《制药工艺学》与《物理化学》交叉知识应用的案例教学

王宗成++罗小芳++姜红宇++何福林

摘 要：《物理化学》是制药工程专业一门理论性强、难懂的专业基础课，而《制药工艺学》是一门应用性很强的学科，其中《物理化学》很多知识是《制药工艺学》的理论基础，而《制药工艺学》很多知识又是《物理化学》的理论应用。因此，两者具有很多交叉知识，把这些交叉知识结合制药企业应用现状，进行案例教学具有很好的可行性，也有利于学生将理论知识和应用融会贯通，更好地学习和掌握。

关键词：制药工艺学 物理化学 案例教学

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（c）-0228-02

《物理化学》是制药工程专业的基础课，是研究化学运动中最具有普遍性的基本规律的一门学科，是数学、物理学与化学交叉产生的学科，因此课程理论计算强，学生经常感觉枯燥无味，也难理解、不会算、学不好，常需要和一些案例结合才能更容易理解[1]。而《制药工艺学》是让制药工程专业学生掌握有关化学制药、中药制药、生物制药生产中的单元操作和工艺路线设计、选择和优化，以及中试放大、质量控制和“三废”防治等方面的知识，是一门应用型学科，和专业知识紧密结合[2]。同时，制药工程专业正是培养具有制药工程方面的知识，能在医药、农药、精细化工和生物化工等部门从事医药产品的合成与工艺研究、医药产品开发、应用研究和经营管理等方面的高素质研究应用型专门人才[3]。因此，寻找制药企业制药过程中《制药工艺学》与《物理化学》交叉理论知识应用的案例，将理论知识在生产实践中的应用搬到课堂来，使理论知识更容易掌握，更贴近企业生产实际，使学生能掌握制药企业的一些相关生产过程和处理相关问题的能力。本文将从以下几个方面来探讨相关交叉案列。

1 化学反应的能量问题

《物理化学》很大篇幅介绍的都是能量计算问题，也就是化学热力学问题，遵循的规律就是能量守恒定律，而这条定律也正是《制药工艺学》中能量衡算的基础，能量衡算又是做制药工程工艺设计必不可少的部分[4]，所以我们需要关注化学反应中的能量变化问题。

比如说，氯霉素制备过程中，对硝基乙苯的获得通过常用的硝化反应，硝化反应是一个强放热反应，因此反应过程中温度不能太高，应该控制温度在40℃～45℃，而且要将多余的热量移除。热量移除是控制硝化反应的突出问题之一，否则反应过于剧烈，副产物过多，控制不好还会引起爆炸。在计算热量衡算过程，我们要充分考虑反应的热效应，同时还要考虑加热升温带来的热量，还要考虑反应后热量移除减少的热量。

而对于很多吸热反应，大多需要外界提供大量的能量，这些能量是通过外供的公用工程消耗如蒸汽来获得，同时，经常会伴随着溶剂的蒸发消耗热量，以及冷凝水热量的消耗。在计算热量衡算过程，我们要充分考虑这些能量的进出。

这些能量计算正是用来确定外供的公用工程消耗，如蒸汽、冷凝水等的依据。

2 化学反应的平衡问题

化学反应通常是具有方向性的，反应是否能按照我们需要的方向进行？如果能进行，能达到什么程度？当反应达到正逆方向速率相等时也就是化学反应的平衡状态。调节反应的温度、压力、浓度等因素可以改变化学反应的方向，也可以改变化学反应的平衡状态，这些《物理化学》里的问题正是解决了《制药工艺学》中如何选择制药生产工艺路线中的合成路线条件选择、提高产量等工艺设计问题，达到增产节约的目的。

比如，温度升高有利于吸热反应，对放热反应不利，平衡向吸热方向移动。压力的变化对液态固态反应的平衡影响甚微，对有气体参与的化学反应，通常增大压力有利于体积减小的反应，不利于体积增大的反应，而对体积不变的反应，压力没有影响。增加反应中某一组分的浓度，平衡向减少该组分浓度的方向移动。掌握了《物理化学》中的这些知识点，对于《制药工艺学》中我们选择制药工艺路线和条件是至关重要的。

