吡蚜酮二水合物脫溶劑機理及動力學研究

陳 巍,姚其超,吳 迪,2,紀 旭,2,林瑋浩,曲思源,李九龍,2,李 唱,2,周麗娜,2,3

吡蚜酮(C10H11N5O,Pymetrozine,4,5-二氫-6-甲基-4-(3-吡啶亞甲基氨基)-1,2,4-3(2H)-酮,相對分子質量為217.23,CAS:123312-89-0)是一種新型吡啶亞甲胺類殺蟲劑,作用方式新穎,被吡蚜酮處理的蚜蟲立刻停止進食,直至因饑餓死亡。 吡蚜酮具體作用機理尚未明確,目前推論為吡蚜酮通過影響昆蟲控制攝取植物汁液的神經調控來干擾害蟲[1]。 所以,吡蚜酮可以有效殺滅對傳統有機磷和氨基甲酸酯類殺蟲劑產生抗性的刺吸式口器害蟲[2]。 同時,吡蚜酮具有高選擇性,在高效防治刺吸式口器害蟲的同時對哺乳動物、鳥類、魚類及有益節肢動物等具有很高安全性。 因此,在我國“綠色農業”、“減施增效”的可持續農業生產指導方針下,吡蚜酮的應用潛力與市場與日俱增。

吡蚜酮在超過濕度70%下會自發轉化成二水合物并導致結塊,這會嚴重影響到后續制劑的藥品定量和產品儲運性能,而在實際生產中這一問題卻經常被忽視。 例如,吡蚜酮目前的主要生產工藝會包含通過甲醇-水體系進行結晶分離的過程[3,4];而在吡蚜酮被定量分析時,也多未考慮標準樣品可能向水合物轉化的情況[5-7]。 由于在生產和儲運過程中吡蚜酮與水及水蒸氣的接觸不可避免,因此對吡蚜酮及其水合物之間的相轉化行為的研究有助于改善對吡蚜酮的產品質量控制。

Keates 等[8]報道了吡蚜酮二水合物(C10H11N5O·2H2O)的晶體結構,晶胞參數如附表S1 所示。 吡蚜酮二水合物晶體結構如圖1(CSD refcode:GIKPOI)所示,吡蚜酮與水的化學計量比為1 ∶2。 2 種位置的水分子分別與相鄰吡蚜酮分子形成氫鍵。 1 種水分子形成3 個氫鍵:作為氫鍵供體形成2 個O—H…N氫鍵,作為氫鍵受體形成1 個N—H…O 氫鍵;另一種水分子作為氫鍵供體與2 個吡蚜酮分子形成2 個O—H…O 氫鍵,形成穩定的晶體結構。 吡蚜酮二水合物可以通過加熱轉化為吡蚜酮,但是目前缺少對于該脫水過程的研究。

圖1 吡蚜酮二水合物晶體結構 (a)不對稱單元圖;(b)晶胞圖;(c)2×2×1 堆積圖(虛線為氫鍵)Fig.1 Crystalline structure of pymetrozine dihydrate: (a) Image of asymmetric unit; (b) image of unit cell;(c) image of 2×2×1 unit cell packing (Lines of dashes denote hydrogen bonds)

因此,本研究利用熱重(TG)、差示掃描量熱(DSC)和熱臺顯微鏡(HSM)等熱分析技術,研究了吡蚜酮二水合物的脫溶劑過程機理與動力學參數,為吡蚜酮制劑生產的質量控制提供熱力學依據。

1 材料與實驗

1.1 吡蚜酮二水合物制備

取10.0 g 吡蚜酮(質量分數98%,武漢遠成共創科技有限公司)放入100 mL 錐形瓶,加入50.0 mL去離子水,在搖床中以30 ℃的溫度和240 r·min-1的速度勻速搖晃24 h 得到吡蚜酮水合物懸濁液。 抽濾得到固體吡蚜酮水合物,放置于45 ℃鼓風干燥箱(101 型,天津泰斯特)烘干不少于100 h。

1.2 粉末X 射線衍射分析(PXRD)

