1 前言

利福平(rifampicin)，化学名3-[[(4-甲基-1-哌嗪基)亚氨基]甲基]-利福霉素，分子式C₄₃H₅₈N₄O₁₂，分子量为822.97，是半合成利福霉素类抗生素的一种，临床上主要用于治疗肺结核和麻风病等^[1]。因其具有广谱抗菌作用、毒副作用小、疗效高等特点，目前越来越多地制作为复合药剂应用于其他疾病的治疗，例如心内膜炎、耐药性伤寒和呼吸道感染等，市场需求稳中有升，因此利福平生产技术和质量的进步具有现实意义^[2]。

利福平复杂的分子结构使得其存在多种晶型及溶剂化物，与结晶系统使用的溶剂密切相关^[3]。利福平的药用晶型为Ⅰ和Ⅱ晶型，Ⅰ晶型在正丁醇中重结晶获得^[4]，Ⅱ晶型在丙酮中重结晶获得^[5]。两种晶型在堆密度、溶出速率、粒径、热稳定性等方面有所不同，在一定条件下可以发生溶剂介导转晶和固体转晶相互转化。在工业生产中，无论采用正丁醇还是丙酮作为结晶溶剂，体系中都残留有前端工序带来的正丁醇溶剂组分，且在丙酮中结晶时，为追求大粒径产品，而添加少量水，因此都不能得到形貌完整的Ⅰ或Ⅱ晶型晶体，常是以混晶形式存在。而相关研究往往只关注了两种晶型在纯溶剂中的热力学数据，并未探究在溶剂中长时间平衡过程中利福平晶型的转变^[6]，以及混合溶剂组成中的热力学数据。

本文研究Ⅰ晶型利福平在常用结晶溶剂中溶解时发生的晶型转变。系统测定在不同温度下Ⅱ晶型利福平在正丁醇-丙酮和水-丙酮两种混合溶剂体系中的溶解度，并采用多种经验方程对溶解度数据进行拟合。研究结果能够为利福平生产工艺优化和产品质量控制提供基础数据。

2 实验部分 2.1 试剂与仪器

Ⅰ晶型和Ⅱ晶型利福平，上海新铂化学技术有限公司，经高效液相色谱仪检测，纯度98.030%。经粉末X射线衍射法(powder X-ray diffraction，PXRD)检测，结果如图 1所示，在13.6°和14.4°检测到Ⅰ晶型的特征峰，在9.9°和11.1°检测到Ⅱ晶型的特征峰，原料分别为Ⅰ晶型和Ⅱ晶型利福平^[7]。正丁醇、丙酮均为分析纯，由上海泰坦科技股份有限公司提供；去离子水，实验室自制。

BSA224S-CW型分析天平(精度(±0.000 1) g)，赛多利斯科学仪器有限公司；DC-3015低温恒温槽(精度±0.1 ℃)，上海恒平科学仪器有限公司；DZF-6020型真空干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；D8 Advance型X射线衍射仪，布鲁克(北京)科技有限公司。

2.2 实验方法

实验所用装置如图 2所示。将过量Ⅰ晶型利福平分别加入到正丁醇、丙酮、正丁醇-丙酮、水-丙酮混合溶剂中，在一定温度下恒温搅拌6 h以上，然后取底层沉淀做PXRD分析，确定晶型是否发生转变。

测量溶解度数据的方法有平衡法^[8-10]和动态法^[11]，本文采取平衡法。将适量溶剂加入到玻璃夹套瓶中，打开恒温水浴槽并调节至指定温度，然后用精度为0.1 K的温度计测量夹套瓶内体系温度，微调水浴槽温度，直至被测体系达到指定温度。当温度稳定后，加入过量的Ⅱ晶型利福平，搅拌6 h使夹套瓶内溶液达到固液平衡。关闭搅拌，在该温度下静置6 h以上，以保证固液分离，上层溶液中没有悬浮颗粒。然后吸取上层清液，并通过0.45 μm微滤膜过滤至洁净已称重的培养皿中，迅速称量培养皿和溶液的质量。将培养皿放入真空干燥箱中，干燥48 h以上，直至质量不再变化。

