槲皮素的热降解机理及其分解动力学研究

郭满满，肖卓炳，彭密军，于华忠，郭瑞轲

吉首大学林产化工工程湖南省重点实验室，张家界427000

槲皮素(quercetin)又名栎精，槲皮黄素，化学名为3，5，7，3'，4'-五羟基黄酮，分子量为302.23，属于植物雌激素，是具有类雌激素效应的天然化合物，具有很高的药用价值。它是一些中草药的有效成分，如菟丝子、桑寄生、筋骨草、毛耳草、蒲黄、白花败酱草、葫芦巴、荔枝、鱼腥草等中都含有丰富的槲皮素［1］，药典记载槲皮素是瓦松、银杏叶的主要成分。近年来，有关槲皮素的研究很多，其中在雌激素相关性疾病研究最多，主要包括乳腺癌、骨质疏松、前列腺癌、宫颈癌等疾病［2，3］。在这些疾病研究中，槲皮素主要表现为诱导肿瘤细胞凋亡，调节破骨细胞分化，调控体内雌激素代谢，对肿瘤黏附、侵袭、血管形成各过程都有影响［4-6］。与其他黄酮类药物药理作用相比，槲皮素有其独特性。它是许多中药材的有效成分之一，又是某些成药的质量指标。槲皮素应用非常广泛，主要为医药、日用化工和食品等行业。国内外对其药理、提取、分离纯化、含量检测等均有大量研究，但未见有对其热解机理及其动力学进行研究。

研究药物的热稳定性和热降解过程对药物的稳定性改进和存放期评价以及药物生产、开发决策控制有很大的现实意义和指导意义。而热分析技术是研究化合物热稳定性的重要手段［7-9］。为此，本研究应用TG-DTG技术来研究槲皮素的热分解行为，协同使用Kissinger法［10］、Ozawa法［10］、Achar法［10］和Coats-Redfern法［11］来推导其最可能的热分解机理，并求出相关的动力学参数。

1 材料与方法

1.1 材料

槲皮素标准品(由成都欧康植化科技有限公司提供，纯度为99.0%)

1.2 热重分析

热分析实验在德国NETZSCH公司生产的STA 409 PC/TG-DTG型热分析仪上进行。实验分别采用不同升温速率(5、10、15 K/min)在室温至700℃进行动态升温实验，试样用量控制在10 mg左右，以高纯度氮气(99.99%)为载气，流量为40 mL/min，系统自动采集数据，得到样品的TG-DTG曲线。

1.3 热分析动力学方法

1.3.1 多重升温速率法

(1)Kissinger法:

式中Tp为DTG曲线的峰温值，Eα为表观活化能，单位为kJ/mol，A为指前因子，单位为min-1，R为气体常数［单位J/(mol·K)］，β为升温速率。

分别分析多个TG-DTG曲线，取出β对应的Tp。求出各个 lnβ/和1/Tp。利用lnβ/对1/Tp作图，经最小二乘法线性拟合可得到动力学参数Eα、lnA和相关系数(r)。

(2)Ozawa法:

式中g(α)是最概然机制函数的积分形式，T是热力学温度，其他各符号的意义同上。

利用lgβ对1/T作图，依据最小二乘法用自编程序对基本数据进行线性回归，得动力学参数Eα及r。

1.3.2 单一升温速率法

(1)Coats-Redfern法:

以ln［g(α)/T2］对1/T作图，采用最小二乘法进行线性回归可得到一条直线，从截距ln(AR/βEα)和斜率(-Eα/RT)可求算出活化能Eα和指前因子A。

(2)Achar法:

式中，f(α)是微分形式机理函数，其它各符号的意义同上文。

以ln［(dα/dt)/f(α)］对1/T作图，采用最小二乘法拟合数据，从直线截距lnA和斜率(-Eα/RT)可求算出活化能Eα和指前因子A。

将实验数据T、转化率α、转化速率dα/dt用积分法Coats-Redfern方程和微分法Achar方程结合常用40种机理函数［12］，计算出Eα、lnA和线性相关系数r。当线性相关性较好(r接近于1)，且两种方法所得Eα和lnA最为接近，而且活化能与多速率扫描法处理结果一致时，所对应的机制函数即为该反应最可能的反应机制函数，相应的Eα和A即为该反应的活化能和指前因子。

本实验首先应用多重升温速率法求出反应的活化能Eα，再应用单一升温速率法(结合多重升温速率法求出的Eα)推测出最可能的热分解反应机制。

1.4 分子键级模拟

采用ChemOffice中的ChemDraw软件绘制化合物分子结构并在Chem3D中进行结构能量最小优化，然后运用Gaussian量子化学软件，采用Hartree-Fock从头计算法，在HF/3-21G*水平下计算分子键级，计算精度和收敛阀值取程序内定值，全部计算工作均在微机上完成［13］。