分別取適量吡蚜酮原料以及1.1 節制備的吡蚜酮水合物,研磨為粉末后進行粉末X 射線衍射(PXRD)表征。 粉末X 射線衍射分析使用布魯克D8-Foucs 型X 射線衍射儀,銅靶Kα射線(λ=0.154184 nm),在10°～45°區間內,以0.01°的步長以及8(°)·min-1的掃描速率進行。

另使用Mercury 軟件[9],對已發表晶體數據的吡蚜酮純組分晶體[10]和吡蚜酮二水合物晶體[8]的PXRD 譜圖進行模擬,并與實驗譜進行對比。

1.3 差示掃描量熱法分析(DSC)

分別取適量吡蚜酮原料以及1.1 節制備的吡蚜酮水合物進行差示掃描量熱法(DSC)分析。 實驗使用梅特勒-托利多公司DSC1/500 差示掃描量熱儀,測試前使用銦標樣校準。 取3 ～5 mg(梅特勒-托利多公司AE240S 分析天平,精度0.01 mg)的樣品于扎孔密閉鋁坩堝內,升溫速率10 K·min-1,冷卻速率15 K·min-1,高純氮流率100 mL·min-1。

1.4 熱重分析(TG)

對1.1 制備的吡蚜酮水合物樣品使用熱重法(TGA)分析。 實驗使用梅特勒-托利多公司同步熱分析儀(TGA/DSC),每次取3 ～5 mg 樣品于鋁坩堝內,分別以5、10、15、20 和25 K·min-1升溫速率,在50 mL·min-1高純氮氣氛下操作。

1.5 熱臺顯微鏡觀察分析(HSM)

配制吡蚜酮飽和乙醇溶液,按體積比1 ∶1 加入純凈水,蒸發結晶得到吡蚜酮水合物的細小單晶體。 將單晶體放置于熱臺顯微鏡下進行觀察。 熱臺顯微鏡由英國LINKAM 公司的TMS94 型冷熱臺與天津徠科光學儀器公司的CZ4OP 型顯微設備和LK-20MP 型顯微采集系統組成,可以連續觀察程序變溫時晶體的外觀變化。 放置少量吡蚜酮二水晶體之后,設置升溫速率5 K·min-1,從30 ℃升溫到90 ℃,每秒1 次攝像,觀察吡蚜酮二水合物脫溶劑過程的宏觀表現以確證脫溶劑過程的動力學機理。

2 動力學模型

2.1 反應機理函數

對化學反應, 可以使用動力學函數進行表示[11]:

式(1)和式(2)中:G(α) 為動力學機理函數;k為反應速率常數,s-1;t為反應時間,s;α為完成脫溶劑的吡蚜酮二水合物與二水合物起始量的物質的量之比,即轉化率;m表示t時刻的樣品質量,mi為樣品初始質量,me為樣品最終質量,均使用質量單位mg。

結合其他藥品脫溶劑過程已有實驗結論,在各種經典的反應模型中,成核生長模型An、 擴散模型Dn和相邊界反應模型Rn較有可能較好描述本實驗中的吡蚜酮水合物脫水機理。 綜合以上情況,本研究選取8 種機理函數進行研究,如表1 所示。

本研究利用TGA,對各升溫速率下的轉化率α對應的動力學機理函數G(α) 對溫度T進行線性回歸,并分析各機理函數相關指數R2, 以分析吡蚜酮水合物脫溶劑過程機理。

2.2 Flynn-Wall-Ozawa 方程

對非等溫、非均相反應的動力學反應表達式使用Doyle 溫度積分近似式進行積分后,可以得到Flynn-Wall-Ozawa 方程[16,17]用于積分法的動力學分析:

式(3)中:β表示升溫速率,K·min-1;A表示指前因子,min-1;Ea表示表觀活化能,J·mol-1;G(α) 表示反應機理函數;R表示氣體常數,R=8.314 J·mol-1·K-1;T表示當前時刻溫度,K。

