异烟肼(C₆H₇N₃O，CAS: 54-85-3)是一种抗结核杆菌药，用于治疗肺结核、皮肤结核等，其分子结构式如图 1所示^[1-3]。目前异烟肼都是采用合成法制备^[4]，但是得到的产品纯度不高。为了提高产品纯度，可以通过结晶或者重结晶法进行提纯分离。溶液结晶法是一种制备药物晶体的手段，可以有效控制晶体产品的纯度、粒度和晶习等^[5-7]。确定合适的结晶溶剂以及获取相应的溶解度数据是溶液结晶工艺开发的必要工作^[8-10]，但是目前关于异烟肼溶解度及其溶解热力学数据的文献较少^[11-13]，所以仍需对其溶解及热力学方面进行系统研究。

对于药品来说，合理地控制晶体的生长以得到所需要的晶体形貌(也称之为晶习)，不仅能够提高有效成份的含量，而且能使产品具备适宜的溶解速率，这在实际应用时非常重要^[14-16]。晶习是晶体的内部结构和形成时物理化学条件的综合反映，它不仅取决于晶体的点阵结构和晶体的热力学性质，而且还受到晶体生长动力学以及热量和质量传递等过程的影响^[17-18]。良好的晶习能使产品的分离、洗涤、包装、运输和贮藏得到不同程度的改善。所以，晶习的研究对异烟肼的生产及产品的性质有着极为重要的影响。但是目前并没有相关文献报道异烟肼晶习的研究。

为了系统地研究异烟肼的结晶过程，本研究首先测量了异烟肼在不同溶剂中的溶解度。使用在线浊度法测定了异烟肼在甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、丙酮、乙腈、乙酸甲酯与乙酸丁酯中的溶解度。采用改进的Apelblat、Wilson与NRTL方程对溶解度数据进行了拟合，对异烟肼溶解焓、溶解熵与溶解吉布斯能进行了计算。基于溶解度数据，分析了甲醇、乙醇、正丙醇与丙酮对异烟肼冷却结晶晶习的影响规律，确定了乙醇为较适宜的结晶溶剂。

1 实验材料和方法 1.1 材料

异烟肼(质量分数99.5%)，购于阿拉丁试剂公司。甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、丙酮、乙腈、乙酸甲酯与乙酸丁酯均为分析纯试剂，购于天津江天化工有限公司。

1.2 溶解度测量装置

溶解度测量装置如图 2所示，它由结晶器、水浴控温仪、磁力搅拌器、温度探头、浊度探头、在线浊度主机与电脑等部分组成。

1.3 分析测试仪器

X-射线衍射仪(XRD)，D/MAX 2500型，日本Rigaku；差示扫描量热仪(DSC)，DSC1/500，瑞士Mettler-Toledo；电子微量天平(精度为0.1 mg)，ML204型，瑞士Mettler-Toledo；低温恒温槽(XOYS型)，南京先欧仪器制造有限公司。

1.4 溶解度测量实验

异烟肼在有机溶剂中的溶解度采用在线浊度仪测定，其实验装置如图 2所示，具体测定步骤参考文献^[19]：1)调节水浴控温仪至某一特定温度，其中温度误差为0.05 K。在结晶器中加入一定有机溶剂，然后加入浊度探头与温度探头，以300 r/min转速进行磁力搅拌。2)称取一定量的异烟肼，加入到结晶器中，瞬间浊度示数上升，随着搅拌进行，晶体逐渐溶解，浊度示数开始下降，重复加入一定量的异烟肼至结晶器中，直至某次加入异烟肼浊度示数不再下降时，那么将该次以前所有加入到结晶器的晶体总量定义为该温度下的溶解度，然后在该温度下重复3次实验，取其平均值作为最终溶解度。3)改变水浴温度，待温度稳定后，依次重复步骤1)与2)进行下一个温度点晶体溶解度的测定，这样就能测定异烟肼在同种溶剂，不同温度条件下的溶解度。4)改变溶剂种类，重复步骤1)、2)与3)，就可以测定异烟肼在不同溶剂与不同温度下的溶解度。本研究中的异烟肼溶解度采用摩尔分数进行计算，如式(1)所示：

$ x = \frac{{{m_0}/{M_0}}}{{{m_0}/{M_0} + {m_1} + {M_1}}} $

(1)

式(1)中：x是异烟肼的溶解度(摩尔分数)；m₀与M₀分别代表异烟肼质量与其相对分子质量；m₁与M₁分别代表溶剂质量与其相对分子质量。

1.5 异烟肼冷却结晶实验

异烟肼冷却结晶实验装置与溶解度测量装置基本一致，如图 2所示，具体实验步骤如下：1)调节水浴控温仪至50 ℃，将一定量的原料异烟肼与有机溶剂加入到结晶器中，进行恒定速率300 r/min搅拌至溶解完全。2)开启降温程序，降温至终点温度10 ℃，在终点温度处养晶30 min。3)最后进行抽滤，将固体产品放于真空干燥箱进行干燥，对干燥后的异烟肼产品进行形态学分析。

