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表1(Table 1)
ZHOU Kai, WENG Ying, HOU Qingqing, et al. Preparation, Crystal Structure and Solubility of Organic Salt Hydrate of Berberine-Genistein[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 36(2): 230-235
合成了黄连素和染料木素的有机盐水合物[C20H18NO4]+·[C15H9O5]-·2.5H2O·0.5(C2H5OH),并测定了其晶体结构。 解析结果表明,该有机盐水合物属于单斜晶系, P21 /c空间群。 染料木素7取代位的羟基失去了质子变成了染料木素阴离子。 羟基阴离子与4'取代位上的羟基形成了O—H••••O-氢键,产生了一维的氢键链状结构。 两个水分子通过氢键作用形成了链状结构,并与染料木素阴离子形成二维的氢键结构。 加热失去水分子后,有机盐水合物变成无定型状态。 在乙醇水溶液中悬浮后,无定型可以转变成结晶的水合物结构。 形成黄连素-染料木素有机盐水合物后,染料木素在水中的溶解度略有增加。
The organic salt hydrate of berberine with genistein, [C20H18NO4]+·[C15H9O5]-·2.5H2O·0.5(C2H5OH), was prepared and its crystal structure was determined. The result showed that the organic salt hydrate crystallized in monoclinic crystal system and P21 /c space group. The 7-substituted hydroxyl of genistein lost its proton and turned to be anion. The resulting hydroxyl anion was involved in O—H••••O- hydrogen bonding with 4'-substituted hydroxyl, which gave rise to an one-dimensional hydrogen-bonded chain-like structure. Two water molecules formed a chain-like structure through hydrogen-bonding interactions and further connected the 1D chain of genistein into a 2D hydrogen-bonded network. The hydrate turned to be amorphous form after losing water molecules by heating. The amorphous form could transform into crystalline organic salt hydrate after suspending in ethanol-water for 24 h. After forming berberine-genistein salt hydrate, the solubility of genistein in water increased slightly.
成盐是改善药物分子水溶性、结晶性、稳定性的有效手段[1]。 相对于无机盐,药物分子的有机盐可选择空间更大。 例如对于碱性的药物分子,可用来成盐的有机酸包括柠檬酸、琥珀酸、苹果酸和马来酸等[2,3]。 近几年,基于两种不同药物分子的药物-药物有机盐吸引了研究人员新的研究兴趣[4,5,6]。