分別選取等轉化率法和動態法(單升溫速率法和多升溫速率法)2 種方法進行熱分析動力學的研究[18]。

等轉化率法是對同種物質同一過程的的熱分析中,選取相同轉化率α=0.1 ～0.9 的各點,在不同升溫速率下進行試驗,測得1 組升溫速率β和溫度T的數據點。 對方程(3)中的1/T和lgβ做線性回歸, 所 得 斜 率 為 - 0.4567Ea/R, 截 距 為lg[AEa/RG(α)] -2.315。 由此計算各轉化率點的活化能Ea和指前因子A。

動態法是在連續線性升溫的試驗條件下測定轉化率α隨時間T的變化數據。 從而擬合得到脫溶劑過程活化能Ea和指前因子A。

動態法分為單升溫速率法和多升溫速率法。單升溫速率法分別在各升溫速率下對方程(3)中的1/T和lg[βG(α)] 做線性回歸,可以計算各升溫速率下的脫溶劑過程活化能Ea和指前因子A。

多升溫速率法對于所有測量的升溫速率下的各轉化率的1/T和lg[βG(α)] 做線性回歸,計算得到一個吡蚜酮水合物脫水過程普適的活化能Ea和指前因子A。 通過相關指數R2, 評價計算得到的普適的活化能Ea和指前因子A對應的Flynn-Wall-Ozawa 方程對反應的擬合狀況。

2.3 Kissinger 方法

Kissinger 方法是基于一級反應的假設,利用反應DSC 吸熱峰峰值Tmax與升溫速率β的值擬合計算表觀活化能Ea與指前因子A的一種方法,擬合公式為[18]:

式(4)中:β表示升溫速率,K·min-1;A表示指前因子,min-1;Ea表示表觀活化能,J·mol-1;G(α) 表示反應機理函數;R表示氣體常數,R=8.314 J·mol-1·K-1;Tmax表示DSC 吸熱峰峰頂溫度,K。

Kissinger 方法可以使用較少數據獲得活化能和指前因子的近似值,此方法常用于驗證其他模型擬合與無模型法擬合的結果。

3 數據與分析

3.1 PXRD 表征與分析

將吡蚜酮原料及1.1 節制備的吡蚜酮水合物的實驗PXRD 譜圖與利用吡蚜酮及二水合物的晶體結構(晶體數據庫編碼分別為VUGREW 和GIKPOI)模擬得到的的PXRD 譜圖進行比較,如圖2。

圖2 吡蚜酮原料、制備二水合物及其模擬XRD 譜圖Fig.2 Pymetrozine, prepared dihydrate and their simulation XRD pattern

根據對XRD 譜圖峰位置的分析,可知制備的吡蚜酮水合物樣品與吡蚜酮二水合物晶體有相同的固相,確定為吡蚜酮二水合物。 實驗使用的吡蚜酮原料的PXRD 為吡蚜酮純組分晶體與吡蚜酮二水合物晶體模擬譜的疊加,可能是吡蚜酮與吡蚜酮二水合物的混合物。

3.2 TGA/DSC 數據與分析

對制備的吡蚜酮二水合物以5 K·min-1,進行25 ～160 ℃的TGA/DSC 操作,數據如圖3 所示。

圖3 吡蚜酮二水合物TGA/DSC 曲線Fig.3 TGA/DSC curve of pymetrozine dihydrate

結果表明,吡蚜酮二水合物樣品,在起始處約30 ℃有1 個吸熱峰,在50 ～100 ℃有1 個明顯吸熱峰,伴隨50 ～87 ℃的快速失量。 樣品在約30 ℃時出現的吸熱峰顯示樣品中仍有少量游離水,游離水在蒸發時吸熱。 樣品在快速失量前的50 ℃處質量為11.307 mg,快速失去質量后的90 ℃處質量為9.709 mg,失去質量1.598 mg(14.13%)。 吡蚜酮二水合物理論因脫溶劑損失質量1.609 mg(14.23%),實驗數據與之吻合,故可知吸熱峰(DSC)及其相應的失重過程(TG)是吡蚜酮二水合物脫去2 分子水的過程。 由于失量過程有明確的起始點,可知水分子是以氫鍵而非填充方式與主體化合物結合;由于失量過程中只出現1 個吸熱峰和質量平臺,因此2 個水分子是以相同機理同時脫除。

