藥物化學合成實驗的創新探究

＊徐華金 王婕

（南京工業大學 藥學院 江蘇 210009）

大學藥物化學實驗課是藥學專業的重要基礎課程之一。在實驗教學中，可以使學生掌握藥物制備與合成的基本知識、合成原理、合成方法、合成操作等[1-3]。使學生了解藥物合成的基本過程，培養了學生分析和解決藥物合成反應中藥物合成、反應后處理及藥物純化等問題的能力，培養學生對于紅外光譜、核磁共振、氣相色譜-質譜聯用（GC-MS）、液相色譜-質譜聯用（LC-MS）等檢測分析手段對產品及雜質進行分析的能力[4-6]。生物酶催化概念的引入，是對傳統藥物化學實驗課程的改革創新，預期對學生知識和實驗能力的拓展和提高都起到積極作用。

藥學是一門理論與實踐相結合的專業，其分支之一的藥物化學是一門研究新藥發現與創制、揭示藥物化學性質、探索藥物分子結構及與人體蛋白質（生命大分子）相互作用原理的綜合性學科。藥物合成實驗是現代藥物化學的重要組成部分，融合了藥學和化學的知識。有一個比喻說，如果現代藥物化學是一個三腳架，那么化學、生物和計算機技術就是支撐三腳架的三只腳。

1.藥化實驗現狀

“藥物化學”是本科藥學專業非常重要的專業課程，是開發和創制新藥的基礎學科。藥物分子及中間體的合成是開發研制新藥過程中最關鍵最基礎的環節。眾所周知，本科“藥物化學”課程在培育藥學創世紀人才方面有著舉足輕重的地位。基于此，全國高校提出了加強藥學五能人才培養的目標，為培育“識藥、辨藥、制藥、創藥”的綜合創世紀人才奠定基礎。藥物化學、生物制藥工程、新藥研發創制三者緊密聯系，重點培養藥學本科生的新藥研發和新藥創制能力。隨著藥物化學領域的不斷創新發展，高校教師越發的領悟到前沿的本科藥物化學實驗內容不僅可以培養學生的學習興趣、而且也為培育新藥創制人才奠定一定的基礎。相比于藥物化學領域的前沿發展，本科藥物化學實驗教學仍存在許多不足之處，尤其是在培養新藥創制人才方面如藥物化學實驗內容陳舊、實驗方法創新緩慢、教學效果綜合評價體系不健全等。近年來，藥物化學學科的發展給“藥物化學”教學帶來了一定的難度，對教師也是一個很大的挑戰。

近年來，隨著合成技術的不斷發展，藥物化學合成技術也得到了飛速發展，目前現有的實驗教學體系、教學內容以及教學理念已完全不適合藥物化學學科的發展也滿足不了教學改革的需要。如何有效篩選的藥化實驗內容，既能滿足學生在實驗教學過程中掌握扎實的化學實驗技能，同時又讓學生對藥物化學發展的前沿有一定的了解。另外，隨著大學生對教學模式要求的不斷提高，在現有的教學模式下，教師基本是根據既定的教材教學，過程相對枯燥乏味，缺少學生對實驗過程的探究。對于實驗結果，缺乏自主思考，不利于培養學生的創新性和主動性。現有的實驗教學內容不能滿足藥學領域的發展趨勢。在保證某些經典的藥物化學實驗外，還可以嘗試加入新的催化反應體系，在實驗中激發學生的創新思維能力，提高綜合合成技能，努力培養藥學類創新型人才。

在藥物化學實驗教學中還普遍存在一些問題，如傳統的教學方法多為驗證性實驗，學生按部就班地進行實驗講義中一些藥物的合成，客觀上構成了有機化學實驗的延續、 而這種模式忽視了對學生藥物化學自主創新科研思維和獨立思考能力的培養，導致學生在后期遇到問題時不善于應變，無法獲得舉一反三的能力。因此，在后期遇到問題時，也無法接觸領域的前沿發展。

因此，本文從高等教育倡導培養創新型人才的角度出發，結合生物酶催化體系的發展優勢，創新性地將生物酶催化體系融入到藥物化學實驗教學中，在藥物化學實驗教學內容和教學方法上實現改革創新。本文是對藥物化學實驗教學內容和教學方法的思考和探索，并逐步付諸實踐，希望能為醫藥人才的創新發展提供一些幫助。