2 实验结果 2.1 异烟肼溶解度数据

异烟肼在不同温度、不同溶剂中的溶解度数据如表 1与图 3所示。

表 1显示，异烟肼在所有溶剂中的溶解度随温度升高而增加，当温度低于303 K时，异烟肼的溶解度与溶剂关系符合如下顺序：甲醇>丙酮>乙醇>正丙醇>异丙醇>异丁醇>乙酸甲酯>乙腈>正丁醇>乙酸丁酯。当温度高于303 K时，异烟肼在异丁醇与乙酸甲酯中的溶解度升高更加明显，溶解度大小满足：甲醇>丙酮>异丁醇>乙酸甲酯>乙醇>正丙醇>异丙醇>正丁醇>乙酸丁酯>乙腈。该结果表明：异烟肼更容易与强极性的甲醇、丙酮形成氢键作用，从而促进异烟肼的溶解。对比文献[11]中异烟肼在乙醇与甲醇中的溶解度数据发现，本研究动态法测定的溶解度在对应的温度下与文献数值接近，其中乙醇与甲醇中的数据误差最大仅为6.5%，这说明动态法也可以作为一种测定溶解度的有效方式。为了确保溶解度测量过程中，异烟肼没有出现多晶型转化现象，在每组测量过程中，都取固体样品进行了XRD与DSC分析。XRD衍射角度范围为2°~50°，扫描速率为1 step/s，DSC的加热速率为10 K/min，结果如图 4与图 5所示。

从图 4可以看出，所有溶剂中的异烟肼固相具有相同的XRD图谱，所以并没有多晶型的形成。

图 5显示异烟肼的熔点为448 K，该数据也与文献报道的一致^[2]。

2.2 异烟肼冷却结晶晶习

基于溶解度数据，选择甲醇、丙酮、乙醇、正丙醇作为异烟肼冷却结晶时的溶剂。结晶起点温度为50 ℃，终点温度为10 ℃。异烟肼的晶习照片如图 6所示。

从图 6中可以看出，异烟肼在3种醇溶剂中冷却结晶时的晶习均为长棒状，而在丙酮中冷却结晶时的晶习为棱块状，这表明不同类试剂对异烟肼的晶习影响较大。对比醇溶剂发现，异烟肼的尺寸大小满足：正丙醇>甲醇>乙醇，最大长度达到600 μm。照片中还发现，乙醇中的产品没有发生聚结现象，平均尺寸为200 μm，而其它溶剂中产品出现了不同程度的聚结。综合考虑，选择乙醇作为异烟肼的冷却结晶优化溶剂。

3 数据处理与讨论 3.1 溶解度数据拟合 3.1.1 改进的Apelblat方程

固体溶质在有机溶剂中溶解度与温度关系可以用改进的Apelblat方程进行拟合，如式(2)所示^[20]：

$ {\rm{ln}}{x_1} = A + \frac{B}{T} + C{\rm{ln}}T $

(2)

式(2)中：x₁是溶解度，T/K为温度，A、B、C为模型参数。

3.1.2 Wilson方程

Wilson方程是一种常用的拟合固体溶质在有机溶剂中溶解度的方程，其方程如式(3)~式(5)所示^[21]：

$ {\rm{ln}}{\gamma _1} = - {\rm{ln}}({x_1} + {\varLambda _{12}}{x_2}) + {x_2}\left( {\frac{{{\varLambda _{12}}}}{{{x_1} + {\varLambda _{12}}{x_2}}} - \frac{{{\varLambda _{21}}}}{{{x_2} + {\varLambda _{21}}{x_1}}}} \right) $

(3)

$ {{\varLambda _{12}} = \frac{{{V_2}}}{{{V_1}}}{\rm{exp}}\left( { - \frac{{{\lambda _{12}} - {\lambda _{11}}}}{{RT}}} \right) = \frac{{{V_2}}}{{{V_1}}}{\rm{exp}}\left( { - \frac{{\Delta {\lambda _{12}}}}{{RT}}} \right)} $

(4)

$ {{\varLambda _{21}} = \frac{{{V_1}}}{{{V_2}}}{\rm{exp}}\left( { - \frac{{{\lambda _{11}} - {\lambda _{12}}}}{{RT}}} \right) = \frac{{{V_1}}}{{{V_2}}}{\rm{exp}}\left( { - \frac{{\Delta {\lambda _{21}}}}{{RT}}} \right)} $

(5)

