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        《制藥工藝學(xué)》與《物理化學(xué)》交叉知識(shí)應(yīng)用的案例教學(xué)

        2018-02-03 12:10:18王宗成羅小芳姜紅宇何福林
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2017年30期
        關(guān)鍵詞:物理化學(xué)案例教學(xué)

        王宗成++羅小芳++姜紅宇++何福林

        摘 要:《物理化學(xué)》是制藥工程專業(yè)一門理論性強(qiáng)、難懂的專業(yè)基礎(chǔ)課,而《制藥工藝學(xué)》是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科,其中《物理化學(xué)》很多知識(shí)是《制藥工藝學(xué)》的理論基礎(chǔ),而《制藥工藝學(xué)》很多知識(shí)又是《物理化學(xué)》的理論應(yīng)用。因此,兩者具有很多交叉知識(shí),把這些交叉知識(shí)結(jié)合制藥企業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀,進(jìn)行案例教學(xué)具有很好的可行性,也有利于學(xué)生將理論知識(shí)和應(yīng)用融會(huì)貫通,更好地學(xué)習(xí)和掌握。

        關(guān)鍵詞:制藥工藝學(xué) 物理化學(xué) 案例教學(xué)

        中圖分類號(hào):G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2017)10(c)-0228-02

        《物理化學(xué)》是制藥工程專業(yè)的基礎(chǔ)課,是研究化學(xué)運(yùn)動(dòng)中最具有普遍性的基本規(guī)律的一門學(xué)科,是數(shù)學(xué)、物理學(xué)與化學(xué)交叉產(chǎn)生的學(xué)科,因此課程理論計(jì)算強(qiáng),學(xué)生經(jīng)常感覺枯燥無味,也難理解、不會(huì)算、學(xué)不好,常需要和一些案例結(jié)合才能更容易理解[1]。而《制藥工藝學(xué)》是讓制藥工程專業(yè)學(xué)生掌握有關(guān)化學(xué)制藥、中藥制藥、生物制藥生產(chǎn)中的單元操作和工藝路線設(shè)計(jì)、選擇和優(yōu)化,以及中試放大、質(zhì)量控制和“三廢”防治等方面的知識(shí),是一門應(yīng)用型學(xué)科,和專業(yè)知識(shí)緊密結(jié)合[2]。同時(shí),制藥工程專業(yè)正是培養(yǎng)具有制藥工程方面的知識(shí),能在醫(yī)藥、農(nóng)藥、精細(xì)化工和生物化工等部門從事醫(yī)藥產(chǎn)品的合成與工藝研究、醫(yī)藥產(chǎn)品開發(fā)、應(yīng)用研究和經(jīng)營管理等方面的高素質(zhì)研究應(yīng)用型專門人才[3]。因此,尋找制藥企業(yè)制藥過程中《制藥工藝學(xué)》與《物理化學(xué)》交叉理論知識(shí)應(yīng)用的案例,將理論知識(shí)在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用搬到課堂來,使理論知識(shí)更容易掌握,更貼近企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際,使學(xué)生能掌握制藥企業(yè)的一些相關(guān)生產(chǎn)過程和處理相關(guān)問題的能力。本文將從以下幾個(gè)方面來探討相關(guān)交叉案列。

        1 化學(xué)反應(yīng)的能量問題

        《物理化學(xué)》很大篇幅介紹的都是能量計(jì)算問題,也就是化學(xué)熱力學(xué)問題,遵循的規(guī)律就是能量守恒定律,而這條定律也正是《制藥工藝學(xué)》中能量衡算的基礎(chǔ),能量衡算又是做制藥工程工藝設(shè)計(jì)必不可少的部分[4],所以我們需要關(guān)注化學(xué)反應(yīng)中的能量變化問題。

