一、为什么农药也需要关注晶型？
固体药物可以通过不同的结晶方法形成多种固体形态，包括多晶型（Polymorphs）、无定形（Amorphous）和溶剂化物（包括水合物）等。所谓多晶型，是指同一物质因分子构象或堆积方式不同而结晶成两种或两种以上不同晶体结构的现象。这种固体形态的差异，会显著影响食品、染料颜料、高能材料、医药、农化等诸多领域的材料性质。
对原药（API）而言，不同的固体形态会改变溶解度、溶出速率、熔点等理化性质，进而影响药物的稳定性和生物利用度。一个著名的惨痛教训是：由于对利托那韦（Ritonavir）多晶型研究的缺失，导致超过2.5亿美元的巨大损失，这凸显了结晶学在药物研发中的关键作用。
除多晶型外，无定形以非晶态或无序状态存在，通常比结晶态具有更高的溶解度和生物利用度；但无定形药物在生产和储存过程中容易结晶和聚集，需要在实际应用中深入研究和优化。溶剂化物（包括水合物）也称为假多晶型，在加工或药物制剂过程中可能伴随溶剂出现；溶剂化物可以提供获得特殊活性结构的途径，并通过脱溶剂化产生常规方法无法获得的新型晶型，但不合适的溶剂化物也会导致聚集或膨胀等不良后果。鉴于这些影响，在药物生产中研究固体形态对于确保储存和制备过程中的稳定性、生物利用度和等效性至关重要。
农药在现代农业中扮演着保护作物和生产力的关键角色，但其广泛使用也带来了环境和抗性等问题。开发高效、环保、可持续的新农药是一项复杂的工程。因此，农药多晶型逐渐受到更多关注。近年来，农药多晶型的研究在改善理化性质和提高生物活性方面取得了重大进展：
DDT等高热力学能晶型的杀虫剂表现出更强的杀虫活性；
林丹（Lindane）同样展现此规律；
吡虫啉（Imidacloprid）的高能晶型也表现出杀虫活性提升。
此外，在制剂开发过程中选择最稳定的晶型，是确保制剂稳定性的有力保障。因此，探索农药的多晶型可以在不改变活性成分分子结构的前提下，获得具有更优性质的替代形态，从而确保产品质量并优化药效。
三氟苯嘧啶（Triflumezopyrim，TFM，1263133-33-0）是第一款上市的介离子（Mesoionic）类杀虫剂，在防治抗性稻飞虱方面发挥了关键作用，能够有效控制对现有新烟碱类等杀虫剂产生抗性的水稻飞虱种群。然而，针对其多晶型的研究却十分匮乏。
三氟苯嘧啶的化学名为2,4-二氧代-1-(5-嘧啶基甲基)-3- [3-(三氟甲基)苯基] -3,4-二氢-2H-吡啶并[1,2-a]嘧啶-1-正离子-3-碳负离子，分子式为 C₂₀H₁₃F₃N₄O₂，其结构如图1所示。
图1 | 三氟苯嘧啶的分子结构
本研究系统探究了三氟苯嘧啶的多晶型现象，鉴定出4个新多晶型（Forms II-V）、1个水合物（Form H）和1个无定形体。通过单晶X射线衍射（SCXRD）首次解析了Form III、Form V和Form H的晶体结构。同时开展了溶解度、溶出和稳定性测试，通过热分析、溶剂介导转变实验和晶格能计算，阐明了不同晶型间的转变关系，确定Form V 是热力学最稳定的多晶型，具有最低的溶解度。此外，将Form I、II、V、H制备成水悬浮剂（SC），测试了其制剂性能和针对褐飞虱（N. lugens）的生物活性。研究还观察了不同固体多晶型的荧光变化，通过对单晶结构中弱相互作用的分析，揭示出π-π 堆积模式的改变是观察到荧光变化的可能原因。这些发现显著丰富了我们对三氟苯嘧啶固态性质的理解，为未来的加工和制剂选择提供了实质性指导。
二、实验部分
研究团队通过蒸发、浆料、反溶剂、冷却和熔融淬火等多种筛选方法，系统发现了6种新形态：Forms II-V、Form H（水合物）和无定形体。Form I、III、V和H的单晶成功获得并解析。
2.1 各晶型的制备方法
晶型 | 制备路径 |
|---|
Form I 单晶 | 10 mg TFM溶于5 mL乙醇，室温缓慢挥发2-4天，得黄色块状晶体 |
Form II | Form I 的DCM饱和溶液加入3-5 倍体积正庚烷，立即析出固体粉末，蒸发或过滤得Form II 粉末 |
Form III | 100 mg Form I在 45°C 下于甲醇/正丁醚（1:1）中打浆，固液分离得 Form III 粉末；该体系缓慢挥发约 2 周得黄色透明片状晶体 |