式(3)~式(5)中：x₁是溶解度，R为常数；T为温度，K；V₁与V₂分别为溶质与溶剂摩尔体积；γ₁为活度；Δλ₁₂与Δλ₂₁为模型参数。

3.1.3 NRTL方程

固体溶质在有机溶剂中的溶解度也可以采用NRTL方程进行拟合，如式(6)~式(8)所示^[22]：

$ {{\rm{ln}}{\gamma _1} = x_2^2\left[ {\frac{{{\tau _{21}}G_{21}^2}}{{{{({x_1} + {G_{21}}{x_2})}^2}}} + \frac{{{\tau _{12}}G_{12}^2}}{{{{({x_2} + {G_{12}}{x_1})}^2}}}} \right]} $

(6)

$ {{G_{12}} = {\rm{exp}}( - {\alpha _{12}}{\tau _{12}});{G_{21}} = {\rm{exp}}( - {\alpha _{12}}{\tau _{21}})} $

(7)

$ {{\tau _{12}} = \frac{{{g_{12}} - {g_{22}}}}{{RT}} = \frac{{\Delta {g_{12}}}}{{RT}};{\tau _{21}} = \frac{{{g_{21}} - {g_{11}}}}{{RT}} = \frac{{\Delta {g_{21}}}}{{RT}}} $

(8)

式(6)~式(8)中，x₁是溶解度；R为常数；T为温度，K；γ₁为活度；τ₁₂与τ₂₁为模型参数。

各方程的拟合精度用平均相对偏差(ARD)来表示，如式(9)所示^[23]：

$ {\rm{ARD}} = \frac{{100}}{N}\sum\limits_{i = 1}^N | \frac{{{x_i} - x_i^{{\rm{ cal }}}}}{{{x_i}}}| $

(9)

式(9)中：x_i是实验测定的溶解度；x_i^cal是模型拟合计算溶解度；N为溶解度数据点。

改进的Apelblat、Wilson与NRTL方程的拟合结果如表 2所示，其中NRTL方程中α₁₂取经验值0.3。从表 2中可以看出，改进的Apelblat模型拟合得到的ARD值最小，表明其拟合精度最高，更适用于异烟肼溶解度的拟合。从ARD值还可以看出，溶解度数据越大，拟合得到ARD值越小，表明精度越高。

3.2 溶解热力学计算

通常溶解可以简化为4个步骤。首先，固体溶质从温度T被加热熔点温度T_m；然后在T_m进行融化；接着从温度T_m降温到温度T；最后在温度T下与溶剂混合形成溶液，如式(10)所示^[24]：

$ \begin{array}{l} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\rm{Solute}}{{\rm{ }}_{{\rm{ solid }}}}(T)\mathop \to \limits^{{\rm{ heating }}} {\rm{ Solute}}{{\rm{ }}_{{\rm{ solid }}}}({T_m})\mathop \to \limits^{{\rm{ fusion }}} \\ {\rm{Solute}}{{\rm{ }}_{{\rm{ solid }}}}({T_m})\mathop \to \limits^{{\rm{ cooling }}} {\rm{ Solute}}{{\rm{ }}_{{\rm{ liquid }}}}(T)\mathop \to \limits^{{\rm{ mixing }}} \\ {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\rm{Solute}}{{\rm{ }}_{{\rm{Solution}}}}(T) \end{array} $

(10)

基于上面假设，溶解热力学可以采用式(11)计算^[25]：

$ {\Delta _{{\rm{ dis }}}}M = x({\Delta _{{\rm{ heat }}}}M + {\Delta _{{\rm{ fus }}}}M + {\Delta _{{\rm{ cool }}}}M) + {\Delta _{{\rm{ mix }}}}M $

(11)

式(11)中，M指溶解热力学性质，包括溶解吉布斯能G、溶解熵S和溶解焓H；x为溶解度；Δ_heatM与Δ_coolM代表加热与冷却过程热力学性质；Δ_fusM代表融化过程热力学性质；Δ_mixM代表混合热力学性质。这些热力学性质可以采用式(12)~式(15)计算^[26]：

$ {{\Delta _{{\rm{ heat }}}}H = {C_{{\rm{p(s)}}}}({T_{\rm{m}}} - T)} $

(12)

$ {{\Delta _{{\rm{ heat }}}}S = {C_{{\rm{p(s)}}}}{\rm{ln}}({T_{\rm{m}}}/T)} $

(13)

$ {{\Delta _{{\rm{ cool }}}}H = {C_{{\rm{p(I)}}}}(T - {T_{\rm{m}}})} $

(14)

$ {{\Delta _{{\rm{ cood }}}}S = {C_{{\rm{p(I)}}}}{\rm{ln}}(T/{T_{\rm{m}}})} $

(15)

