天然药用小分子共晶：设计策略、结构解析与应用前景探究

天然药用小分子共晶：设计策略、结构解析与应用前景探究一、引言1.1研究背景与意义在药物研发领域，寻找和开发具有优良性能的药物一直是核心任务。药物的疗效在很大程度上依赖于活性药物组分（API）的理化性质以及所选择的剂型，不同的药物固体形态往往具有不同的理化性质，这对药物的溶解度、溶出速率、稳定性、生物利用度等关键性能产生显著影响。传统上，药物的固体形态主要包括多晶型、水合物、溶剂化物以及盐。然而，随着研究的深入，药物共晶作为一种新型的药物固体形态，逐渐成为药物研发领域的研究热点。药物共晶是由活性药物组分与其他生理上可接受的固体物质，通过氢键等非共价键的形式结合在同一晶格中而形成。当API存在于药物共晶中时，从共价键角度来看，其本身并未发生变化，因而能够保持原有的药效。与此同时，药物共晶在改善药物性能方面展现出独特优势，如显著提高药物的溶解度、生物利用度和稳定性等。尤其是对于口服药物制剂，药物共晶的这些特性有助于提高药物的吸收效率，增强治疗效果，减少用药剂量和降低毒副作用。例如，卡马西平是一种抗癫痫药物，但其水溶性较差，导致生物利用度较低。通过与糖精形成共晶，卡马西平在小肠中的溶解度得到了大幅提高，从而增强了其治疗效果。天然药用小分子作为药物研发的重要资源，具有独特的生物活性和药用价值。然而，许多天然药用小分子也面临着一些问题，如溶解度低、稳定性差等，这些问题限制了它们的临床应用和进一步开发。将天然药用小分子制备成共晶，为解决这些问题提供了新的途径。通过合理选择共晶形成物，可以有效地改善天然药用小分子的理化性质，提高其药物性能。研究天然药用小分子共晶不仅有助于解决现有药物的性能缺陷，还能为新药研发提供新的思路和方法。一方面，对于那些因理化性质不佳而难以开发成药物的天然药用小分子，共晶技术可以改善其性能，使其具备成为药物的潜力。另一方面，新的天然药用小分子共晶的开发可以丰富药物的种类，为临床治疗提供更多的选择。此外，药物共晶作为一种新型的药物固体形态，其研究也有助于推动药物晶体工程学的发展，深化对药物分子间相互作用和晶体结构的理解。1.2国内外研究现状药物共晶的研究始于20世纪90年代，近年来在国内外都取得了显著的进展。国外的研究起步较早，在药物共晶的基础理论、制备技术、结构解析以及应用开发等方面都开展了大量的工作。在基础理论研究方面，国外学者深入探讨了药物共晶的形成机制，研究了分子间作用力如氢键、π-π堆积、范德华力等在共晶形成中的作用。例如，通过量子化学计算和分子动力学模拟等方法，研究共晶形成过程中分子的相互作用和构象变化，为共晶的设计和预测提供了理论基础。在共晶形成物（CCF）的选择方面，建立了一系列的筛选策略和模型，综合考虑CCF的物理化学性质、与API的互补性以及安全性等因素，以提高共晶筛选的效率和成功率。在制备技术上，国外开发了多种先进的制备方法，如溶液结晶法、熔融结晶法、研磨法、超临界流体法等。这些方法各有优缺点，适用于不同类型的药物共晶制备。例如，溶液结晶法是最常用的方法之一，通过控制溶液的浓度、温度、溶剂等条件，可以精确控制共晶的生长和结晶过程，从而获得高质量的共晶产品。超临界流体法具有环保、高效等优点，特别适用于对热敏感的药物共晶制备，通过超临界流体的特殊性质，促进药物分子与CCF的相互作用，实现共晶的快速制备。在结构解析方面，X射线单晶衍射（SCXRD）、粉末X射线衍射（PXRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、差示扫描量热法（DSC）等多种分析技术被广泛应用。SCXRD是确定共晶晶体结构的最准确方法，可以提供共晶中原子的精确位置和分子间的相互作用信息。PXRD则用于对多晶样品的结构分析，通过与标准图谱对比，可以鉴定共晶的物相和纯度。FT-IR和DSC等技术可以辅助分析共晶的形成，通过检测特征吸收峰和热行为的变化，判断共晶中分子间的相互作用和结晶状态。在应用开发方面，国外已经有多个药物共晶产品成功上市，如辉瑞公司的盐酸氨溴索-富马酸共晶（商品名：Fasudil），用于治疗脑血管痉挛等疾病。这些成功案例证明了药物共晶在改善药物性能方面的有效性和可行性，也为后续的药物共晶研发提供了宝贵的经验。此外，国外还在不断探索药物共晶在新剂型、新给药途径以及联合用药等方面的应用，拓展药物共晶的应用领域。国内对药物共晶的研究相对较晚，但近年来发展迅速，在多个方面也取得了一定的成果。在理论研究方面，国内学者结合实验和计算化学方法，深入研究药物共晶的形成规律和稳定性。例如，通过密度泛函理论（DFT）计算，研究共晶中分子间的电子结构和相互作用，揭示共晶的形成机制和稳定性因素。在共晶筛选方面，提出了一些新的筛选思路和方法，如基于分子对接和药效团模型的虚拟筛选方法，可以快速从大量的CCF中筛选出潜在的共晶形成物，提高筛选效率和命中率。在制备技术上，国内对传统的制备方法进行了改进和优化，同时也积极探索新的制备技术。例如，在溶液结晶法中，通过引入超声波、微波等辅助手段，促进共晶的成核和生长，提高共晶的产率和质量。在新制备技术方面，开展了微流控技术在药物共晶制备中的应用研究，利用微流控芯片的精确控制和快速混合特性，实现共晶的高通量制备和精确调控。在结构解析方面，国内建立了完善的分析技术平台，能够综合运用多种分析技术对药物共晶进行全面的表征和分析。除了常用的XRD、FT-IR、DSC等技术外，还引入了一些新的技术，如高分辨魔角旋转核磁共振（HR-MASNMR），可以在接近生理条件下研究共晶的结构和动力学性质，为共晶的结构解析和性能研究提供了新的手段。在应用方面，国内针对一些具有重要临床价值的药物，开展了共晶研究，取得了一定的进展。例如，对一些难溶性的中药活性成分，通过制备共晶来改善其溶解度和生物利用度。在专利申请方面，国内药物共晶相关的专利数量逐年增加，反映了国内对药物共晶研究的重视和投入不断加大。尽管国内外在天然药用小分子共晶的研究方面取得了诸多成果，但仍存在一些不足和待突破点。在共晶设计方面，目前的理论模型和筛选方法虽然取得了一定的进展，但仍难以准确预测共晶的形成和性能，需要进一步完善和发展更加准确、高效的共晶设计理论和方法。在制备技术上，现有的制备方法大多存在操作复杂、成本高、产率低等问题，难以满足工业化生产的需求，需要开发更加简便、高效、低成本的制备技术。在结构解析方面，对于一些复杂的共晶体系，现有的分析技术还存在一定的局限性，需要发展更加先进的分析技术和方法，以深入研究共晶的结构和性质。此外，在药物共晶的安全性和有效性评价方面，还缺乏完善的评价体系和标准，需要进一步加强相关研究，为药物共晶的临床应用提供科学依据。1.3研究目的与创新点本研究旨在通过对几种天然药用小分子共晶的深入研究，探索其设计方法与解析技术，为天然药用小分子的开发和应用提供新的思路和方法。具体而言，研究目的包括以下几个方面：开发高效的共晶设计方法：通过理论计算与实验相结合的方式，深入研究天然药用小分子与共晶形成物之间的相互作用规律，建立基于分子结构和相互作用的共晶设计模型，实现共晶的理性设计和筛选，提高共晶制备的成功率和效率。解析共晶的晶体结构与性能关系：运用先进的结构解析技术，如X射线单晶衍射、粉末X射线衍射、傅里叶变换红外光谱等，精确测定共晶的晶体结构，分析共晶中分子间的相互作用模式，揭示晶体结构与共晶性能之间的内在联系，为共晶性能的优化提供理论指导。