        比如說,氯霉素制備過程中,對(duì)硝基乙苯的獲得通過常用的硝化反應(yīng),硝化反應(yīng)是一個(gè)強(qiáng)放熱反應(yīng),因此反應(yīng)過程中溫度不能太高,應(yīng)該控制溫度在40℃~45℃,而且要將多余的熱量移除。熱量移除是控制硝化反應(yīng)的突出問題之一,否則反應(yīng)過于劇烈,副產(chǎn)物過多,控制不好還會(huì)引起爆炸。在計(jì)算熱量衡算過程,我們要充分考慮反應(yīng)的熱效應(yīng),同時(shí)還要考慮加熱升溫帶來的熱量,還要考慮反應(yīng)后熱量移除減少的熱量。

        而對(duì)于很多吸熱反應(yīng),大多需要外界提供大量的能量,這些能量是通過外供的公用工程消耗如蒸汽來獲得,同時(shí),經(jīng)常會(huì)伴隨著溶劑的蒸發(fā)消耗熱量,以及冷凝水熱量的消耗。在計(jì)算熱量衡算過程,我們要充分考慮這些能量的進(jìn)出。

        這些能量計(jì)算正是用來確定外供的公用工程消耗,如蒸汽、冷凝水等的依據(jù)。

        2 化學(xué)反應(yīng)的平衡問題

        化學(xué)反應(yīng)通常是具有方向性的,反應(yīng)是否能按照我們需要的方向進(jìn)行?如果能進(jìn)行,能達(dá)到什么程度?當(dāng)反應(yīng)達(dá)到正逆方向速率相等時(shí)也就是化學(xué)反應(yīng)的平衡狀態(tài)。調(diào)節(jié)反應(yīng)的溫度、壓力、濃度等因素可以改變化學(xué)反應(yīng)的方向,也可以改變化學(xué)反應(yīng)的平衡狀態(tài),這些《物理化學(xué)》里的問題正是解決了《制藥工藝學(xué)》中如何選擇制藥生產(chǎn)工藝路線中的合成路線條件選擇、提高產(chǎn)量等工藝設(shè)計(jì)問題,達(dá)到增產(chǎn)節(jié)約的目的。

        比如,溫度升高有利于吸熱反應(yīng),對(duì)放熱反應(yīng)不利,平衡向吸熱方向移動(dòng)。壓力的變化對(duì)液態(tài)固態(tài)反應(yīng)的平衡影響甚微,對(duì)有氣體參與的化學(xué)反應(yīng),通常增大壓力有利于體積減小的反應(yīng),不利于體積增大的反應(yīng),而對(duì)體積不變的反應(yīng),壓力沒有影響。增加反應(yīng)中某一組分的濃度,平衡向減少該組分濃度的方向移動(dòng)。掌握了《物理化學(xué)》中的這些知識(shí)點(diǎn),對(duì)于《制藥工藝學(xué)》中我們選擇制藥工藝路線和條件是至關(guān)重要的。

        3 化學(xué)反應(yīng)的速率問題

        通常,制藥工藝中的化學(xué)反應(yīng)是需要時(shí)間的,而當(dāng)今社會(huì)“時(shí)間就是金錢”,因此我們要盡可能地提高反應(yīng)的速率,減少反應(yīng)時(shí)間。而研究化學(xué)反應(yīng)速率正是《物理化學(xué)》中化學(xué)動(dòng)力學(xué)問題,通過化學(xué)動(dòng)力學(xué)的研究,可以知道如何控制反應(yīng)條件,提高主反應(yīng)的速率,減慢或抑制副反應(yīng)的發(fā)生,以減少消耗并提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量,這又正是《制藥工藝學(xué)》反應(yīng)條件優(yōu)化需要解決的問題。

        反應(yīng)速率是受反應(yīng)物濃度、反應(yīng)溫度和催化劑影響的。一般來說,增加反應(yīng)物的濃度使反應(yīng)速率加快,但是對(duì)于不同反應(yīng)類型,影響是不同的,對(duì)于零級(jí)反應(yīng),反應(yīng)速率與濃度無關(guān)。此外,化學(xué)反應(yīng)通常具有可逆反應(yīng)、平行反應(yīng)、連串反應(yīng)的副反應(yīng)存在,因此,需要采取各種措施來提高目標(biāo)產(chǎn)物的生成率。如合適的配料比,在一定條件下也就是最恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)物的組成。比如,制備對(duì)乙酰氨基苯磺酰氯時(shí),工業(yè)上常采取乙酰苯胺與氯磺酸投料摩爾比為1.0∶4.5~5.0,收率較高原料消耗較少,達(dá)到提高收率節(jié)約成本的目的。

