阿司匹林的热解机理及热动力学研究

物理化学学报( Wuli Huaxue Xuebao)50Acta Phys. -Chim. Sin.，2004, 20(1):50~54January阿司匹林的热解机理及热动力学研究徐芬孙立贤谭志诚梁建国1周丹红2邸友莹兰孝征张涛(中国科学院大连化学物理研究所,材料热化学实验室,大连116023;I湖南省药品检验所,长沙410000;2辽宁师范大学化学系，大连 116029)摘要在用热重法研究了阿司匹林的热稳定性实验的基础上,通过量子化学方法(abinitioDFT)计算了阿司匹林分子的键级,据此计算结果提出了阿司匹林的热解机理,按此机理得到的理论计算值与实验结果一致;运用FreemanCarroll、Kissinger和Ozawa三种方法分别计算了阿司匹林的热解动力学参数:活化能( E)、反应级数(n)和指前因子(A),其热解动力学方程为: da/d1=4.74x 10"[exp( - (100.34 +5.18)x10// RT)1(1- a)28土03;用差示扫描量热法测定的该物质的熔点摩尔熔化焓和摩尔熔化熵分别为(409.19土0.22)K、(29. 17土0.41)kJ- mol-1 和(71.09+1.06)J mol-'. K-I关键词:阿司匹林， 量化计算， 热解机理和热动力学， 热重法， 差 示扫描量热法中图分类号: 0642. 3阿司匹林(乙酰苯甲酸)是临床上应用的广谱1.1试剂与仪器药物之一.除作为解热、镇痛、消炎、抗风湿药物阿司匹林由湖南省药品检验所提供,其纯度符外，还在治疗心脑血管疾病、糖尿病、缓解晚期癌瘤合中国药典2000版标准.症状等方面得到广泛应用1-2.关于阿司匹林及其Setsys 16/18型综合分析仪, DSC-141型差式衍生物在体内的溶解动力学、释放机理及吸收过程扫描量热计，均为法国Setaram公司制造.等方面的研究工作目前有很多报导1360.但阿司匹1.2热重 (TG)-微分热重(DTG )和差式扫描量林热稳定性方面的研究报导不多.阿司匹林的热热(DSC )曲线测量性能对于该药物的生产、稳定性的评价和临床应用热重曲线:以Al.O;为参比物,在N2气氛中(Nz都具有十分重要的意义.张健等人”从热动力学方流速为30 mL. min-), 控制升温速率分别为5、面对阿司匹林的热稳定性及热解动力学进行了研10、15、20、25 K. min-'. 样品池系容积为100 μL究,但尚未见有关阿司匹林热解机理方面的报导的Al2O3坩埚近些年来，人们从量子化学的角度来预测有机物的DSC曲线: N2流速为50 mL. min-', 升温速率热解机理,得到了令人满意的结果18-101.本实验室已为10K: min-'; 样品池为带盖的铝坩埚(容积为30对多种药物111及材料121的热力学特性进行了深入.μL)的研究.本文在已有工作的基础上,通过量化计算,得到了有关阿司匹林分子的键级,用该计算结2结果与讨论果预测了它的热解机理,同时运用三种不同方法系2.1阿 司匹林的热解机理统地研究了阿司匹林的热分解动力学参数,使用差测试了不同升温速率对阿司匹林的热重曲线式扫描量热法(DSC, differential scanning calorime-的影响.实验结果表明，其热分解过程包括了两个try)进-步测定了该物质熔化过程的热力学性质参阶段,升温速率改变,每个阶段所对应的温度范围数.略有变化;随着升温速率的提高,温度范围略向高温方向移动,但每个阶段的失重率基本保持不变.1实 验部分现仅以10K，min-! 的升温速率为例(见图1),其2003-06- 13收到初稿, 2003-09-15收到修改稿.联系人:孙立贤(E-mail: lxsun@ dicp. ac. cn; Tel & Fax: 0411-4379213)..国家自然科学基金(20073047 )资助项目No.1孙立贤等阿司匹林的热解机理及热动力学研究51.2.0-20TG1121。DTG-0.6是9-600.8968 09763 1.0022追--1.2-100200300400500600700800900图2阿斯匹林分子中的化学键键级r/KFig. 2Bond orders of aspirin molecule图1阿斯匹林的TG-DTG曲线Fig. 1Plot of TG-DTG for aspirin匹林第一步 热分解的动力学参数.设阿司匹林热分中TG为热重曲线,DTG为微分热重曲线,第一阶解的动力学机理函数为f( a)=(1- x)",由Freeman-段的温度范围为420 ~ 550K,失重率为33. 