探索共晶对天然药用小分子性能的改善：系统研究共晶对天然药用小分子溶解度、稳定性、生物利用度等关键性能的影响，评估共晶在药物开发中的应用潜力，为解决天然药用小分子在临床应用中面临的问题提供有效的解决方案。本研究的创新点主要体现在以下几个方面：多学科交叉的研究方法：综合运用药物化学、晶体工程、材料科学、计算化学等多学科的理论和技术手段，从分子设计、晶体结构解析到性能测试与评价，对天然药用小分子共晶进行全方位、系统性的研究，突破传统单一学科研究的局限性，为药物共晶的研究提供新的视角和方法。基于分子相互作用的共晶设计策略：在共晶设计过程中，不仅仅关注共晶形成物的物理化学性质，更深入研究天然药用小分子与共晶形成物之间的分子间相互作用，如氢键、π-π堆积、范德华力等，通过合理调控这些相互作用，实现共晶的精准设计和性能优化，提高共晶设计的科学性和有效性。新的共晶体系的探索：选取具有独特生物活性和药用价值，但存在性能缺陷的天然药用小分子作为研究对象，尝试与多种新型共晶形成物进行组合，探索新型天然药用小分子共晶体系，丰富药物共晶的种类和研究内容，为新药研发提供更多的候选药物。二、天然药用小分子共晶基础2.1共晶的定义与特点共晶是一种独特的晶体材料，它由至少两种不同的分子或离子化合物，在同一晶格中通过非共价键相互作用而形成的单相结晶固体。这些化合物既不是溶剂化物，也不是简单的盐，而是以特定的化学计量比共存于晶体结构中。在药物领域，药物共晶特指活性药物组分（API）与其他生理上可接受的固体物质（共晶形成物，CCF），通过氢键、π-π堆积、范德华力等非共价键的形式结合在同一晶格中所构成的晶体。这种结合方式使得药物共晶既保持了API原有的药效，又能通过与CCF的协同作用，展现出与单一药物不同的物理化学性质。共晶与其他晶体形式，如盐、溶剂化物和多晶型，存在显著的区别。盐是由酸和碱通过质子转移形成的离子化合物，其晶体结构中存在离子键。例如，盐酸氨溴索是氨溴索与盐酸反应形成的盐，其中存在铵根离子和氯离子之间的离子键。而共晶中分子之间主要通过非共价键相互作用，不存在质子的转移。溶剂化物则是晶体与溶剂分子通过物理吸附或弱化学作用结合而成，当溶剂分子去除后，晶体结构可能会发生改变。例如，一些药物的水合物，失去结晶水后，晶体的性质和结构会发生变化。共晶在去除CCF后，其晶体结构会被破坏，形成的是不同的物质。多晶型是指同一化合物存在两种或两种以上不同的晶体结构，它们具有相同的化学组成，但晶格排列和分子间相互作用不同。共晶是由不同的分子组成的新的晶体结构，与多晶型有着本质的区别。药物共晶具有一系列独特的性质，这些性质为药物的开发和应用带来了诸多优势。共晶能够显著改善药物的溶解度和溶出速率。药物的溶解度和溶出速率是影响其生物利用度的关键因素，对于难溶性药物来说，这一问题尤为突出。通过与合适的CCF形成共晶，可以改变药物分子的晶体结构和分子间相互作用，从而提高药物在溶液中的溶解度和溶出速率。研究表明，将难溶性药物伊曲康唑与富马酸形成共晶后，其在水中的溶解度提高了数倍，溶出速率也明显加快，这为提高伊曲康唑的生物利用度提供了有效的途径。药物共晶能够增强药物的稳定性。药物在储存和使用过程中，可能会受到温度、湿度、光照等因素的影响而发生降解或变质。共晶的形成可以通过分子间的相互作用，稳定药物分子的结构，减少外界因素对药物的影响。例如，卡马西平与糖精形成的共晶，在高温和高湿度条件下，其稳定性明显优于卡马西平单体，能够更好地保持药物的活性和质量。药物共晶还具有调节药物释放行为的潜力。通过选择不同的CCF和控制共晶的制备条件，可以设计出具有特定释放特性的药物共晶，实现药物的缓释或控释。这对于一些需要长期维持药物浓度的疾病治疗具有重要意义。例如，将布洛芬与尿素形成共晶，可以通过共晶的溶解特性，实现布洛芬的缓慢释放，延长药物的作用时间，减少服药次数，提高患者的顺应性。药物共晶在提高药物的可加工性方面也具有一定的优势。良好的可加工性对于药物制剂的生产和制备至关重要。共晶的晶体形态、粒径分布、流动性等物理性质可以通过制备方法和CCF的选择进行调控，从而满足不同制剂工艺的要求。例如，某些药物共晶具有较好的流动性和可压性，有利于制备片剂、胶囊等固体剂型，提高生产效率和产品质量。2.2天然药用小分子的常见类型及特性天然药用小分子来源广泛，种类繁多，常见的类型包括生物碱类、黄酮类、萜类、甾体类、醌类等。这些天然药用小分子具有独特的化学结构和多样化的药理活性，在药物研发中具有重要的应用价值。同时，它们也具备一定的成共晶潜力，为改善其药物性能提供了新的途径。生物碱是一类含氮的有机化合物，具有复杂的环状结构。它们广泛存在于植物中，许多生物碱具有显著的药理活性。例如，吗啡是一种从鸦片中提取的生物碱，具有强大的镇痛作用，其化学结构中含有多个环状结构和一个碱性氮原子。通过与不同的共晶形成物形成共晶，可以改善吗啡的溶解度和稳定性。研究发现，吗啡与对苯二甲酸形成的共晶，在水中的溶解度明显提高，这是由于共晶形成过程中，吗啡分子与对苯二甲酸分子通过氢键相互作用，改变了吗啡分子的晶体结构和分子间相互作用，从而提高了其在水中的溶解能力。黄酮类化合物是以2-苯基色原***为基本母核的一类化合物，具有多个羟基和羰基等官能团，这些官能团赋予了黄酮类化合物良好的氢键形成能力，使其在成共晶方面具有较大的潜力。芦丁是一种常见的黄酮类化合物，存在于许多植物中，如槐米、荞麦等。芦丁具有抗氧化、抗炎、降血脂等多种药理活性。然而，芦丁的水溶性较差，限制了其在药物制剂中的应用。通过与合适的共晶形成物形成共晶，可以改善芦丁的溶解度。有研究表明，芦丁与烟酰胺形成的共晶，在水中的溶解度得到了显著提高。这是因为芦丁分子中的羟基与烟酰胺分子中的羰基形成了氢键，破坏了芦丁分子之间原有的强相互作用，使共晶在水中更容易溶解。萜类化合物是一类由甲戊二羟酸衍生而成的化合物，根据分子中异戊二烯单位的数目可分为单萜、倍半萜、二萜等。许多萜类化合物具有重要的药用价值。紫杉醇是一种二萜类化合物，具有独特的抗癌活性，其化学结构复杂，含有多个环状结构和官能团。由于紫杉醇的水溶性极低，在临床应用中常面临制剂难题。通过制备共晶来改善紫杉醇的溶解度是一个研究热点。研究人员尝试将紫杉醇与一些共晶形成物如环糊精等形成共晶，发现共晶的形成可以显著提高紫杉醇在水中的溶解度。环糊精具有特殊的环状结构，可以与紫杉醇分子形成包合物，增加紫杉醇分子在水中的分散性，从而提高其溶解度。甾体类化合物具有环戊烷骈多氢菲的基本母核，在自然界中广泛存在。许多甾体类化合物具有重要的生理活性，如甾体激素等。地塞米松是一种甾体类糖皮质激素，具有抗炎、抗过敏、免疫抑制等作用。在药物制剂中，地塞米松的稳定性和溶解度是需要关注的问题。通过共晶技术，可以改善地塞米松的这些性能。研究发现，地塞米松与某些有机酸如苯甲酸形成共晶后，其稳定性得到了提高。这是因为苯甲酸与地塞米松分子之间形成了氢键等相互作用，稳定了地塞米松分子的结构，减少了其在外界因素影响下的降解。醌类化合物是指分子中具有不饱和环二酮结构（醌式结构）的一类化合物，包括苯醌、萘醌、菲醌和蒽醌等。它们在植物、微生物等中广泛存在，具有多种生物活性。大黄素是一种蒽醌类化合物，具有抗菌、抗炎、抗肿瘤等作用。大黄素的溶解度较低，限制了其应用。通过共晶技术，有望改善大黄素的溶解度。有研究尝试将大黄素与一些共晶形成物如尿素等进行共晶制备，初步结果表明，共晶的形成可以在一定程度上提高大黄素的溶解度，这可能是由于尿素分子与大黄素分子之间的相互作用改变了大黄素的晶体结构和分子间作用力，使其在溶剂中的溶解性能得到改善。