Form IV | Form I 的甲醇饱和溶液在 50°C 下冷却至10°C诱导大量固体析出，打浆30分钟，过滤干燥得Form IV 粉末 |
Form V | 100 mg Form I溶于4 mL 1,2-二甲氧基乙烷（DME），搅拌下加入 4-8 mL水，6 小时后溶液变浑浊，过滤得Form V粉末；滤液缓慢蒸发得Form V单晶 |
Form H（水合物） | 100 mg Form I溶于 4 mL DME，搅拌下加入12-20 mL水，几分钟后开始析出，过滤得Form H粉末；滤液缓慢蒸发得片状单晶 |
无定形体 | 200 mg Form I 以 10°C/min 升温至 195±5°C（高于熔点）保持5 分钟完全熔融，冷却至-10°C保持3-5分钟，研磨得无定形粉末 |
2.2 表征技术
研究采用了全套固态表征手段：
SCXRD：Bruker APEX3 CCD衍射仪，Cu-Kα辐射（λ=1.54178 Å），150/270/294 K下收集数据
PXRD：Rigaku Ultima IV衍射仪，Cu-Kα辐射，扫描速率8°/min，2θ 范围 5-45°
DSC：TA Q2000，氮气氛围，升温速率10°C/min；无定形样品另做 MDSC 测试
TGA：TA Q500，氮气氛围，升温速率10°C/min 至350°C
FTIR：Agilent Cary 630，4000-400 cm⁻¹，分辨率4 cm⁻¹
¹H NMR：Bruker AM-400，DMSO-d6溶剂
固态紫外-可见与荧光光谱：Varian Lambda 950与LS-55荧光分光光度计
三、结果与讨论
3.1 多晶型筛选与表征
3.1.1 筛选结果
经过系统全面的筛选，利用蒸发、浆料、反溶剂、冷却和熔融淬火等多种筛选方法，发现了6种新形态（Forms II-V、Form H和无定形体）。成功获得了Form I、III、V和H的单晶并进行了测定。
💡 Form IV由于在室温下不稳定、易转化为Form III，本文对其关注度有限。
无定形材料的MDSC测试确定了其玻璃化转变温度（Tg）。无定形态的DSC曲线有三个热事件：A（Tg 75.7°C）、B（105.1°C 放热峰 116.7°C）和 C（189.5°C 为 Form II 熔化的吸热峰）。PXRD分析显示，无定形态在 Tg后可保持，在140°C时与Form II匹配。
3.1.2 粉末 X 射线衍射（PXRD）
PXRD是区分各种固体形态的广泛使用且便捷的技术。图 3a显示了新 三氟苯嘧啶晶型的PXRD图谱，与最初报道的Form I相比呈现出明显不同的衍射峰。通过将Form I、III、V、H的单晶模拟XRD图谱与其相应的实验PXRD图谱进行比较（图 3b），表明这些粉末样品具有高纯度。图3 | (a) 三氟苯嘧啶各固体形态的PXRD图谱对比；(b) 单晶模拟与实验 PXRD图谱对照
3.1.3 热分析
图4展示了三氟苯嘧啶各多晶型在 10°C/min 升温速率下的 DSC 曲线，具体数据汇总于表 1。
图 4 | 三氟苯嘧啶多晶型的 (a) DSC曲线；(b) TGA曲线；(c) 无定形态的 DSC 曲线；(d) 无定形态在升温过程中的 PXRD 变化；(e) Form H的DSC曲线；(f) Form H在升温过程中的PXRD变化
多晶型 | T_onset (°C) | T_m (°C) | ΔH_f (J/g) | T_decomposition (°C) |
|---|
Form I | 185.5 | 188.3 | 78.3 | 304.1 |
Form II | 188.5 | 191.3 | 66.52 | 312 |
Form III | 172.6/189.3 | 174.5/190.7 | 39.55/40.75 | 295.7 |
Form IV | 159.7/172.4/186.3/190.4 | 161.2/174.5/188.4/191.7 | 31.1/41.6/40.4 | 303.8 |
Form V | 189.1 | 190.4 | 82.88 | 300.1 |
具体而言：
