L-草铵膦的晶型及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 L-草铵膦的晶型及其制备方法和应用 (Crystal form of L-glufosinate-ammonium, preparation method and application thereof ) 是由 姜宇华 于 2021-06-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了L-草铵膦的晶型及其制备方法和应用,其晶型包括铵盐形式A、B以及两性离子形式C,这些晶型在稳定性、引湿性、存储性等方面表现出优异的效果,有利于除草药物的制备、分离以及储存,同时溶解性佳、药代动力学好,进而有利于提高除草药物控制杂草的水平和速度。(The invention discloses a crystal form of L-glufosinate-ammonium, a preparation method and application thereof, wherein the crystal form comprises an ammonium salt form A, B and a zwitter-ion form C, the crystal forms show excellent effects in the aspects of stability, hygroscopicity, storage property and the like, are favorable for preparation, separation and storage of a weeding medicament, and are good in solubility and pharmacokinetics, so that the level and speed of the weeding medicament for controlling weeds are improved.)
技术领域
本发明具体涉及L-草铵膦的晶型及其制备方法和应用。
背景技术
草铵膦，一种触杀型灭生性除草剂，具有杀草谱广、低毒、活性高和环境相容性好等特点，其发挥活性作用的速度比百草枯慢，而优于草甘膦；成为与草甘膦和百草枯并存的非选择性除草剂，应用前景广阔；许多杂草对草铵膦敏感，在草甘膦产生抗性的地区可以作为草甘膦的替代品使用；其中，L-草铵膦是外消旋草铵膦中的活性成分，其除草活性是外消旋体的2倍。此外，除草药物活性成分的晶型结构往往会引起该药物各种理化性质的差异，如溶解度、溶出速率、储存稳定性、硬度等，这些差异直接影响除草药物的制剂工艺、储存方法、分离方法、药代动力学表现等等，进而影响到除草药物控制杂草的水平、速度以及具体操作的难易程度等方面。
目前，L-草铵膦铵盐报道的合成方法很多，包括生物法和化学法。但是晶型研究比较少，CN111065270介绍了从谷氨酸组合物中分离，通过筛选得到L-草铵膦的结晶形式A～E，其中结晶形式A是亚稳态的并且倾向于转化为其他形式，离子色谱显示铵根离子含量6.4％，说明该结晶形式是铵盐结构和两性离子结构的混合结晶，结晶形式B是L-草胺膦两性离子的结晶形式，结晶形式C是亚稳态的，易转化为形式A和形式B；结晶形式D由多晶型物筛选中的几种室温或升高的温度的浆料制备，典型地为与形式A的混合物，且形式B和形式D均为L-草铵膦的游离形式的无水结晶形式；形式E的1H NMR光谱与L-草胺膦一致，但有峰移动启示潜在的电离差异，IC分析显示仅有少量的铵以及化学计算量的氯化物，结果启示形式E不是L-草铵膦的形式，而是L-草胺膦盐酸盐的形式。
