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【摘 要】物理化学是化学中最活跃的学科分支之一。本文从新药开发、新剂型设计、药物分离纯化方面论述了物理化学内容与制药工程专业内容的关系。
【关键词】物理化学；制药工程领域；应用
任何化学过程总是与各种物理过程相互关联的，一方面，当发生化学反应时，通常伴随着物理变化，如体积变化、压力变化、热效应、电学效应和光学效应。另一方面，温度、压力、浓度、光照、电磁场等物理因素的变化也会引起化学变化或影响化学变化。因此，物理化学是从物理现象与化学现象的关系出发，探索化学反应一般规律的科学，它解决了化学反应能量及变化的方向和限度，速率和机理及如何控制反应的发生等可能性和现实性问题。
一、物理化学的发展史
物理化学是在物理和化学两大学科基础上发展起来的，它以丰富的化学现象和体系为对象，大量采纳物理学的理论成就与实验技术，探索、归纳和研究化学的基本规律和理论，构成化学科学的理论基础。
在1752年，“物理化学”这个概念被俄国科学家罗蒙索诺夫在圣彼得堡大学的一堂课程（A Course in True Physical Chemistry）上首次提出。它作为一门学科的正式形成是从1877年德国化学家奥斯特瓦尔德和荷兰化学家范托夫创刊的《物理化学杂志》开始的。 从这一时期到20世纪初，物理化学以化学热力学的蓬勃发展为其特征。1906年，化学热力学的全部基础已具备。劳厄和布喇格对x-射线晶体结构分析的创造性研究，为经典的晶体学发展奠定了基础。阿仑尼乌斯关于化学反应活化能的概念及博登施坦和能斯特关于链反应的概念，对后来化学动力学的发展都做出了重要贡献。20世纪20～40年代是结构化学领先发展的时期。这时的物理化学已深入到微观的原子和分子世界，改变了对分子内部结构茫然无知的状况。1926年量子化学的兴起，不但在物理学中掀起了高潮，对物理化学的研究也给以很大的冲击。尤其是在1927年，海特勒和伦敦对氢分子问题的量子力学处理，为1916年路易斯提出的共享电子对的共价键概念能发现反应过程中出现的暂态中间产物，使反应机理不再只是从反应速率方程凭猜测而得出的结论，这些检测手段对化学动力学的发展也有很大的推动作用。60年代，激光器的发明和不断改进的激光技术。大容量高速电子计算机的出现，以及微弱信号检测手段的发明孕育着物理化学中新的生长点的诞生。70年代以来，分子反应动力学、激光化学和表面结构化学代表着物理化学的前沿阵地。研究对象从一般键合分子扩展到准键合分子、范德瓦耳斯分子、原子簇、分子簇和非化学计量化合物。在实验中不但能控制化学反应的温度和压力等条件，进而对反应物分子的内部量子态、能量和空间取向实行控制。
二、物理化学在新药开发中的应用
1、药物提取过程的设计。药物提取工艺的设计是中药产品生产的重要组成部分，提高中药活性成分效率的方法直接关系到中药生产的成本和经济效益。所以，利用物理动力学和热力学知识为中药提取提供可靠的技术条件是至关重要的。依据Fick扩散的第二定律，可建立中药提取过程的动力学方程，提取甘草、五味子、麦冬、丹参酮等活性成分的实验符合动力学方程。速率常数不但与温度有关，而且与内扩散系数和粒子半径的平方成正反比，这些实验数据为优化中药提取工艺提供了宝贵的理论依据。此外，研究了苦叶七中黄酮的提取过程，并发现苦叶七中黄酮的提取符合一级的动力学模型。在此基础上，可计算出一系列有价值的动力学和热力学数据，从而为苦叶中七黄酮的提取工艺设计和操作条件的选择提供了有益的理论依据。
2、药物合成条件的预测。药物合成条件的预测是基于热力学理论，适当的反应条件是通过计算合成路线每一阶段的热量和自由能数据来确定的，这为药物合成和后续研究提供了科学依据。对药物的恒压合成反应而言，可依据吉布斯自由能做判断依据，根据Gibbs-Helmholtz方程：△G=△H-T△S，若△H<0、△S>0，则△G<0，则反应是可行的。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆可利用键能和生成的热力学数据计算苄基嘧啶药物中间体、二甲氧基苯甲酸的反应热和自由能，确定设计的合成反应是热力学条件允许的反应。