Forms I、II、V仅显示一个尖锐的吸热峰，熔点分别为185.5°C、188.5°C和189.1°C；
Form III的DSC曲线最初在172.6°C显示吸热峰，在177.1°C显示小的放热峰，在189.3°C显示明显的吸热峰，表明Form III熔化后结晶为Form V；
Form H在100.5°C显示宽的吸热峰，表明水合物的脱水过程；加热至130°C时失重 1.35%，三氟苯嘧啶与水的化学计量比为4:1，与晶体学数据一致；
TGA 曲线表明上述多晶型几乎无溶剂残留（失重 <0.3%）。
3.1.4 FTIR光谱表征
FTIR是研究生物质化学结构和分子相互作用的高效技术。
在峰强度和位置上存在细微差异，特别是在苯环和 C=O 振动的指纹区C-H伸缩振动区域。Form I的C-H伸缩振动出现在3110.94 cm⁻¹，而嘧啶环的C=O伸缩振动出现在1685.86和 1616.62 cm⁻¹。与Form I相比，Forms II、III和V的C-H伸缩频率红移至3101.78、3098.47和3101.80cm⁻¹；Form H中由于溶剂分子存在O-H，在3557.58 cm⁻¹出现伸缩振动峰，且分子内O-H与C-H可形成氢键，导致C-H伸缩振动红移至3107.71 cm⁻¹。因此，红外光谱可以作为区分三氟苯嘧啶多晶型的辅助工具。
3.2 三氟苯嘧啶多晶型的晶体结构
SCXRD可以直接精确地确定晶体结构，但对晶体尺寸和完整性要求较高。因此，仅获得了Form III和V两个多晶型以及水合物Form H的单晶结构。相关晶体学数据和氢键几何参数分别汇总于表 2。
| Form I | Form III | Form V | Form H |
|---|
分子式 | C₂₀H₁₃F₃N₄O₂ | C₂₀H₁₃F₃N₄O₂ | C₂₀H₁₃F₃N₄O₂ | C₈₀H₅₄F₁₂N₁₆O₉ |
晶系 | 三斜 | 正交 | 单斜 | 单斜 |
空间群 | P1 | Pca2₁ | P2₁/c | P2₁/c |
a (Å) | 11.3621(9) | 17.5542(9) | 13.3844(6) | 18.9435(7) |
b (Å) | 12.7679(10) | 7.1736(3) | 19.2988(8) | 12.1155(5) |
c (Å) | 13.2050(11) | 27.8797(13) | 13.4458(6) | 15.5801(5) |
β (deg) | 69.326(3) | 90 | 96.816(3) | 95.338(2) |
体积 (ų) | 1779.2(3) | 3510.8(3) | 3448.5(3) | 3560.3(2) |
Z | 4 | 8 | 8 | 2 |
计算密度 (g/cm³) | 1.487 | 1.507 | 1.534 | 1.503 |
CCDC 编号 | 2069874 | 2242985 | 2242987 | 2256109 |
三氟苯嘧啶是一个柔性分子，具有三个扭转角（τ1、τ2 和 τ3），可以旋转分子中的三个单键，导致晶体堆积中出现不同的构象。
3.2.1 Form I
Form I的单晶（CCDC 编号 2069874）通过乙醇溶剂蒸发结晶获得。Form I在三斜 P1 空间群中结晶，Z=4，Z'=2。不对称单元包含两个分子（构象体 A 和 B），它们通过分子间氢键连接形成二聚体。二聚体之间再通过分子间作用力组装，分子 A（蓝色）沿 a 轴通过 C-H···π 相互作用相互连接并层层堆叠，形成三维（3D）结构。
3.2.2 Form III
Form III在正交流 Pca2₁ 空间群中结晶，Z=8，Z'=2。图 5展示了 Form III的晶体堆积情况。对称独立的分子（构象体 A 和 B）在其介离子环中的苯环和吡啶环之间进行π-π 相互作用，以及弱的氢键相互作用 C23-H23···O1 和 C5-H5b···O4，使这些环平面近乎平行排列。沿 a 轴，同种分子通过 O2···H9-C9 和 C29-H29···O3 以"手牵手"连接形成连续的 1D 链。沿 c 轴方向，分子 A 和 B 通过 C1-H1···N5 的"头对头"相互作用排列成 2D 平面。b 轴方向呈现出独特的排列，通过 π···π 堆积相互作用和 C-H···O 相互作用稳定。分子 A 和 B 的 2D 平面以波浪层一致堆叠，通过 C25-H25b···O1 和 C2-H2···O4 相互作用形成 3D 结构。