然而上述的L-草铵膦的结晶形式仍然表现在稳定性、吸湿性等方面的一个或多个不足，因此深入研究除草药物的多晶型现象并找到具备良好性质的晶型具有十分重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提供了L-草铵膦的新晶型A，该晶型为L-草铵膦的铵盐形式，其稳定性、引湿性等方面效果优异。
本发明同时还提供了一种L-草铵膦的新晶型B，该晶型为L-草铵膦的铵盐形式，其稳定性、引湿性等方面效果优异。
本发明同时还提供了一种L-草铵膦的新晶型C，该晶型为L-草铵膦的两性离子形式，其稳定性、引湿性等方面效果优异。
本发明同时还提供了上述多种结晶的制备方法以及它们在制备除草剂中的应用。
为达到上述目的，本发明采用的一种技术方案是：
一种L-草铵膦的结晶，所述结晶为L-草铵膦的晶型A，其X-射线粉末衍射图在2θ角为16.658°±0.2°、18.139°±0.2°、23.960°±0.2°、25.458°±0.2°、28.380°±0.2°处有特征峰。
在本发明的一些实施方式中，所述L-草铵膦的晶型A的X-射线粉末衍射图还在2θ角为9.916°±0.2°、28.879°±0.2°中的一处或多处具有特征峰。
根据本发明的一个具体方面，所述L-草铵膦的晶型A的X-射线粉末衍射图还在2θ角为19.361°±0.2°、19.859°±0.2°、21.395°±0.2°、21.708°±0.2°中的一处或多处具有特征峰。
根据本发明的一个具体方面，所述L-草铵膦的晶型A的X-射线粉末衍射图如图1所示。
根据本发明的一些具体方面，所述L-草铵膦的晶型A以差示扫描量热法测定的图谱中显示有一个吸热峰，该两个吸热峰的峰值温度分别为129.65±2℃。
根据本发明的一个具体方面，所述L-草铵膦的晶型A为无水的单一草铵膦铵盐晶型。
本发明同时还提供了一种L-草铵膦的结晶，所述结晶为L-草铵膦的晶型B，其X-射线粉末衍射图在2θ角为9.484°±0.2°、12.163°±0.2°、17.098°±0.2°、22.540°±0.2°、34.899°±0.2°处有特征峰。
在本发明的一些实施方式中，所述L-草铵膦的晶型B的X-射线粉末衍射图还在2θ角为10.833°±0.2°、19.240°±0.2°、21.481°±0.2°、25.202°±0.2°、32.418°±0.2°、34.022°±0.2°中的一处或多处具有特征峰。
在本发明的一些实施方式中，所述L-草铵膦的晶型B的X-射线粉末衍射图还可能在2θ角为19.638°±0.2°、24.879°±0.2°、27.927°±0.2°、37.139°±0.2°中的一处或多处具有特征峰。
根据本发明的一个具体方面，所述L-草铵膦的晶型B的X-射线粉末衍射图如图3所示。
根据本发明的一些具体方面，所述L-草铵膦的晶型B以差示扫描量热法测定的图谱中显示有一个吸热峰，该吸热峰的峰值温度为134.07±2℃。
本发明同时还提供了一种L-草铵膦的结晶，所述结晶为L-草铵膦的晶型C，其X-射线粉末衍射图在2θ角为16.018°±0.2°、19.067°±0.2°、19.338°±0.2°、21.581°±0.2°处有特征峰。
在本发明的一些实施方式中，所述L-草铵膦的晶型C的X-射线粉末衍射图还在2θ角为16.620°±0.2°、17.460°±0.2°、29.159°±0.2°、34.477°±0.2°、35.280°±0.2°中的一处或多处具有特征峰。
根据本发明的一个具体方面，所述L-草铵膦的晶型C的X-射线粉末衍射图还可能在2θ角为9.802°±0.2°、18.139°±0.2°、19.834°±0.2°、20.600°±0.2°、21.984°±0.2°、23.723°±0.2°、25.439°±0.2°、25.738°±0.2°、26.758°±0.2°、27.082°±0.2°、28.395°±0.2°、30.983°±0.2°、32.584°±0.2°、33.100°±0.2°、34.242°±0.2°、36.768°±0.2°、37.075°±0.2°、39.535°±0.2°中的一处或多处具有特征峰。