式(12)~(15)中，C_p(s)与C_p(l)代表在一定压力下，固体溶质在固相与液相状态下的比热容，通常C_p(s)与C_p(l)大小接近，所以(Δ_heatM+Δ_coolM)近似为0。平衡状态下，Δ_fusG也为0，所以式(12)~式(15)可以简化为^[27]：

$ {{\Delta _{{\rm{ heat }}}}H + {\Delta _{{\rm{ fus }}}}H + {\Delta _{{\rm{ cool }}}}H = {\Delta _{{\rm{ fus }}}}H} $

(16)

$ {{\Delta _{{\rm{ heat }}}}S + {\Delta _{{\rm{ fus }}}}S + {\Delta _{{\rm{ cool }}}}S = {\Delta _{{\rm{ tus }}}}S} $

(17)

$ {{\Delta _{{\rm{ cool }}}}G + {\Delta _{{\rm{ fus }}}}G + {\Delta _{{\rm{ heat }}}}G = {\Delta _{{\rm{ fus }}}}H - T{\Delta _{{\rm{ tus }}}}S} $

(18)

混合热力学性质可以采用式(19)~式(21)表达：

$ {{\Delta _{{\rm{ mix }}}}G = {G_{\rm{E}}} + \Delta {G_{{\rm{ id }}}}} $

(19)

$ {{\Delta _{{\rm{ mix }}}}S = {S_{\rm{E}}} + \Delta {S_{{\rm{ id }}}}} $

(20)

$ {{\Delta _{{\rm{ mix }}}}H = {H_{\rm{E}}} + \Delta {H_{{\rm{ id }}}}} $

(21)

式(19)~式(20)中，G_E、S_E与H_E是过剩热力学性质，ΔG_id、ΔS_id与ΔH_id是理想热力学性质^[29]：

$ {\Delta {G_{{\rm{id}}}} = RT({x_1}{\rm{ln}}{x_1} + {x_2}{\rm{ln}}{x_2})} $

(22)

$ {\Delta {S_{{\rm{id}}}} = - R({x_1}{\rm{ln}}{x_1} + {x_2}{\rm{ln}}{x_2})} $

(23)

$ {\Delta {H_{{\rm{id}}}} = 0} $

(24)

式(22)~式(23)中，x₁与x₂为溶液中溶质与溶剂的摩尔组成。

通常采用Wilson方程计算过剩热力学性质，如式(25)~式(28)所示^[29-30]：

$ {G_{\rm{E}}} = RT({x_1}{\rm{ln}}{\gamma _1} + {x_2}{\rm{ln}}{\gamma _2}) $

(25)

$ {{G_{\rm{E}}} = - RT[{x_1}{\rm{ln}}({x_1} + {x_2}{\varLambda _{12}}) + {x_2}{\rm{ln}}({x_2} + {x_1}{\varLambda _{21}})]} $

(26)

$ {{H^{\rm{E}}} = - {T^2}\left[ {\frac{{\partial ({G^{\rm{E}}}/T)}}{{\partial T}}} \right] = {x_1}{x_2}\left( {\frac{{\Delta {\lambda _{12}}{\varLambda _{12}}}}{{{x_1} + {\varLambda _{12}}{x_2}}} + \frac{{\Delta {\lambda _{21}}{\varLambda _{21}}}}{{{x_2} + {\varLambda _{21}}{x_1}}}} \right)} $

(27)

$ {{S_{\rm{E}}} = ({H_{\rm{E}}} - {G_{\rm{E}}})/T} $

(28)

计算得到的溶解热力学数据(溶解吉布斯能、溶解焓、溶解熵)如表 3所示。

从表 3可以看出，溶解吉布斯能均为负值，溶解焓与溶解熵均为正值，表明异烟肼在所选溶剂中的溶解过程为吸热熵增过程。同时可以看出，溶解吉布斯能的大小与溶解度存在一定关联，如图 7所示。

从图 7中可以看出，吉布斯能绝对值越大，其溶解度越大，说明吉布斯能是影响溶解度的关键因素。

4 结论

1) 异烟肼在所选有机溶剂中的溶解度均随温度升高而增加，在相同温度下，溶解度与溶剂关系符合如下顺序：甲醇>丙酮>乙醇>正丙醇>异丙醇>乙酸甲酯>异丁醇>正丁醇>乙腈>乙酸丁酯。

2) 改进的Apelblat、Wilson与NRTL方程对异烟肼溶解度数据有很好的拟合，其中改进的Apelblat方程对异烟肼溶解度拟合精度最高。

3) 异烟肼在所选有机溶剂中的溶解过程为吸热熵增过程，且其溶解度大小由Gibbs自由能大小决定，Gibbs自由能绝对值越大，溶解度越大。

4) 异烟肼在乙醇中冷却结晶晶习为长棒状，产品无聚结，平均尺寸为200 μm。