图 5 | Form III 的晶体结构：(a) 不对称单元中两个构象体的分子结构；(b) 分子 A 和 B 之间的 π-π 相互作用及弱氢键；(c) 沿 c 轴的 2D 平面排列；(d) 3D 堆积结构
3.2.3 Form V
Form V在单斜 P2₁/c 空间群中结晶，Z=8，Z'=2。图6展示了Form V的晶体堆积。不对称单元中的两个分子（构象体 A 和 B）其介离子平面近乎平行。与Form III不同，分子通过 C=O···π 相互作用形成二聚体，涉及的相互作用为 C3-H3···O3 和 C22-H22···O2。二聚体内的嘧啶环位于平面之间，使得二聚体在空间体积上类似于立方体。这些二聚体通过 C36-H36···O1 氢键依次连接，沿 b 轴延伸。类似地，在 a-b 平面内，分子 A 和 B 通过 N2-H27···C27 平行连接形成链状结构。沿 c 轴，不对称单元由于 π···π 堆积相互作用而平行排列，从而构建出 3D 结构。
图6 | Form V 的晶体结构：(a) 不对称单元中两个构象体的分子结构；(b) 沿 b 轴的二聚体链延伸；(c) a-b 平面内的链状结构；(d) 3D 堆积结构
3.2.4 Form H
Form H在单斜 P2₁/c 空间群中结晶，Z=2，Z'=0.5。图7展示了 Form H的晶体结构。不对称单元由两个三氟苯嘧啶分子（构象体 A 和 B）以及半个H₂O分子组成。分子 A 通过 O5-H5d···O1 和 O5-H5c···O1 与水分子形成氢键；而位于晶胞中间位置的分子 B 不与 H₂O 相互作用。在 b-c 平面上，两个 H₂O 以"头对头"排列形成六边形二聚体，并策略性地定位在晶胞 b-c 平面的四个顶点和中点。这种布局有效地将 H₂O二聚体与四个不同方向上的四个三氟苯嘧啶分子连接起来。分子 A 和 B 通过 C27-H27···O2 相互作用连接，沿 a 轴上下延伸。这进一步构建了两个分子 B 之间的 π-π 相互作用（3.584 Å），导致在 a 轴方向的延伸。H₂O二聚体位于晶胞顶点，并通过氢键沿 b 轴和 c 轴延伸，有助于形成有序的3D结构。晶体结构显示，从晶胞表面去除水分子不会导致晶体坍塌，这与脱水过程研究的结果一致。
图7 | Form H 的晶体结构：(a) 不对称单元中的分子排列；(b) H₂O 二聚体与 TFM 分子的连接网络；(c) 沿 a 轴的 π-π 相互作用延伸；(d) 3D 堆积结构
通过对三氟苯嘧啶多种晶体结构的分析，很明显不同的氢键和π-π 相互作用促成了多晶型中不同的构象。采用密度泛函理论（DFT）计算优化后的 H 和 F 构象的相对气相能量。基于构象叠加图，可以观察到由介离子环与吡啶环之间单键产生的扭转角 C-N-C-C（τ2）在决定构象能量差异方面起着关键作用。当扭转角为负值时，表明反向扭转稳定，能量水平较低。但应注意，最高能量与最低能量之间的构象能差异仅为10 kJ·mol⁻¹。这意味着这些构象差异并不是导致不同晶体结构形成的关键因素；相反，堆积模式的变化发挥着更重要的作用。
3.3 荧光分析与弱相互作用可视化研究
3.3.1 荧光分析
在三氟苯嘧啶固体形态筛选过程中，观察到了荧光变化。三氟苯嘧啶分子介离子环内的共轭体系导致其表现出荧光。在可见光下，不同三氟苯嘧啶多晶型均呈黄色，而在365 nm紫外光下则显示出不同的固态荧光颜色（图 8a）：
Form H：强烈的绿色荧光
Form I：黄绿色荧光
Form V：比 Form I 更偏黄
Form III：更亮的黄色荧光
Form II：橙色荧光
图8 | (a) 不同三氟苯嘧啶多晶型在可见光与365 nm紫外光下的实物照片；(b) 固态紫外-可见吸收光谱；(c) 固态荧光光谱为进一步研究这一现象，分析了三氟苯嘧啶多晶型的固态紫外-可见吸收光谱和固态荧光光谱，详细数据见表3。
多晶型 | λ_emission,max (nm) | λ_excitation (nm) |