67%;第Carroll法可得方程式(1)、(2):二阶段的温度范围为550~720 K,失重率为ln(da/dt)+ E/ RT=lnA+ nln(1-a) (1)61.74%.和Als da/dt) __A( 1/T )为了了解阿司匹林的热解机理,我们首先试图.H AIg1-a)~ 4. 575 Alg 1-a)-n(2)从量子化学的角度进行理论探讨,并着重讨论第-其中, a为t时刻物质已反应的质量分数;R为气个阶段的热解过程.本文应用Cerius2软件包中ab体常数;T为绝对温度;E为活化能;A为指前因initio DFT方法对阿司匹林体系的几何结构进行优子; n为反应级数.以△lg(da/dt)/△lg(1- a)对化,并计算出分子的Mayer键级.优化计算采用局A(1/ T)/Alg(1- a)作图，应为一直线.由直线的域密度近似的方法( local density approximation,斜率可算出E;截距为Ah见图3)然后用Kisinger!)和Ozawal151方法再分别计LDA ),基组选择DNP(double- numerical basis func-tions together with polarization functions), 该基组相算它的活化能E.根据Kissinger法:当于6-31". Gaussian 轨道基组.所有计算采用ln(β/ Tp)=In(AR/ E) +In[ -df(x)/da]ap-Cerius2软件中的基于密度泛函理论的DMol3模E/ RT,(3块，在SGI O2工作站完成,结果见图2.以In(β/ T:)对1/ Tp(其中Tp为DTG的峰温，β为由图2可知，在阿司匹林分子中C,-O3键的键升温速率)作图,由直线的斜率可求出E(见图4).级最小，因此,阿司匹林热解时，首先应从此断裂,最后根据Ozawa法:失去CO2和0.5CH2CH2,生成苯甲酸.按此历程热0.解的理论失重率为32. 21%,这基本上与热重曲线0.0的第一阶段失重率33.67%相对应.因此可以推断-0.5阿司匹林的第-阶段的热解反应机理如下:COOHy-2.40 -5469.82 xCrackingE=104.6 kJ. mol--OCOCHs 420~550 KR2=0.99663-3044一58789To-CO2, -0.5 CH2CH21040(1 1T)/0g(1-a)图3 Alg(da/dt)/Alg(1-a)对 0(1/ T)/Alg(1-a)2.2阿司匹林热解反 应的动力学研究曲线2.2.1热动力学计 算的理论方法Fig.3 Plot of△lg(da/dt)/Slg(1-a) Us采用了三种不同方法来计算该物质热分解的活0(1/ T)/ Olg(1 - a) during decomposition化能(E).首先根据Freeman-Carroll法3计算阿司，process of aspirinActa Phys. -Chim. Sin. ( Wuli Huaxue Xuebao), 2004Vol.20-9.026.0-945.009.8y-26.885+2.79X-10.2 -1523-11792.28 xR2099949E=98.04 kJ. mol-'-10.6R2-09988123.0141.2 1.0080604 0.20.014121.00.80.60.40.20010 r'ln(1-a)图4 ln(β/T; )对T;1的关系曲线图5ln(da/dt)+ E/ RT对ln(1 - a )曲线Fig. 4Curve of ln(β/TH) us Tp'Fig.5 Curve of ln(da/dt)+ E/ RT us ln(1-a)d(lgβ)/d(1/ T)= -0. 4567E/ R(4)阿司匹林热分解的活化能( E),结果见图4.由图中式中T为在相等质量损失时,与升温速率β、Bz、的斜率可求E为98. 04kJ. mol-'.......相对应的温度T、T2、 .......然后，以lgβ再用Ozawa法计算E值,结果见表2.当a在对1/ T作图得一直线,由其斜率可计算出E.0.2~0.8范围内时，E值在90.11~ 107. 32 kJ.而指前因子( A)可根据式5的关系,mol-1范围内变动,其均值为96.71 kJ. mol-', 它与ln(dx/dt)+ E/ RT=lnA+ nln(1- a) (5)前两种方法得到的E值很接近，这表明阿司匹林热以ln(da/dt)+ E/ RT对ln(1- a)作图,由截距可分解动力学机理函数f(a)=(1- ax)"的假设是成求得A,斜率为n.立的.