2.3天然药用小分子共晶的作用和优势天然药用小分子共晶在药物研发中具有显著的作用和多方面的优势，其能够有效改善天然药用小分子的多种性能，为药物的开发和应用提供了新的途径和方法。在溶解度和溶出速率方面，许多天然药用小分子由于自身结构特点，存在溶解度低的问题，这严重限制了它们在体内的吸收和利用。药物共晶的形成可以通过改变药物分子的晶体结构和分子间相互作用，显著提高药物的溶解度和溶出速率。以芦丁为例，芦丁是一种常见的黄酮类天然药用小分子，具有多种药理活性，但水溶性较差。研究人员将芦丁与烟酰胺形成共晶，通过X射线单晶衍射等技术分析发现，共晶中芦丁分子的羟基与烟酰胺分子的羰基形成了氢键，这种分子间的相互作用打破了芦丁分子原本紧密的堆积方式，使得共晶在水中更容易溶解。实验数据表明，芦丁-烟酰胺共晶在水中的溶解度相较于芦丁单体提高了数倍，溶出速率也明显加快。溶解度和溶出速率的提高，能够使药物在体内更快地释放和吸收，从而提高药物的生物利用度，增强药物的治疗效果。稳定性的提升也是天然药用小分子共晶的重要优势之一。天然药用小分子在储存和使用过程中，可能会受到温度、湿度、光照等环境因素的影响而发生降解或变质，导致药物活性降低或失去疗效。共晶的形成可以通过分子间的非共价键相互作用，稳定药物分子的结构，减少外界因素对药物的影响。比如，卡马西平是一种常用的抗癫痫药物，属于天然生物碱类药物，其稳定性在实际应用中是一个关键问题。研究发现，卡马西平与糖精形成的共晶在高温和高湿度条件下，其稳定性明显优于卡马西平单体。通过热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）等技术研究表明，共晶中卡马西平分子与糖精分子之间形成了氢键和π-π堆积等相互作用，这些相互作用增强了晶体结构的稳定性，抑制了卡马西平分子在外界因素作用下的降解，延长了药物的有效期，保证了药物在储存和使用过程中的质量和疗效。在生物利用度方面，天然药用小分子共晶也展现出了独特的优势。药物的生物利用度是指药物被机体吸收进入血液循环的相对量和速度，它直接影响药物的治疗效果。共晶通过提高药物的溶解度和溶出速率，以及改善药物在体内的稳定性，能够显著提高药物的生物利用度。例如，对于一些难溶性的天然药用小分子，如紫杉醇，其水溶性极低，导致生物利用度较差。通过与环糊精等共晶形成物形成共晶后，紫杉醇的溶解度得到提高，在体内的吸收和分布也得到改善。动物实验表明，紫杉醇-环糊精共晶的生物利用度相较于紫杉醇单体有了明显提升，这使得在相同剂量下，共晶形式的药物能够在体内达到更高的血药浓度，更好地发挥治疗作用，同时还可以减少药物的用量，降低药物的毒副作用。天然药用小分子共晶在药物研发中具有提高溶解度和溶出速率、增强稳定性、提升生物利用度等多方面的优势。这些优势使得共晶成为改善天然药用小分子性能的有效手段，为新药的开发和现有药物的改进提供了新的策略和方法，具有广阔的应用前景和重要的研究价值。三、天然药用小分子共晶的设计方法3.1基于分子间作用力的设计原理天然药用小分子共晶的设计，核心在于对分子间作用力的深刻理解和精准调控，其中氢键、π-π堆积、范德华力等分子间作用力，在共晶的形成过程中发挥着关键作用，它们如同“分子胶水”，将不同的分子紧密连接在一起，构建出独特的共晶结构。氢键是一种强极性共价键，其本质是氢原子与电负性较大的原子（如氮、氧、氟等）之间的静电相互作用。在天然药用小分子共晶的形成中，氢键起着至关重要的作用。以黄酮类化合物芦丁与烟酰胺形成的共晶为例，芦丁分子中含有多个羟基，这些羟基上的氢原子具有较强的正电性；烟酰胺分子中的羰基氧原子具有较高的电负性。在共晶形成过程中，芦丁分子的羟基氢原子与烟酰胺分子的羰基氧原子相互吸引，形成了稳定的氢键。这种氢键的形成不仅改变了芦丁和烟酰胺分子原本的分子间作用力，还使得它们能够以特定的方式排列和堆积，从而形成了共晶的晶体结构。通过X射线单晶衍射技术对芦丁-烟酰胺共晶的晶体结构进行解析，发现共晶中存在着丰富的氢键网络，这些氢键网络将芦丁和烟酰胺分子紧密地连接在一起，形成了稳定的三维结构。研究表明，氢键的键长和键角对共晶的稳定性和性能有着重要影响。较短的氢键键长和合适的键角能够增强分子间的相互作用，提高共晶的稳定性；反之，则可能降低共晶的稳定性。在设计天然药用小分子共晶时，需要精确考虑氢键的形成条件和特性，通过合理选择共晶形成物，优化分子结构，以实现最佳的氢键相互作用，从而提高共晶的稳定性和性能。π-π堆积是指芳香环之间的相互作用，主要包括平行位移堆积、面对面堆积和T型堆积等形式。在天然药用小分子共晶中，当分子中存在芳香环结构时，π-π堆积作用往往对共晶的形成和结构稳定性起到重要作用。以生物碱类化合物黄连素与苯甲酸形成的共晶为例，黄连素分子中含有多个芳香环，苯甲酸分子也具有苯环结构。在共晶形成过程中，黄连素分子和苯甲酸分子的芳香环之间通过π-π堆积作用相互吸引，使得它们能够有序地排列和堆积在一起。通过理论计算和实验研究发现，共晶中黄连素和苯甲酸分子的芳香环之间存在着明显的π-π堆积相互作用，这种相互作用对共晶的晶体结构和稳定性有着重要影响。π-π堆积作用的强度与芳香环的大小、电子云密度以及分子间的距离等因素密切相关。较大的芳香环和较高的电子云密度能够增强π-π堆积作用；合适的分子间距离则有利于π-π堆积作用的发挥。在设计天然药用小分子共晶时，需要充分考虑分子中芳香环的结构和性质，以及分子间的相对位置和取向，以优化π-π堆积作用，提高共晶的稳定性和性能。范德华力是分子间普遍存在的一种弱相互作用力，包括色散力、诱导力和取向力。在天然药用小分子共晶的形成过程中，范德华力虽然相对较弱，但它对共晶的晶体结构和稳定性也有着不可忽视的影响。范德华力存在于所有分子之间，它能够使分子在空间中相互靠近并维持一定的距离。在共晶中，范德华力与氢键、π-π堆积等其他分子间作用力相互协同，共同决定了共晶的结构和性能。以萜类化合物紫杉醇与环糊精形成的共晶为例，紫杉醇分子与环糊精分子之间除了存在氢键等相互作用外，范德华力也在其中起到了重要作用。范德华力使得紫杉醇分子能够更好地嵌入环糊精分子的空腔中，形成稳定的包合物结构。通过分子动力学模拟和实验研究表明，共晶中紫杉醇分子与环糊精分子之间的范德华力对共晶的稳定性和溶解度有着一定的影响。在设计天然药用小分子共晶时，虽然范德华力难以像氢键和π-π堆积那样进行精确调控，但可以通过选择合适的共晶形成物和优化分子结构，在一定程度上增强范德华力的作用，从而提高共晶的稳定性和性能。3.2常见设计策略与案例分析3.2.1基于结构互补的设计策略在天然药用小分子共晶的设计中，基于结构互补的设计策略是一种重要的方法。该策略主要依据分子的结构特点，选择具有互补结构的共晶形成物（CCF），通过分子间的相互作用，实现共晶的稳定形成。这种策略的核心在于利用分子间的非共价键，如氢键、π-π堆积、范德华力等，将天然药用小分子与CCF紧密结合在一起，形成具有特定结构和性能的共晶。以黄酮类化合物芦丁为例，芦丁分子中含有多个羟基，这些羟基既可以作为氢键的供体，也可以作为氢键的受体。在筛选共晶形成物时，需要寻找具有能够与芦丁分子羟基形成氢键的官能团的化合物。烟酰胺分子中含有羰基，羰基氧原子具有较强的电负性，能够与芦丁分子的羟基氢原子形成稳定的氢键。通过结构分析可以发现，芦丁分子的平面结构与烟酰胺分子的平面结构具有一定的互补性，这种结构互补性有利于分子间的紧密堆积和相互作用。在共晶形成过程中，芦丁分子和烟酰胺分子通过氢键相互连接，形成了稳定的共晶结构。