高校藥物化學(xué)實驗綠色化的探究與實踐*

李冬梅，何麗仙，王 琳，施貴榮

(大理大學(xué)藥學(xué)與化學(xué)學(xué)院，云南 大理 671000)

藥物化學(xué)是一門發(fā)現(xiàn)與發(fā)明新藥、合成化學(xué)藥物、闡明藥物的化學(xué)性質(zhì)、研究藥物分子與機(jī)體細(xì)胞之間相互作用規(guī)律的綜合性學(xué)科，是藥學(xué)領(lǐng)域中重要的帶頭學(xué)科，具有很強(qiáng)的理論性和實踐性[1]。藥物化學(xué)實驗課程是理論教學(xué)的重要補(bǔ)充，對提高學(xué)生的專業(yè)技能、鍛煉實踐能力、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維起著重要的作用。藥物化學(xué)實驗綠色化的研究一直是高校實驗教學(xué)改革的重要方向，通過對傳統(tǒng)的藥物化學(xué)實驗進(jìn)行綠色化研究，并在實驗教學(xué)中實施，從而達(dá)到減少反應(yīng)物投料量，節(jié)約資源，降低環(huán)境污染，縮短反應(yīng)時間等目的[2-4]。

綠色化學(xué)(green chemistry)又稱環(huán)境友好化學(xué)、環(huán)境無害化學(xué)、清潔化學(xué)，是指在制造和應(yīng)用化學(xué)產(chǎn)品時有效利用(最好可再生)原料，消除廢物和避免使用有毒或危險的試劑，其根本目的是節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境，是將現(xiàn)有化工生產(chǎn)的技術(shù)路線從“先污染、后治理”改變?yōu)椤皬脑搭^上根除污染”[5-6]。

1 藥物化學(xué)實驗綠色化的必要性

目前，我國高校藥物化學(xué)實驗普遍存在環(huán)保意識和節(jié)約意識薄弱、實驗操作粗放等問題。因此，高校應(yīng)該積極響應(yīng)綠色化學(xué)理念所提出的要求，在藥物化學(xué)實驗教學(xué)中充分滲透綠色化學(xué)的理念，以此來實現(xiàn)高校藥物化學(xué)實驗的綠色化。以綠色化的理念構(gòu)建大學(xué)化學(xué)實驗新體系，是針對我國高等院?；瘜W(xué)實驗教學(xué)中普遍存在的環(huán)境污染問題開展的研究，體現(xiàn)了環(huán)境保護(hù)和綠色化學(xué)的要求[7-8]。藥物化學(xué)實驗以藥物合成為主，實驗中常用到芳香族化合物(如苯甲醛等)、強(qiáng)酸(如濃硫酸、濃硝酸等)、強(qiáng)氧化劑等有害物質(zhì)，實驗過程中還會產(chǎn)生大量的廢氣、廢液及廢渣，每一個藥物化學(xué)實驗室都有可能成為一個化學(xué)污染源，而且學(xué)生實驗每一年都要重復(fù)開展，長此以往，勢必對環(huán)境造成嚴(yán)重污染[9]。因此，在藥物化學(xué)實驗教學(xué)中充分滲透綠色化學(xué)理念是非常有必要的。

2 綠色化學(xué)理念在高校藥物化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 慎重選擇實驗內(nèi)容，改進(jìn)實驗項目

實驗的目的是使學(xué)生規(guī)范掌握專業(yè)技能，提高學(xué)生的動手能力，同時通過實驗教學(xué)及學(xué)生參與實驗，使學(xué)生更直接地理解和掌握理論知識。而傳統(tǒng)的化學(xué)實驗往往只考慮實驗的典型性和代表性，忽視了實驗內(nèi)容和實驗過程對環(huán)境的污染[10]。在綠色化學(xué)理念下，這種只注重實驗效果而不考慮實驗過程對環(huán)境污染的行為是不可取的，化學(xué)實驗的綠色化要求化學(xué)反應(yīng)的原料和試劑、反應(yīng)條件、反應(yīng)過程和反應(yīng)產(chǎn)物都是綠色的[8]。因此，應(yīng)該慎重選擇實驗內(nèi)容、改進(jìn)實驗項目，力求達(dá)到實驗內(nèi)容的綠色化與教學(xué)目的相協(xié)調(diào)、相統(tǒng)一。例如在藥物化學(xué)實驗中，苯妥英鈉的合成通常以苯甲醛為原料，在第一步安息香縮合反應(yīng)中通常采用氰化物(氰化鈉或氰化鉀)為催化劑，氰化物本身為劇毒物，對實驗者危害較大，同時實驗產(chǎn)生的廢液也對環(huán)境造成污染。若用生物輔酶維生素B1來替代氰化物，同樣可以催化安息香縮合反應(yīng)，而且維生素B1不僅沒有毒性，還可縮短反應(yīng)時間，減少對環(huán)境的污染。另外，也可以通過正交實驗法等對現(xiàn)有的實驗內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)，例如應(yīng)用正交實驗法對貝諾酯合成實驗過程中的催化劑、反應(yīng)時間、氫氧化鈉濃度及反應(yīng)溫度等條件進(jìn)行優(yōu)化，從而選擇最佳反應(yīng)條件[11]。通過正交實驗法優(yōu)化反應(yīng)條件，使得各種反應(yīng)物最大化地參與了反應(yīng)，減少了化學(xué)試劑的浪費(fèi)以及產(chǎn)生較少的廢液及副產(chǎn)物。