由三种方法得到的E的平均值为(100.34土2.2.2热解 反应动力学参数的计算5.18)kJ mol-'.以10K:min-1的升温速率测得阿司匹林的图5为以ln(da/dT)+ E/ RT对ln(1-a)绘TG-DTG曲线,用Freeman-Carroll 法计算其热分解制的曲线(E=100.34 kJ. mol-), 由截距求得A .活化能( E)和反应级数(n)(见图3和表1).由表1为4.74x10";由斜率可得n也为2.8.将求得的可知，E为(106. 28+1.7)kJ. mol-'; n为2. 8士A、E、n值代入动力学方程:0.3.da/dt= A[exp(- E/ RT)](1- a)"分别以5、10、15. 20、25K min-I 的升温速率得:测得阿司匹林的TG-DTG曲线,用Kissinger 法计算da/dt=4.74x 10"[exp(- (100.34 +5.18)x10*/ RT)](1- a)2.8土0.3表1用 Freeman-Carroll法测得的活化能E和反应级数nTable 1Determination of E and n based on the Freeman-Carroll methodE -5-Dynamic parameter ValueMean value Standard deviation104. 59Endohem-10-E/kJ+ mol-106.23106. 28土1.7108. 01n2.92.8土0.3-20414.67 K3.03203403038040042040460E: activation energy; n: reaction orderT /K图6阿斯匹林的 DSC曲线Fig.6 Curve of DSC for aspirin表2用Ozawa法测得的ETable 2 Determination of E based on the Ozawa method0.20.30.40.5.70.8E/ J，m1-192.5091.0990.1101. 89105.7898.3107.32No.1孙立贤等阿司匹林的热解机理及热动力学研究3表3阿斯匹林熔化过程的热力学参数的测定值Table 3Thermodynamic parameters in fusion process of aspirinNo.Tn/KT,/K△Hm/kJ: mol- '△Sm/J mol-' K-'409. 44414. 6728.7170. 12409. 40414. 7729. 79.72. 76408.98414. 7929.0370.98409.02414.4229. 4371. 95409.11414. 5228. 89.70. 62Mean value414.6729. 1771. 09土. Stand. deviation。土0.22土0.18土0.41土1.062.3阿司匹林熔化过程热力学参数的测定35(6): 4611阿司匹林的熔点为409 K10];但NIST中未见AI-Gohary, O. M. N. ; Al- Kassas, R. s. Pharm. Acta Helv,2000, 74(4):351熔化焓和熔化熵报导，本文用差式扫描量热法6 Chronos,N. A. F. ; Wilson, D. J. ;Janes, s. L; Hutton, R. H;(DSC)测量了阿司匹林的熔化过程(见图6)参照Buller, N. P. ; Goodall, A. H. Clin. Sci, 1994, 87:575热重曲线图1可知，图6中的吸热峰出现在失重之Zhang, J.;Wu, s. J. ;Chen, D. H. J. South Central Unin.前，故该峰为熔化吸热峰.从DSC曲线准确测得其Naionalities( Nat. Sci. Edition), 2002,21(4):21 [张 健,吴相应的熔点(Tm)、熔化焓(OHm);并根据热力学公士筠，陈栋华.中南民族大学学报(ZhongnanMingzuDaxueXuebao), 2002, 21(4):21]式△Sm=AHm/ Tm计算出熔化熵(△s.),详细结果8 Wang.H.; Yang,H. F. ;Ran,X. Q:Wen,Z. Y. ;Shi,Q. Z.见表3.Chimese 1. Inorganic Chem. 2001,17:538王惠, 杨海峰，冉新权,文振翼,史启祯。