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羟基酪醇的热稳定性和分解动力学研究

2022-08-14 来源:爱问旅游网
第36卷第6期 2016年12月 林 产 化 学 与 工 业 Chemistry and Industy of Forestr Products Vo1.36 No.6 Dec.20l6 doi:10.3969/j.issn.0253-2417.2016.06.014 羟基酪醇的热稳定性和分解动力学研究 ▲ 原(1.化中国学林工业程2.科重中学点国研开林究放业院性科油姣林实学橄验产研姣榄化室究 开学;,院江发工叶苏林有业省建研限新生责究中技物任所 术质公,;生研能王司物究源,成质所与甘化章材,肃学北 料利’陇京重用南点,1国07实刘4家0验69工玉10室程;红3), 实.江陇验苏南室市;南国祥京家宇林 21业0局42林; 产 摘要: 研究不同升温速率(口=5、10、20、40 K/min)下羟基酪醇的热稳定性、分解动力学和贮存期。 利用热重分析得到羟基酪醇在氮气氛围中不同升温速率( )下的热分解曲线,运用3种多升温速率法Kissinger法、 Friedman法和Flynn.Wal1.Ozawa法以及2种单升温速率方法Coats.Redfern法和Achar法进行动力学分析,计算热分解的 表观活化能( )和指前因子(A),且根据 和A推算羟基酪醇的贮存期。结果显示:羟基酪醇的热分解过程一步完成,在 升温速率为10 K/min时,从260~409℃为羟基酪醇的主要失重阶段;TG曲线随着温度的升高而迅速出现陡峭明显的失重 台阶,DTG曲线亦出现负值,且随着温度的升高而急剧下降,在305.2 oC达到了DTG的峰值,此时达到最大热失重速率 为一12.91%/min;升温速率的变化对羟基酪醇的分解有影响,随着速率的升高,羟基酪醇的热分解温度逐渐升高,热分解 曲线略微向高温移动,呈现了分解滞后现象。羟基酪醇的热分解机制符合一维扩散(D。)模型。测得平均E 为122.40 kJ/reel, A为3.37×10 min-。。根据E。和A可推断,在室温25℃下,羟基酪醇在氮气氛围下的理论贮存期为4~5年。 关键词:羟基酪醇;热分析;热重;热分解动力学;贮存期 中图分类号:TQ35 文献标识码:A 文章编号:0253.2417(2016)06—0087—06 引文格式:原姣姣,叶建中,王成章,等.羟基酪醇的热稳定性和分解动力学研究[J].林产化学与工业,2016,36(6):87-92. Thermal Stability and Decomposition Kinetics of Hydroxytyrosol YUAN Jiao.jiao ,YE Jian.zhong ,WANG Cheng—zhang , ,LIU Yu hong (1.Institute of Chemical Industry of Forest Products,CAF;National Engineering Lab.for Biomass Chemical Utilization; Key and Open Lab.of Forest Chemical Engineering,SFA;Key Lab.of Biomass Energy and Material,Jiangsu Province, Nanjing 210042,China;2.Research Institute of Forestyr New Technology,CAF,Beijing 100091,China; 3.Longnan Xiangyu Olive Development Co.Ltd.,Longnan 746000,China) Abstract:The thermal stability decomposition kinetics and shelflife of hydroxytyrosol were studied at different heating rates ( =5,10,20,40 K/min).Thermal decomposing curves were obtained in the nitrogen atmosphere by TG analysis.Five thermal analysis kinetic methods of muhi・heating rate methods(Kissinger,Friedman,Flynn—Wall—Ozawa)and single heating rate methods(Coats—Redfern and Achar)were used to speculate the probable mechanism of themral decomposing reaction and the kinetic