2.藥化實驗課程創新

一直以來，如何提高學生對藥物化學實驗課程的興趣，如何讓學生掌握前沿的藥物合成技術一直都是高校教師思考的核心問題。秉承教育教學創新，教學內容模式與時俱進的科學教育觀，我們設計了生物酶催化多羥基烷基呋喃合成這一新穎的藥物化學實驗并以此為起點進一步研究實驗課程的創新性及對學生科學素養的培養。

（1）培養學生科學素養設計相關實驗。多羥基烷基呋喃是經典的含氧雜環，是眾多天然化合物中重要的結構單元，隨著其不斷的研究發展，衍生出了許多重要的生物醫藥產品，市場發展前景廣闊，已經成為生物醫藥合成領域研究的熱點。

①生物酶催化引入藥化實驗的意義。二十年來，生物酶催化技術已成為一項成熟且應用廣泛的技術。生物酶作為一種具有催化能力的生物大分子，因其高效性、專一性和較強的立體選擇性，被廣泛應用于化學合成、醫藥、農業生產等領域。1984年，Klibanov等人首次發現，酶可以在有機溶劑中保持穩定的結構，并且仍然具有很高的催化活性。這一革命性發現拓展了酶催化領域，極大地推動了非水性酶的發展。近年來，酶在有機合成中被廣泛用作催化劑，已成為藥物合成發展的必然趨勢。酶催化具有化學選擇性強，條件溫和，對環境友好等優點，是目前非常熱門的有機合成方法。

②生物酶催化多羥基烷基呋喃實驗原理。生物酶催化多羥基烷基呋喃合成實驗代替原有《藥物化學實驗》教材中相對陳舊的教學內容，不僅可以幫助學生更好的理解和掌握生物酶催化的相關知識，而且也可以幫助學生了解藥物化學合成的前沿發展方向。其主要原理涉及生物酶在不同溶劑中的活性問題以及反應溫度對生物酶活性的影響等。不同的生物酶在不同有機溶劑中的活性差異較大且失活速率也存在較大差異，生物酶的活性直接影響反應的成功與否，在此過程中，需要保持生物酶在有機溶劑中的活性或降低生物酶失活的速率。溫度的升高，會加速反應的進行但同時也會加速生物酶的失活，因此，不同的反應溶劑溫度的變化、反應時間對生物酶催化多羥基烷基呋喃實驗有著重要影響。

③實驗步驟。多羥基烷基呋喃常用的化學合成方法是由路易斯酸或三乙胺等化學催化劑催化，而生物酶法催化多羥基烷基呋喃實驗更為綠色溫和且生物酶Novozym 435可以重復利用，更加符合綠色化學理念。

生物酶催化多羥基烷基呋喃合成實驗所需的材料及試劑主要有葡萄糖，丙二腈，脂肪酶Novozym 435，蒸餾水。具體實驗過程如下：葡萄糖（1.8g），丙二腈（0.7g），脂肪酶Novozym 435（132mg）溶于10mL的蒸餾水中，在60℃條件下用磁力攪拌器攪拌反應，薄層色譜監測反應進行，待反應完全后，將反應溶劑水蒸除，乙醇重結晶或柱層析純化分離純化得到目標產物，與傳統化學合成法相比，生物酶法合成選擇性更高，幾乎沒有副產物，而且脂肪酶Novozym 435可重復使用多次。