2 结果与讨论

2.1 槲皮素的热降解机理推断

图1为槲皮素分子的主要键级，图2为槲皮素在10℃/min下测定的热分析曲线(其他升温速率下与此相似)。

化合物的热分解分两步完成:第一步从57℃到180℃，根据键级大小推断断裂的化学键可能是C2-O10、C9-O10，C13-O17，结合失重率10.02%推断此步失重是失去两个O原子，理论失重率10.58%与之相吻合;第二步从180℃到402℃，根据槲皮素的键级强弱推断，可能是剩余分子中C12-O18键断裂和C9-C15键断裂，结合失重率25.43%推断此步只失去一个苯环，18-OH基团在断裂之后与9号键相连，理论失重率25.81%与之相吻合。

由表1可知，随着升温速率的增大，槲皮素的热分解温度也随着增大。说明随着升温速率的增大，槲皮素没有随之在同一温度下分解，槲皮素的热降解是一个缓慢的过程，由于温度快速升高致使槲皮素没有迅速达到完全快速的热传递，造成分子有效碰撞(分子动能)也随之向后推移。由于第二步之后分解比较复杂，不是简单的热分解过程，且残留的物质较少，所以只对前两步分解反应进行动力学分析。

表1 不同升温速率下的DTG峰温Table 1 Peak temperatures of DTG curves at different heating rates

2.2 槲皮素的热分解动力学

2.2.1 多速率法求取动力学参数

5、10、15℃/min 3种不同升温速率下，多速率Kissinger和Ozawa法计算标题化合物两步热分解在TG-DTG曲线所取的数据见表1。根据方程可求得动力学参数，见表2。

表2 采用Kissinger法和Ozawa法求得的动力学参数Table 2 Kinetic parameters by Kissinger and Ozawa method

2.2.2 热分解机制函数的推断

采用β为10℃/min的TG-DTG曲线作为单速率法的基础数据。Achar法和Coats-Redfern法同时进行，相互印证。对两步失重的单速率法计算时，数据见表3。

表3 采用Achar、Coats-Redfern法计算所需的两步失重数据(β=10℃/min)Table 3 Two-stage weightlessness data by Achar and Coats-Redfern methods(β=10℃/min)

将数据T、α、dα/dt用积分法Coats-Redfern方程和微分法Achar方程结合常用40种机制函数，计算出Eα、lnA和r(表4)。当线性相关性较好，两种方法所得Eα和lnA最为接近，且活化能与多速率扫描法处理结果一致时，所对应编号的机制函数即为该反应最可能的反应机制函数，相应的Eα和A即为该反应的活化能和指前因子。

表4 采用Coats-Redfern、Achar法求得的具有较好线性相关的动力学参数(β=10℃/min)Table 4 Linearly dependent kinetic parameters by Achar and Coats-Redfern methods(β=10℃/min)

2.2.3 动力学参数确定

将表2与表4结果对比可知，第一步失重机制函数为16号，第二步为36号时，线性相关性较好(r接近于1)，两种方法所得Eα和lnA最为接近，并且由Achar与Coats-Redfern方程计算出的Eα和lnA与Ozawa法和Kissinger法计算的结果较为接近。

表5 两步分解的动力学参数Table 5 Kinetic datas for the two-stage weightlessness

表5比较了在不同方法所得动力学参数。可以确定第一步热分解为随机成核与随后生长控制机制，符合Avrami-Erofeev方程，Eα=95.69 kJ/mol，lnA=28.61，f(α)=1-α，g(α)=-ln(1-α);第二步热分解为化学反应控制机制，符合反应级数方程，Eα=286.99 kJ/mol，lnA=56.07，f(α)=(1-α)2，g(α) =(1-α)-1-1。

2.3 槲皮素贮存期的推断

根据求算得到的第一步分解Eα和A，则在一定反应温度Tc下的反应速率常数k=Ae-Ea/RTc，进一步求算得到不同贮存温度下对应的反应速率常数k和负对数值pk。在贮存温度下，根据药品pk值和药品商品规定贮存期的相关性［14］，即pk＜3.5的区间内，贮存期不到1年;4＜pk＜7.5的区间内，贮存有效期为1.5～2年;在7.5＜pk＜11的区间内，贮存有效期为3年;pk＞10.5的区间内，贮存有效期为4～5年。不同温度对应的贮存期对应的结果如下表所示。