3 化学反应的速率问题

通常，制药工艺中的化学反应是需要时间的，而当今社会“时间就是金钱”，因此我们要尽可能地提高反应的速率，减少反应时间。而研究化学反应速率正是《物理化学》中化学动力学问题，通过化学动力学的研究，可以知道如何控制反应条件，提高主反应的速率，减慢或抑制副反应的发生，以减少消耗并提高产品的质量和产量，这又正是《制药工艺学》反应条件优化需要解决的问题。

反应速率是受反应物浓度、反应温度和催化剂影响的。一般来说，增加反应物的浓度使反应速率加快，但是对于不同反应类型，影响是不同的，对于零级反应，反应速率与浓度无关。此外，化学反应通常具有可逆反应、平行反应、连串反应的副反应存在，因此，需要采取各种措施来提高目标产物的生成率。如合适的配料比，在一定条件下也就是最恰当的反应物的组成。比如，制备对乙酰氨基苯磺酰氯时，工业上常采取乙酰苯胺与氯磺酸投料摩尔比为1.0∶4.5～5.0，收率较高原料消耗较少，达到提高收率节约成本的目的。

一般来说，无论是吸热反应还是放热反应，反应温度升高反应速率都加快，但是实际上，温度升高对不同的反应可能表现出不同的结果。此外，温度的升高不仅加速正反应速率，也会加快逆反应速率；不仅加快主反应速率，也会加快副反应速率。还有温度对反应速率的影响情况还会受到反应活化能的制约。因此在实际生产中往往通过试验确定合适的温度范围来加速主反应而抑制副反应。比如，磺胺甲恶唑的生产，反应温度升高，反应速率相应增大，在高温条件下不利于副反应的进行，因此应将反应液尽快加热至所需要的反应温度180℃，而不宜缓缓加热，根据这些要求，可制定出传热面积大的管道反应工艺。

药物合成中大约80%～85%的反应用到催化剂，虽然催化剂不改变化学反应的平衡，但是催化剂能降低反应活化能，增加反应速率。对于不同的化学反应类型，常需选用不同的催化剂；对于同样的反应物系统，应用的催化剂不同，可能获得的产物不同。因此，对于特定的反应，如果具有多种催化剂，有必要逐个进行试验，以确定一个催化剂得到最好的结果。催化剂也可能表现出特定的选择性，比如酶催化反应。另外催化剂部分活性的消失，也可呈現出选择性催化作用，比如，在维生素A的合成中，用乙酸铅处理的钯-碳催化剂，选择性地将羟基去氢维生素A醇分子中的炔键还原成烯键，生成羟基维生素A醇，而不影响烯键。

4 结语

可见，《物理化学》很多知识是《制药工艺学》的理论基础，而《制药工艺学》很多知识又是《物理化学》的理论应用，因此，两者具有很多交叉知识，也具有很多制药企业生产中的相关案例，将这些案例运用到我们的理论知识的教学中来，将使理论知识更容易掌握，更贴近企业生产实际，也有利于学生将理论知识和应用融会贯通，使学生能掌握制药企业的一些相关生产过程，理解生产过程中为什么要这样做？遇到相同或者相似的过程，应该怎么处理，提高处理制药企业实际问题的能力。

参考文献

[1] 张国艳，常振波.物理化学案例教学的心得和体会[J].广东化工，2014，41（22）：151-152.

[2] 霍清.制药工艺学课程教学研究[J].北京联合大学学报，2008，22（1）：91-92.

[3] 王宗成，刘婷，陈修文.制药工程专业药物化学教学改革中的探索与实践[J].中国科教创新导刊，2014（10）：22.

[4] 张珩.制药工程工艺设计[M].北京：化学工业出版社，2005.endprint