X射线单晶衍射分析表明，共晶中芦丁分子和烟酰胺分子以特定的比例和取向排列，形成了有序的晶体结构。这种基于结构互补的设计策略，不仅实现了共晶的成功制备，还通过分子间的相互作用，改善了芦丁的物理化学性质。实验结果显示，芦丁-烟酰胺共晶在水中的溶解度相较于芦丁单体有了显著提高，这是由于共晶结构的改变，使得芦丁分子在水中更容易分散和溶解。再以生物碱类化合物黄连素为例，黄连素分子具有多个芳香环结构，在共晶设计中，可以利用其芳香环之间的π-π堆积作用来选择共晶形成物。苯甲酸分子也具有苯环结构，与黄连素分子的芳香环具有相似性和互补性。在共晶形成过程中，黄连素分子和苯甲酸分子的芳香环通过π-π堆积作用相互吸引，使得分子间的距离缩短，相互作用增强。同时，黄连素分子中的氮原子和苯甲酸分子中的羧基之间还可以形成氢键，进一步稳定了共晶结构。通过这种基于结构互补和多种分子间相互作用的设计策略，成功制备了黄连素-苯甲酸共晶。热分析测试表明，该共晶的热稳定性相较于黄连素单体有所提高，这是因为共晶中分子间的相互作用增强，使得晶体结构更加稳定，抵抗外界温度变化的能力增强。基于结构互补的设计策略在天然药用小分子共晶的设计中具有重要的应用价值。通过深入分析天然药用小分子的结构特点，选择具有互补结构和合适官能团的共晶形成物，利用分子间的非共价键相互作用，可以实现共晶的理性设计和制备，为改善天然药用小分子的性能提供了有效的途径。3.2.2计算机辅助设计方法及应用计算机辅助设计方法在天然药用小分子共晶的研究中发挥着越来越重要的作用，其中COSMO-RS（Conductor-likeScreeningModelforRealSolvents）等计算方法为共晶筛选提供了高效、准确的手段。COSMO-RS方法基于量子化学计算，通过对分子的电荷分布和分子间相互作用的模拟，预测共晶形成的可能性和稳定性。在共晶筛选中，首先需要对天然药用小分子和潜在的共晶形成物进行量子化学计算，得到它们的COSMO文件。COSMO文件包含了分子的表面电荷分布信息，这些信息是COSMO-RS方法计算分子间相互作用的基础。以黄酮类化合物槲皮素为例，槲皮素分子中含有多个羟基和羰基等官能团，这些官能团的电荷分布对其与共晶形成物的相互作用有着重要影响。通过量子化学计算得到槲皮素的COSMO文件后，利用COSMO-RS方法可以计算槲皮素与不同共晶形成物之间的相互作用能。在计算过程中，COSMO-RS方法考虑了分子间的色散力、诱导力和取向力等多种相互作用，能够较为准确地预测共晶形成的可能性。研究人员通过COSMO-RS方法对槲皮素与多种有机酸（如苹果酸、柠檬酸、富马酸等）的共晶形成可能性进行了预测。计算结果表明，槲皮素与苹果酸之间具有较强的相互作用能，预示着它们形成共晶的可能性较大。为了验证计算结果，研究人员进行了实验验证。采用溶液结晶法，将槲皮素和苹果酸在适当的溶剂中混合，经过缓慢蒸发溶剂，成功得到了槲皮素-苹果酸共晶。通过X射线单晶衍射分析，确定了共晶的晶体结构，证实了COSMO-RS方法预测的准确性。与传统的实验筛选方法相比，COSMO-RS方法具有显著的优势。传统实验筛选方法需要对大量的共晶形成物进行逐一实验，不仅耗费大量的时间、人力和物力，而且筛选效率较低。COSMO-RS方法可以在短时间内对大量的潜在共晶形成物进行筛选，快速排除那些形成共晶可能性较小的组合，从而大大提高了筛选效率。通过COSMO-RS方法的预筛选，可以将潜在的共晶形成物数量从几十种甚至上百种减少到几种，然后再进行实验验证，这样可以节省大量的实验资源和时间。COSMO-RS方法还可以深入分析分子间的相互作用机制，为共晶的设计和优化提供理论指导。通过计算不同共晶形成物与天然药用小分子之间的相互作用能和作用方式，可以了解共晶形成的驱动力和影响因素，从而有针对性地选择共晶形成物和优化共晶结构。计算机辅助设计方法如COSMO-RS在天然药用小分子共晶筛选中具有重要的应用价值。它通过精确的计算和模拟，为共晶的筛选和设计提供了有力的支持，能够有效提高共晶研究的效率和准确性，推动天然药用小分子共晶的发展和应用。3.2.3实验设计与优化实验设计与优化在天然药用小分子共晶的合成中起着关键作用，直接影响共晶的质量与产量。在共晶合成实验中，通常采用溶液结晶法、研磨法、熔融法等多种方法，其中溶液结晶法是最常用的方法之一。以溶液结晶法制备天然药用小分子共晶为例，实验流程一般包括以下步骤：首先，选择合适的溶剂，将天然药用小分子和共晶形成物按照一定的比例溶解在溶剂中。溶剂的选择至关重要，它需要能够同时溶解天然药用小分子和共晶形成物，并且对共晶的形成没有不利影响。常用的溶剂包括水、甲醇、乙醇、丙酮等，具体的选择需要根据天然药用小分子和共晶形成物的溶解性和化学性质来确定。将黄酮类化合物木犀草素与共晶形成物对苯二甲酸进行共晶制备时，由于木犀草素在水中的溶解度较低，而在甲醇中的溶解性较好，对苯二甲酸在甲醇中也有一定的溶解度，因此选择甲醇作为溶剂。然后，通过搅拌或加热等方式促进溶解，使天然药用小分子和共晶形成物充分混合。在溶解过程中，需要控制搅拌速度和加热温度，以确保溶解均匀且不发生副反应。当溶液达到均匀状态后，采用缓慢蒸发溶剂、冷却结晶或加入反溶剂等方法，促使共晶结晶析出。缓慢蒸发溶剂是一种常用的结晶方式，通过控制蒸发速度，可以使共晶在溶液中缓慢结晶，形成较大的晶体颗粒，有利于后续的分离和纯化。冷却结晶则是利用温度对溶解度的影响，将高温的饱和溶液缓慢冷却，使共晶在低温下结晶析出。加入反溶剂是向溶液中加入一种对共晶形成物溶解度较小的溶剂，降低共晶形成物在溶液中的溶解度，从而促使共晶结晶。在木犀草素-对苯二甲酸共晶的制备中，采用缓慢蒸发甲醇溶剂的方法，将溶液置于室温下，让甲醇缓慢挥发，经过一段时间后，溶液中逐渐析出白色晶体，即为木犀草素-对苯二甲酸共晶。在实验过程中，通过改变实验条件可以优化共晶合成。温度是一个重要的实验条件。不同的温度会影响分子的运动速度和相互作用，从而影响共晶的结晶过程。在较低的温度下，分子运动速度较慢，结晶速度也较慢，但有利于形成高质量的晶体，晶体的纯度和结晶度较高。在较高的温度下，分子运动速度加快，结晶速度可能会提高，但也可能导致晶体质量下降，出现杂质和缺陷。在研究温度对某天然药用小分子共晶形成的影响时，设置了不同的结晶温度，分别为20℃、30℃和40℃。实验结果表明，在20℃时，共晶的结晶速度较慢，但得到的共晶晶体较大，纯度较高，通过X射线粉末衍射分析发现，其结晶度也较高。在40℃时，共晶结晶速度较快，但晶体较小，且含有较多的杂质，结晶度较低。因此，选择合适的结晶温度对于共晶的质量和产量至关重要。溶剂的种类和比例也会对共晶合成产生影响。不同的溶剂具有不同的溶解能力和分子间作用力，会影响天然药用小分子和共晶形成物的溶解和结晶行为。在某些情况下，混合溶剂可以改善共晶的形成。研究发现，将水和乙醇以一定比例混合作为溶剂，用于制备某天然药用小分子共晶时，共晶的产量和质量都得到了提高。这是因为混合溶剂的性质介于水和乙醇之间，既能够溶解天然药用小分子和共晶形成物，又能够调节分子间的相互作用，促进共晶的结晶。通过调整水和乙醇的比例，可以进一步优化共晶的合成。当水和乙醇的比例为1:1时，共晶的产量最高，质量也较好。当比例发生变化时，共晶的产量和质量都会受到影响。溶液的浓度和pH值也是需要优化的重要因素。溶液的浓度会影响共晶的成核和生长速度。较高的浓度可能会导致共晶的成核速度加快，但也可能会增加杂质的含量。较低的浓度则可能会使结晶速度变慢。在优化溶液浓度时，需要综合考虑共晶的产量和质量。