由5 K·min-1的DSC 熱流率積分得到,氮氣氛圍下,吡蚜酮二水合物脫溶劑得到無水吡蚜酮與氣態水的焓變為154 kJ·mol-1,脫溶劑過程在50 ～85 ℃的溫度范圍進行。

對本實驗使用的純度98%的吡蚜酮原料進行DSC 分析,取用樣品3.85 mg,設定控溫程序25 ～120 ℃和25 ～125 ℃,升溫速率10 K·min-1,冷卻速率15 K·min-1,得到數據如圖4。 可見原料樣品只在第1 次升溫時出現吸熱峰,符合原料中存在水合物的情況。 結合吡蚜酮生產工藝與存儲條件,實驗使用的98%(質量分數)吡蚜酮原料含有部分吡蚜酮二水合物,這與3.1 節PXRD 譜圖結果一致。

圖4 標注98%純度吡蚜酮原料DSC 過程圖Fig.4 DSC curve and heating process of the reagent labeled 98% pymetrozine

3.3 反應機理分析

對吡蚜酮二水合物樣品設置多種升溫速率進行TGA 分析,TGA 數據見圖5,選取40 ～135 ℃區間分析轉化率α,以0.1 為梯度取樣,得到數據如表2。

表2 脫溶劑過程各升溫速率與轉化率對應溫度數據Table 2 Data of pymetrozine dihydrate’s desovation under various heating rates and conversion rates

圖5 吡蚜酮二水合物多種升溫速率熱重分析圖Fig.5 TG curve of pymetrozine dihydrate under different heating rate

通過線性回歸擬合,得到各升溫速率下吡蚜酮脫水過程對應機理函數G(α) 關于溫度的相關指數R2,如表3。

表3 8 種機理模型在5 種升溫速率下的擬合相關指數R2Table 3 Fitting correlation coefficients of 8 mechanism functions under 5 sorts of heating rates

由表3 可知在所有升溫速率下,機理函數高度符合A4三維成核生長模型,均滿足相關指數R2＞0.99。 此模型在所有升溫速率下均較本文選取的其他模型的擬合狀況更好。 對比不同升溫速率,此模型對較高升溫速率機理的擬合狀況更好。

故后文選用機理函數G(α)。

成核生長模型(Avrami-Erofeev equation)通常用于描述結晶過程,當n=4,代表結晶過程機理為初級成核與三維生長。

吡蚜酮二水合物晶體的熱失水反應符合成核生長模型,提示該過程為晶體生長。 由于在完美晶體中在晶體缺陷處率先發生一個新相的成核可能性較低,新相成核極有可能發生在吡蚜酮二水合物晶體的缺陷處,并在隨后進行三維生長。

使用熱臺顯微鏡,在以5 K·min-1升溫速率的程序升溫條件下,對吡蚜酮二水合物晶體進行觀察,得到顯微照片如圖6。 制備得到的吡蚜酮二水合物為透明針狀晶體簇;脫水后晶格被破壞,原有晶體相轉變為新相,在圖中顯示為樣品原透明部分變暗。

圖6 吡蚜酮二水合物晶體脫水過程的熱臺顯微鏡觀察,以5 K·min-1速率升溫Fig.6 Inspection of pymetrozine dihydrate’s dehydration under Hot-Stage Microscope at the heating rate of 5 K·min-1

樣品在升溫過程中對應溫度的形貌變化與吡蚜酮二水合物脫水過程的TG 數據高度吻合。 圖6中明確顯示,吡蚜酮二水合物晶體的脫溶劑過程是從晶體破損處先開始,發展成可見的點狀分布,再向周圍蔓延擴散。 如圖6 (e),新相成核明顯集中于晶體破損處與個別缺陷處,在圖中晶體相對完整透光的部分則相對較少分布。 由于觀測平面局限于二維,顯微觀察中只能看到新相均向周圍進行二維或以上維度的生長蔓延。 除了在與觀測面平行晶面的大部分區域的生長為二維以上生長,如圖6(f)所示,與觀測平面垂直的晶面上發生的新相在向晶體內部進行生長。 因此,新相的生長方向不僅有平行于晶面的兩個維度,還有垂直于晶面的一個維度,推斷為三維生長。