根据本发明的一个具体方面，所述L-草铵膦的晶型C的X-射线粉末衍射图如图5所示。
根据本发明的一些具体方面，所述L-草铵膦的晶型C以差示扫描量热法测定的图谱中显示有两个吸热峰，该一个吸热峰的峰值温度分别为139.14±2℃。
本发明同时还提供了上述所述的L-草铵膦的晶型A的制备方法，所述制备方法包括：
将L-草铵膦盐酸盐分散在水中形成分散液，通入氨气进行中和并控制分散液的pH值为6-8，浓缩，在温度T1下加入有机溶剂，以外温温度(Tj)和内温温度(Tr)相差Tj-Tr＝-1～-5K的降温速率进行降温且降温至-10～15℃，保温，析出固体，过滤得固体，对所得固体进行干燥，将干燥后的固体与有机溶剂混合回流，然后以外温温度(Tj)和内温温度(Tr)相差Tj-Tr＝1～5K的降温速率进行降温且降温至-10～15℃，保温，析出固体，过滤得固体，对所得固体进行干燥，得到L-草铵膦的晶型A，所述T1在50℃与有机溶剂的沸点之间；或，
将L-草铵膦盐酸盐分散在水中形成分散液，通入氨气进行中和并控制分散液的pH值为6-8，浓缩，控温20-40℃，以0.1-10g/min的滴加速度加入有机溶剂，滴加过程中有固体析出，滴加结束后保温，然后降温至-10～15℃，保温，析出固体，过滤得固体，对所得固体进行干燥，将干燥后的固体与有机溶剂混合回流，然后以外温温度(Tj)和内温温度(Tr)相差Tj-Tr＝1～5K的降温速率进行降温且降温至-10～15℃，保温，析出固体，过滤得固体，对所得固体进行干燥，得到L-草铵膦的晶型A。
本发明同时还提供了上述所述的L-草铵膦的晶型B的制备方法，所述制备方法包括：
将L-草铵膦盐酸盐分散在水中形成分散液，通入氨气进行中和并控制分散液的pH值为6-8，浓缩，在温度T2下加入有机溶剂，以外温温度(Tj)和内温温度(Tr)相差Tj-Tr＝1～5K的降温速率进行降温且降温至-10～15℃，保温，析出固体，过滤得固体，对所得固体进行干燥，得到L-草铵膦的晶型B，所述T2在50℃与有机溶剂的沸点之间。
本发明同时还提供了上述所述的L-草铵膦的晶型C的制备方法，所述制备方法包括：
将L-草铵膦盐酸盐分散在水中形成分散液，通入氨气进行中和并控制分散液的pH值为1-4，浓缩，在温度T3下加入有机溶剂，以外温温度(Tj)和内温温度(Tr)相差Tj-Tr＝1～5K的降温速率进行降温且降温至-10～15℃，保温，析出固体，过滤得固体，对所得固体进行干燥，得到L-草铵膦的晶型C，所述T3在50℃与有机溶剂的沸点之间。
根据本发明的一些优选方面，所述有机溶剂为选自醇类溶剂、酮类溶剂和腈类溶剂中的一种或多种的组合。
进一步地，所述醇类溶剂为选自甲醇、乙醇和异丙醇中的一种或多种的组合。
进一步地，所述酮类溶剂包括丙酮。
进一步地，所述腈类溶剂包括乙腈。
根据本发明的一些优选方面，在制备L-草铵膦的晶型A、晶型B或晶型C的过程中，在通入氨气之后的浓缩步骤，优选将分散液浓缩至30-80％。
根据本发明的一些优选方面，在制备L-草铵膦的晶型A、晶型B或晶型C的过程中，L-草铵膦盐酸盐与有机溶剂的投料质量比为1∶1-20。
根据本发明的一些优选方面，在制备L-草铵膦的晶型A、晶型B或晶型C的过程中，水与有机溶剂的投料质量比为1∶1-15。
根据本发明的一些优选方面，在制备L-草铵膦的晶型A的一种方法中，有机溶剂的滴加速度为1-5g/min。
本发明同时还提供了一种除草剂组合物，包括活性成分和载体，所述活性成分包括前述所述的结晶。
本发明同时还提供了上述所述的结晶在制备除草剂中的应用。
为了帮助理解本申请公开的各种实施方案，提供以下说明：