表6 不同温度下槲皮素的贮存期Table 6 The shelflife of quercetin at different temperatures

由表6可知，槲皮素在室温下贮存期为1.5～2年，经推断温度与其贮存有直接关系，建议在较低温度下(低于-60℃)贮存槲皮素，以便于更长久的使用。

3 结论

升温速率的变化对槲皮素的热失重有明显的影响，随着升温速率的升高，样品的起始分解温度和终止分解温度均向高温移动，最大失重速率温度也随之升高。

通过热分析曲线，可知槲皮素的失重分两步，将单速率法——Achar法(微分法)和Coats-Redfern法(积分法)求得的结果，与多速率法——Kissinger法和Ozawa法的结果相互验证，基本一致。因此，通过热分析及其动力学方法来研究中药活性成分的热稳定性及其动力学参数是可行的，多种单速率法和多速率法相互印证更能确保结果的可靠性。

经Gaussian模拟和热重数据结合分析，槲皮素在第一步分解时，失去2个O原子;第二步分解时失去一个苯环;槲皮素第一步热分解(即热失效)表观活化能Eα=95.69 kJ/mol，lnA=28.61，微分机理函数f(α)=1-α，积分机理函数g(α)=-ln(1-α)。

根据第一步热分解的动力学参数推断在室温(25℃)下，槲皮素的贮存期为1.5～2年，建议在较低温度下(低于-60℃)贮存槲皮素，以便于更长久的使用。此结果可以为目前大量含槲皮素药品的质量监控和评价提供依据。本文所用热分析动力学方法，分析操作过程简便、快捷，仅需要微量(毫克级)样品，且可以得到各步分解过程的模型机理函数，这些优势都是传统的传统初均速率法分析药物稳定性所不具备的。

1 Yang Y(杨英)，Cao Y(曹阳)，Zhang TT(张婷婷)，et al.The pharmacologic actions progression of quercetin on estrogen related diseases.J Int Reprod Health/Family Planning (国际生殖健康/计划生育杂志)，2011，30:69-72.

2 Harris DM，Besselink E，Henning SM，et al.Phytoestrogens induce differential estrogen receptor alpha-or Beta-mediated responses in transfected breast cancer cells.Exp Biol Med (Maywood)，2005，230:558-568.

3 Rice-Evans CA，Miller NJ，Bolwell PG，et al.The relative antioxidant activities of plant derived polyphenolie flavonoids.Free Radic Res，1995，22:375-383.

4 Akbas SH，Timur M，Ozben T.The effect of quercetin on topotecan cytotoxicity in MCF-7 and MDA-MB 231 human breast cancer cells.J Surg Res，2005，125:49-55.

5 Choi EJ，Bae SM，Ahn WS.Antiproliferative effects of quercetin through cell cycle arrest and apoptosis in human breast cancer MDA-MB-453 cells.Arch Pharm Res，2008，31:1281-1285.

6 Devipriya S，Vani G，Ramamurthy N，et al.Regulation of intracellular calcium levels and urokinase activity in MDA MB 231 cells by quercetin.Chemotherapy，2006，52(2):60-65.

7 Wang SX(王韶旭)，Zhao Z(赵哲)，Tan ZC(谭志诚)，et al.Thermal stability and kinetics of thermal decomposition for protionamide.Acta Phys Chim Sin(物理化学学报)，2007，23:1459-1462.

8 Han S(韩森)，Zhu XM(朱小梅).Thermal analysis of norfloxacin.Chin J New Drugs(中国新药杂志)，2007，16: 1104-1107.

9 Zhu XM(朱小梅).Thermal stability and thermal decomposition kinetics of ofloxacin.Chem World(化学世界)，2008: 333-335.

10 Hu RZ(胡荣祖)，Shi QZ(史启祯).Thermal Analysis Kinetics (热分析动力学).Beijing(北京):Science Press，2001.

11 Zhang LM(张黎明)，Li X(李霞)，Sun Q(孙茜)，et al.Thermal characterization and decomposition kinetics of Rhein and Emodin.Nat Prod Res Dev(天然产物研究与开发)，2007，19:458-460.

12 Ren N(任宁)，Zhang JJ(张建军)，Zhang CY(张存英)，et al.Thermal decomposition kinetics of Sm(ш)complex with o-Nitrobenzoate and 1，10-phenanthroline.Chin J Inorg Chem (无机化学学报)，2007，23:1078-1084.

13 Wang XJ(王学杰)，You JZ(游金宗).Thermal decomposition mechanism and kinetics of stavudine.Chin J App Chem (应用化学)，2011，28:709-715.

14 Chen DH(陈栋华)，Tang WJ(唐万军)，Li LQ(李丽清)，et al.Thermal decomposition kinetics of shelflife of drugs.J South-central Coll National(中南民族大学学报)，2002，21 (4):1-4.