烟酰胺(NA), 临床用于冠心病、 病毒性心肌炎及少数洋地黄中毒等伴发的心律失常, 也可用于防治糙皮病等烟酸缺乏症^[1]。 在制药工业中, 药物最主要的组成部分是活性药物成分, 大部分为固体, 比如盐化物、 水合物和共晶等^[2]。 其中共晶已经吸引了越来越多研究者的兴趣, 其可以优化固体剂量的理化性质, 改善可溶性、 溶解速率、 生物利用度和物理稳定性等等。 一般来说, 共晶体被定义为含有两种或更多组分的晶体材料, 通过非共价键结合在一起^[3], 例如氢键、 π — π 堆积、 范德华力等等^[4]。 有关研究表明NA可以与很多药物分子形成共晶体^{[5, 6, 7]}, 并具有不同晶型。 庚二酸(PA)可与NA通过氢键作用形成理想的药物共晶体, 所形成的共晶体具有两种不同的晶型, 也已经有文献所报道^[8](NA和PA的分子结构如图1所示), 即具有同质异晶现象。 同质异晶是指同一化合物在不同条件下质点(原子、 分子或离子)排列的空间对称性不同, 其固态化合物具有两种或多种晶体结构的现象。 在制药行业中检测与控制药物化合物不同晶型是确保药物质量和药物疗效的一个重要环节, 因为不同晶型的药物化合物具有不同的物理、 化学性质, 如熔点、 密度、 溶出速率和生物利用度等等^[9]。 X射线衍射、 差式扫描量热法、 核磁共振等上述传统方法常用于分析材料结构及其相应理化性质^{[10, 11, 12]}, 然而, 利用太赫兹光谱对烟酰胺-庚二酸(NA-PA)共晶的多晶型未见报道。 太赫兹时域光谱是最新的电磁波谱技术, 太赫兹波段位于微波和红外辐射之间, 属于远红外波段, 频率范围在0.1~10 THz, 与大部分有机分子及基团的振动和转动能级之间跃迁的能量大致相当。 太赫兹时域光谱具有很高的信噪比、 灵敏度、 无损、 快速检测等优点, 可以安全地穿透样本, 不破坏样品, 同时不引起晶型的转变, 因此可以直接检测共晶形成中分子间的相互作用, 在药物领域是非常具有前景的分析技术^[13]。

图1

Fig.1

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	图1 (a)NA和(b)PA的分子结构Fig.1 The molecular structure of (a) NA and (b) PA

在本工作中, 太赫兹光谱被用作NA-PA共晶物的表征手段, 利用密度泛函理论(DFT)理论计算它们的微观分子结构。 理论计算与实验相结合是一种指认具有特定结构的药物分子振动模式的方法, 可以提供在微观分子水平上的固态材料结构的具体信息。 在理论计算中, 由于药物分子间特别是在固体状态时常常具有氢键等分子间相互作用, 因此采用分子簇模型甚至是周期性结构模型才能正确地描述该共晶体系。 与通常的理论计算相比, 精度对于低频振动光谱是十分重要的, 采用的方法模型、 能量和结构优化的收敛限都会对这些具有较低能量的振动光谱造成影响。

我们制备了两种不同晶型的NA-PA共晶体, 采用 THz-TDS技术对两种不同晶型进行表征, 运用周期性DFT对两种晶型进行计算, 通过实验与理论计算结果对两种共晶体的特征峰进行振动模式归属, 表明THz-TDS技术能够提供一种实验方法表征共晶体的多晶型。

从图2可以看出, 两种共晶体中存在NA-PA分子间氢键, PA一端的羧基中的— OH与NA吡啶环上的N形成一处氢键; NA的酰基上的O与PA另一端羧基中的— OH形成第二处氢键; NA环上的— NH₂与PA另一端羧基中的酰基O形成第三处氢键。

图2

Fig.2

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	图2 (a)晶型Ⅰ 和(b)晶型Ⅱ 的晶体结构Fig.2 The crystal structure of (a) form-Ⅰ and (b) form-Ⅱ

由于C— C键转动的自由性, 形成两种不同构象的共晶体。 晶型Ⅰ 属于三斜晶系, 每个晶胞含有一个NA和一个PA分子。 每层NA和PA分子在同一个平面上, 组成堆积结构。 晶型Ⅱ 属于正交晶系, 每个晶胞含有四个NA和四个PA分子, 每两对NA和PA分子与另外两对分子边对面堆积, 形成鱼骨状结构。 堆积方式的不同和氢键的作用会导致不同的光谱特征。 在图3中, 两种晶型的XRD实验峰有明显的不同。 为了确认获得的两种共晶体是否是预期不同的晶型, 使用Mercury程序从单晶结构出发模拟了晶型Ⅰ 和晶型Ⅱ 的XRD衍射峰, 通过对比发现, 两种晶体的实验峰与晶型Ⅰ 和晶型Ⅱ 的理论模拟峰大致对应。 其中晶型Ⅰ 在27° 处实验峰比理论峰稍前移, 可能是X射线多晶粉末衍射中多晶粉末衍射制样晶粒大小改变, 会导致峰位偏移, 同时会引起衍射峰强度的改变, 但特征峰与理论峰出峰位置2θ 值基本对应, 可以推断实验中获得的晶体确为晶型Ⅰ 和晶型Ⅱ 。