无机化学学报( Wuyji Huaxue Xue-3结论bao), 2001, 17: 5381通过量化计算,对阿司匹林的热解机理进行了9 Wang,H. X.; Yan, X C. ;Li, X. ;Ouyang, L. ; Luo, M. D. ;Qu,s.s. J. Wuhan Univ. (Nat. Sci. Ed. ) , 2001, 47:399 [王 辉理论探讨,并运用热力学方法对其动力学过程进行宪，颜肖慈,黎新, 欧阳礼,罗明道.屈松生.武汉大学学报了基础研究,得出了阿司匹林第--步热解的动力学( Wuhan Daxue Xuebao ) 2001, 47: 3991方程为:0 Wang, J. ; Gu, J. D. ; Tian, A. M. Acta Chimica Sinica, 2002, 60da/dt=4.74x 10"[exp(-(100.34+5.18) x 10*/(4):590 [汪 敬, 顾健德，田安民.化学学报( Huaxue Xue-RT)](1- ax)2.8土03bao), 2002, 60(4) : 590]11 Xu,F. ; Sun, L. X. ;Tan, Z. C. ;Nan,Z. D. ; Yu, P. ; Zhang, T.测定了阿司匹林的熔点熔化焓和熔化熵分别为J. Thermal Analysis and Calorimetry, 2003, 74: 335(409.19+0.22) K、(29. 17 +0.41) kJ. mol-! 和12 Nan, Z. D. ; Tan, Z. C. ; Sun, L. X. Acta Phys. -Chim. Sin, 2002,(71.09+1.06)J mol-'. K-'.18(10):947南照东, 谭志诚，孙立贤.物理化学学报( Wuli .Huaxue Xuebao), 2002, 18(10):947]References13 Freeman, E. S. ;Carroll, B. 1. Plys. Chem, 1958, 62: 39414 Liu, Z. H. ; Hatayama, L. Z. Handbook of analytical chemistry,Altman, R. ; Scaziota, A. ; Cordero Fuenes, J. Thromb. Res.,1988, 51: 259Section for thermal analysis. Bejing: Chemical Industry Press,2000:46 [刘振海, 龟山立子编.分析化学手册，热分析.北2 Zou, H.Q. ; Gu, w. X. Guang Dong Pharma, 1998, (1);:1京:化学工业出版社, 2000: 46][邹恒琴,古维新.广东药学( Guangdong Yaoxue), 1988, (1):11Gilian, P. M. ;Mary, T. K. Analytical Chemisry, 1998, 70(2):15 Hu, R. Z. ; Shi, Q, Z. Kinetis for thermal analysis. Bijing:409Science Press, 2001:108 [胡荣祖, 史启祯.热分析动力学Wang, J. ; Zhang, R. H. Aeta Pharmaceutica Sinica, 2000, 35(6):北京:科学出版社, 2001: 108]461 [王 晋, 张汝华.药学学报( Yaoxue Xuebao ) 2000,16 EI Banna, H. M. J. Pharm. Sci, 1978, 67: 110954Acta Phys. Chim. Sin. ( Wuli Huaxue Xuebao), 2004Vol.20Studies on Thermal Decomposition Mechanism and Kinetics of Aspirin'Xu FenSun Li-Xian Tan Zhi-Cheng Liang Jian-Guo'Zhou Dan-Hong2° Di You-Ying Lan Xiao-ZhengZhang Tao( Material Thermochemistry Laboratory, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian116023;' Hunan Institute of Drug Detection, Changsha 410000; 2 Deparment of Chemistry, Liaoning Normal Universiry,Dalian116029)AbstractThe mechanism of thermal