黄酮类化合物是一大类天然多酚化合物,多具有抗病毒、抗肿瘤、降血脂等药学活性[7]。 但许多黄酮类化合物水溶性很差,一定程度上限制了它们实际应用。 成盐可改善黄酮类化合物的水溶性。 如柚皮素几乎不溶于水, 形成三乙胺盐后,柚皮素的溶解度明显提高[8]。 黄连素(Scheme 1)是从中药黄连中提取的有效成分,用来治疗肠道细菌感染[9]。 最新的研究表明,黄连素在抗肿瘤、降血脂等方面显示出了新的应用价值[10,11,12]。 临床应用时,黄连素是以盐酸盐的形式存在。 与盐酸黄连素相比,黄连素和糖精形成的有机盐则掩盖了盐酸黄连素的苦味[13],黄连素和原儿茶酸形成的有机盐水合物显示出了良好的吸湿稳定性[14]。 染料木素(Scheme 1)是一种天然的黄酮类化合物,文献[15]报道其具有增强其它药物抗肿瘤效果的作用。 目前,关于染料木素有机盐的晶体结构和溶解性能的系统研究,还有待开展。 因此,制备染料木素和黄连素的有机盐,对其结构和物理化学性能进行研究,可为基于两种天然产物的药物-药物有机盐研究提供借鉴作用。 本文利用染料木素作为酸性组分,与盐酸黄连素通过离子交换反应制备出了黄连素-染料木素有机盐水合物,[C20H18NO4]+·[C15H9O5]-·2.5H2O·0.5(C2H5OH)(1),对其晶体结构进行了分析,研究了该有机盐水合物的稳定性、溶解性。
 | Scheme 1 Molecular structure of berberineand genistein |
盐酸黄连素、染料木素纯品购自大连美仑生物技术有限公司,纯度>97%。 Rigaku Mercury CCD型单晶衍射仪 (日本Rigaku公司);MiniFlex600型台式X射线衍射仪(XRD,日本Rigaku公司);STA449 型热分析仪(德国耐驰公司);UV-2500型双光束紫外分光光度计(UV-Vis,日本岛津公司)。
将盐酸黄连素 (0.371 g,1 mmol)溶解在20 mL 95%(乙醇体积分数)的乙醇中,继续加入NaOH (0.04 g,1 mmol),搅拌30 min后,分批加入染料木素(0.270 g,1 mmol),继续搅拌反应1 h。 将形成的生成物沉淀过滤,室温干燥,在乙醇中重结晶,得到大量黄色的块状晶体。 挑出一颗大小为0.20 mm×0.15 mm×0.15 mm的晶体用于单晶衍射。 其余晶体收集后研细用于粉末衍射、热重分析、溶解度测定。
晶体1的单晶X射线衍射数据采用Rigaku Mercury CCD单晶衍射仪测定,用经过石墨单色器单色化的Mo Kα射线( λ=0.071073 nm)。 以 ω扫描方式收集数据,并进行Lp因子校正和半经验吸收校正[16]。 在对结构的解析中,所有的非氢原子坐标均用直接法解出,并用全矩阵最小二乘法对他们的坐标及其各项异性参数进行精修。 碳上的氢原子由理论加氢得到,氧上的H原子由傅里叶寻峰得到。 所有计算均用SHLEXL程序包[17,18]。晶体学参数列于表1,主要的键长和键角列于表2,氢键参数列于表3。
 | 表1 晶体1的晶体学数据及结构参数 Table 1 Crystal data and structural refinement of crystal 1 |
| 表2 晶体1中的主要键长(nm)和键角(°) Table 2 Selected bond lengths(nm) and angles(°) for crystal 1 |
| 表3 晶体1中的氢键参数(nm 和 °) Table 3 Hydrogen-bonding parameters of crystal 1(nm and °) |
将晶体收集研磨后在热分析仪上进行热重分析(TG)和差示扫描量热(DSC)测试,温度范围30~450 ℃,升温速率 10 ℃/min,N2气保护氛围。
将晶体收集研磨后在XRD上进行测试,扫描角度5°~50°,扫描速率1.5°/min。
将晶体在150 ℃下加热2h, 除去溶剂分子,所得粉末进行X射线粉末衍射。 之后,在体积分数10%的乙醇水溶液中悬浮搅拌24 h,过滤,干燥,所得粉末再次进行X射线粉末衍射测试。
分别将染料木素、黄连素-染料木素有机盐水合物晶体溶解在蒸馏水中,利用双光束UV-Vis测得最大吸收波长分别为263、261 nm。 在0~10 mg/L质量浓度范围内分别绘出染料木素、黄连素-染料木素有机盐水合物晶体的浓度-吸光度标准工作曲线。 染料木素的曲线方程 y=0.14298 x-0.00929, r2=0.99969,有机盐水合物的曲线方程为 y=0.09291 x+0.00675, r2=0.99946。 在37 ℃水浴振荡条件下,制得染料木素、黄连素-染料木素有机盐水合物晶体的饱和溶液,经微孔滤膜过滤,稀释。 分别通过测定最大吸收波长处的吸光度计算相应的溶解度。
黄连素-染料木素有机盐水合物属于单斜晶系,P21/c空间群。 晶体结构中包含一个黄连素阳离子[C20H18NO4]+、一个染料木素素阴离子[C15H9O5]-和2.5个结晶水,以及0.5个乙醇分子,其结构单元见图1。 染料木素7取代位的羟基失去质子变成染料木素阴离子。 5取代位上的羟基与4取代位的羰基形成分子内氢键(O3—H3••••O2,表3)。