parameters including activation energy Ea and pre—exponential factor A.The shellfife of hydroxytyrosol at room temperature (25 cc)was calculated by the kinetic parameters.The TG CuTve showed the decomposition of hydroxytyrosol was finished by oue step.and the temperature of 260—409℃was the main thermal decomposition stage at the heating rate of 10 K/min.With the increase of temperature,the steep and obvious weight loss occurred rapidly in the TG analysis.The DTG curve presented as negative value and decreased rapidly with the maximum loss ratio of一12.91%/min at 305.2℃.With the increase of the heating rate,thermal decomposing temperature of hydroxytyrosol rose,the thermal decomposing curves moved toward high 收稿日期:2016一Ol-27 基金项目:甘肃省科技重大专项(143NKDK025);国际科技合作专项项目(2014DFR31300) 作者简介:原姣姣(1988一),女,山西晋城人,博士生,从事天然产物化学研究 通讯作者:王成章,男,研究员,博士,博士生导师,主要从事天然产物研究与利用工作;E-mail:wangczlhs@sina.conl。 88 林产化学与工业 第36卷 temperature slightly and the decomposition showed hysteresis phenomenon.The probable kinetic mechanisms of thermal decomposition were one—dimensional difusion.The average apparent activation energy(Ea)was 122.40 kJ/mol and pre— exponential factor(A)was 3.37×10 。min~.The theoretical shelliffe of hydroxytyrosol at room temperature was about 4-5 years in the nitrogen atmosphere. Key words:hydroxytyrosol;thermal analysis;thermogravimatry;thermal decomposition kinetics:shemife 羟基酪醇是一种存在于油橄榄(Olea europaea L.)植物中的多酚类化合物,可从橄榄油、加工橄榄 油废水以及橄榄叶中分离得到。前期诸多研究 表明:羟基酪醇清除自由基能力强,表现出独特的生 物活性,如抗氧化、抗菌、抗炎、改善心脏的冠脉血流等,而且还能抑制人类早幼细胞白血病细胞 HL60l6 J、腺癌细胞HT29及HT29克隆体19A_7 J、女性乳腺癌MCF-7细胞 等扩散,通过阻滞肿瘤细胞 的循环及诱发其凋亡,得到很好的抗癌活性。由于羟基酪醇结构有多个羟基,具有很强的不稳定性,使 得其制剂成品的生物利用度很低,大大影响了其相关制剂的质量和临床应用效果。药品的热稳定性对 于药品的稳定性和贮存期的评价,以及药品生产过程中的质量控制和工艺优化均具有重要意义。而热 分析法是研究化合物热稳定性的一种简便快捷的方法 ¨。作者对活性成分羟基酪醇的热稳定性、热 分解过程以及分解动力学进行研究,并推算出其贮存期,旨在为羟基酪醇制备工艺和药用开发应用提供 参考。 1 实验 1.1材料及仪器 羟基酪醇(3,4-i.羟基苯乙醇),纯度I>98%,美国Sigma公司,结构见右图。HO、 、r//、 TG-209型热重分析仪,德国NETZSCH公司。 H0//』 0H 1.2热解分析 热解分析过程在热重(TG.DTG)分析仪上进行。每次称取10 mg左右的样品,分别采用5、l0、20 和40 K/rain的线性升温速率从室温升至900 oC,以高纯氮气作为保护气(流量为40 mL/min),氧化铝 坩埚盛样,对样品质量变化(TG DTG曲线)进行同步记录。 