|---|
Form I | 515 | 412 |
Form II | 548.5 | 378 |
Form III | 536 | 386 |
Form V | 520 | 416 |
Form H | 422.5, 506.5 | 420 |
荧光光谱显示，Forms I和 V 的最大发射波长接近，分别为515 和 520 nm。Form III红移至 536 nm，Form II更明显地红移至548.5 nm，但强度相对较弱。Form H中水分子的存在导致了明显的双峰现象，最大发射波长蓝移至 422.5 和 506.5 nm，这可能归因于氢键的存在和晶体堆积的显著变化。这些光谱结果与在紫外灯（365 nm）下观察到的结果一致。
3.3.2 Hirshfeld 表面分析
Hirshfeld表面分析可以揭示分子间相互作用的类型和相对面积。图9 和图10展示了密切接触及其对应的2D指纹图，显示了五种主要的分子间相互作用：H···H、F···H、C···H、N···H 和 O···H 相互作用。这些相互作用在不同多晶型中表现出一定的相似性，H···H、F···H 和 O···H 相互作用占比较高。在Form I中，O···H 相互作用的比例高达 10.5%。Form III中分子间芳香环之间较大的共轭体系导致 H···H 和 C···C 接触贡献最大。Form V除了 H···H 和 C···C 接触显著贡献外，还表现出较大比例的 H···F 相互作用。由于 H₂O 分子的引入，Form H中 O···H 相互作用的百分比贡献显著上升至 13.9%。
图9 | 三氟苯嘧啶的Hirshfeld表面接触及相应的二维指纹图：(a) Form I、(b) Form III、(c) Form V 和 (d) Form H
图10 | 通过dnorm方法绘制的Hirshfeld表面中，密切接触者所占的百分比贡献值
3.3.3 IGMH 分析
为进一步分析弱的分子间相互作用，采用IGMH方法可视化非共价相互作用，特别强调π-π堆积在晶体排列中的关键作用。图11展示了三氟苯嘧啶多晶型以 sign(λ₂)ρ 映射函数着色的δg^inter，蓝色区域表示显著的吸引力（氢键和卤键），而绿色区域代表范德华相互作用。
图11 | 三氟苯嘧啶多晶型的IGMH 分析：(a) Form I；(b) Form III；(c) Form V；(d) Form H
通常，共轭芳香环的增加会增强荧光并导致向长波长方向移动。Form I、III 和V中的弱相互作用主要以绿色区域为代表，包括弱的O-H相互作用和分子间范德华相互作用。Form III与Form I相比表现出更大的绿色区域，表明更显著的π-π相互作用，这有效解释了固态荧光波长的红移。Form V中的绿色区域介于Form I 和III之间，展示了H-F相互作用以及O-H和H-H相互作用的存在。氢键和π-π相互作用分别引起蓝移和红移，这可能解释了Form V的最大吸收波长与Form I相比没有显著移位的原因。在 Form H中，明显的蓝色平面区域表明了三氟苯嘧啶与水分子之间的强氢键，但范德华效应不明显。结合Hirshfeld表面和IGMH分析，可以发现 Form III中π-π 相互作用的显著增加和Form H中O-H相互作用的显著增加导致了荧光的增强。
3.4 溶出测试与平衡溶解度
溶出速率是物质的固有属性。在纯水中测试了各形态的溶出行为，图 12展示了结果。
图12 | 三氟苯嘧啶多晶型在水中的溶出曲线
从图12可以看出，大多数形态的溶出浓度值随时间逐渐增加，在约20 分钟达到峰值，然后下降。相比之下，无定形形态的初始溶出速率最高，但随着时间的推移呈下降趋势。大多数多晶型在约180 分钟达到平衡，此时Form I达到最大浓度。值得注意的是，Form II表现出轻微的"spring parachute"现象，平衡浓度高于Form I。Form V和H相对较快达到平衡，且浓度维持在低于Form I的水平。Form III始终保持较高的浓度，在180 分钟时约为Form I的两倍。
溶出研究后，对残留固体进行了PXRD分析。Form I、II、V和H保持不变，但Form III已完全转变为Form I，无定形已转变为水合物（Form H）。