 | 图1 晶体1的结构单元Fig.1 The structural unit of crystal 1 |
染料木素7取代位上的羟基阴离子与4'取代位上的羟基形成了氢键相互作用(O5—H5A••••O4,表3)。 沿着 c对称轴方向,染料木素阴离子被这种氢键作用连接成了一维的氢键链状结构(图2)。
 | 图2 晶体1中染料木素阴离子和水分子的二维氢键结构Fig.2 2D H-bonded structure of genistein anion and water in crystal 1 |
两个水分子之间通过氢键作用(O11—H11B••••O10, O10—H10B••••O11表3)连接在一起形成了一维的水链结构(图2)。同时这两个水分子与染料木素的羟基阴离子也形成了氢键作用(O11—H11A••••O4,O10—H10A••••O4表3)。 通过这些复杂的氢键作用,水分子与染料木素阴离子最终形成了一个二维的氢键超分子层状结构(图2)。 黄连素阳离子以及无序的乙醇分子分布在染料木素阴离子和水分子组成的超分子层之间,形成了密度为1.320 g/cm3的堆积结构(图3)。
 | 图3 晶体1的堆积结构Fig.3 The packing structure of crystal 1 |
柚皮素是与染料木素结构类似的黄酮类化合物,和三乙胺形成有机盐后,柚皮素7取代位上的羟基阴离子与4'取代位上的羟基也形成了类似的氢键相互作用[8]。 但柚皮素阴离子没能通过氢键作用引起有序的水链结构。 而染料木素阴离子通过氢键作用诱导生成了一维的氢键水链,水分子的这种超分子结构也影响了染料木素阴离子链的走向。 这表明黄酮类化合物阴离子因其结构的不同能够展现出完全不同的亲水性。
将制备出的大量晶体研细后进行X射线粉末衍射测试,测试结果如图4所示。 与单晶衍射所得到的模拟衍射图形相比,峰的数目和位置十分吻合。 这表明所制备的黄连素-染料木素有机盐晶体的晶体结构是一致的,纯度很高。 TG分析表明,有机盐水合物在30~150 ℃失去10%的质量(图5),这与溶剂的质量分数(10.1%)吻合。 DSC分析表明,该水合物在30~150 ℃展现了一个宽的吸热峰,对应着失去溶剂的过程。 在190 ℃开始出现的宽吸热峰,对应着该化合物的熔融分解过程。 X射线粉末衍射测试表明,失水后的无水物失去了结晶态成为了无定型状态。 无定型粉末在乙醇水溶液中悬浮24 h后,又可以转化成结晶的有机盐水合物结构(图4)。 这表明水分子的超分子结构对该有机盐水合物的结晶结构起着重要的支撑作用。 同时,无水物中的染料木素阴离子可以重新将水分子“固定”成一维的氢键链状结构。
 | 图4 晶体1的X射线粉末衍射谱图Fig.4 X-ray powder diffraction patterns of crystal 1 a.Simulated patterns; b.Experimental patterns; c.Experimental patterns after removing water; d.Experimental patterns after re-absorping water |
 | 图5 晶体1的TG(A)和DSC(B)谱图Fig.5 TG(A) and DSC(B) curves of crystal 1 |
纯的染料木素在水中的溶解度很低,在37 ℃条件下测得的溶解度为 4 mg/L。盐酸黄连素的溶解度约为4.9 g/L[14]。 形成黄连素-染料木素有机盐水合物后,染料木素的溶解度略微增加,达到15 mg/L。 由于达到有机盐电价平衡的需要,黄连素的溶解度变得极低。 染料木素与黄连素之间的电荷转移作用增强了染料木素的亲水性,从而使其溶解性略有增加。 但由于黄连素阳离子和染料木素阴离子的体积均比较大,致使水溶性提高不大。 特别是相对于氯离子,染料木素阴离子体积很大,导致黄连素的溶解度急剧下降。
本文制备了黄连素与染料木素的的有机盐水合物,并解析了其晶体结构。 结果表明,染料木素7取代位的羟基失去了质子变成了染料木素阴离子。 染料木素阴离子之间通过氢键作用生成了一维的氢键链状结构。 水分子通过氢键作用形成一维的链状结构,进而与染料木素阴离子形成二维的氢键网络结构。 该有机盐水合物在150 ℃加热下变成了无定型的无水物。 无定型粉末在乙醇水溶液中悬浮24 h后,可以转化成结晶的有机盐水合物结构。 形成有机盐水合物后,染料木素的溶解度略有增加。
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