图3

Fig.3

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	图3 (a)晶型Ⅰ 和(b)晶型Ⅱ 的XRD谱和理论模拟谱Fig.3 Experimental and simulated X-ray diffraction patterns of (a) form-Ⅰ and (b) form-Ⅱ

由于堆积结构的影响, 两种晶型在0.1~2.2 THz范围内的太赫兹光谱也呈现明显的差异。 晶型Ⅰ 在1.51, 1.73, 1.94, 2.01和2.17 THz存在特征吸收峰, 对应理论吸收峰2.59, 2.97, 3.34, 3.57和3.97 THz。 晶型Ⅱ 在1.66, 1.74, 1.88, 2.02和2.16 THz存在特征吸收峰, 对应理论吸收峰2.11, 2.32, 2.72, 2.87和3.09 THz。 值得一提的是晶型Ⅰ 和晶型Ⅱ 在0.2~1.0 THz出现低频区信号震荡, 是由于目前仪器技术上的限制等的原因, 不过幸运的是, 这些振荡的信号的强度弱于其他峰, 不影响特征峰的指认。 虽然晶型Ⅰ 在1.0~1.5 THz范围也存在吸收峰, 且能与两个理论计算峰对应, 但此范围内吸收峰的强度太小, 不利于指认和鉴别。 对于晶型Ⅱ , 情形也类似。 晶型Ⅰ 和晶型Ⅱ 谱峰最明显差异出现在1.5~2.2 THz内, 可用于鉴别。 由图4实验谱图可得, 在1.5~1.9 THz范围内, 晶型Ⅰ 具有两个吸收强度较小的峰, 而晶型Ⅱ 具有三个峰; 在1.9~2.2 THz范围内, 晶型Ⅰ 有三个吸收强度较大的特征峰, 而晶型Ⅱ 只有两个吸收强度较大的特征峰, 这可以作为鉴别两种不同晶型共晶体的主要依据。

图4

Fig.4

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	图4 (a)晶型Ⅰ 和(b)晶型Ⅱ 的太赫兹光谱和理论计算谱Fig.4 Experimental and calculated terahertz spectra of (a) form-Ⅰ and (b) form-Ⅱ

通过理论计算得到的太赫兹谱图如图4所示。 为了得到实验与理论计算对比图, 将理论计算得到的特征吸收峰拟合得到平滑曲线, 主要吸收峰的数目与实验结果一致, 其对应关系如表1中所示。 如图4所示, 晶型Ⅰ 实验中吸收峰的吸收强度逐渐增加, 第四个吸收峰达到最大吸收, 在第五个吸收峰时稍有下降, 这与理论计算得到的五个吸收峰的趋势一致。 晶型Ⅱ 实验中吸收峰的吸收强度依次递增, 第五个是最大吸收峰, 而在理论计算中, 前三个峰的吸收强度大于后两个的吸收强度, 这与实验有所差别, 但都是吸收强度较大的峰, 并不影响指认。 经实验与理论计算对比可见, 理论计算所得到的峰位置比实验峰普遍往向高频率方向偏移, 这能够通过温度效应和非谐效应来解释。 通常为了达到快速检测的目的, 实验光谱是在常温下进行的, 而通过DFT计算的频率对应绝对零度下的数值, 有文献表明太赫兹光谱存在热效应^[17], 即实验测量得到的谱峰随温度的降低而增强, 温度对体系内的化学键, 特别是氢键强度会造成影响。 温度效应部分解释了理论计算得到的数值偏高的原因。 幸运的是峰位置的平移是整体的, 不影响各峰的相对位置, 因此不影响理论计算对实验峰的指认。 还有部分原因是采用的optB88-vdW密度泛函和PAW基函数本身的误差。 虽然有频率校正因子, 但是针对振动频率的校正多基于Gauss型基函数, 而且也没有特别针对低频范围内, 特别是针对非谐效应的校正因子, 因此本研究未使用校正因子, 这也带来了部分误差。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 晶型Ⅰ 和晶型Ⅱ 振动模式的归属 Table 1 Assignments of vibrational frequencies for Form-Ⅰ and Form-Ⅱ Form No. Experiment Calculation Assignment form-I 1 1.51 2.59 — COOH torsion NA out-of-plane twisting 2 1.73 2.97 rotation between NA planes C chain out-of plane twisting 3 1.94 3.34 — CONH2 and — COOH out-of-plane wagging 4 2.01 3.57 — CONH2 and — COOH out-of-plane twisting C chain out-of-plane twisting 5 2.17 3.97 — COOH out-of-plane twisting C chain out-of-plane twisting form-Ⅱ 1 1.66 2.11 — COOH out-of-plane twisting NA out-of-plane twisting 2 1.74 2.32 — COOH out-of-plane twisting C chain out-of-plane twisting 3 1.88 2.72 — CONH2 out-of-plane twisting — COOH out-of-plane twisting 4 2.02 2.87 — COOH out-of-plane twisting — CONH2 out-of-plane twisting 5 2.16 3.09 — CONH2 and — COOH out-of-plane wagging C chain out-of-plane twisting