decomposition of aspirin was studied by both thermogravimetry andMayer bond orders calculated by Cerius2 software. The parameters of thermal decomposition kinetics for aspirin,such as activation energy ( E), reaction order (n) and frequency factor (A) were obtained by thermogravime-try. The kinetic equation of thermal decomposition of aspirin is expressed as:da/d1=4. 74x 10"[exp(- (100. 34+5.18)x10*/ RT)](1- ax)2.8土0.3Melting point, molar enthalpy and entropy of fusion of aspirin were examined to be (409. 19 +0.22) K, (29. 17土0.41)kJ mol-' and (71. 09+1.06) J. mol-'. K-', respectively, by means of DSC with a rising temperatureprogram. The results obtained show that theoretical mass-loss derived from Mayer bond orders of aspirin is in verygood agreement with that obtained from thermogravimetry experiment.Keywords:Aspirin,Quantum chemistry calculation,Mechanism and kinetics of thermal decomposition,Thermogravimetry, Differential scanning calorimetry(DSC)Received: June 13, 2003; Revised: September 15, 2003. Correspondent: Sun Li-Xian(E-mail: lxsun@ dicp. ac. cn; Tel & Fax: 0411-4379213)." The Project Supported by NSFC (20073047)业业业业业业业业址业业业业业业业业业好业业业奴业业业业业业业业业业业业业业业业驶业业业址业业址业中国化学会第24届学术年会征文启事中国化学会第24届学术年会定于2004年4月24-27日在湖南省长沙市举行.会议由中国化学会主办湖南大学承办湖南省化学化工学会协办大会主题为新世纪的中国化学一机会 与挑战”.会议主席为白春礼院士,王柯敏任会议执行主席;姚建年、周梦君任会议秘书长，会议共设21个分会绿色化学、纳米化学、化学生物学、化学信息学、有序超薄膜与超分子化学、分子磁体、有机固体电子过程与分子电子学、高分子化学与物理、生物有机药物化学、生命科学中的分析化学、电化学、光化学、复杂体系的分离分析、晶体化学、有机和高分子光电子材料、催化化学、理论化学和计算与模拟化学、配位化学与生物无机化学、固体化学与物理无机化学、21世纪的应用化学、国防科技中的特种化学问题3个专题论坛化学教育论坛、化学科普论坛、化学与社会论坛会议征集:前瞻性综述、学科现状、前沿及展望、系统性研究成果及原创性研究工作等论文。会议交流形式为大会特邀报告、分会邀请报告、专题报告与讨论、墙报展讲等，报名表及应征论文请直接寄给各分会联系人，有关会议详细内容、报名表、各分会地址、联系方式请从中.国化学会网页下载.网址为http: / /www. ces. ac, cn/2004nh. htm会议期间还将组织成果、产品以及仪器展示，包括实用技术交流;产品专业图书及试剂展示实验仪器、设备演示项目洽谈信息发布等，会议将设置展台提供信息服务.需要者请从速联系索取有关通知内容.欢迎广大科技工作者踊跃投稿积极参加.欢迎相关企业、高校、科研院所利用此次契机参与会展扩大影响会议注册费会员600元非会员850元.学生凭证减半(不含博士后)年会期间开设会员入会登记处现场办理入会手续,中国化学会联系人刘地址北京2709信箱邮编100080电话/传真010- 62568157 ;电子信箱ceslj@ icas. ac. cn