藥物合成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索*

韓金娥，張 艷，鞏 凱

(江南大學(xué)藥學(xué)院，江蘇省制藥工程實(shí)踐教育中心，江蘇 無(wú)錫 214122)

隨著高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的展開(kāi)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)已從過(guò)去單純的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)逐步發(fā)展到了綜合性、設(shè)計(jì)性、研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是通過(guò)理論指導(dǎo)實(shí)踐，由學(xué)生自主完成的探索性過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)性科學(xué)思維和開(kāi)拓創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)學(xué)生的參與性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新人才有很大的促進(jìn)作用[1-3]。

制藥工藝綜合實(shí)驗(yàn)是我院制藥工程專(zhuān)業(yè)課程體系的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能、鞏固基礎(chǔ)理論知識(shí)的主要環(huán)節(jié)，是提高學(xué)生觀察能力、動(dòng)手能力、分析能力的重要途徑，是實(shí)施創(chuàng)新教育，提高綜合素質(zhì)，增強(qiáng)科研意識(shí)和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵所在[4]。圍繞培養(yǎng)具有科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的目標(biāo)，學(xué)院對(duì)制藥工藝綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合，對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展進(jìn)行了大膽的探索和實(shí)踐，將藥物合成、藥物分析、藥物制劑和藥理學(xué)這些主干課程進(jìn)行知識(shí)銜接和融合，模擬藥物研發(fā)的整個(gè)歷程制定一體化的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

作者以制藥工藝綜合實(shí)驗(yàn)中撲熱息痛的合成為例進(jìn)行具體探討。將全班48人分成12組，每組4人，各個(gè)組自行通過(guò)Scifinder、Reaxy、ACS、Willy、RSC、Elsevier Science Direct、中國(guó)知網(wǎng)CNKI、維普全文數(shù)據(jù)庫(kù)等中外文數(shù)據(jù)庫(kù)檢索，以及百度文庫(kù)、道客巴巴等網(wǎng)站，收集對(duì)乙酰氨基酚的性質(zhì)、合成路線和合成方法等資料，各組學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行小組討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行PPT研討[5-7]，教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件進(jìn)行篩選，結(jié)合比較教學(xué)法，確定可行方案并實(shí)施。實(shí)驗(yàn)完成后各小組處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行PPT匯報(bào)。通過(guò)該設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)新性，提升了學(xué)生的科學(xué)研究素養(yǎng)和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

撲熱息痛，又名對(duì)乙酰氨基酚(APAP)，臨床上用于普通感冒或流行性感冒引起的發(fā)熱、緩解頭痛、神經(jīng)痛等，是臨床上最常用的解熱鎮(zhèn)痛藥之一，亦是全世界應(yīng)用最廣泛的藥物之一。實(shí)驗(yàn)要求以對(duì)氨基酚為原料，經(jīng)乙?；玫紸PAP。針對(duì)學(xué)生提出的合成方案，從應(yīng)用比較教學(xué)法的角度[8-9]，篩選出的3個(gè)實(shí)驗(yàn)方案[10-12]，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)方案

超聲波輻射技術(shù)已廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成領(lǐng)域中，不僅能提高反應(yīng)速率和產(chǎn)物收率，甚至還能使在常規(guī)反應(yīng)條件下難以發(fā)生的反應(yīng)得以順利進(jìn)行。超聲波輻射能加速各種有機(jī)均相及異相反應(yīng)，由于超聲波的空化作用所產(chǎn)生的局部高溫高壓可以促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，從而使反應(yīng)速率明顯加快[13]。微波輻射技術(shù)是新興的綠色合成技術(shù)，微波能量能夠穿過(guò)容器直接進(jìn)入反應(yīng)物內(nèi)部并只對(duì)反應(yīng)物和溶劑進(jìn)行加熱，而且加熱均勻，可以減少副產(chǎn)物的生產(chǎn)以及防止反應(yīng)物和產(chǎn)物因過(guò)熱而分解，具有快速、高效、簡(jiǎn)單、無(wú)污染等特點(diǎn)[14]。