表1 晶型Ⅰ 和晶型Ⅱ 振动模式的归属 Table 1 Assignments of vibrational frequencies for Form-Ⅰ and Form-Ⅱ

分子在太赫兹低频波段的振动主要源于多个原子参与的变形振动、 扭转振动、 弯曲振动和包含氢键在内的分子的相对运动。 在对实验峰的指认中, 因为在理论计算中存在个别吸收峰由多个振动模式合并产生, 在表1中只列出了吸收强度最大的振动模式。 将这些用VASP程序获得的振动模式经过处理后, 用GaussView程序将其图形化, 如图5、 图6所示。

图5

Fig.5

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	图5 晶型Ⅰ 的振动模式(1— 5)分别对应第一至第五个吸收峰Fig.5 Vibrational modes of form-Ⅰ for 1st to 5th absorption peaks

图6

Fig.6

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	图6 晶型Ⅱ 的振动模式(1— 5)分别对应第一至第五个吸收峰Fig.6 Vibrational modes of form-Ⅱ for 1st to 5th absorption peaks

在低频范围内, 除了分子本身的振动外, 主要表现出以分子间氢键为中心的振动以及分子骨架的整体振动。 晶型Ⅰ 第一个吸收峰是主要是PA上其中一端羧基的扭转振动, 记作— COOH torsion, 另外一端的羧基和NA分子形成分子间氢键, 扭转并不明显; 另外还有NA分子的面外扭曲振动, 记作NA out-of-plane twisting。 第二个吸收峰是相邻NA分子平面的相对旋转和PA分子碳链的面外扭曲振动, 记作rotation between NA planes和C chain out-of-plane twisting。 第三个吸收峰是NA与PA形成的分子间氢键的面外摇摆振动, 记作— CONH₂ and — COOH out-of-plane wagging。 第四个吸收峰一是NA与PA形成的分子间氢键的面外扭曲振动和PA碳链的面外扭曲振动, 记作— CONH₂ and — COOH out-of-plane twisting和C chain out-of-plane twisting。 第五个吸收峰是PA羧基的面外扭曲振动和碳链的面外扭曲振动, 记作— COOH out-of-plane twisting和C chain out-of-plane twisting。

对于晶型Ⅱ , 第一个吸收峰是PA分子中羧基的面外扭曲振动和NA分子的面外扭曲振动, 记作— COOH out-of-plane twisting和NA out-of-plane twisting。 第二个吸收峰是PA分子中羧基的面外扭曲振动和碳链的面外扭曲振动, 记作— COOH out-of-plane twisting 和C chain out-of-plane twisting。 第三个吸收峰是NA分子中酰胺基团的面外扭曲振动和PA分子中羧基的面外扭曲振动, 记作— CONH₂ out-of-plane twisting和— COOH out-of-plane twisting。 第四个吸收峰是PA分子中羧基的面外扭曲振动和NA分子中酰胺基团的面外扭曲振动, 记作— COOH out-of-plane twisting和— CONH₂ out-of-plane twisting。 第五个吸收峰是NA与PA形成的分子间氢键的面外摇摆振动和PA碳链的面外扭曲振动, 记作— CONH₂ and — COOH out-of-plane wagging和C chain out-of-plane twisting。

根据实验及计算结果可知, 氢键的形成和不同的堆积结构使得NA和PA分子形成的共晶体具有不同的内部结构, 并且在两种共晶体中的NA和PA分子各自的振动模式下相互影响, 因而体现出不同的特征吸收谱。

使用THz-TDS技术在室温下对NA-PA两种不同晶型的共晶体在0.2~2.2 THz范围内进行表征和分析, 由于氢键的作用和不同的堆积结构, 发现两者特征吸收峰具有很大的差异。 特别地, 在1.9~2.2 THz范围内, 是吸收强度最大的区域, 两种共晶体主要特征峰具有明显的差异, 晶型Ⅰ 有三个吸收强度较大的特征峰, 而晶型Ⅱ 只有两个吸收强度较大的特征峰, 该处的显著区别可以用于两种晶型的鉴别。 利用DFT对晶型Ⅰ 和晶型Ⅱ 两种晶型进行结构优化与光谱计算, 并利用Gaussview程序对特征峰进行了归属和分析。 理论特征峰的数量和形状与实验特征峰能够基本一一对应, 峰频率上的误差来源于计算方法的误差、 温度效应以及非谐效应。 通过实验和理论结合的方法, 得出NA-PA两种共晶体在此低频范围内的振动模式除了分子骨架的整体振动、 PA分子中的羧基和NA分子中的酰胺基的面外扭曲振动外, 还有包含分子间氢键的振动。 这一结果表明利用太赫兹光谱技术可以为检测NA-PA共晶体提供实验依据和理论参考, 同时表明太赫兹光谱技术在检测和分析药物共晶体中的同质多晶现象具有巨大的应用前景。