X-射线粉末衍射图谱对于特定的晶型具有特征性。判断是否与已知晶型相同时，应该注意的是峰的相对位置(即2θ)而不是它们的相对强度。这是由于谱图的相对强度会因为晶体条件、粒径和其它测定条件的差异产生的优势取向效果而变化，特别是低强度峰值(强度小于20％)在某些情况下可能不存在，衍射峰的相对强度对晶型的确定并非是特征性的，事实上，XRPD图谱中衍射峰的相对强度与晶体的择优取向有关，本文所示的峰强度为说明性而非用于绝对比较。另外，本领域知道，用X射线衍射测定化合物的结晶时，由于测定的仪器或测定的条件等的影响，同一个晶型的2θ值可存在一定的测量误差，约为±0.2°。因此，在确定每种结晶结构时，应该将此误差考虑在内。在XRD图谱中通常用2θ角或晶面距d值表示峰位置，两者之间具有简单的换算关系：d＝λ/2sinθ，其中d代表晶面间距d值，λ代表入射X射线的波长，θ为衍射角。还应特别指出的是，在混合物的鉴定中，由于含量下降等因素会造成部分衍射线缺失。另外，由于样品高度等实验因素的影响，会造成峰角度的整体偏移，通常允许一定的偏移。因而，本领域技术人员可以理解的是，本申请所指晶型的X射线衍射图不必和这里所指的例子中的X射线衍射图完全一致，本文所述“XRPD图相同”并非指绝对相同，相同峰位置可相差±0.2°(或更大误差)且峰强度允许一定可变性。任何具有和这些图谱中的特征峰相同或相似的图的晶型均属于本申请的范畴之内。本领域技术人员能够将本申请所列的图谱和一个未知晶型的图谱相比较，以证实这两组图谱反映的是相同还是不同的晶型。
在具体X线晶体衍射图谱的基础上，通常允许本领域技术人员选取几个特征峰来对晶型进行定义，而特征峰的选择是基于一定的目的可以进行综合考量的，并无严格限制，例如，本领域技术人员更倾向于选择相对强度较高的峰、相对低角度的峰和峰形较为完整的特征峰，以及选择足以与其他晶体区别的特征峰等，以使得特征峰具有被区分、识别和鉴定的意义。因此，不能仅因为所选择的特征峰的组合发生改变而断定构成了不同的晶型或超出了原有请求的晶型范围。
DSC测定当晶体由于其晶体结构发生变化或晶体熔融而吸收或释放热时的转变温度。对于同种化合物的同种晶型，在连续的分析中，热转变温度和熔点误差典型的在约5℃之内。当我们说一个化合物具有一给定的DSC峰或熔点时，这是指该DSC峰或熔点±5℃。需要指出的是对于混合物而言，其DSC峰或熔点可能会在更大的范围内变动。此外，由于在物质熔化的过程中伴有分解，因此熔化温度与升温速率相关。
需要说明的是，本申请中提及的数值及数值范围不应被狭隘地理解为数值或数值范围本身，本领域技术人员应当理解其可以根据具体技术环境的不同，在不背离本申请精神和原则的基础上围绕具体数值有所浮动。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明提供了L-草铵膦的新晶型，具体是L-草铵膦的铵盐形式A、B以及两性离子形式C，这些晶型至少在稳定性、引湿性、存储性等方面中的一个表现出优异的效果，有利于除草药物的制备、分离以及储存，同时溶解性佳、药代动力学好，进而有利于提高除草药物控制杂草的水平、速度。
附图说明
图1为实施例1制备的L-草铵膦的晶型A的XRPD谱图；
图2为实施例1制备的L-草铵膦的晶型A的DSC谱图；
图3为实施例2制备的L-草铵膦的晶型B的XRPD谱图；
图4为实施例2制备的L-草铵膦的晶型B的DSC谱图；
图5为实施例3制备的L-草铵膦的晶型C的XRPD谱图；
图6为实施例3制备的L-草铵膦的晶型C的DSC谱图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明；应理解，这些实施例是用于说明本发明的基本原理、主要特征和优点，而本发明不受以下实施例的范围限制；实施例中采用的实施条件可以根据具体要求做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
下述实施例中未作特殊说明，所有原料均来自于商购或通过本领域的常规方法制备而得。