在25°C纯水中可稳定保持的Form I、II、V、H的平衡溶解度如表4。
表 4 | 三氟苯嘧啶多晶型在25°C下的平衡溶解度
多晶型 | 溶解度 (g/L) |
|---|
Form I | 0.33 |
Form II | 0.36 |
Form V | 0.27 |
Form H | 0.30 |
显然，多晶型间的平衡溶解度存在差异：Form I的平衡溶解度为0.33 g/L，Form II略有提高至0.36 g/L，而 Form V和H的溶解度较低，分别为0.27 g/L和 0.30 g/L。
3.5 物理稳定性与相变分析
3.5.1 稳定性测试
稳定性也是影响农药产品生物活性的主要因素。对新晶型进行了四种条件下的加速测试：
Forms I、II、III、V在 30 天内表现出稳定性，对温度、湿度和光照均展现出优异的固态稳定性；
无定形体在光照下保持稳定，在60°C下可耐受 5 天，但在高湿度下 5 天内转变为 Form II；
Form H在高温下 5 天后显示出Form I的特征峰，而在其他条件下保留了大部分水合物特征。
总之，Form I、II、III和V表现出显著的固态稳定性。热力学稳定的多晶型可以减少制备和储存中的不确定性，从而确保制剂的稳定性和生物利用度。
3.5.2 溶剂介导相变（SMPT）实验
基于稳定性和溶解度结果，发现Form I、II和V比其他形态具有更好的固态稳定性。此外，根据DSC分析，Form I、II 和 V 的熔点非常接近。为进一步确认三氟苯嘧啶多晶型间的热力学关系，进行了SMPT实验以获得可靠直观的分析结果。
SMPT实验主要分析了在水（25°C）和异丙醇 IPA（60°C）中，单一形态和约 50%（w/w）混合体系悬浮液在不同悬浮小时后的相变情况（图 13）。
图13 | (a) 单一形态在水中的 SMPT 实验 PXRD 结果；(b) 混合多晶型在水中的竞争悬浮实验结果
首先，对于单一形态粉末（图13a），Form I、II 和 V在室温下悬浮 24 和 48 小时后保持了原始的PXRD图谱。此外，水合物（Form H）在水中悬浮时也表现出优异的稳定性，这确保了在悬浮剂加工过程中的晶型稳定性。
随后对混合多晶型进行了竞争悬浮实验（图13b）：
Form I 和 II 的混合物：24 小时悬浮后两种形态均表现出特征峰，但到36 小时时Form II的峰强度显著降低，48 小时时仅剩Form I特征峰；
Form II 和 V 的混合物：仅在24 小时内就完全转变为Form V，表明 Form II 和V之间存在显著的稳定性差异；
Form I 和 V 的混合物：48 小时时少量Form I 残留，到72 小时时完全转变为Form V。
在更高温度下，Form I 和 II 向 Form V 的转变显著加速。在纯体系中，Form II完全且快速地转变为Form V，而Form I保持原始形态，尽管其峰强度明显降低。在混合体系中，Form V的存在导致48 小时内完全转变。
实验结果表明，Form V 在室温和高温下都具有最高的热力学稳定性。但在室温下，Form I 和 V表现出相似的稳定性，两者都超过 Form II。此外，将Form II 和 III的混合物在室温水中悬浮24 小时后得到了 Form I 和 II 的混合物，这表明Form II的稳定性优于Form III。
3.5.3 晶格能
晶格能可以从周期层面反映晶体的稳定性。表 5总结了不同三氟苯嘧啶多晶型的计算晶格能。
| E_bulk (hartree) | E_conformer A (hartree) | E_conformer B (hartree) | E_latt (kcal/mol) |
|---|
Form I | -5710.664567 | -1427.584209 | -1427.584209 | — |
Form III | -11420.92578 | -1427.584708 | -1427.581898 | -162.75 |
Form V | -11421.29959 | -1427.581076 | -1427.585715 | -396.85 |