利福平在纯溶剂中的摩尔溶解度使用下式计算：

$ {x_i} = \frac{{{m_1}/{M_1}}}{{{m_1}/{M_1} + {m_2}/{M_2}}} $

(1)

利福平在正丁醇-丙酮、水-丙酮混合溶剂中的摩尔溶解度使用下式计算：

$ {x_i} = \frac{{{m_1}/{M_1}}}{{{m_1}/{M_1} + {m_2}/{M_2} + {m_3}/{M_3}}} $

(2)

其中，m₁为溶质的质量(g)；m₂和m₃为不同溶剂的质量(g)；M₁、M₂和M₃分别为溶质和不同溶剂的相对分子质量(g·mol^-1)。

为确保溶解度测试数据的可靠性，实验时分别于搅拌4、6和12 h后取样分析，发现4 h后溶液浓度已经稳定不变，因此搅拌时间6 h足够保证固液溶解平衡。实验使用的溶剂易挥发，在实验装置上添加冷凝管，以保证溶剂的冷凝回流。每次实验重复3次以保证数据准确性。对底层晶体过滤、烘干后，使用PXRD检测，发现在实验过程中Ⅱ晶型利福平没有发生晶型转变。

为验证实验装置的可靠性，测量了不同温度下氯化钾在水中的溶解度，并将测量值与文献数据^[12]比较，相对偏差在0.5%以内，说明实验装置与方法是可靠的，可用于Ⅱ晶型利福平溶解度的测定。

3 实验结果与分析 3.1 Ⅰ晶型利福平在溶剂中的晶型转变

研究Ⅰ晶型在溶剂中的溶解度时，分析底物晶体的PXRD，如图 3所示。发现在正丁醇、丙酮、正丁醇-丙酮、水-丙酮溶剂中均发生了溶剂介导转晶，利福平从Ⅰ晶型转变为Ⅱ晶型。在Ⅰ晶型溶解平衡过程中，逐渐形成Ⅱ晶型的晶核，然后晶体生长消耗了溶液浓度，进而又促进原先Ⅰ晶型的溶解，这种晶型转变过程在一些多晶型药物中普遍存在^[13]。所以不宜使用平衡法测量Ⅰ晶型利福平在上述溶剂中的溶解度数据。

3.2 Ⅱ晶型利福平溶解度数据的测定和关联

实验测量了在288.15~323.15 K时Ⅱ晶型利福平在正丁醇-丙酮、水-丙酮混合溶剂中的溶解度，结果见表 1和2。

Apelblat方程^[14]越来越多用于溶解度数据的拟合，该模型假定溶液的焓变为温度的线性函数，经进一步简化、修订后可用于关联溶解度与温度之间的关系，方程形式如式(3)：

$ {\rm{ln}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} x = A + B/T + C{\kern 1pt} {\rm{ln}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} T $

(3)

理想状态方程^[15]是根据热力学原理描述固液平衡状态的常用方程，方程形式如式(4)：

$ {\rm{ln}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} x = a + b/T $

(4)

对于物质在二元混合溶剂中的固液平衡问题，本文选用ACREE等提出的(CNIBS)/Redlich-Kister方程^[16]，拟合利福平在正丁醇-丙酮、水-丙酮混合溶剂中的溶解度，方程形式如式(5)：

$ {\rm{ln}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} x = {B_0} + {B_1}y + {B_2}{y^2} + {B_3}{y^3} + {B_4}{y^4} $

(5)

使用相对偏差(RD)、平均相对偏差(ARD)、均方根偏差(RMSD)检测实验结果和计算结果的一致性。各式计算公式如下：

$ {{\rm{RD}} = \left| {\frac{{{x_i} - {x_{{\rm{cal}}}}}}{{{x_i}}}} \right|} $

(6)