本申请中，实验所用的测试仪器和条件如下：
1.X射线粉末衍射仪(XRD，Rigaku D/Max-2500型，Cu Kα射线，λKα＝0.15406nm)对产品进行晶型分析，发射电压和电流分别为40kV和100mA，扫描范围2-40°，扫描步长为0.02°，扫描速率为8°/min。
2.差示扫描量热(DSC)：取5-10mg的样品盛入铝制坩埚内，放入仪器内，氮气流量设置为50、200ml/min，温度从30度升高至200度，速率10℃/min，使用Mettler Toledo的STAR软件进行分析。
下述中，Tj-Tr是指“外温温度和内温温度的差值”，其中，外温相当于冷源的温度(吸热降温的部分)，内温是指混合溶液的温度，降温速率Tj-Tr＝1K～5K就是指在降温过程中外温温度和内温温度的差值始终保持相差1-5℃，即外温温度和内温温度均保持动态变化并且始终保持相差1-5℃。
实施例1：L-草铵膦的晶型A的制备
方法1：将L-草铵膦盐酸盐(100g，0.46mol)加入到水(200g)中，通入氨气调节pH＝7，减压蒸馏浓缩至75％，在60℃下加入甲醇(600g)，以Tj-Tr＝2K的降温速率进行降温至5℃，保温24小时，有固体析出，过滤，烘干，然后加入甲醇(300g)中回流24小时，以Tj-Tr＝2K的降温速率进行降温至5℃，保温24小时，有固体析出，过滤，烘干，得到L-草铵膦的晶型A，HPLC纯度99％。
方法2：将L-草铵膦盐酸盐(100g，0.46mol)加入到水(200g)中，通入氨气调节pH＝7，减压蒸馏浓缩至50％，冷却至30℃，在此温度下以2g/min的滴加速度加入甲醇(600g)，滴加过程中有固体慢慢析出，滴加结束后保温6小时，然后降温至5℃，保温24小时，过滤，烘干，然后在甲醇(300g)中回流12小时，然后以外温温度和内温温度相差2K的降温速率进行降温且降温至5℃，保温，析出固体，过滤得固体，对所得固体进行干燥，得到L-草铵膦的晶型A。
对方法1所得的固体进行XRPD测试，谱图如图1所示，在衍射角2θ＝16.658°、18.139°、23.960°、25.458°、28.380°处有特征峰，2θ误差范围为±0.2度。其x-射线粉末衍射数据如表1所示。
表1：L-草铵膦的晶型A的XRPD图谱详情
DSC结果(图2)显示在129.58℃(峰值温度)处有一个吸收峰；同时以不含结晶水标样计，定量含量为99％，离子色谱分析表明铵含量为9.0％，基本与理论上的单铵盐(9.1％)所预期的一致，说明该晶型是草铵膦无水的铵盐结晶。
对方法2得到的固体同样进行了XRPD测试，测试谱图与图1基本一致，表明所得固体为L-草铵膦的晶型A。
实施例2：L-草铵膦的晶型B的制备
将L-草铵膦盐酸盐(100g，0.46mol)加入到水(200g)中，通入氨气调节pH＝7，减压蒸馏浓缩至50％，在60℃下加入甲醇(600g)，以Tj-Tr＝2K的降温速率进行降温至5℃，保温5天，有固体析出，过滤，烘干得到L-草铵膦的晶型B。
对上述所得的固体进行XRPD测试，谱图如图3所示，在衍射角2θ＝9.484°、12.163°、17.098°、22.540°、34.899°处有特征峰，2θ误差范围为±0.2度。其x-射线粉末衍射数据如表2所示。
表2：L-草铵膦的晶型B的XRPD图谱详情
DSC结果(图4)显示在134.07℃(峰值温度)处有一个吸收峰；以含结晶水标样计，定量含量为92％，离子色谱分析表明铵含量为8.4％，基本与理论上的单铵盐(8.4％)所预期的一致，说明该结晶形式含有一个结晶水的铵盐结晶。
实施例3：L-草铵膦的晶型C的制备
将L-草铵膦盐酸盐(100g，0.46mol)加入到水(200g)中，通入氨气调节pH＝2.5，减压蒸馏浓缩至50％，在60℃下加入甲醇(300g)，以Tj-Tr＝1K的降温速率进行降温至5℃，保温24小时，有固体析出，过滤，烘干得到L-草铵膦的晶型C。