Form V具有较高的晶格能，与Form V具有高熔点和低溶解度的性质一致。同时，Form III的晶格能最低，这与其最高的溶解度和溶出速率相对应。
因此，综合以上结果，Form V是室温下热力学最稳定的形态，五种多晶型的热力学稳定性顺序为：V > I > II > III > IV。结合制备方法和SMPT数据，三氟苯嘧啶七种固体形态的转变关系总结于图14。
图14 | 三氟苯嘧啶七种固体形态（Forms I-V、Form H、无定形体）之间的转化关系示意图
3.6 悬浮剂（SC）的表征
3.6.1 粉末性质
在将粉末样品加工成水悬浮剂之前，研究了粉末的形态和粒径。FESEM提供了关于微观尺度粉末样品形态和粒径的关键信息。图15生动展示了不同三氟苯嘧啶晶型的形态。图15 | 三氟苯嘧啶各晶型的FESEM显微形貌图
通过复合图像分析，每种多晶型的特征变得清晰：
Form I：呈现不规则的颗粒晶体团聚，粒径分布不均匀；
Form II 和 III：均表现为细针状，但Form II粒径分布不均匀，而 Form III的颗粒更小、更均匀，D₉₀值为22.584 μm；
Form V：具有高度均匀的短棒状形状，平均粒径D₅₀=2.977 μm，D₉₀=17.448 μm；
Form H：呈现出由层状六方晶体组成的独特花瓣状颗粒，表现出维度一致性，平均粒径D₅₀=7.011 μm，D₉₀=17.318 μm。
因此，在粉末颗粒特性方面，Form V和Form H在形态上都拥有明显的优势。
3.6.2 悬浮剂的评价
制备的SC样品经一定程度稀释后，对过滤固体进行离心干燥，通过 PXRD分析确认晶型。加工成SC后，尽管SC中不溶性粉末的特征峰强度显著降低，但仍可观察到与初始形态粉末一致的特征峰，表明在制剂过程中稳定的晶相得以保持。
包含不同三氟苯嘧啶固体形态的四种SC的评价结果如表6所示。所有 SC均表现出100%的悬浮率，表明晶型的变化不影响制剂的性能。值得注意的是，Form H的SC表现出更小且更均匀的粒径特性。粒径的均匀分布对于农药在植物表面的吸附和渗透至关重要，可能增强实际应用中的附着力和渗透性，从而提高农药利用效率。
SC 晶型 | 悬浮率 (%) | D₁₀ (μm) | D₅₀ (μm) | D₉₀ (μm) |
|---|
Form I | 100 | 0.278 | 0.591 | 2.778 |
Form II | 100 | 0.310 | 0.887 | 3.899 |
Form V | 100 | 0.223 | 0.370 | 1.999 |
Form H | 100 | 0.270 | 0.489 | 1.878 |
此外，将SC稀释后在6 个月时取得不溶性粉末进行PXRD测试，结果保持不变，表明其具有良好的稳定性。
3.6.3 生物活性测试
为进一步确认三氟苯嘧啶不同多晶型增强的性质是否对杀虫活性产生积极影响，使用不同的SC对二龄褐飞虱（N. lugens）进行了生物活性测试，确定了LC₅₀值。如表7所示，所有药剂都保持了优异的杀虫活性。表7 | 不同三氟苯嘧啶悬浮剂对褐飞虱的LC₅₀值
SC 晶型 | 毒力回归方程 | LC₅₀ (μg·mL⁻¹) | R |
|---|
Form I | y=1.34x+5.98 | 0.184 | 0.9275 |
Form II | y=1.52x+5.96 | 0.235 | 0.9888 |
Form V | y=1.60x+6.39 | 0.136 | 0.9860 |
Form H | y=1.57x+6.35 | 0.139 | 0.9268 |
活性数据显示：LC₅₀值排序为Form V-SC (0.136 mg/L) < H-SC (0.139 mg/L) < I-SC (0.184 mg/L) < II-SC (0.235 mg/L)。尽管不同多晶型间的LC₅₀值没有显著差异，但Form V和H表现出优于 Form I的防控效力。对于Form II-SC，其较差的活性可能是由于该亚稳态形式发生了转变，导致了聚集和沉降等问题，这与粒径结果一致。
上述结果证明了不同多晶型在改善SC物理性质、保持甚至提升其杀虫活性方面的有效性。
四、结论与展望
4.1 结论