$ {{\rm{ARD}} = \frac{1}{N}\sum\limits_{i = 1}^N | \frac{{{x_i} - {x_{{\rm{cal}}}}}}{{{x_i}}}|} $

(7)

$ {{\rm{RMSD}} = \left[ {\frac{{\sum\limits_{i = 1}^N {{{({x_i} - {x_{{\rm{cal}}}})}^2}} }}{N}} \right]} $

(8)

Ⅱ晶型利福平在不同配比的正丁醇-丙酮混合溶剂中的溶解度数据及不同模型计算值如表 1和图 4所示。从图中可以发现，利福平在不同配比的溶剂中，溶解度都随着温度升高而增大。当y₁ = 1.000时，即溶剂为正丁醇时，利福平的溶解度最小。当y₁ = 0.350时，利福平的溶解度最大。从图 5可以发现，在相同温度下，随着混合溶剂中正丁醇含量的增加，利福平的溶解度先迅速增大，达到最大值后，然后下降。这种变化趋势在高温时显著。低温时整体溶解度较低，变化不明显。其原因可能与分子间氢键有关，丙酮分子中存在羰基，形成氢键时羰基可作为氢键受体，但是分子内不存在氢键供体，在纯丙酮溶剂中，不形成氢键，所以丙酮易挥发，且黏度小。正丁醇分子中存在一个羟基，形成氢键时，既能作为氢键受体又能作为氢键供体，正丁醇分子间可以形成氢键，所以正丁醇相对丙酮挥发性小，黏度大。利福平分子结构复杂，分子内存在羟基、胺基、羰基等多种能形成氢键的基团。在丙酮中加入正丁醇，正丁醇中的羟基与利福平分子间形成氢键，使得溶解度增大。但当正丁醇含量增加，由于正丁醇分子间的氢键数量增加，使得利福平与正丁醇形成氢键减少，导致溶解度下降。

Ⅱ晶型利福平在不同配比的水-丙酮混合溶剂中的溶解度数据及不同模型计算值如表 2和图 6所示。从图中可以发现，利福平在不同配比溶剂中的溶解度随着温度升高而增大。从图 7可以发现，在同一温度下溶解度随着混合溶剂中水含量的增大而增大。其原因应该与正丁醇-丙酮体系类似，容易形成氢键的水分子，使得溶剂中与利福平形成的氢键增加，进而使得溶解度增大。

分别采用Apelblat方程和理想状态方程拟合两个溶剂体系中的实验数据，结果见表 3。在正丁醇-丙酮溶剂中，两个方程的拟合R²均大于0.993，ARD分别小于5%、12%，最大RMSD分别为0.819×10^-4和1.809×10^-4，从整体结果上来看，Apelblat方程的拟合效果要优于理想状态方程。(CNIBS)/ Redlich-Kister方程的拟合结果见表 4，R²大于0.994，关联良好。在水-丙酮溶剂中，Apelblat方程和理想状态方程的拟合R²均大于0.994，ARD分别小于5%、10%，最大RMSD分别为0.858×10^-4和1.246×10^-4，同样Apelblat方程的拟合效果优于理想状态方程。(CNIBS)/Redlich-Kister方程的拟合R²大于0.999，关联良好。

3.3 热力学参数

固液平衡体系的热力学参数可以通过修正的van’t Hoff方程来计算。在恒定压力下溶质的标准摩尔溶解焓计算公式如式(9)^[17]：

$ {\Delta _{{\rm{sol}}}}H_{\rm{m}}^{\rm{o}} = - R{\left( {\frac{{\partial {\kern 1pt} {\rm{ln}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {x_i}}}{{\partial (1/T - 1/{T_{\rm{m}}})}}} \right)_p} $

(9)

其中T_m为所有实验温度的平均值(本实验中T_m = 305.22 K)，计算公式如式(10)：

$ {T_{\rm{m}}} = \frac{N}{{\sum\limits_{i = 1}^N 1 /{T_i}}} $

(10)

