鈉進行紅外光譜分析。
1.5 掃描電鏡(SEM)
本文採用Hitachi X650掃描電鏡(SEM)表徵實驗樣品的晶習，操作電壓15kV，樣品放在黏著雙面膠的金屬片上，在觀察前需在氬氣保護下間歇噴金。
1.6 X-射線粉末衍射分析
頭孢曲松鈉的X-射線粉末衍射數據在日本 理學 (Rigaku)D/max-2500型單色X-射線衍射儀上收集，CuKα射線(λ＝1.5405)，石墨單色器，掃描速率1s/step，工作電壓40kV，工作電流100mA，測試溫度(25±1)℃。為保證樣品表面與測角儀軸心平行共面，裝樣採用鋁板背壓法。
2 實驗結果與討論
2.1 DSC曲線
頭孢曲松鈉的DSC譜圖如Fig.2所示，樣品在260℃附近存在一個尖銳的放熱峰，在放熱峰前還存在兩個小的吸熱峰。頭孢曲松鈉DSC曲線260℃附近的放熱峰是樣品熱分解放熱所致［12，13］，實驗測定的熱分解峰頂溫度TP為262.30℃，接近 文獻 值240～265℃［12，13］。與其他大多數頭孢菌素一樣［13］，頭孢曲松鈉的DSC曲線也沒有熔點峰，表明頭孢曲松鈉在熔化前已發生熱分解，故無法用量熱法來測定其純度。
2.2 TG-DTG分析
頭孢曲松鈉的TG-DTG譜圖如Fig.3所示，雖然TG曲線沒有表現出明顯的直角台階狀，但DTG曲線的雙峰卻說明了頭孢曲松鈉在室溫至200℃之間的失重是分兩步完成的。根據TG線的失重百分率 計算 結果可知，第一步失重約6.30%，第二步失重約3.31%。頭孢曲松鈉分子中結晶水的理論百分含量是9.53%，參照 中國 藥典(CP2005)附錄M水分測定法中的費休氏法測得頭孢曲松鈉水分含量為9.5%，而實驗測得TG失重為9.61%，與理論結晶水含量基本相符。因此可推斷頭孢曲松鈉在室溫至200℃之間的TG失重是脫除結晶水所致［14］，Fig.2中DSC曲線熱降解放熱峰前出現的兩個小峰正是頭孢曲松鈉分兩步脫水而產生的吸熱峰。而且，頭孢曲松鈉的DSC曲線並未再出現脫溶劑峰，結合Fig.3所示的TG-DTG譜圖，可以初步判定實驗精製頭孢曲松鈉過程中未見形成溶劑化合物。
2.3 紅外分析
實驗室製備的頭孢曲松鈉與市售國外產品的紅外譜圖如Fig.4所示。β-內醯胺與雜環並接產生的特徵峰出現在1740cm-1處，在3440～3260cm-1處出現的強而寬的峰是-OH和-NH伸縮振動引起的譜帶，-OH和-NH的伸縮振動頻率在此區域相互重疊而不易區分，由於分子內氫鍵，吸收頻率向低頻方向還存在一定的平移。1610cm-1附近處的強峰是芳核骨架振動的特徵峰，1000cm-1附近的特徵峰是芳環C-H面向彎曲振動引起的強吸收峰，但Ar-H在3030cm-1附近的特徵峰由於-OH和-NH的存在而不明顯。1740cm-1處的強峰是羰基伸縮振動的特徵峰，而1650cm-1處的強峰則是醯胺的羰基伸縮振動引起的。
2.4 X-射線粉末衍射分析
測試中發現當2θ>50°後，頭孢曲松鈉的XPRD譜圖不再出現明顯的衍射峰，因此在Rigaku D/max-2500X射線衍射儀上收集5°<2θ<50°的數據，再利用衍射儀隨機軟體進行衍射圖的平滑、Kα2剝離及其背景扣除後得到的頭孢曲松鈉X-射線粉末衍射圖如Fig.5所示，衍射數據表明實驗室製備的頭孢曲松鈉與標準品具有相同的特徵峰位置與強度。本文採用JADE 4.0軟體對頭孢曲松鈉的衍射數據進行指標化，並用JADE 4.0中的最小二乘精修程序對指標化結果進行精修。精修後頭孢曲松鈉X-射線粉末衍射數據的指標化結果見Tab.1，屬於單斜晶系，P21/c空間群，晶胞參數為a=9.2493，b=15.779，c=20.619，α=γ=90°，β=121.34°，單胞內分子數Z=4。通過晶胞參數可計算出頭孢曲松鈉晶體密度Dx=1.71g/cm3，與實驗測出的晶體密度ρc=1.73g/cm3基本吻合。
2.5 頭孢曲松鈉晶體結構的確定
分子的空間結構信息對於確定晶體結構，研究晶體所屬空間群和原子位置具有重要作用。因此，在研究晶體結構之前研究分子的空間結構是必要的。分子的空間結構一般可以由兩種方法得到：一是通過實驗的方法，主要包括X-射線單晶衍射和2D-NMR技術；另一個是通過計算機輔助分子設計的理論計算方法，目前主要包括「原始」機制、半經驗機制以及分子機制模型，其中分子機制模型又有能量最小化、網格搜索、蒙特卡羅(Monte Carlo)以及分子動力學模擬等方法［15］。雖然單晶結構分析是諸多固態物質結構分析方法中提供信息最多、最常用的研究方法，已經成為合成化學及其相關學科、晶體工程和超分子化學等研究領域中必不可少的研究手段［16］，但目前X-射線單晶衍射儀對測試晶體的三維尺度(最小維的空間尺度不小於0.01mm)和質地(晶體不能出現缺陷)有嚴格的要求，由於頭孢曲松鈉晶體是薄片狀晶習，難以培養出合乎單晶測試要求的晶體，有一維的空間尺度小於0.01mm。頭孢曲松鈉是一種大分子有機鹽類，具有離子化合物的特性。因此本 論文 應用分子設計軟體Cerius2(4.6版本)中的3D-sketcher環境畫出分子結構圖，再通過電荷分配，選擇Dreading 2.21力場，最後根據能量最小化方法得到可能的頭孢曲松鈉分子空間結構如Fig.6所示。
頭孢曲松鈉晶體的晶胞投影如Fig.7所示，晶胞中每2個頭孢曲松鈉分子和7個水分子按Fig.6所示組成一個不對稱單元。由Fig.1可知，頭孢曲松鈉是一種大分子有機羧酸鈉鹽，存在鈉離子(Na+)與頭孢曲松酸根離子(C18H16N8O7S3)2-之間強的離子鍵；除此之外，每個晶胞中還存在眾多既是質子受體又能提供質子的水分子，而且每個(C18H16N8O7S3)2-中還含有2個-NH(與電負性大的N原子形成強極性鍵的氫原子)和6個-CO-(電負性大且又能提供孤對 電子 的氧原子)，易與水分子或其它頭孢曲松鈉分子之間的-CO-和-NH形成氫鍵，如Fig.7中虛線所示。
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