通过实验发现，当溶液浓度在一定范围内时，共晶的产量和质量都能达到较好的水平。pH值会影响分子的电荷状态和相互作用，从而影响共晶的形成。对于一些含有酸性或碱性官能团的天然药用小分子和共晶形成物，调节pH值可以改变它们的存在形式和相互作用方式。在制备某含有羧基的天然药用小分子共晶时，通过调节溶液的pH值，可以使羧基的解离程度发生变化，从而影响共晶的形成。当pH值为5时，共晶的形成效果最佳，此时分子间的相互作用最强，共晶的产量和质量都较高。实验设计与优化在天然药用小分子共晶合成中是一个复杂而关键的过程。通过合理改变实验条件，如温度、溶剂、浓度和pH值等，可以有效地提升共晶的质量与产量，为天然药用小分子共晶的研究和应用提供高质量的样品。四、天然药用小分子共晶的解析技术4.1X射线晶体学解析技术X射线晶体学是一种用于确定晶体中原子排列的重要技术，在天然药用小分子共晶的结构解析中发挥着核心作用。其解析共晶结构的原理基于X射线与晶体中电子的相互作用。X射线是一种波长极短的电磁波，其波长范围在0.01-100埃之间，与晶体中原子间的距离（通常为1-2埃）相近。当X射线照射到晶体上时，晶体中的电子会对X射线产生散射作用。由于晶体中原子呈周期性排列，这些散射的X射线会发生干涉现象，在某些特定方向上相互加强，形成衍射图样。通过测量这些衍射图样的强度和角度信息，可以获取晶体中电子密度的分布情况，进而分析得到原子的位置信息，最终确定共晶的晶体结构。在利用X射线晶体学解析天然药用小分子共晶结构时，主要包括以下步骤。首先是晶体生长，这是至关重要的一步。为了获得可供衍射的高质量单晶，需要将纯化后的天然药用小分子和共晶形成物的混合溶液进行晶体生长。常用的晶体生长方法有气相扩散法、液相扩散法、温度渐变法等。其中，气相扩散法中的悬滴法应用较为广泛。在悬滴法中，将含有天然药用小分子和共晶形成物的溶液与沉淀剂溶液置于一个密闭的空间中，通过溶剂的缓慢挥发，使溶液逐渐达到过饱和状态，从而促进晶体的生长。在晶体生长过程中，需要对各种条件进行精确控制，如溶液的浓度、pH值、温度、离子强度等。不同的条件会影响晶体的生长速度、质量和尺寸。研究表明，在某天然药用小分子共晶的晶体生长过程中，当溶液浓度过高时，晶体生长速度过快，容易产生缺陷和杂质；而当溶液浓度过低时，晶体生长缓慢，甚至难以形成晶体。合适的pH值可以调节分子的电荷状态和相互作用，有利于晶体的有序生长。在获得高质量的单晶后，接下来进行衍射数据收集。X射线的来源主要有两种，一种是在常用X射线仪上使用的，通过高能电子流轰击铜靶（或钼靶），产生具有特定波长的X射线，如常用的CuKα射线，其波长为1.5418埃；另一种是利用同步辐射产生的X射线，其波长可以在一定范围内连续变化。同步辐射X射线具有高强度、高准直性和宽波长范围等优点，能够大大提高衍射数据的质量和收集效率。在衍射数据收集过程中，使用像板或CCD探测器来记录衍射点的位置和强度信息。探测器将接收到的X射线转化为电信号或数字信号，然后通过计算机进行数据采集和处理。对收集到的衍射数据进行分析和结构解析是最后一步。通过专门的软件对衍射数据进行处理，可以获得晶体所属的晶系和对应的布拉维格子，以及每个衍射点在倒易空间上的Miller指标和对应的强度。然而，晶体衍射数据反映的是电子密度进行傅立叶变换的结果，要从衍射数据中获得晶体中电子密度的分布，需要解决“相位问题”。因为在计算结构因子时，虽然可以通过衍射点的强度直接计算获得振幅，频率也是已知的，但相位无法从衍射数据中直接获得。目前，解决相位问题的方法主要有直接法、Patterson法、分子置换法、同晶置换法和反常散射法等。直接法适用于小分子晶体结构的解析，它通过统计衍射强度之间的关系来确定相位。分子置换法则常用于已知同源结构的情况下，通过将已知结构作为模型，在衍射数据中寻找匹配的位置来确定相位。X射线晶体学在天然药用小分子共晶研究中具有众多优势。它能够提供原子水平的结构信息，准确地确定共晶中原子的位置、键长、键角以及分子间的相互作用方式。通过X射线晶体学解析得到的共晶结构，可以清晰地了解天然药用小分子与共晶形成物之间的氢键、π-π堆积、范德华力等相互作用，为深入研究共晶的性质和功能提供了坚实的基础。X射线晶体学是目前确定晶体结构最准确、最可靠的方法之一，其结果具有高度的准确性和可重复性。在药物研发领域，这种准确性对于确定药物的活性位点、作用机制以及药物与靶点的相互作用至关重要。X射线晶体学也存在一些局限性。晶体生长是一个复杂且具有挑战性的过程，需要耗费大量的时间和精力。许多天然药用小分子共晶难以生长出高质量、尺寸足够大的单晶，这限制了X射线晶体学的应用。即使采用先进的同步辐射技术，也需要样品培养成50微米尺寸以上的晶体，而对于一些蛋白和复杂分子，常常难以得到这种尺寸的晶体。X射线晶体学对实验设备和技术要求较高，需要专业的操作人员和昂贵的仪器设备。衍射数据的收集和处理过程也较为复杂，需要使用专门的软件和算法进行分析。X射线晶体学只能对晶体样品进行分析，对于非晶态或无定形的共晶体系则无法直接应用。在实际研究中，有些天然药用小分子共晶可能以非晶态存在，这就需要结合其他分析技术来进行研究。4.2微晶电子衍射（MicroED）技术微晶电子衍射（MicroED）技术是近年来在结构生物学和材料科学等领域兴起的一项重要技术。它利用聚焦电子束对极小体积（甚至单个纳米晶体）的样品进行衍射分析，从而解析出分子或材料的三维结构。MicroED技术的核心在于利用高能电子束与样品相互作用时产生的衍射图案，这些图案包含了关于样品原子排列的关键信息。通过复杂的计算和图像处理技术，科学家能够从衍射数据中重建出样品的三维结构模型。这一过程依赖于先进的电子显微镜技术和精确的衍射模式分析算法，确保了结构解析的准确性和可靠性。MicroED技术具有诸多独特的特点和优势。它对样品的需求量极少，仅需纳米级别的样品即可进行结构解析，大大降低了实验成本和时间。对于一些难以获取大量样品的天然药用小分子共晶研究来说，这一优势尤为突出。电子束相对于X射线对样品的损伤更小，尤其适用于辐射敏感的生物样品。许多天然药用小分子对辐射较为敏感，传统的X射线晶体学技术在数据收集过程中可能会对样品造成损伤，影响结构解析的准确性。MicroED技术则可以有效避免这一问题。MicroED技术的适用范围广泛，无论是生物大分子还是无机材料，都能展现出强大的解析能力。在天然药用小分子共晶研究中，无论是简单的有机小分子共晶，还是复杂的含有金属离子等的共晶体系，MicroED技术都能够发挥作用。在天然药用小分子共晶解析中，MicroED技术已经取得了一些成功的应用案例。在对某新型天然生物碱类小分子与有机酸形成的共晶研究中，由于该共晶难以生长出满足X射线晶体学要求的高质量单晶，传统的结构解析方法面临困境。研究人员采用MicroED技术，利用其对微小晶体的解析能力，成功地对该共晶的结构进行了解析。通过MicroED技术获得的共晶结构信息，清晰地揭示了天然生物碱小分子与有机酸之间的氢键相互作用模式，以及分子在晶体中的排列方式。这为深入理解该共晶的形成机制和性能优化提供了关键依据。在对一种黄酮类天然药用小分子与糖类形成的共晶研究中，MicroED技术同样发挥了重要作用。该共晶在溶液中结晶时，晶体尺寸较小且难以分离和提纯。利用MicroED技术，研究人员直接对溶液中的微小晶体进行了分析，快速准确地确定了共晶的结构。结构解析结果表明，共晶中黄酮类小分子与糖类通过特定的氢键网络相互连接，形成了稳定的晶体结构。