式中：N为实验数据的温度点数。

标准摩尔溶解吉布斯自由能和标准摩尔溶解熵计算公式如式(11)、(12)：

$ {{\Delta _{{\rm{sol}}}}G_{\rm{m}}^{\rm{o}} = - R{T_{\rm{m}}} \times {\rm{ intercept }}} $

(11)

$ {{\Delta _{{\rm{sol}}}}S_{\rm{m}}^{\rm{o}} = \frac{{{\Delta _{{\rm{sol}}}}H_{\rm{m}}^{\rm{o}} - {\Delta _{{\rm{sol}}}}G_{\rm{m}}^{\rm{o}}}}{{{T_{\rm{m}}}}}} $

(12)

式中：intercept是以lnx_i和(1/T -1/T_m)作图得出的截距。

溶解过程中焓变和熵变的贡献通过式(13)、(14)计算：

$ {{\xi _{\rm{H}}}/\% = 100 \times \frac{{{\Delta _{{\rm{sol}}}}H_{\rm{m}}^{\rm{o}}}}{{|{\Delta _{{\rm{sol}}}}H_{\rm{m}}^{\rm{o}}| + |{T_{\rm{m}}}{\Delta _{{\rm{sol}}}}S_{\rm{m}}^{\rm{o}}}}} $

(13)

$ {{\xi _{{\rm{TS}}}}/\% = 100 \times \frac{{|{T_{\rm{m}}}{\Delta _{{\rm{sol}}}}S_{\rm{m}}^{\rm{o}}|}}{{{\Delta _{{\rm{sol}}}}H_{\rm{m}}^{\rm{o}}}}| + |{T_{\rm{m}}}{\Delta _{{\rm{sol}}}}S_{\rm{m}}^{\rm{o}}} $

(14)

两种混合体系中的热力学计算结果如表 5所示。在两种体系中利福平Δ_solH_m^o和Δ_solG_m^o和Δ_sol均为正值，表明在这些体系的溶解为吸热过程，该结果与溶解度随着温度升高而增大相符合。此外根据van’t Hoff方程计算得到的吉布斯自由能为标准状态下的溶解吉布斯自由能，所以不能据此判断反应是否自发进行。ξ_H的计算结果均大于50%，说明在实验过程中Δ_solH_m^o和Δ_sol对Δ_solG_m^o的贡献较大。

4 结论

(1) Ⅰ晶型利福平在正丁醇、丙酮、正丁醇-丙酮、水-丙酮混合溶剂中发生溶剂介导转晶，转变为Ⅱ晶型，因此在这些溶剂中Ⅰ晶型的溶解度难以通过平衡法测量。

(2) 采用平衡法测定了288.15~323.15 K时Ⅱ晶型利福平在正丁醇-丙酮和水-丙酮混合溶剂体系中的溶解度。在所有体系中，溶解度随着温度升高而增大。使用Apelblat模型能够很好拟合溶解度数据，关联结果良好。

(3) 在正丁醇-丙酮体系中溶解度随着正丁醇的摩尔比增加先增大后减小，在摩尔比0.350附近溶解度最大。在水-丙酮体系中，溶解度随着水的摩尔比增加而增大。引入温度参数采用(CNIBS)/Redlich-Kister模型进行修正，结果显示关联良好，改善了模型单因素预测的缺陷，有效地提高了利福平在二元混合溶剂中溶解度的预测精度。

(4) 根据van’t Hoff方程计算了利福平在两种混合溶剂中的Δ_solH_m^o和Δ_sol、Δ_solG_m^o和Δ_sol和Δ_solS_m^o和Δ_sol。由结果可知，Δ_solH_m^o和Δ_sol均为正值，表明利福平在溶剂体系中的溶解均为吸热反应，溶解度值随着温度升高增大，实验值很好地符合这一结论。

符号说明：