《制藥工藝學》與《物理化學》交叉知識應用的案例教學

王宗成++羅小芳++姜紅宇++何福林

摘 要：《物理化學》是制藥工程專業一門理論性強、難懂的專業基礎課，而《制藥工藝學》是一門應用性很強的學科，其中《物理化學》很多知識是《制藥工藝學》的理論基礎，而《制藥工藝學》很多知識又是《物理化學》的理論應用。因此，兩者具有很多交叉知識，把這些交叉知識結合制藥企業應用現狀，進行案例教學具有很好的可行性，也有利于學生將理論知識和應用融會貫通，更好地學習和掌握。

關鍵詞：制藥工藝學 物理化學 案例教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（c）-0228-02

《物理化學》是制藥工程專業的基礎課，是研究化學運動中最具有普遍性的基本規律的一門學科，是數學、物理學與化學交叉產生的學科，因此課程理論計算強，學生經常感覺枯燥無味，也難理解、不會算、學不好，常需要和一些案例結合才能更容易理解[1]。而《制藥工藝學》是讓制藥工程專業學生掌握有關化學制藥、中藥制藥、生物制藥生產中的單元操作和工藝路線設計、選擇和優化，以及中試放大、質量控制和“三廢”防治等方面的知識，是一門應用型學科，和專業知識緊密結合[2]。同時，制藥工程專業正是培養具有制藥工程方面的知識，能在醫藥、農藥、精細化工和生物化工等部門從事醫藥產品的合成與工藝研究、醫藥產品開發、應用研究和經營管理等方面的高素質研究應用型專門人才[3]。因此，尋找制藥企業制藥過程中《制藥工藝學》與《物理化學》交叉理論知識應用的案例，將理論知識在生產實踐中的應用搬到課堂來，使理論知識更容易掌握，更貼近企業生產實際，使學生能掌握制藥企業的一些相關生產過程和處理相關問題的能力。本文將從以下幾個方面來探討相關交叉案列。

1 化學反應的能量問題

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

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，硝化反應是一個強放熱反應，因此反應過程中溫度不能太高，應該控制溫度在40℃～45℃，而且要將多余的熱量移除。熱量移除是控制硝化反應的突出問題之一，否則反應過于劇烈，副產物過多，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的熱效應，同時還要考慮加熱升溫帶來的熱量，還要考慮反應后熱量移除減少的熱量。

而對于很多吸熱反應，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，經常會伴隨著溶劑的蒸發消耗熱量，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。

2 化學反應的平衡問題

化學反應通常是具有方向性的，反應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？當反應達到正逆方向速率相等時也就是化學反應的平衡狀態。調節反應的溫度、壓力、濃度等因素可以改變化學反應的方向，也可以改變化學反應的平衡狀態，這些《物理化學》里的問題正是解決了《制藥工藝學》中如何選擇制藥生產工藝路線中的合成路線條件選擇、提高產量等工藝設計問題，達到增產節約的目的。

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

3 化學反應的速率問題

通常，制藥工藝中的化學反應是需要時間的，而當今社會“時間就是金錢”，因此我們要盡可能地提高反應的速率，減少反應時間。而研究化學反應速率正是《物理化學》中化學動力學問題，通過化學動力學的研究，可以知道如何控制反應條件，提高主反應的速率，減慢或抑制副反應的發生，以減少消耗并提高產品的質量和產量，這又正是《制藥工藝學》反應條件優化需要解決的問題。

反應速率是受反應物濃度、反應溫度和催化劑影響的。一般來說，增加反應物的濃度使反應速率加快，但是對于不同反應類型，影響是不同的，對于零級反應，反應速率與濃度無關。此外，化學反應通常具有可逆反應、平行反應、連串反應的副反應存在，因此，需要采取各種措施來提高目標產物的生成率。如合適的配料比，在一定條件下也就是最恰當的反應物的組成。比如，制備對乙酰氨基苯磺酰氯時，工業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，達到提高收率節約成本的目的。

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

藥物合成中大約80%～85%的反應用到催化劑，雖然催化劑不改變化學反應的平衡，但是催化劑能降低反應活化能，增加反應速率。對于不同的化學反應類型，常需選用不同的催化劑；對于同樣的反應物系統，應用的催化劑不同，可能獲得的產物不同。因此，對于特定的反應，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果。催化劑也可能表現出特定的選擇性，比如酶催化反應。另外催化劑部分活性的消失，也可呈現出選擇性催化作用，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 結語

可見，《物理化學》很多知識是《制藥工藝學》的理論基礎，而《制藥工藝學》很多知識又是《物理化學》的理論應用，因此，兩者具有很多交叉知識，也具有很多制藥企業生產中的相關案例，將這些案例運用到我們的理論知識的教學中來，將使理論知識更容易掌握，更貼近企業生產實際，也有利于學生將理論知識和應用融會貫通，使學生能掌握制藥企業的一些相關生產過程，理解生產過程中為什么要這樣做？遇到相同或者相似的過程，應該怎么處理，提高處理制藥企業實際問題的能力。

參考文獻

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

[2] 霍清.制藥工藝學課程教學研究[J].北京聯合大學學報，2008，22（1）：91-92.

[3] 王宗成，劉婷，陳修文.制藥工程專業藥物化學教學改革中的探索與實踐[J].中國科教創新導刊，2014（10）：22.

[4] 張珩.制藥工程工藝設計[M].北京：化學工業出版社，2005.endprint