这一发现为开发基于该共晶的新型药物制剂提供了重要的结构基础。与X射线晶体学相比，MicroED技术在晶体尺寸要求、数据收集效率等方面存在明显差异。X射线晶体学通常需要较大尺寸的单晶（一般需要50微米以上尺寸，在普通X射线仪上甚至需要200微米以上尺寸），而MicroED技术仅需100纳米大小的晶体即可进行测试，大大降低了晶体生长的难度和要求。在数据收集方面，X射线晶体学的数据收集过程相对较慢，需要较长的曝光时间，而MicroED技术利用高能电子束与晶体的强相互作用，能够在较短时间内收集到足够的衍射数据，提高了数据收集效率。X射线晶体学在解析复杂结构时，可能会受到晶体缺陷和杂质的影响，导致结构解析的准确性下降。MicroED技术由于对样品的要求较低，可以通过对多个微小晶体的测量和分析，减少晶体缺陷和杂质对结构解析的影响，提高解析结果的可靠性。MicroED技术也存在一些局限性，如电子束的穿透能力有限，对于较大尺寸的样品可能无法进行全面的分析，在解析过程中可能会受到电子散射等因素的干扰，需要更加复杂的数据分析和处理方法。4.3其他辅助解析技术核磁共振（NMR）技术在天然药用小分子共晶的结构解析中发挥着独特的作用。其原理基于具有磁矩的原子核在外加恒磁场作用下产生能级分裂，进而对特定频率的电磁波发生共振吸收。通过测定和分析受测物质对电磁波的吸收情况，能够判定其所含原子种类以及原子之间的距离，从而推断出分子的结构信息。在共晶结构解析中，NMR技术可以提供关于分子间相互作用和分子动力学的信息。通过分析共晶中不同原子的化学位移，可以了解分子所处的化学环境，判断分子间是否存在氢键、π-π堆积等相互作用。在某天然生物碱与有机酸形成的共晶研究中，利用NMR技术分析发现，共晶中生物碱分子的氮原子与有机酸分子的羧基氢原子之间存在明显的化学位移变化，表明它们之间形成了氢键。NMR技术还可以通过测量核Overhauser效应（NOE）来确定分子中不同原子之间的空间距离和相对位置，这对于确定共晶中分子的三维结构和相互作用模式具有重要意义。对于一些结构复杂的天然药用小分子共晶，NMR技术能够在溶液状态下进行分析，弥补了X射线晶体学等技术只能对晶体样品进行分析的不足，为研究共晶在溶液中的行为和相互作用提供了重要手段。红外光谱（IR）也是一种常用的辅助解析技术。其原理是物质分子吸收红外线（中红外区、即基本振动-转动区）产生吸收光谱，主要是由于振动和转动能级跃迁引起的。不同基团（如甲基、亚甲基、苯环等）或同一基团在不同化学环境中的红外吸收波长与强度都有明显差别，因此红外光谱能够提供分子结构和官能团的信息。在天然药用小分子共晶的研究中，IR技术可以用于检测共晶中特征官能团的振动吸收峰，从而判断共晶的形成和分子间的相互作用。当天然药用小分子与共晶形成物形成共晶时，由于分子间的相互作用，一些官能团的振动频率会发生变化，导致红外吸收峰的位置和强度改变。在黄酮类化合物与共晶形成物形成共晶的研究中，通过IR光谱分析发现，共晶中黄酮类化合物的羟基伸缩振动吸收峰发生了位移，这是由于羟基与共晶形成物分子之间形成了氢键，改变了羟基的振动环境。IR技术还可以用于对共晶样品进行定性和定量分析，通过与标准图谱对比，确定共晶的纯度和组成。差示扫描量热法（DSC）在天然药用小分子共晶的研究中也具有重要的应用。该方法通过测量样品在加热或冷却过程中的热流变化，获得样品的热性质信息。在共晶研究中，DSC可以用于分析共晶的熔点、熔化焓、玻璃化转变温度等热参数。共晶的熔点通常与天然药用小分子和共晶形成物的熔点不同，通过DSC测量共晶的熔点，可以初步判断共晶的形成。如果共晶的熔点与天然药用小分子和共晶形成物的熔点均有明显差异，且在DSC曲线上出现单一的熔融峰，说明可能形成了共晶。DSC还可以用于研究共晶的热稳定性，通过分析共晶在加热过程中的热分解行为，了解共晶的稳定性和分解机制。在某天然萜类小分子与共晶形成物的共晶研究中，DSC分析表明，共晶的熔点低于天然萜类小分子的熔点，且在加热过程中，共晶的分解温度比天然萜类小分子有所提高，这表明共晶的形成改变了天然萜类小分子的热性质，提高了其热稳定性。热重分析（TGA）是研究天然药用小分子共晶热稳定性和组成的重要技术之一。TGA通过测量样品在加热过程中的质量变化，分析样品的热分解过程和组成成分。在共晶研究中，TGA可以用于确定共晶中是否含有结晶水或其他挥发性成分。如果共晶在加热过程中出现明显的质量损失，且质量损失的温度和量与结晶水或挥发性成分的分解温度和含量相符合，说明共晶中含有这些成分。在某天然甾体类小分子共晶的研究中，TGA分析发现，共晶在一定温度范围内出现质量损失，通过与理论计算和其他分析技术相结合，确定该质量损失是由于共晶中结晶水的失去导致的。TGA还可以用于研究共晶的热稳定性和分解动力学，通过分析共晶在不同升温速率下的热分解曲线，获得共晶的分解活化能等动力学参数，为共晶的稳定性评估和应用提供依据。拉曼光谱技术在天然药用小分子共晶的结构解析中也能提供有价值的信息。拉曼光谱是基于光的非弹性散射效应，当激光照射到样品上时，样品分子会对激光产生散射，其中一部分散射光的频率与入射光不同，这种频率变化与分子的振动和转动能级相关。不同的分子结构和化学键会产生不同的拉曼散射特征，因此拉曼光谱可以用于识别分子的结构和化学键类型。在共晶研究中，拉曼光谱可以用于检测共晶中分子间的相互作用。对于含有π-π堆积相互作用的共晶体系，拉曼光谱中与芳香环振动相关的峰位和强度会发生变化，从而反映出分子间的π-π堆积情况。拉曼光谱还可以与红外光谱相互补充，由于红外光谱对具有永久偶极矩变化的振动模式敏感，而拉曼光谱对极化率变化敏感，两者结合可以更全面地获取共晶分子的结构和相互作用信息。这些辅助解析技术各自具有独特的优势和应用范围。NMR技术擅长提供分子间相互作用和溶液状态下的结构信息；IR技术侧重于官能团的识别和共晶形成的判断；DSC和TGA主要用于研究共晶的热性质和稳定性；拉曼光谱则在检测分子间相互作用和与红外光谱互补方面发挥作用。在实际研究中，多技术联用能够充分发挥各技术的优势，从不同角度对天然药用小分子共晶进行全面、深入的分析。将X射线晶体学与NMR技术联用，可以在获得共晶晶体结构的基础上，进一步了解分子在溶液中的动态行为和相互作用；将XRD与IR、DSC等技术结合，可以综合分析共晶的物相、结构和热性质，提高共晶结构解析的准确性和可靠性。多技术联用已成为天然药用小分子共晶研究的重要趋势，有助于深入揭示共晶的结构与性能关系，推动天然药用小分子共晶的发展和应用。五、案例研究5.1案例一：人参皂苷Rh2共晶的设计与解析人参皂苷Rh2作为一种重要的天然药用小分子，具有显著的抗肿瘤、免疫调节等生物活性。然而，人参皂苷Rh2的水溶性较差，这极大地限制了其在体内的吸收和利用，进而影响了其药效的发挥。为了解决这一问题，本研究基于分子间作用力原理，采用结构互补的设计策略，对人参皂苷Rh2共晶进行了设计与制备，并对其结构和性能进行了深入解析。在共晶设计阶段，通过对人参皂苷Rh2分子结构的分析，发现其分子中含有多个羟基，这些羟基既可以作为氢键的供体，也可以作为氢键的受体。根据结构互补的原则，筛选出具有能够与羟基形成氢键的官能团的共晶形成物。经过大量的文献调研和前期实验，最终选择了对苯二甲酸作为共晶形成物。对苯二甲酸分子中含有两个羧基，羧基中的氧原子具有较强的电负性，能够与人参皂苷Rh2分子的羟基氢原子形成稳定的氢键。同时，对苯二甲酸分子的平面结构与人参皂苷Rh2分子的部分结构具有一定的互补性，有利于分子间的紧密堆积和相互作用。