3、药品稳定性和储存期预测。在储存过程中，药物经常受到水解、氧化等反应，导致含量逐渐降低，甚至失效。利用化学动力学原理，在较高的温度下加速药物降解，并在数学处理后推断其在室温下的贮存寿命，从而获得药物储存时间的预测。加速试验方法可分为两大类：即恒温法（Isothermal prediction）和变温法（Nonisothermalprediction）。
三、物理化学在新药物设计中的应用
新剂型的药物设计将在提高药物效率和减少其毒副作用方面发挥越来越重要的作用。利用物理化学理论知识和方法研究药物制剂的性质和内在规律，为新剂型的设计和开发提供坚实的理论基础。近年来，利用相平衡、表面化学、胶体化学等理论知识研制的固体分散体、纳米乳液、包合物、脂质体等剂型逐渐成为市场上的新剂型。
1、固体分散体。固体分散体（solid dispersions，SD）是一种分散系统，其中药物在适当的载体材料中高度分散。将不溶性药物分散在水溶性载体中形成的固体分散剂中，由于药物存在于分子、非晶或微晶状态，减少药物的粒度，降低药物溶解的晶格能，同时通过亲水载体消除药物的结晶，从而确保药物的高度分散，药物的溶解度和溶出度可通过增加药物的润湿性，从而提高药物的生物可用性，进而提高药物的有效性。
2、纳米乳。它又称之为微乳，是一种有热力学稳定性、各向同性、透明或半透明的均匀分散体系，粒度为1到100nm，由水、油、表面活性剂和助表面活性剂自发形成。纳米乳剂作为一种新的药物载体，能显著提高药物的溶解度，有着缓释作用，能提高膜的渗透性，促进药物的吸收，从而提高药物的生物可用性。另外，纳米乳在缓释中的作用，延长了药物的有效杀菌浓度与时间，提高了杀菌效率。近年来，由于表面化学和胶体化学的理论，许多新的纳米药物剂型被开发出来，如脂质体、纳米球、胶束、纳米胶囊、固体脂质体纳米颗粒等。这些研究对口服吸收、生物可用性、靶向性增强、降低药物毒性和缓释等不溶性药物的治疗做出了巨大的贡献。
四、物理化学在药物分离和纯化中的应用
中草药和天然产品中活性成分的提取与产品中活性成分的含量直接相关，影响其内在质量、临床疗效、经济效益。相平衡和表面现象在药物的提取、分离等方面有实际应用，例如，分离纯化通常采用蒸馏、结晶、萃取和吸收等均与物理化学知识有关。
1、传统的中药提取分离方法。在中药制剂生产中，其提取方法有溶剂萃取法和蒸气蒸馏法。溶剂的提取方法包括：浸渍法、渗透源法、水煎法、回流萃取法、连续萃取法等。分离和净化的方法包括：溶剂的系统分离、两相溶剂的纯化、沉积法、盐析法、透析法、结晶法和分馏法。可利用Aspen Plus软件用于分析柠檬烯与其他主要成分0.5 KPa的相平衡关系，并比较柑橘皮精油的其他成分和柠檬烯的分离难易度。以椪柑皮精油为研究对象，建立椪柑皮蒸馏分离模型，并对橘皮油进行工艺的模拟和优化计算。在最佳工艺条件下，得到97%柠檬烯，回收率91%。
2、现代中药提取与分离方法。近年来，中药的提取和分离出现了许多新技术和新方法。其中包括超临界流体提取、膜分离、超细粉碎、中药絮凝分离、半仿生提取、超声提取、旋流提取、逆流压力提取、酶、大孔树脂吸附、超滤、分子蒸馏等。这些新技术、新方法的应用，不但符合中医药理论，而且还能提高活性成分的效率和纯度。因此，在中药研究中应用新的提取技术是实现中药现代化的重要途径，这将为中药现代化注入新的活力。
参考文献：
[1]姚天扬.物理化学[M].北京：高等教育出版社，2015.
[2]刘国杰.中药提取过程的动力学[J].药学学报，2014（07）.
[3]欧阳平.苦叶七中类黄酮提取的动力学及相关热力学研究[J].中成药，2015（12）.
论文作者:史明菲
论文发表刊物:《中国医学人文》(学术版)2019年2月下第4期
论文发表时间:2019/6/4
标签：药物论文; 物理化学论文; 化学论文; 动力学论文; 中药论文; 热力学论文; 分子论文; 《中国医学人文》(学术版)2019年2月下第4期论文;