綜上,吡蚜酮二水合物的脫溶劑過程,在光學觀察中有類似于結晶過程的初級成核和三維生長的過程。 熱臺顯微鏡觀察驗證了使用A4三維成核生長模型對吡蚜酮二水合物脫溶劑過程的適用。

3.4 等轉化率法動力學擬合分析

使用等轉化率法,在各轉化率下對FWO 公式式(3)進行線性化并線性擬合,求解數據見附表S2。

由附表S2 和圖7 可知,FWO 公式可以在一定程度上吻合吡蚜酮二水合物的脫溶劑過程,由此推導出脫溶劑過程的表觀活化能Ea在47.66 ～83.53 kJ·mol-1之間,隨轉化率的升高而顯著降低,如圖8。

圖8 等轉化率法擬合吡蚜酮二水合物脫水過程表觀活化能隨轉化率變化Fig.8 Apparent activation energy obtained from analysis of pymetrozine dihydrate by iso-conversional method varies with conversion rate

3.5 單升溫速率法動力學擬合分析

利用單升溫速率法,對各升溫速率分別進行分析,以1/T為自變量, lg[βG(α)] 因變量進行線性擬合,所得數據如附表S3 所示。

單升溫速率法的FWO 方程擬合本質上是與溫度T關聯的lg[G(α)] - 1/T的擬合,也等同于與時間t關聯的lg[G(α)] - 1/t的擬合,與3.3 節中機理函數的擬合與選擇有很強的關聯性。

單升溫速率法FWO 方程擬合得到的表觀活化能Ea區間在21.73 ～33.73 kJ·mol-1,隨升溫速率升高,活化能先增大后減小,如圖9。

圖9 單升溫速率法擬合吡蚜酮二水合物脫水過程表觀活化能隨升溫速率變化Fig.9 Apparent activation energy obtained from analysis of pymetrozine dihydrate by single heating rate method varies with heating rate

在升溫速率不變的情況下,擬合的相關指數更高,推算出的指前因子波動較小,表觀活化能相對集中,應當可以很好擬合各升溫速率下的脫溶劑過程。 實際數據點與擬合曲線分布如圖10。

圖10 各升溫速率的lgG(α) - 1/T 數據散點圖與FWO 公式擬合曲線Fig.10 Scatter diagram of lgG(α) and 1/T under various heating rates marked its fitted curve of Flynn-Wall-Ozawa equation

由于單升溫速率法的擬合狀況更好,被設為常數的參數推算值變化也較小,也就是等升溫速率下對不同轉化率和溫度進行擬合分析能夠更好控制無關變量,單升溫速率動態法的FWO 方程擬合更適合吡蚜酮二水合物脫水動力學的分析。 FWO 方程是對復雜方程數學近似的結果[18],升溫速率和轉化率固然對于活化能具有多維的影響,但同一公式的不同方法對同一表觀物理量的推算相差甚大,一定程度上反應了FWO 方程推導中的數學近似帶來了一定的誤差。

3.6 多升溫速率法動力學擬合分析

Vyazovkin 對比多種機理模型[19],深入研究了活化能Ea與指前因子A的確定方法和誤差來源。他的研究顯示:FWO 方程擬合過程中,由于數學積分的原因,會導致活化能Ea與指前因子A明顯變化的系統誤差出現。 Kissinger 方法確認指前因子A的重要前提是研究對象為單步反應的動力學。 Gotor等[20]研究認為,多升溫速率法得到的結果比單升溫速率法更加準確。 因此為得到更可靠的動力學參數,使用多升溫速率法的FWO 方程擬合分析吡蚜酮二水合物脫溶劑過程。

使用多升溫速率法,對于所有升溫速率下的各轉化率的1/T和lg[βG(α)] 做線性回歸,擬合曲線如圖11 所示,擬合結果推導顯示表觀活化能Ea為44.85(±6.59) kJ·mol-1(95%置信),指前因子A以lg(A/min-1)表示為9.54(±1.08) (95%置信),擬合相關指數R2為0.814 1。

