尹紅梅，金 輝，齊慶蓉，何光力，吳 勇，廖 勇，賴春霞，張影紅

(四川大學(xué) a.華西藥學(xué)院;b.實(shí)驗(yàn)室及設(shè)備管理處，成都 610041)

隨著我國(guó)醫(yī)藥科學(xué)和制藥工業(yè)的迅猛發(fā)展，藥學(xué)高等教育取得了舉世矚目的成就，藥學(xué)教育的課程體系和人才培養(yǎng)模式也在探索中發(fā)生著深刻的變革［1］。如何培養(yǎng)和培養(yǎng)什么樣的藥學(xué)人才是高等藥學(xué)教育在新形勢(shì)下面臨的重要課題。藥學(xué)專業(yè)是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)和造就高素質(zhì)創(chuàng)新型藥學(xué)人才的重要環(huán)節(jié)，是貫穿始終、不可或缺的重要組成部分［2］，它在整個(gè)藥學(xué)教育教學(xué)過(guò)程中占有特殊的地位，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐探索能力、科學(xué)思維能力、綜合運(yùn)用能力、創(chuàng)新能力、科研素質(zhì)、合作精神的培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用［3］。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，既要保證教學(xué)質(zhì)量，又要激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，使學(xué)生在有限的時(shí)間里學(xué)有所獲，這對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置安排、教學(xué)中能否運(yùn)用新技術(shù)和新方法、能否對(duì)原實(shí)驗(yàn)方案不斷進(jìn)行改進(jìn)和完善等都提出了新的挑戰(zhàn)。本文以藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)——藜蘆醛的合成為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

1 合成藜蘆醛實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的背景

1.1 《藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)》課教與學(xué)的矛盾

《藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)》是藥學(xué)相關(guān)專業(yè)重要的必修課之一。它主要講授藥物及其中間體的合成、分離、純化及鑒定的基本知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。通過(guò)對(duì)典型藥物的合成操作，體驗(yàn)藥物制備過(guò)程，掌握藥物合成及結(jié)構(gòu)修飾的基本方法，熟悉實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)條件的選擇，為今后從事新藥研究和藥物合成工作打下扎實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)多為有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)機(jī)理較復(fù)雜，常伴有副反應(yīng)的發(fā)生，生成多種產(chǎn)物的混合物，反應(yīng)速度較慢、耗時(shí)長(zhǎng)，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率往往比較低，還會(huì)用到易燃、易爆或毒性較大的試劑等。由于課程本身的性質(zhì)和特點(diǎn)，使實(shí)驗(yàn)操作不僅較為繁瑣、具有一定的危險(xiǎn)性，而且教學(xué)中常有超學(xué)時(shí)才能完成實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，這無(wú)疑加重了師生雙方教與學(xué)的負(fù)擔(dān)。

1.2 合成藜蘆醛實(shí)驗(yàn)有待改進(jìn)

藜蘆醛的合成實(shí)驗(yàn)是《藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)》課程的重要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。藜蘆醛作為多種藥物的中間體，其用途廣泛，可以構(gòu)架許多手性藥物，如:L－甲基多巴、L－多巴等，還可用于生產(chǎn)獸藥、香料、電鍍以及合成藜蘆酸系列產(chǎn)品等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，不僅可以使學(xué)生在典型的甲基化反應(yīng)類型和劇毒試劑的使用與處理等方面得到很好的學(xué)習(xí)和鍛煉。同時(shí)，其產(chǎn)物又可作為“合成藜蘆酸”實(shí)驗(yàn)的原料，可節(jié)約試劑和成本，是較理想的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

但是，按照實(shí)驗(yàn)教程中的操作方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅操作較繁瑣、實(shí)驗(yàn)用時(shí)長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)條件不易控制，而且產(chǎn)物的顏色、析晶情況等都不太理想，后處理也較困難，收率不穩(wěn)定。這不僅影響學(xué)生的實(shí)驗(yàn)信心，而且不利于教師對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程作出客觀公正的評(píng)價(jià)。

2 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的必要性

實(shí)驗(yàn)教程中，藜蘆醛的合成以香蘭醛為原料，與甲基化試劑硫酸二甲酯在堿性條件下醚化制得，如圖1所示。

圖1 藜蘆醛制備反應(yīng)式

2.1 教程原實(shí)驗(yàn)方案［4］

在100 mL三頸瓶中加入2.8 g香蘭醛和7 mL沸水，在攪拌下加入6 mL 20 NaOH;油浴升溫至80℃ ～85℃，緩緩滴入2.2 mL(CH3)2SO4，回流0.5 h;再加1 mL 20 NaOH，滴加0.7 mL(CH3)2SO4，攪拌反應(yīng)至近中性。重復(fù)3次上述三步操作。取樣，TLC檢測(cè)反應(yīng)完全后，加1 mL 20 NaOH，攪拌15 min，使 pH＞12。冷卻，抽濾，少量冰水洗至中性，真空干燥得白色固體，測(cè)熔點(diǎn)并計(jì)算收率。