        一般來說,無論是吸熱反應(yīng)還是放熱反應(yīng),反應(yīng)溫度升高反應(yīng)速率都加快,但是實(shí)際上,溫度升高對(duì)不同的反應(yīng)可能表現(xiàn)出不同的結(jié)果。此外,溫度的升高不僅加速正反應(yīng)速率,也會(huì)加快逆反應(yīng)速率;不僅加快主反應(yīng)速率,也會(huì)加快副反應(yīng)速率。還有溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響情況還會(huì)受到反應(yīng)活化能的制約。因此在實(shí)際生產(chǎn)中往往通過試驗(yàn)確定合適的溫度范圍來加速主反應(yīng)而抑制副反應(yīng)。比如,磺胺甲惡唑的生產(chǎn),反應(yīng)溫度升高,反應(yīng)速率相應(yīng)增大,在高溫條件下不利于副反應(yīng)的進(jìn)行,因此應(yīng)將反應(yīng)液盡快加熱至所需要的反應(yīng)溫度180℃,而不宜緩緩加熱,根據(jù)這些要求,可制定出傳熱面積大的管道反應(yīng)工藝。

        藥物合成中大約80%~85%的反應(yīng)用到催化劑,雖然催化劑不改變化學(xué)反應(yīng)的平衡,但是催化劑能降低反應(yīng)活化能,增加反應(yīng)速率。對(duì)于不同的化學(xué)反應(yīng)類型,常需選用不同的催化劑;對(duì)于同樣的反應(yīng)物系統(tǒng),應(yīng)用的催化劑不同,可能獲得的產(chǎn)物不同。因此,對(duì)于特定的反應(yīng),如果具有多種催化劑,有必要逐個(gè)進(jìn)行試驗(yàn),以確定一個(gè)催化劑得到最好的結(jié)果。催化劑也可能表現(xiàn)出特定的選擇性,比如酶催化反應(yīng)。另外催化劑部分活性的消失,也可呈現(xiàn)出選擇性催化作用,比如,在維生素A的合成中,用乙酸鉛處理的鈀-碳催化劑,選擇性地將羥基去氫維生素A醇分子中的炔鍵還原成烯鍵,生成羥基維生素A醇,而不影響烯鍵。

        4 結(jié)語

        可見,《物理化學(xué)》很多知識(shí)是《制藥工藝學(xué)》的理論基礎(chǔ),而《制藥工藝學(xué)》很多知識(shí)又是《物理化學(xué)》的理論應(yīng)用,因此,兩者具有很多交叉知識(shí),也具有很多制藥企業(yè)生產(chǎn)中的相關(guān)案例,將這些案例運(yùn)用到我們的理論知識(shí)的教學(xué)中來,將使理論知識(shí)更容易掌握,更貼近企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際,也有利于學(xué)生將理論知識(shí)和應(yīng)用融會(huì)貫通,使學(xué)生能掌握制藥企業(yè)的一些相關(guān)生產(chǎn)過程,理解生產(chǎn)過程中為什么要這樣做?遇到相同或者相似的過程,應(yīng)該怎么處理,提高處理制藥企業(yè)實(shí)際問題的能力。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 張國艷,常振波.物理化學(xué)案例教學(xué)的心得和體會(huì)[J].廣東化工,2014,41(22):151-152.

        [2] 霍清.制藥工藝學(xué)課程教學(xué)研究[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào),2008,22(1):91-92.

        [3] 王宗成,劉婷,陳修文.制藥工程專業(yè)藥物化學(xué)教學(xué)改革中的探索與實(shí)踐[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊,2014(10):22.

        [4] 張珩.制藥工程工藝設(shè)計(jì)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.endprint

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