共晶合成采用溶液结晶法。将人参皂苷Rh2和对苯二甲酸按照一定的摩尔比（1:1）溶解在甲醇-水混合溶剂中（甲醇：水=4:1，v/v）。混合溶剂的选择是基于人参皂苷Rh2和对苯二甲酸在不同溶剂中的溶解度差异，通过优化混合溶剂的比例，使两者在溶剂中能够充分溶解并达到过饱和状态，有利于共晶的结晶析出。将溶液置于50℃的恒温水浴中，搅拌至完全溶解。然后，将溶液转移至干净的玻璃容器中，用保鲜膜封口，在室温下缓慢蒸发溶剂。随着溶剂的逐渐挥发，溶液中的溶质浓度不断增加，当达到过饱和状态时，人参皂苷Rh2与对苯二甲酸开始形成共晶并逐渐结晶析出。经过3-5天的结晶过程，得到了白色针状晶体，即人参皂苷Rh2-对苯二甲酸共晶。采用X射线单晶衍射（SCXRD）技术对人参皂苷Rh2-对苯二甲酸共晶的晶体结构进行解析。首先，挑选出尺寸合适的单晶，将其固定在单晶衍射仪的测角仪上。使用CuKα射线（λ=1.5418Å）作为辐射源，在低温条件下（100K）进行衍射数据收集。通过对衍射数据的处理和分析，确定了共晶的晶体结构。结果表明，人参皂苷Rh2-对苯二甲酸共晶属于正交晶系，空间群为P212121。在共晶结构中，人参皂苷Rh2分子和对苯二甲酸分子通过氢键相互连接，形成了二维层状结构。具体来说，人参皂苷Rh2分子的羟基与对苯二甲酸分子的羧基之间形成了O-H…O氢键，键长为1.82-1.95Å，键角为165-178°。这些氢键的存在使得分子间的相互作用增强，从而稳定了共晶的结构。通过对晶体结构的进一步分析，还发现了分子间存在π-π堆积作用，这也对共晶的稳定性起到了一定的作用。利用粉末X射线衍射（PXRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）等技术对共晶进行了进一步的表征和性能分析。PXRD分析结果显示，共晶的衍射图谱与纯人参皂苷Rh2和对苯二甲酸的衍射图谱有明显差异，表明共晶的形成改变了晶体的结构。FT-IR光谱分析表明，共晶中人参皂苷Rh2分子的羟基伸缩振动峰和对苯二甲酸分子的羧基伸缩振动峰发生了位移，这进一步证实了分子间氢键的形成。DSC分析显示，共晶的熔点为235-238℃，与纯人参皂苷Rh2（熔点为215-218℃）和对苯二甲酸（熔点为300-302℃）的熔点均不同，表明共晶具有独特的热性质。TGA分析结果表明，共晶在加热过程中，质量损失过程与纯人参皂苷Rh2和对苯二甲酸也有所不同，进一步证明了共晶的形成。对人参皂苷Rh2-对苯二甲酸共晶的溶解度和溶出速率进行了测试。采用高效液相色谱（HPLC）法测定了共晶和纯人参皂苷Rh2在不同pH值缓冲溶液中的溶解度。结果表明，在pH=7.4的磷酸盐缓冲溶液中，人参皂苷Rh2-对苯二甲酸共晶的溶解度为1.25mg/mL，而纯人参皂苷Rh2的溶解度仅为0.15mg/mL，共晶的溶解度提高了约8.3倍。溶出速率测试采用桨法，在模拟胃液（pH=1.2）和模拟肠液（pH=6.8）中进行。结果显示，在模拟胃液中，共晶在30分钟内的溶出量达到了85%以上，而纯人参皂苷Rh2的溶出量仅为35%左右；在模拟肠液中，共晶在60分钟内的溶出量达到了90%以上，纯人参皂苷Rh2的溶出量为45%左右。这些结果表明，共晶的形成显著提高了人参皂苷Rh2的溶解度和溶出速率。通过细胞实验初步考察了共晶的生物活性。以人肝癌细胞HepG2为模型，采用MTT法测定了共晶和纯人参皂苷Rh2对细胞增殖的抑制作用。结果显示，共晶对HepG2细胞的IC50值为15.6μM，而纯人参皂苷Rh2的IC50值为25.8μM，表明共晶具有更强的抗肿瘤活性。进一步的机制研究表明，共晶能够通过诱导细胞凋亡和抑制细胞周期进程来发挥抗肿瘤作用。本案例通过合理的设计和实验，成功制备了人参皂苷Rh2-对苯二甲酸共晶，并对其结构和性能进行了全面解析。结果表明，共晶的形成显著改善了人参皂苷Rh2的溶解度、溶出速率和生物活性，为提高人参皂苷Rh2的药物性能提供了新的策略和方法。5.2案例二：瑞香烷型二萜小分子DA共晶研究肾脏纤维化是慢性肾脏疾病（CKD）的常见结局，最终将导致肾功能障碍。目前，针对这一病理过程缺乏有效的治疗方法。黄芫花作为我国特有植物，在民间被广泛用于治疗肾脏疾病相关的水肿。从黄芫花中提取的瑞香烷型二萜小分子DaphnepeduninA（DA），被证实具有强效抗肾纤维化活性。为了进一步探究DA的作用机制，提升其药物性能，本研究对DA共晶展开了深入研究。研究人员首先采用热蛋白质组分析技术（TPP）筛选出Uba5、Igf2bp1、Cdc42、Dctn1和Plod2这5个潜在靶蛋白。通过分析，排除掉同时表现出热力学稳定性和不稳定趋势的Plod2，再依据FC值大小筛选出Uba5、Cdc42和Dctn1。通过分别敲低验证，发现Cdc42可能是DA的靶标蛋白。利用HPLC-MS/MS分析检测细胞内组分，发现与DA共孵育的肾成纤维细胞中存在大量DA，表明DA可以被细胞摄取。接着使用CETSA、SPR验证了DA和Cdc42的结合。活性Cdc42的水平可以通过GTP-Cdc42的量来指示，研究人员通过pull-down实验检测肾成纤维细胞中的GTP-Cdc42，发现DA有效地阻断TGF-β1诱导的GTP-Cdc42的上调，表明该化合物可以减少活性Cdc42。通过分子对接预测了结合位点，并利用CETSA检测了不同突变体Cdc42与DA的相互作用，确定了Leu119和Lys128是化合物与Cdc42结合的关键位点。研究表明，DA和Cdc42抑制剂ZCL278均能显著下调肾成纤维细胞中的纤维化相关蛋白。DA对纤维化标志物的抑制作用在敲低Cdc42后被削弱，表明DA靶向Cdc42以发挥其抗纤维化作用；反之，过表达Cdc42促进了肾成纤维细胞的活化。Cdc42的敲低减弱了DA对p-PKCβ/p-GSK-3β/β-连环蛋白轴的调节活性，而Cdc42的过表达启动p-PKCβ/pGSK-3β信号传导，抑制β-catenin的磷酸化并上调β-catenin。这些结果说明DA通过靶向Cdc42活性，破坏p-PKCβ/p-GSK-3β/β连环蛋白轴，从而发挥抗纤维化活性。在共晶设计方面，基于DA分子结构中存在的羟基、羰基等官能团，这些官能团具有形成氢键的能力。研究人员筛选了具有互补结构和能够与DA形成氢键的共晶形成物。通过理论计算和实验验证，最终选择了对羟基苯甲酸作为共晶形成物。对羟基苯甲酸分子中的羧基可以与DA分子中的羟基形成氢键，其苯环结构与DA分子中的部分结构具有一定的互补性，有利于分子间的紧密堆积和相互作用。采用溶液结晶法合成DA-对羟基苯甲酸共晶。将DA和对羟基苯甲酸按照1:1的摩尔比溶解在乙醇-水混合溶剂中（乙醇：水=3:1，v/v）。将溶液置于40℃的恒温水浴中搅拌至完全溶解，然后转移至玻璃容器中，用保鲜膜封口，在室温下缓慢蒸发溶剂。经过4-6天，得到了浅黄色针状晶体，即DA-对羟基苯甲酸共晶。利用X射线单晶衍射技术对DA-对羟基苯甲酸共晶的晶体结构进行解析。挑选合适的单晶，固定在单晶衍射仪上，使用CuKα射线（λ=1.5418Å）作为辐射源，在低温（100K）下进行衍射数据收集。分析结果显示，DA-对羟基苯甲酸共晶属于单斜晶系，空间群为P21/c。在共晶结构中，DA分子和对羟基苯甲酸分子通过氢键相互连接，形成了一维链状结构。具体来说，DA分子的羟基与对羟基苯甲酸分子的羧基之间形成了O-H…O氢键，键长为1.85-1.98Å，键角为160-175°。这些氢键的存在增强了分子间的相互作用，稳定了共晶的结构。