对上述所得的固体进行XRPD测试，谱图如图5所示，在衍射角2θ＝16.018°、19.067°、19.338°、21.581°处有特征峰，2θ误差范围为±0.2度。其x-射线粉末衍射数据如表3所示。
表3：L-草铵膦的晶型C的XRPD图谱详情
DSC结果(图6)显示分别在139.14℃(峰值温度)处有一个吸收峰；以不含结晶水的标样进行定量，含量为99％，离子色谱分析铵含量为0.12％，。说明L-草铵膦的晶型C为不含结晶水的两性离子结晶形式。
对比例
将L-草铵膦盐酸盐(100g，0.46mol)加入到水(200g)中，通入氨气调节pH＝7，减压蒸馏浓缩至85％，在60℃下加入甲醇(600g)，冰水冷却，迅速降温至20℃，在此温度下保温7天，得到L-草铵膦的结晶形式，经验证，该结晶形式为专利CN1110625270A中的结晶形式A，过滤之后，放置2天后有明显吸水现象，吸水成水溶液。
实施例4：吸湿性检测
实验方案：将100克固体分别在不同湿度下保持14天，复测其质量有无明显变化，同时目测其外观有无明显变化，从而判断该晶型有无吸湿性，具体结果参见表4所示。
表4
序号
晶型
质量
外观
储存温度
湿度
质量变化(％)
1
A
100.00g
白色固体
20℃
65％
+0.02
2
B
100.00g
白色固体
20℃
65％
+0.03
3
C
100.00g
白色固体
20℃
65％
+0.02
4
A
100.00g
白色固体
20℃
80％
+1.45
5
B
100.00g
白色固体
20℃
80％
+1.55
6
C
100.00g
白色固体
20℃
80％
+1.54
实验显示：在相对湿度较低的情况下，没有明显的吸湿性。在相对湿度较高的情况下，吸湿性也非常小。
实施例5：稳定性实验
实验方式：将晶型A、B、C在温度60℃下储存7天，复测其晶型变化情况，具体结果参见表5所示。
表5
序号
晶型
质量
温度
湿度
晶型
外观
1
A
100g
60℃
65％
无变化
无变化
2
B
100g
60℃
65％
无变化
无变化
3
C
100g
60℃
65％
无变化
无变化
实验表明：相对于CN111065270A中的结晶形式而言，L-草铵膦的晶型A、B和C稳定性极好，非常有利于包装和运输
剂型配制和田间药效实验
以下结合具体的剂型配制和田间药效实验，对本发明做进一步详细说明，本专利受保护的晶型原药满足水剂的要求，此外还可开发为单剂型、复配剂型。以下百分含量均为重量含量。
下面采用制剂加工和田间药效试验相结合方法。试验药剂由江苏七洲绿色化工股份有限公司提供。
应用实施例一：
表6 10％精草铵膦水剂
物料名称
配方比例
精草铵膦(L-草铵膦的结晶)
10％
表面活性剂
3％
水
补足
分别用实施例1制成的L-草铵膦的晶型A、实施例2制成的L-草铵膦的晶型B配置剂型与专利CN111065270A中的结晶形式A(对比例制成)来配制上述剂型进行田间药效实验。经过检测本发明的晶型A和B配制成的水剂产品的物理、化学稳定，满足生产使用需要，同时对不同的杂草进行田间实验。使用量120g/亩。
参考《农药田间药效试验准则》，每个小区调查5个点，每点1平方米，药后7天分别记录每个处理的杂草种类、总株数、中毒症状、死亡株数等，然后统计株防效结果，具体计算并统计杂草死亡率。
表7药后7天株防效调查结果
结论：
与专利CN1110625270中的结晶形式A相比，本专利中的铵盐结晶形式A和B的药效明显要高5～10％，推测由于单一的铵盐结晶形式有利于作物的吸收，从而达到除草的效果。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
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