2.2 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的必要性

2.2.1 原實(shí)驗(yàn)方案的不足

原實(shí)驗(yàn)方案中，原料的投入以分批方式進(jìn)行，需重復(fù)三次加入20 NaOH、(CH3)2SO4，再回流反應(yīng)，耗時(shí)長(zhǎng)、操作繁瑣、實(shí)驗(yàn)條件不易控制、產(chǎn)物顏色較深、析晶情況通常不太理想、副產(chǎn)物多、后處理較困難。

經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)探索，我們認(rèn)為這主要和投料方式、反應(yīng)時(shí)間、pH值的控制、反應(yīng)溫度等條件有關(guān)。分三次加入20 NaOH后，溶液的pH值變化較大且不易控制;在強(qiáng)堿性條件下滴加(CH3)2SO4，水解損失較大，副產(chǎn)物增多;反應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)，醛基、羥基等容易氧化，也使副產(chǎn)物增多，析晶困難。

2.2.2 作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)的不足

(CH3)2SO4是劇毒物質(zhì)，分三次取用不僅操作繁瑣，還會(huì)增加學(xué)生操作的危險(xiǎn)性。由于理想的操作條件不易控制，某一條件沒(méi)控制好就會(huì)使產(chǎn)品的顏色差別較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性差、收率不穩(wěn)定，可能影響學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)的信心。

基于以上問(wèn)題，有必要對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。從反應(yīng)機(jī)理分析入手，改變?cè)系耐度敕绞?、控制溶液的pH值、選擇合適的反應(yīng)溫度、縮短反應(yīng)時(shí)間等，以改善產(chǎn)物的析晶狀況、減少副產(chǎn)物、提高收率，同時(shí)使操作簡(jiǎn)化易行，使實(shí)驗(yàn)具備較好的重現(xiàn)性，降低操作的危險(xiǎn)性，減輕教與學(xué)的負(fù)擔(dān)，提高教與學(xué)的效率。

3 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的可行性

3.1 從反應(yīng)機(jī)理和溶液的酸堿性分析

此反應(yīng)是親核取代反應(yīng)，要使反應(yīng)容易進(jìn)行，需提供堿性條件以增強(qiáng)香蘭醛中酚羥基的親核性，使其以酚氧負(fù)離子形式進(jìn)攻(CH3)2SO4，但堿性過(guò)強(qiáng)又會(huì)使(CH3)2SO4水解損失增大。兩者為競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，如圖2所示。

圖2 藜蘆醛制備反應(yīng)機(jī)理

原實(shí)驗(yàn)方案中20 NaOH分批加入，使加入時(shí)溶液堿性過(guò)強(qiáng);而反應(yīng)一段時(shí)間后，溶液近中性，又不利于親核取代反應(yīng)的進(jìn)行?，F(xiàn)方案擬采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶液的pH值，加入20 NaOH實(shí)時(shí)控制溶液的pH值保持在9～10，以較穩(wěn)定的弱堿性條件促進(jìn)親核反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)減少(CH3)2SO4的水解損失。

3.2 從反應(yīng)溫度分析

原方案采用回流條件下反應(yīng)，反應(yīng)溫度較高，酚羥基易氧化，副產(chǎn)物增多，產(chǎn)物顏色較深。而現(xiàn)方案控制較合理的反應(yīng)溫度，減少副反應(yīng)的發(fā)生。

3.3 從投料方式分析

原方案分批加入原料，反應(yīng)的酸堿性條件不易控制，副反應(yīng)多，收率不理想。現(xiàn)方案采用實(shí)時(shí)加入20 NaOH，使反應(yīng)的pH值控制在較理想的弱堿性條件下，再勻速滴加(CH3)2SO4，有利于親核反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)副反應(yīng)較少，收率高。

3.4 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

原方案由于副產(chǎn)物多，產(chǎn)物析晶較困難，顏色不理想，收率不穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后副產(chǎn)物減少，析晶情況明顯改善，產(chǎn)物顏色較理想，收率提高。

3.5 從操作的可控制性分析

原方案對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，操作繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)，可控制性較差。現(xiàn)方案操作簡(jiǎn)化易行，實(shí)驗(yàn)條件較易控制;有效地減少實(shí)驗(yàn)耗時(shí)，提高學(xué)習(xí)效率;實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性好，滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。

3.6 從實(shí)驗(yàn)的安全性分析

原方案分三次取用劇毒試劑(CH3)2SO4，操作上危險(xiǎn)性較大，劇毒物質(zhì)的操作不嚴(yán)謹(jǐn)。現(xiàn)方案采用一次取用足量，降低實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性。