圖1 藥化合成實驗所需的主要儀器

圖2 產品分析所需的主要儀器

表1 多羥基烷基呋喃實驗所需材料及試劑

④實驗優勢。為了改變本科生對傳統《藥物化學實驗》的思維，激發學生的學習樂趣，加強對藥學前沿領域的認識和了解。我們選擇此實驗時同時還考慮到生物酶催化多羥基烷基呋喃實驗不僅考察了學生對于常規儀器比如電子天平，機械磁力攪拌器，層析柱，旋轉蒸發儀等儀器的正確使用，而且此實驗也基本全部包含了藥物合成實驗的技能操作，如薄層色譜法監測反應歷程，此方法主要利用紫外光譜原理以及不同種類化合物極性的差異，在硅膠板上的高度不同來判斷反應是否完全，同時對于一些沒有紫外吸收的物質，能夠根據化合物官能團的性質選擇相應的顯色劑等基本實驗技能。其次掌握產品的常用純化手段如重結晶和柱層析純化分離等，了解重結晶的基本原理，掌握如何尋找合適的重結晶溶劑。掌握柱層析純化分離的原理，掌握如何選擇柱層析的洗脫劑及相應的溶劑比例，學會運用梯度洗脫技能分離純化極性相近的產品。掌握通過紅外、核磁共振、質譜，氣相色譜-質譜聯用，液相色譜-質譜聯用等檢測分析手段對產品及雜質進行系統分析，掌握通過紅外光譜解析相應的官能團特征峰，核磁共振確定相應化合物的結構，氣相色譜-質譜聯用與液相色譜-質譜聯用確定化合物的純度及相對分子質量。另外學生可以查閱相關文獻，更好的了解生物酶催化的特點與優勢，更好的了解生物酶催化在藥物合成領域的發展趨勢。通過此實驗不僅提升了學生的實驗動手技能，也提高了學生的主觀能動性，而且通過調查研究，更好的了解藥物合成領域的發展趨勢，也為部分學生的計劃深造提供一定的參考價值。

3.以結合創新來推進教學優化改革

我們將生物酶催化與藥物合成結合在一起融入到《藥物化學實驗》教學中，以“生物酶催化多羥基烷基呋喃實驗”為課程導向，將此課程教學分為三部分內容：生物酶催化的特點、藥物合成實驗技能訓練、藥物分子分離純化技能，詳細的講解每一部分應該承擔的教學任務，更新原有教材的陳舊內容，貼合藥物化學領域的前沿發展。

（1）生物酶催化多羥基烷基呋喃實驗課堂教學。生物酶催化多羥基烷基呋喃實驗過程中，鼓勵學生更多的使用中國知網、維普數據庫、萬方數據庫、Web of Science以及Scifinder等數據庫進行文獻調研，更加充分全面的了解生物酶催化反應體系的特點及優勢，并鼓勵學生大膽嘗試不同種類的生物酶去催化多羥基烷基呋喃的合成，獲得更高效的反應結果，同時通過對比實驗結果能簡單分析總結不同種類生物酶的性質。在最終產物純化過程中，老師可以簡單演示基本實驗操作，鼓勵學生去開發更加簡潔的分離純化方法。學生在自己嘗試過程中獲得了比老師更好的實驗結果，能更大程度的激發學生對藥物化學實驗的興趣。讓學生在實際操作中體會到課本上的理論知識，更好的理解藥物化學實驗這一實驗課程的重要性。

（2）生物酶催化多羥基烷基呋喃實驗課堂思政。隨著人民生活水平的提高，對藥物化學高層次人才的需求日益增加，學生不僅僅要牢牢掌握課本知識，也要培訓科學創新思維以及良好的科學精神和道德品質。

在生物酶催化多羥基烷基呋喃實驗過程中學生不僅學習到了生物酶催化方面的相關知識，也能掌握藥物合成的實驗技能同時在實驗教學過程中也特別教育學生重視實驗安全，比如進入實驗室須穿戴實驗服，稱量化學藥品或使用有機溶液時需佩戴專業手套，若不慎有少量有機溶劑濺入眼睛，立即使用大量清水沖洗。開展實驗工作之前，仔細做好相關的準備工作，認真檢查所需儀器設備是否正常工作，嚴格遵守實驗室規章制度。實驗過程中產生的廢酸水、廢堿水以及有機廢液需分開歸類處理，禁止直接倒入下水槽或隨意丟棄。產生的廢液按規定處理后倒入指定的塑料桶中，并交由有資質的處理單位進行集中處理。此實驗完全可以做為藥學等相關專業的本科教學課程，讓學生掌握藥物化學領域發展趨勢、培養學生的科研創新意識同時也能切實提升《藥物化學實驗》課程教學效果。

4.總結

《藥物化學實驗》是藥學相關專業的高校學生最先接觸的藥物合成實驗教學課程，熟練掌握此課程對學生未來的學術研究和工作都有非常重要的意義，本文創新性的將生物酶催化與藥物化學結合在一起，不僅可以進一步強化本科生的實踐技能，還有利于培養學生運用知識和實踐相結合的能力，觀察問題和解決問題的能力，進一步培養他們對于科學實驗的探索精神。實踐創新是促成教育對象不斷由已知領域向未知領域拓展、實現質的飛躍的關鍵能力，是人才培養的體現之一，也符合新時代國家提出的學生核心素養。