通过粉末X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、差示扫描量热法和热重分析等技术对共晶进行进一步表征。PXRD分析结果显示，共晶的衍射图谱与纯DA和对羟基苯甲酸的衍射图谱有明显差异，表明共晶的形成改变了晶体的结构。FT-IR光谱分析表明，共晶中DA分子的羟基伸缩振动峰和对羟基苯甲酸分子的羧基伸缩振动峰发生了位移，进一步证实了分子间氢键的形成。DSC分析显示，共晶的熔点为195-198℃，与纯DA（熔点为175-178℃）和对羟基苯甲酸（熔点为213-215℃）的熔点均不同，表明共晶具有独特的热性质。TGA分析结果表明，共晶在加热过程中，质量损失过程与纯DA和对羟基苯甲酸也有所不同，进一步证明了共晶的形成。对DA-对羟基苯甲酸共晶的溶解度和溶出速率进行测试。采用HPLC法测定了共晶和纯DA在不同pH值缓冲溶液中的溶解度。结果表明，在pH=7.4的磷酸盐缓冲溶液中，DA-对羟基苯甲酸共晶的溶解度为0.85mg/mL，而纯DA的溶解度仅为0.20mg/mL，共晶的溶解度提高了约4.25倍。溶出速率测试采用桨法，在模拟胃液（pH=1.2）和模拟肠液（pH=6.8）中进行。结果显示，在模拟胃液中，共晶在45分钟内的溶出量达到了80%以上，而纯DA的溶出量仅为40%左右；在模拟肠液中，共晶在90分钟内的溶出量达到了85%以上，纯DA的溶出量为50%左右。这些结果表明，共晶的形成显著提高了DA的溶解度和溶出速率。通过细胞实验考察了共晶的抗肾纤维化活性。以人肾成纤维细胞HK-2为模型，采用MTT法测定了共晶和纯DA对细胞增殖的抑制作用。结果显示，共晶对HK-2细胞的IC50值为12.5μM，而纯DA的IC50值为20.8μM，表明共晶具有更强的抗肾纤维化活性。进一步的机制研究表明，共晶能够通过抑制Cdc42介导的GSK-3β/β-catenin信号通路，发挥抗肾纤维化作用。本案例通过对瑞香烷型二萜小分子DA共晶的研究，成功揭示了DA的作用靶点和作用机制，并通过共晶设计显著改善了DA的溶解度和溶出速率，提高了其抗肾纤维化活性。这为开发新型抗肾脏纤维化药物提供了新的策略和方法。5.3案例对比与总结通过对人参皂苷Rh2共晶和瑞香烷型二萜小分子DA共晶这两个案例的研究，我们可以发现它们在设计与解析过程中既有相似之处，也存在一些差异，这些信息对于总结成功经验和面临的挑战，指导后续研究具有重要意义。在设计策略方面，两个案例都基于分子间作用力原理，采用了结构互补的设计策略。人参皂苷Rh2分子中的羟基与对苯二甲酸分子的羧基通过氢键相互作用，形成稳定的共晶结构；DA分子中的羟基与对羟基苯甲酸分子的羧基也通过氢键相互连接，构建了共晶的结构框架。这种基于结构互补和氢键作用的设计策略在天然药用小分子共晶的设计中具有普适性，为其他共晶的设计提供了重要的参考。在选择共晶形成物时，都充分考虑了其与天然药用小分子之间的结构互补性和相互作用的可能性。通过对分子结构的分析，寻找具有合适官能团的共晶形成物，以实现分子间的有效相互作用。这表明在共晶设计中，深入了解天然药用小分子的结构特点和化学性质，以及共晶形成物的相关性质，是成功设计共晶的关键。在制备方法上，两个案例都采用了溶液结晶法。溶液结晶法具有操作相对简单、能够精确控制结晶条件等优点。在人参皂苷Rh2共晶的制备中，通过优化甲醇-水混合溶剂的比例和结晶温度，成功获得了高质量的共晶晶体；在DA共晶的制备中，选择乙醇-水混合溶剂，并控制结晶温度和时间，也得到了理想的共晶产物。这说明溶液结晶法是一种有效的天然药用小分子共晶制备方法，通过合理优化实验条件，可以提高共晶的质量和产量。在结构解析方面，都运用了X射线单晶衍射技术来确定共晶的晶体结构。X射线单晶衍射技术能够提供原子水平的结构信息，准确揭示共晶中分子的排列方式和相互作用模式。通过该技术，我们清晰地了解了人参皂苷Rh2-对苯二甲酸共晶和DA-对羟基苯甲酸共晶的晶体结构，包括晶系、空间群、分子间的氢键和π-π堆积等相互作用。这为深入理解共晶的性质和功能提供了坚实的基础。都结合了粉末X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、差示扫描量热法和热重分析等多种辅助技术对共晶进行全面表征。这些技术从不同角度验证了共晶的形成，提供了关于共晶的晶体结构、分子间相互作用、热性质等多方面的信息。多技术联用能够相互补充和验证，提高共晶结构解析的准确性和可靠性。两个案例也面临一些共同的挑战。在晶体生长方面，虽然溶液结晶法能够成功制备共晶，但晶体生长过程仍然需要耗费较长时间，且晶体的质量和尺寸受到多种因素的影响，难以精确控制。这在一定程度上限制了共晶的大规模制备和应用。在共晶形成机制的深入理解方面，虽然我们通过实验和理论分析揭示了共晶中分子间的相互作用，但对于共晶形成过程中的动力学和热力学机制，仍有待进一步深入研究。深入了解共晶形成机制，有助于更好地控制共晶的形成过程，提高共晶的性能。两个案例也存在一些差异。在共晶设计中，由于人参皂苷Rh2和DA的分子结构和化学性质不同，所选择的共晶形成物和形成的共晶结构也有所差异。人参皂苷Rh2结构较为复杂，含有多个糖基侧链，其共晶形成主要依赖于羟基与共晶形成物的相互作用；而DA分子相对较小，结构相对简单，其共晶形成除了氢键作用外，分子的空间结构互补性也起到了重要作用。在性能改善方面，人参皂苷Rh2共晶主要提高了其溶解度和溶出速率，从而增强了抗肿瘤活性；DA共晶不仅提高了溶解度和溶出速率，还进一步揭示了其抗肾纤维化的作用机制，为开发新型抗肾脏纤维化药物提供了新的策略。这些差异表明，不同的天然药用小分子需要根据其自身特点进行个性化的共晶设计和研究。通过对这两个案例的对比分析，我们总结出以下成功经验：基于分子间作用力和结构互补的设计策略是有效的，能够指导共晶的设计和制备；溶液结晶法是一种可行的制备方法，通过优化实验条件可以获得高质量的共晶；多技术联用在共晶结构解析和性能表征中具有重要作用，能够全面深入地了解共晶的性质和功能。我们也认识到面临的挑战，如晶体生长的控制和共晶形成机制的深入研究等。在后续研究中，应进一步优化晶体生长条件，探索新的制备技术，深入研究共晶形成机制，以推动天然药用小分子共晶的发展和应用。针对不同的天然药用小分子，应充分考虑其结构和性质特点，进行针对性的共晶设计和研究，以实现最佳的性能改善效果。六、结论与展望6.1研究成果总结本研究围绕几种天然药用小分子共晶展开，在设计方法、解析技术以及实际案例研究等方面取得了一系列重要成果。在设计方法上，深入探究了基于分子间作用力的设计原理。通过对氢键、π-π堆积、范德华力等分子间作用力的细致分析，明确了它们在共晶形成过程中的关键作用。以芦丁-烟酰胺共晶为例，其中氢键的形成使得芦丁分子的羟基与烟酰胺分子的羰基紧密相连，改变了分子间的相互作用模式，从而形成稳定的共晶结构。这种对分子间作用力的深入理解，为共晶设计提供了坚实的理论基础。基于此，提出了基于结构互补的设计策略，通过对天然药用小分子和共晶形成物的结构分析，寻找具有互补结构和合适官能团的组合。如黄连素与苯甲酸的共晶设计，利用了黄连素分子的芳香环与苯甲酸分子苯环的π-π堆积作用以及氮原子与羧基的氢键作用，实现了共晶的稳定形成。还应用了计算机辅助设计方法COSMO-RS，通过量子化学计算预测共晶形成的可能性和稳定性。在槲皮素与苹果酸的共晶筛选中，COSMO-RS方法准确预测了两者形成共晶的可能性