綜合以上分析，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案具有切實(shí)的可行性。

4 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化方案及實(shí)施

4.1 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案

經(jīng)過(guò)可行性分析和預(yù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)原實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)，擬按以下實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行:

待油浴升溫至50℃ ～60℃，在100 mL三頸瓶中加入2.8 g香蘭醛和7 mL沸水，攪拌下加入4 mL 20 NaOH。以2 s/滴的速度勻速滴入約5 mL(CH3)2SO4，在滴加過(guò)程中注意監(jiān)測(cè)溶液的pH值，同時(shí)滴加20 NaOH，使溶液的pH值保持為弱堿性，控制在9～10左右，直至(CH3)2SO4滴完。經(jīng)TLC檢測(cè)反應(yīng)完全后，冷卻，抽濾，少量冰水洗至中性，真空干燥得白色固體，測(cè)熔點(diǎn)并計(jì)算收率。

4.2 新實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施

由于實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)，因而在教學(xué)組織中和原實(shí)驗(yàn)安排有所不同。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，以這兩種實(shí)驗(yàn)方案為案例對(duì)比，以教師講解與學(xué)生討論的形式開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)方案的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)“反應(yīng)機(jī)理決定實(shí)驗(yàn)方案”這一基本原則的理解。

具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，原料 (CH3)2SO4為連續(xù)滴加，20 NaOH則根據(jù)pH值的監(jiān)測(cè)情況按需實(shí)時(shí)滴加，實(shí)驗(yàn)為連續(xù)性開(kāi)展。因此，教師要提醒學(xué)生做好實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前必要的準(zhǔn)備工作:(CH3)2SO4一次就取足量;pH試紙的用量大，需事先在潔凈的培養(yǎng)皿或表面皿中攤開(kāi)鋪好;油浴中插入溫度計(jì)，做好溫度監(jiān)測(cè)工作等。

4.3 實(shí)施效果

實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn)后，我們將改進(jìn)前后產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)驗(yàn)條件、反應(yīng)時(shí)間和收率等作比較，情況如表1、表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)前后產(chǎn)品質(zhì)量及收率對(duì)照

續(xù)表1

表2 改進(jìn)前后實(shí)驗(yàn)條件比較及收率統(tǒng)計(jì)

由此可見(jiàn):實(shí)驗(yàn)改進(jìn)前耗時(shí)長(zhǎng)，反應(yīng)不完全，操作繁雜，能耗高，收率較低;改進(jìn)后操作化繁瑣為簡(jiǎn)易，操作條件易于控制，加料時(shí)間和反應(yīng)時(shí)間縮短，避免原料、產(chǎn)物長(zhǎng)時(shí)間受熱而氧化，能耗降低，收率明顯高于改進(jìn)前。

5 結(jié)束語(yǔ)

合成藜蘆醛實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后，不僅能激發(fā)學(xué)生對(duì)合成藥物的學(xué)習(xí)熱情和興趣，有效地縮短實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間，而且實(shí)驗(yàn)條件的可控性增強(qiáng)，操作更簡(jiǎn)便安全，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品在“質(zhì)”與“量”兩方面都將優(yōu)于改進(jìn)前。同時(shí)，副產(chǎn)物減少、產(chǎn)物易純化、收率提高，對(duì)環(huán)境污染較少。

通過(guò)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的改進(jìn)，既達(dá)到節(jié)約、高效的目的，也符合綠色、環(huán)保的思想;降低實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性;有利于減輕師生教與學(xué)的負(fù)擔(dān);加強(qiáng)學(xué)生對(duì)“反應(yīng)機(jī)理決定實(shí)驗(yàn)方案”這一基本原則的理解;使學(xué)生在有限的時(shí)間里收獲更大、效率更高;推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的不斷深化。

如何把現(xiàn)代藥學(xué)的新理念、新思路、新技術(shù)和新方法切實(shí)貫徹施行到實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中，對(duì)培養(yǎng)具備醫(yī)藥理論知識(shí)和實(shí)踐技能的藥學(xué)創(chuàng)新拔尖人才具有深遠(yuǎn)的影響［5］。實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革仍然任重而道遠(yuǎn)。

［1］徐曉媛，吳曉明.中國(guó)高等藥學(xué)教育模式的改革與展望［J］.中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2008(1):24－26.

［2］王淑靜，郝建民，柳洪潔.依托國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 搭建創(chuàng)新人才培養(yǎng)平臺(tái)［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，20l0，13(2):1－3.

［3］尹紅梅，金輝，何光力，等.藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理體系的改革與探索［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011，(9)2:76－79.

［4］吳勇，成麗.現(xiàn)代藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教程［M］.成都:四川大學(xué)出版社，2008:247－248.

［5］張彥峰，劉英華，袁有才，等.高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)十問(wèn)［EB/OL］.［2013 －02 －08］.http://www.docin.com/p－597777252.html.