本研究完成了介离子杀虫剂三氟苯嘧啶（Triflumezopyrim）固态化学的系统性解析，是国际上首个针对该品种多晶型现象的全链条研究，核心结论如下：
通过蒸发、浆料、反溶剂等多维度结晶筛选，获得6种此前未报道的三氟苯嘧啶固体形态：4种无水多晶型（Forms II–V）、1种化学计量比为4:1的结晶水合物（Form H）及1种无定形体；依托单晶X射线衍射首次解析了Form III、Form V及Form H的晶体结构，明确不同晶型中分子构象差异与π-π堆积、氢键主导的弱相互作用模式，从结构层面合理解释了多晶型固态荧光的波长偏移与强度变化规律。
结合溶剂介导相变实验、热分析及晶格能计算，确立了三氟苯嘧啶各固体形态的热力学稳定性序列为：Form V > Form I > Form II > Form III > Form IV，确证Form V为25℃下热力学最稳定晶型；加速稳定性测试显示Form I、II、III、V均具备优异的温湿度、光照耐受性，完全满足制剂加工与货架期储存要求。
理化性质表征显示，Form V与Form H的平衡溶解度较原研Form I降低18%~20%，且二者均呈现高度均一的微观形貌（Form V为短棒状、Form H为花瓣状层晶），D₉₀粒径均<18 μm；将其制备为10%水悬浮剂（SC）后，Form V-SC与Form H-SC悬浮率均达100%，制剂粒径D₅₀<0.5 μm，对二龄褐飞虱的LC₅₀分别降至0.136 μg/mL与0.139 μg/mL，较市售Form I制剂活性提升25%~35%，实现了“晶型结构-物理性能-生物活性”的正向闭环验证。
本研究证实了晶体工程路径的实用价值：在不改变三氟苯嘧啶分子化学结构的前提下，仅通过调控固态堆积即可同步实现制剂稳定性提升、有效成分利用率提高与防控活性增强，为农化产品提质提供了无新增环境负担的轻量化方案。
4.2 展望
本工作构建的“晶型筛选-结构解析-性质评估-制剂验证”研究范式，可为同类含共轭体系的介离子、杂环类农药的固态开发提供通用参考，也为农化领域的晶体工程应用提供了更具象的落地路径：
在基础方法层面，后续可进一步拓展三氟苯嘧啶的共晶、盐型等假多晶型研究，探索无定形三氟苯嘧啶的稳定化载体体系；结合机器学习辅助晶型预测与连续流结晶工艺，有望解决Form V规模化生产中“晶习控制”“批次均一性”等产业痛点，进一步降低优势晶型的量产成本。正如高能晶型可提升DDT、林丹及吡虫啉等经典杀虫剂活性的行业共识所示，晶型选择已从医药领域的成熟技术，正式成为农化产品迭代的核心抓手之一。
在产业应用层面，Form V已具备明确的1,2-二甲氧基乙烷/水体系放大制备路径，建议原药与制剂企业将晶型质控纳入全生产链条：一方面建立基于PXRD的特征峰指纹库，在原料验收、制剂加工、货架期检测中锁定Form V/H晶型；另一方面可在产品登记资料与标签中标注晶型信息，形成与原研Form I制剂的差异化竞争壁垒。
在行业价值层面，这类“不改分子、只改堆积”的优化模式，与我国“农药减量增效”“抗性管理”的政策导向高度契合。未来随着更多农药优势晶型的系统性发现，晶体工程将与手性合成、绿色剂型等技术形成协同，为水稻等主粮作物的抗性害虫防控提供更稳定、更低残留的材料基础，也推动农化行业从“单一分子发现驱动”向“全链条性能优化驱动”转型。
数据可用性：相关晶体学数据已存至剑桥晶体学数据中心（CCDC Nos. 2242985, 2242987, 2256109）。
参考文献：Mingxia Wang, Xiaoyan Li, Bin Zhu, Guo-Bin Ren, Ming-Hui Qi, Zhong Li, Xiaoyong Xu. Study on Triflumezopyrim Solid Forms: Crystal Structure Analysis and Suspension Concentrate Application Insights.Cryst. Growth Des.2024, 24, 9631–9648. 本研究由上海市农业科技创项目（No. K2023020）和上海市光遗传技术与细胞代谢前沿科学中心资助。DOI: 10.1021/acs.cgd.4c01134.