圖11 吡蚜酮二水合物熱分析散點圖與多升溫速率法FWO 方程擬合曲線Fig.11 Scatter diagram of thermal analytical data on pymetrozine dihydrate marked its fitted curve of Flynn-Wall-Ozawa equation

總體的擬合狀況顯示,數據散點與總體擬合曲線的相對位置隨轉化率或升溫速率單向變化,但在一定范圍內仍有統計學意義。 結合前人關于熱分析動力學中動態法的研究[20],多升溫速率法得到的動力學參數應當比等轉化率法和單升溫速率法有更好的準確性。

3.7 Kissinger 方法驗證動力學擬合分析

為了驗證以上推論,使用Kissinger 方法計算脫溶劑過程的活化能與指前因子近似值,進行驗證性的分析。

Kissinger 方法計算所用各升溫速率下DSC 吸熱峰峰頂溫度如表4 所示。

表4 吡蚜酮二水合物各升溫速率下DSC 吸熱峰峰頂溫度Table 4 The temperature of endothermic peak of pymetrozine dihydrate at various heating rate

基于Kissinger 方法,得到活化能Ea為50.37(±25.26) kJ·mol-1(95%置信);指前因子lg(A/min-1)為6.93(±3.90) (95%置信),擬合相關指數R2為0.930 7。

Kissinger 方法得到的活化能只能與等轉化率法的FWO 方程擬合得到的數值部分吻合,無法與單升溫速率法的FWO 方程擬合得到的數值符合;Kissinger 方法得到的指前因子A卻能夠很好和單升溫速率法的結果吻合。 同時,Kissinger 方法得到的活化能與多升溫速率法擬合得到的表觀活化能44.85 kJ·mol-1更為接近,一定程度上說明了多升溫速率法FWO 方程擬合,整合升溫速率、轉化率等多維變量為lg[βG(α)], 有助于擬合得到更準確的動力學參數。

4 結論

制備了吡蚜酮二水合物,測量了吡蚜酮二水合物脫溶劑得到固態吡蚜酮與氣態水的焓變為154 kJ·mol-1。 利用PXRD 和DSC 表征發現,實驗使用的98%純度吡蚜酮原料含有一定的吡蚜酮二水合物。 這為吡蚜酮生產、分析以及定量實驗提供了不可或缺的關鍵信息,可以有效提高吡蚜酮產品、試劑的定量精度。

研究了吡蚜酮二水合物脫溶劑過程的動力學機理,擬合機理函數G(α), 發現吡蚜酮二水合物脫溶劑過程機理函數高度符合A4三維成核生長模型,并使用熱臺顯微鏡進行了驗證,為吡蚜酮溶劑化物研究,尤其是脫溶劑過程的研究提供了實驗和理論的基礎。

利用Flynn-Wall-Ozawa 方程,使用等轉化率法與單升溫速率法進行熱分析,計算表觀活化能Ea和指前因子A。 由于等轉化率法和單升溫速率法得到的表觀活化能Ea和指前因子A相差較大,使用多升溫速率法,得到相對更為可靠的動力學數據。

使用多升溫速率法,擬合所有升溫速率下的各轉化率的1/T和lg[βG(α)], 得到表觀活化能Ea為44.85(±6.59) kJ·mol-1(95%置信),指前因子A以lg[A/(min-1)]表示為9.54(±1.08) (95%置信),擬合相關指數R2為0.814 1。

使用Kissinger 方法對多升溫速率法對前文結論進行驗證,得到表觀活化能Ea和指前因子A與多升溫速率法熱分析得到的數據吻合。

分別通過幾種方法求得的吡蚜酮二水合物脫溶劑過程的動力學參數,不僅對于吡蚜酮溶劑化物及脫溶劑過程的研究有價值,表現出指導吡蚜酮相關生產實踐與實驗的重要意義,且對于動力學方程的研究和實踐提出了問題并提供了寶貴的實驗數據。