《制藥工藝學(xué)》與《物理化學(xué)》交叉知識應(yīng)用的案例教學(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、難懂的專業(yè)基礎(chǔ)課，而《制藥工藝學(xué)》是一門應(yīng)用性很強的學(xué)科，其中《物理化學(xué)》很多知識是《制藥工藝學(xué)》的理論基礎(chǔ)，而《制藥工藝學(xué)》很多知識又是《物理化學(xué)》的理論應(yīng)用。因此，兩者具有很多交叉知識，把這些交叉知識結(jié)合制藥企業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀，進行案例教學(xué)具有很好的可行性，也有利于學(xué)生將理論知識和應(yīng)用融會貫通，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：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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)運動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，因此課程理論計算強，學(xué)生經(jīng)常感覺枯燥無味，也難理解、不會算、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、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，是一門應(yīng)用型學(xué)科，和專業(yè)知識緊密結(jié)合[2]。同時，制藥工程專業(yè)正是培養(yǎng)具有制藥工程方面的知識，能在醫(yī)藥、農(nóng)藥、精細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)》交叉理論知識應(yīng)用的案例，將理論知識在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用搬到課堂來，使理論知識更容易掌握，更貼近企業(yè)生產(chǎn)實際，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)是一個強放熱反應(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，控制不好還會引起爆炸。在計算熱量衡算過程，我們要充分考慮反應(yīng)的熱效應(yīng)，同時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，經(jīng)常會伴隨著溶劑的蒸發(fā)消耗熱量，以及冷凝水熱量的消耗。在計算熱量衡算過程，我們要充分考慮這些能量的進出。

這些能量計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行？如果能進行，能達到什么程度？當(dāng)反應(yīng)達到正逆方向速率相等時也就是化學(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)計問題，達到增產(chǎn)節(jié)約的目的。

比如，溫度升高有利于吸熱反應(yīng)，對放熱反應(yīng)不利，平衡向吸熱方向移動。壓力的變化對液態(tài)固態(tài)反應(yīng)的平衡影響甚微，對有氣體參與的化學(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。掌握了《物理化學(xué)》中的這些知識點，對于《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)是需要時間的，而當(dāng)今社會“時間就是金錢”，因此我們要盡可能地提高反應(yīng)的速率，減少反應(yīng)時間。而研究化學(xué)反應(yīng)速率正是《物理化學(xué)》中化學(xué)動力學(xué)問題，通過化學(xué)動力學(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，但是對于不同反應(yīng)類型，影響是不同的，對于零級反應(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，制備對乙酰氨基苯磺酰氯時，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，但是實際上，溫度升高對不同的反應(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，也會加快逆反應(yīng)速率；不僅加快主反應(yīng)速率，也會加快副反應(yīng)速率。還有溫度對反應(yīng)速率的影響情況還會受到反應(yīng)活化能的制約。因此在實際生產(chǎn)中往往通過試驗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。對于不同的化學(xué)反應(yīng)類型，常需選用不同的催化劑；對于同樣的反應(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，對于特定的反應(yīng)，如果具有多種催化劑，有必要逐個進行試驗，以確定一個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)》很多知識是《制藥工藝學(xué)》的理論基礎(chǔ)，而《制藥工藝學(xué)》很多知識又是《物理化學(xué)》的理論應(yīng)用，因此，兩者具有很多交叉知識，也具有很多制藥企業(yè)生產(chǎn)中的相關(guān)案例，將這些案例運用到我們的理論知識的教學(xué)中來，將使理論知識更容易掌握，更貼近企業(yè)生產(chǎn)實際，也有利于學(xué)生將理論知識和應(yīng)用融會貫通，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)實際問題的能力。

參考文獻

[1] 張國艷，常振波.物理化學(xué)案例教學(xué)的心得和體會[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，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[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.endprint