1.2 儀器與試劑

儀器：超高效液相色譜串聯(lián)四級(jí)桿飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用儀(MALDI SYNAPT MS)，美國(guó)沃特世公司；AVANCE III HD 400 MHZ核磁共振譜儀，瑞士布魯克公司；Nicolet 6700全反射傅里葉紅外光譜儀，美國(guó)賽默飛世爾科技有限公司；SB-5200TD超聲波清洗機(jī)，寧波新芝生物科技股份有限公司；XH-300UL微波合成反應(yīng)儀，北京祥鵠科技發(fā)展有限公司；ZF-6三用紫外線分析儀，上海嘉鵬科技有限公司；烘箱，電子天平，磁力攪拌加熱器等。

試劑：對(duì)氨基酚，醋酸酐，活性炭，亞硫酸氫鈉等均為國(guó)藥市售化學(xué)純。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 方案一：常規(guī)加熱套合成APAP[10]

在磁力攪拌電熱套中，安裝配有磁性攪拌子、溫度計(jì)、回流冷凝管的100 mL三頸瓶。向三頸瓶中加入11 g對(duì)氨基苯酚和30 mL水，開(kāi)啟攪拌，加熱到50 ℃；通過(guò)恒壓滴液漏斗逐滴加入12 mL乙酸酐，控制滴加速度在30 min完成；然后升溫到80 ℃，保溫2 h。冷卻到室溫，即有固體析出，待結(jié)晶析出完全后，抽濾，用冷水洗滌濾餅兩次，抽干得對(duì)乙酰氨基酚粗品。將粗品移至100 mL三頸瓶中，加入適量水，置于電熱套加熱使溶解；稍冷后加入1 g活性碳，回流15 min，在抽濾瓶中先加入0.5 g亞硫酸氫鈉，趁熱抽濾，濾液趁熱轉(zhuǎn)移至100 mL燒杯中；放冷析晶，抽濾，濾餅用0.5%亞硫酸氫鈉溶液洗滌2次，抽緊壓干，干燥，得到白色晶體，測(cè)熔點(diǎn)，計(jì)算收率，并通過(guò)質(zhì)譜，氫譜，碳譜，紅外進(jìn)行化合物的表征。

1.3.2 方案二：超聲波輻射技術(shù)合成對(duì)APAP[11]

向100 mL三頸瓶中加入11 g對(duì)氨基苯酚和30 mL水，安裝好溫度計(jì)、回流冷凝管，加入12 mL乙酸酐，稍加搖動(dòng)后，放入超聲波清洗儀中，提前設(shè)置好反應(yīng)時(shí)間25 min、功率為100 W和反應(yīng)溫度80 ℃。反應(yīng)結(jié)束后將三頸瓶轉(zhuǎn)移到冰水中冷卻充分，析晶完全后，抽濾，用冷水洗滌濾餅兩次，抽干得對(duì)乙酰氨基酚粗品。所得粗產(chǎn)品用水重結(jié)晶，同時(shí)加入適量鋅粉和活性炭煮沸，趁熱抽濾，濾液趁熱轉(zhuǎn)移至100 mL燒杯中，放冷析晶，抽濾，洗滌，抽緊壓干，干燥，得到白色針狀晶體，測(cè)熔點(diǎn)，計(jì)算收率，并通過(guò)質(zhì)譜，氫譜，碳譜，紅外進(jìn)行化合物的表征。

1.3.3 方案三：微波輻射技術(shù)合成APAP[12]

向100 mL三頸瓶中加入11 g對(duì)氨基苯酚和30 mL水，稍加搖動(dòng)后加入攪拌子，放入微波合成儀中，設(shè)置好反應(yīng)時(shí)間17 min、微波功率500 W和溫度100 ℃，滴加乙酸酐，同時(shí)開(kāi)啟微波反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移至燒杯中，冰水浴冷卻析出晶體，抽濾，冰水洗滌濾餅兩次，抽干得對(duì)乙酰氨基酚粗品。粗產(chǎn)品用水重結(jié)晶，同時(shí)加入適量鋅粉和活性炭煮沸，趁熱抽濾，濾液趁熱轉(zhuǎn)移至100 mL燒杯中，放冷析晶，抽濾，洗滌，抽緊壓干，干燥，得到白色針狀晶體，測(cè)熔點(diǎn)，計(jì)算收率，并通過(guò)質(zhì)譜，氫譜，碳譜，紅外進(jìn)行化合物的表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同實(shí)驗(yàn)方案結(jié)果