1.3热分解的动力学研究 采用3种多升温速率方法Kissinger法、Friedman法和Flynn.Wall-Ozawa法(等转化率法)和2种单 一升温速率Coats.Redfern法和Achar法对5、1O、2O、40 K/min的热重数据和微分热重数据进行分析, 5种方法同时进行,相互验证 卜 ]。 1.3.1 Kissinger法计算公式如下: ln(鲁 n( ・ + (1) 式中: 一升温速率,K/min; 一特征温度(DTG曲线最大热失重速率时的温度),K; 一气体常数, 8.314 J/(tool・K);E 一表观活化能,kJ/mol;A一指前因子,min~。 1 根据不同卢下羟基酪醇最大热失重速率rm,通过In( )对‘ 作图,可得到两者的线性关系,通过 斜率和截距求取E A以及相关系数(R )。 1.3.2 Friedman法计算公式如下: 1n(警l~j)=一意+In( j)) (2) 式中:卜热力学温度,K;厂( )一微分形式机理函数; ~转化率 =(W起始一wj)/( 起始一 终止), W起始(或终止)为每步分解起始(或终止)时的质量分数,%; 一转化率 j对应的热力学温度,K。 第6期 原姣姣,等:羟基酪醇的热稳定性和分解动力学研究 89 在TG曲线上选取相同 的不同J8下对应的警和 ,通过ln dx灯 ̄, 1作,L图,得到斜率一鲁和截距 ln( ))。 Eal :ln(A)_ln ).5_33。5_1.052 1.3.3 Flynn—Wall-Ozawa法(FWO法)计算公式如下: 百(3) 式中:g( )一积分形式机理函数。 在TG曲线上选取相同 的不同/3下对应的 ,通过l 对寺作图,经最小二乘法线性拟合得到的 斜率计算E 和R 。 1.3.4 Coats.Redfern法计算公式如下: n (、  E )一EaRT (4)、  以ln[g(x)/T2]对1/T作图,经最/b-乘法线性回归得一直线,从斜率和截距可求得E 和A。 1.3.5 Achar法计算公式如下: ln[ ]=lnA一 (5) 通过ln 考 ]对寺作图,采用最小二乘法线性回归得一直线,通过斜率和截距求出Ea和A0 2结果与分析 2.1羟基酪醇的TG-DTG分析 利用热重分析仪对羟基酪醇热失重过程进行记录,图1为升温速率10 K/min的TG—DTG曲线。从 图1可看出。羟基酪醇的分解一步完成,260 oC以前为稳定阶段,TG曲线和DTG曲线一直都平滑无降 低,说明在此之前羟基酪醇一直处于稳定状态而未分解。 260℃之后,羟基酪醇开始剧烈分解,TG曲线随着温度升高 而迅速出现陡峭明显的失重台阶,DTG曲线出现负值,且随 f .量 着温度升高而急剧下降,在305.2 oC达到了DTG的峰值,此 罗 时最大热失重速率为一12.91%/min。由图可以看出热分解 0 在260~409 oC为羟基酪醇主要失重阶段,其分解作用基本 完成;在409—900℃为缓慢失重过程,且由羟基酪醇的TG 曲线可知此时其残留质量为2.68%。而TG—DTG曲线在 409—900 oC的升温过程中一直呈平滑曲线,说明此时的羟基 图1羟基酪醇的热重-微热重曲线 酪醇已经分解完成。因此要保持羟基酪醇不分解,应保证外 Fig.1 TG-DTG curves of hydroxytyrosol 界温度不能超过260 oC。 图2为羟基酪醇在不同升温速率下的TG.DTG曲线图。通过考察不同升温速率对热重过程的影 响,可看出不同升温速率下,热解过程的总体变化趋势大致相同,且随着升温速率的升高,羟基酪醇样品 出现热失重滞后现象以及热失重过程明显加深。 表1列出了不同升温速率下羟基酪醇热解特性参数,同时也可看出升温速率的变化对羟基酪醇的 分解有影响。随着升温速率提高,热失重的起始温度( )、终止温度(t )和最大热失重速率温度(t ) 均向高温区移动,且热分解程度也加剧。对羟基酪醇的 (Tm=t +273.15)和不同 的变化情况进 行线性拟合 ,可得到相关关系式。 林产化学与工业 第36卷 l蛊 g 凸 ——5℃/min;…1O℃,min;……一20℃/min;一-一4O℃/min 图2不同升温速率对羟基酪醇的TG-DTG影响 Fig.2 Effects of diferent heating rates on TG-DTG of hytroxytyrosol 羟基酪醇最大热失重速率温度和升温速率的的关系式Tm=1.365 7/3+560.87,相关系数R = 0.981 8。可见 与 有很好的线性关系,且羟基酪醇在卢=0 K/min、N 气氛中的平衡热分解温度为 560.87 K。 