2.2 推廣微型實驗的開展

微型實驗具有使用原料少、操作簡單快捷、環(huán)境污染小等特點(diǎn)，從源頭上顯著減少污染物的排放，是促進(jìn)藥物化學(xué)實驗綠色化有效的方法[12]。各高校應(yīng)當(dāng)加快微型實驗在藥物化學(xué)實驗教學(xué)中的推廣，特別是對于要使用對環(huán)境有害的物質(zhì)或可能生成對環(huán)境有害產(chǎn)物的實驗，更應(yīng)該采用微型實驗的方式進(jìn)行[8,13]。例如，在我校2014版藥物化學(xué)實驗教學(xué)大綱修訂時，我們就將所開展的藥物化學(xué)實驗改為半量法，即每個藥物合成實驗中各種試劑和藥品的投料量為原來的一半，實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果并未受到任何影響，這樣既達(dá)到了教學(xué)目的，又盡可能地減少對環(huán)境的污染。

2.3 構(gòu)建串聯(lián)實驗體系

串聯(lián)實驗就是將多個實驗有機(jī)結(jié)合起來，將一個實驗的產(chǎn)物作為另一個實驗的原料的一種實驗方法，串聯(lián)實驗不僅可以節(jié)省試劑，還能減少實驗室對環(huán)境的污染[14]。構(gòu)建串聯(lián)實驗體系，不僅能在同一學(xué)科中開展，甚至可以擴(kuò)大到不同學(xué)科之間，以取得更大程度的資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的效果[8]。我校藥學(xué)專業(yè)的教師積極開展了多項教改項目，通過教改項目構(gòu)建了可供藥學(xué)專業(yè)學(xué)生開展的串聯(lián)實驗，并且已取得了一些成功的案例，例如藥物化學(xué)實驗中合成的阿司匹林，經(jīng)重結(jié)晶純化后，將作為學(xué)生自己在藥物分析實驗中測定阿司匹林原料藥含量的藥品，另外藥物化學(xué)實驗中合成的貝諾酯，經(jīng)重結(jié)晶純化達(dá)到純度要求后，供學(xué)生藥劑學(xué)實驗來制備貝諾酯片劑等。通過串聯(lián)實驗不僅使藥物化學(xué)實驗中合成的藥物得到了充分應(yīng)用，減少了化學(xué)物質(zhì)的浪費(fèi)，使化學(xué)物質(zhì)得到了充分應(yīng)用。另外，通過構(gòu)建串聯(lián)實驗體系，將藥學(xué)專業(yè)相關(guān)學(xué)科合理地串聯(lián)起來，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性和構(gòu)建專業(yè)知識體系的完整性。

2.4 妥善處理實驗室產(chǎn)生的“三廢”

在藥物化學(xué)實驗教學(xué)過程中，會產(chǎn)生一定量的廢氣(NO2、HCl、SO2等)、廢液(含酸、堿或鹽等的廢液)和廢渣(如反應(yīng)產(chǎn)物、剩余的反應(yīng)原料、反應(yīng)副產(chǎn)物等)。實驗室產(chǎn)生的廢氣、廢液和廢渣，若處理不當(dāng)，不僅存在安全隱患，影響周圍人群的健康，而且還會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。因此，在實驗教學(xué)過程中，應(yīng)該妥善處理“三廢”。例如在藥物化學(xué)實驗中，由安息香來制備二苯乙二酮的實驗，若使用了濃HNO3作為氧化劑，實驗過程中會產(chǎn)生大量NO2有毒氣體，在開展實驗過程中，學(xué)生可以通過自制的吸收尾氣裝置進(jìn)行尾氣處理，這樣既可減少對實驗者的危害，也可減少由于NO2的排放對空氣的污染。對于一些不易處理的廢液和廢渣，應(yīng)由專門的人員按照三廢處理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理，而不能將實驗產(chǎn)生的“三廢”隨意進(jìn)行排放和處理[13]。

2.5 采用模擬藥物化學(xué)仿真實驗

計算機(jī)仿真實驗是依靠計算機(jī)創(chuàng)造的一個可視的實驗操作環(huán)境，其中實驗所需的試劑、儀器和設(shè)備均用仿真物體來代替，學(xué)生通過操作仿真的儀器和設(shè)備即可完成各種化學(xué)實驗[15]。特別是對于那些要使用到有毒有害的化學(xué)試劑，或反應(yīng)條件較苛刻、反應(yīng)時間較長、存在安全隱患，或者會對環(huán)境造成污染的化學(xué)實驗，可采用仿真實驗來替代。通過計算機(jī)仿真實驗系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)相連接，學(xué)生還可享受到開放的實驗教學(xué)資源，學(xué)生可以在仿真實驗系統(tǒng)中完成實驗的預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)、模擬實驗等過程[8,16]。模擬化學(xué)仿真實驗既能讓學(xué)生很直觀的參與實驗的全過程，同時對節(jié)約資源、減少化學(xué)實驗對環(huán)境的污染具有積極影響[13]，是實現(xiàn)藥物化學(xué)綠色化可借鑒的方法。

3 結(jié) 語

為了更好地適應(yīng)社會發(fā)展，藥物化學(xué)實驗綠色化的研究具有重要的意義。藥物化學(xué)實驗綠色化既是時代發(fā)展的要求，也是藥物化學(xué)學(xué)科可持續(xù)發(fā)展需要解決的重要問題。將綠色化學(xué)的理念和方法滲透到藥物化學(xué)實驗教學(xué)過程中，通過慎重選擇實驗項目、改進(jìn)實驗內(nèi)容，推進(jìn)微型化實驗的開展，妥善處理實驗“三廢”，推廣模擬藥物化學(xué)仿真實驗等手段，來促進(jìn)高校藥物化學(xué)實驗綠色化的發(fā)展。