這三種實(shí)驗(yàn)方案各有特點(diǎn)，在常規(guī)操作的基礎(chǔ)上引進(jìn)了超聲波和微波技術(shù)，增加了學(xué)生對(duì)合成前沿新技術(shù)的了解和使用。本設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)面向已有一定基礎(chǔ)的大四學(xué)生，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可見(jiàn)，對(duì)比這三個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，盡管最終得到對(duì)乙酰氨基酚的產(chǎn)率相當(dāng)，但是微波輻射和超聲波輻射的反應(yīng)時(shí)間明顯少于常規(guī)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)時(shí)間，且更加綠色、高效、節(jié)能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)這幾種合成技術(shù)有了更加直觀的體驗(yàn)和深刻的理解。

2.2 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)表征

運(yùn)用現(xiàn)代分析檢測(cè)手段對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，不僅讓學(xué)生了解儀器的基本原理、使用方法，更讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理，達(dá)到理論知識(shí)的融會(huì)貫通和學(xué)以致用，提高了

學(xué)生動(dòng)手操作能力、主動(dòng)思維能力和科學(xué)研究能力。

通過(guò)數(shù)字熔點(diǎn)儀測(cè)量產(chǎn)品的熔點(diǎn)為169～170 ℃，與參考文獻(xiàn)[12]值相符合。

質(zhì)譜儀測(cè)定分子量[M+H]+為152，產(chǎn)品分子量M為151。

核磁共振儀測(cè)定產(chǎn)品的氫譜、碳譜，氫譜解析：1H-NMR (400 MHz，CD3OD)：7.3(d，2H，Ph-H)，6.75(d，2H，Ph-H)，2.1(s，3H，-CH3)。

碳譜解析：13C-NMR(400 MHz，CD3OD)：δ 170.0(C-7)，154.0(C-4)，130.3(C-1)，122.0(C-2，C-6)，114.8(C-3，C-5)，22.1(C-8)。

此外，經(jīng)KBr壓片進(jìn)行傅里葉紅外光譜儀測(cè)定產(chǎn)品的紅外光譜，如圖2所示，特征峰主要有3320.4 cm-1為二級(jí)酰胺N-H伸縮振動(dòng)吸收峰，3108.5 cm-1峰為酚羥基的O-H伸縮振動(dòng)吸收峰，1650 cm-1為酰胺C=O伸縮振動(dòng)吸收峰，1609.5、1561.1、1504.5和1434.8 cm-1為苯環(huán)C=C骨架振動(dòng)吸收峰，與文獻(xiàn)譜圖基本一致[15]。

圖2 紅外光譜圖

3 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的藥物合成實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生“按方抓藥”，往往只鍛煉了實(shí)驗(yàn)操作能力，忽略了學(xué)生創(chuàng)新能力、獨(dú)立分析和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)。本設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)結(jié)合了藥物化學(xué)，藥物分析，合成化學(xué)等專(zhuān)業(yè)的理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)方法，形成了文獻(xiàn)調(diào)研、原理闡述、方案篩選、藥品制備、對(duì)比研究、結(jié)構(gòu)表征、數(shù)據(jù)分析、報(bào)告撰寫(xiě)的完整實(shí)驗(yàn)方案，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，增加了學(xué)生的成就感。經(jīng)過(guò)近幾年的實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果，比如教師對(duì)后期進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)生表現(xiàn)給予了更多肯定和好評(píng)，學(xué)生的基本科研素養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)操作能力、創(chuàng)新能力、獨(dú)立分析和解決問(wèn)題能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力等方面得到了明顯提高，值得進(jìn)一步推廣和完善。但該設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍存在一些不足，需要增加實(shí)驗(yàn)選題的多樣性和先進(jìn)性，還需引用多種教學(xué)方法，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。