表1不同升温速率下羟基酪醇热解特性参数 Table 1 The pyrolysis characteristic parameters of hytroxyt ̄rrosol 2.2羟基酪醇热分解动力学特性研究 2.2.1 多速率Kissinger法在 曲线所取数据见表2,由ln(吾)对忐作图,求得E 为109.26 kJ/mol, lnA为21.82, 为0.9424 o 2.2.2 多速率Friedman法和FWO法表3中列出了 表2采用Kissinger法计算所得热解动力学参数 不同转化率下( =0.1—0.6)的羟基酪醇分解表观活化 Table 2 Kinetic parameters of Kissinger method 能(E ),其相关系数在0.9以上,说明数据可靠真实。 由TG和DTG图可看出转化率( )在0.7,0.8,0.9时羟 基酪醇物质已经接近分解结束状态,其分解曲线出现部 分重叠状态,所以得到的线性r 偏离线性,且E 值异 常,故舍弃这些不真实的数据。由表3数据可看出,随着 转化率的增大,活化能总的趋势也随之增大,说明羟基酪 醇的热分解难度是逐渐增大的。对不同转化率下的活化能求其平均值,可得出Friedman法和FWO法 的E 分别为125.29和120.98 kJ/mol。 2.2.3单一升温速率Coats—Redfern法和Achar法Coats.Redfern法和Aehar法计算所需数据为升温速 率20 ̄C/min,温度范围为270~420 cC。利用热分析数据T, ,dx/dt,用Coats—Redfern法和Achar法结 合文献报道的热分解常见的15种机制函数Ⅲ1 ,计算出E lnA和 。当线性相关性较好,且与多速率 法所得结果大概一致时所对应的机制函数为最可能的反应机制函数。表4显示了两种方法中具有相关 系数较好的机制函数及相关参数,可看出相关系数最好且和多速率法所得结果最为一致的是函数D1 (一维扩散),Coats.Redfern法和Achar法的E 分别为133.69和122.80 k]/mol。 第6期 原姣姣,等:羟基酪醇的热稳定性和分解动力学研究 9l 表4 Coats-Redfern法和Achar法具有较好线性相关的动力学参数 Table 4 Linear correlation kinetic parameters obtained by Coats-Redfern and Achar methods 2.3热分解动力学参数确定 5种方法得到热分解动力学参数具体见表5,求得平均值为:E =122.40 kJ/mol,l = 24.24 min~,A为3.37×10m min~。因此确定羟基酪醇热分解机制为一维扩散控制,积分函数为 g( )= ,微分函数为 )=1/(2x)。 表5羟基酪醇的热分解动力学参数 Table 5 Kinetic datas for the thermal decomposition of hydroxytyrosol 2.4羟基酪醇贮存期的推断 根据阿伦尼乌斯公式,在一定反应温度(T)下的反应速率常数 =Aexp(一E /(RT)),将上述计算 的E (122.40 kJ/mo1)和lnA(24.24)代人公式,可求得在室温T=25℃时, 的负对数值pk=10.93。 在室温25℃,根据药品 值和药品商品规定贮存期的相关性 ,即pk<3.5,贮存期不足1年;在 4<pk<7.5,贮存有效期为1.5~2年;在7.5<pk<10.5内,贮存期有效期为3年;pk>10.5贮存有效 期为4~5年。因此推断,羟基酪醇在氮气氛围下的理论贮存期为4—5年。 3结论 3.1利用了热重一微热重(TG—DTG)分析技术对不同升温速率下羟基酪醇进行研究。热重曲线结果表 明羟基酪醇分解一步完成,260~409℃为其热分解的主要失重阶段。随着升温速率的提高,羟基酪醇 林产化学与工业 第36卷 的热分解温度逐渐升高,热分解曲线略微向高温移动,呈现了分解滞后现象。最大失重速率也随之增 加,且最大热失重速率温度( )和不同升温速率(卢)呈现很好的拟合现象, =1.365 73+560.87,相 关系数R =0.981 8。 3.2采用单速率法和多速率法确定了羟基酪醇的热分解动力学参数(E =122.40 kJ/tool,A为3.37 x 10m min )。由此确定羟基酪醇热分解机制为一维扩散控制,积分函数为g( )= ,微分函数 )=1/(2x)。 3.3羟基酪醇热分解表观活化能较高,说明羟基酪醇在氮气气氛中对热相对稳定,由此推断羟基酪醇 在室温下氮气氛围下的理论贮存期为4~5年。 参考文献: [1]VISIOLI F,CARUSO D,PLASMATI E,et a1.Hydroxytyrosol,as a component of olive mill waste water,is dose—dependently absorbed and increases the antioxidant capacity of rat plsama[J].Free Radical Research,2001,34(3):301—305. 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