药学专业青蒿素综合设计性实验探索

邹 燕，张 弛，2，沈颂章，2，梁文仪，2，赵庆杰，苏 娟，2△

(1海军军医大学药学院, 上海 200433； 2军事药学国家级实验教学示范中心； △通讯作者)

综合化学实验是我校军事药学国家级实验教学示范中心针对药学本科专业学生独立开设的一门专业实验课。课程共92学时，其中包括药物化学实验27学时，天然药物化学实验25学时，综合设计性实验40学时。

课程开设于大三第一学期，此时学生已经完成了“四大化学”实验的学习，掌握了基本实验操作技能，具备了较好的综合能力，并通过阿司匹林的合成和精制[1，2]，苯巴比妥的合成、精制、结构确证和质量分析等设计性项目训练[3，4]，提高了文献查阅、方案设计、总结及报告等方面的能力[5，6]。本门课程前半部分的药物化学、天然药物化学的学习为开展难度更大、综合程度更高的研究实验项目奠定了基础。

自2020年9月以来，授课组对本门课程中综合设计性实验部分的实验项目进行改革，通过文献调研、反复预实验，最终选择“青蒿素的提纯、蒿甲醚的制备”为主题，已经连续实施2年，教学效果良好。一方面，青蒿素是我国屠呦呦先生获诺贝尔奖的对象，学生很感兴趣；另一方面，项目包含诸多知识点，有一定的难度，对大三的学生具有挑战性；再者，项目中包含众多的思政元素，是完美的思政融入实验课的教学案例[7，8]。

1 课程设计

整个实验共40学时，教师提前2周布置任务。学生按4人一组分组，其中2人完成黄花蒿中青蒿素的提取和纯化；另外2人以青蒿素为原料，合成蒿甲醚，要求学生得到纯的化合物并进行结构确证。

学生通过查阅文献，组内讨论设计实验方案，课堂上以开题报告的形式汇报实验计划，由其他组学生进行提问，就实验方案的可行性进行交流。教师总结把关，提出实验中可能会遇到的问题，以便学生做好准备以应对解决。这个过程培养了学生主动探究问题、分析问题和总结分析的能力以及口头表达能力。

实验操作阶段，教师共安排6次课，每次5学时。学生必须要计划好每次实验做哪些，做到哪一步，做完样品如何处理才能不影响下次课的实验效果；对于实验过程中遇到的问题要冷静思考，主动解决。教师在巡场时引导、帮助学生解决实验出现的“意外”。学生得到最终产品后测定熔点，通过LC-MS、IR和H NMR对样品进行纯度分析和结构确证。该过程培养学生统筹安排能力，分析问题、解决问题的能力以及综合实验实践能力。

结题总结仍然以汇报的形式进行，汇报人不能与开题时相同。最后，每组总结实验情况，分析实验中遇到的问题及解决方法，按照规范格式的要求，形成一篇研究论文，在结题汇报后一周内上交。

2 课程实施

2.1 制定多样化实验方案

黄花蒿提取纯化青蒿素的实验中，每组有400 g黄花蒿药材。学生采取的提取方法有传统的冷浸法、创新的微波辅助萃取法、索氏提取法，所用溶剂有石油醚、6号提取油、石油醚-乙酸乙酯混合溶剂等。分离的手段主要包括萃取后重结晶法、柱色谱法。受到时间和药材量的限制，各组均没有进行正交设计法优化提取方案的研究，但大多进行了方法学上的探索，有的小组固定提取方法后，比较两种纯化方法的效果；有的小组对提取方法的关键参数进行单因素考察。

以青蒿素为原料制备蒿甲醚主要有两步，先将青蒿素还原成双氢青蒿素，然后在三氟乙酸的催化作用下和甲醇反应生成蒿甲醚。学生设计的实验方案有一锅法和两步法。一锅法是将青蒿素还原成双氢青蒿素后不纯化，滤饼直接溶解进行醚化反应。两步法是将双氢青蒿素纯化后再醚化制备蒿甲醚。第一步青蒿素制备双氢青蒿素时，在催化剂的选择上，有的小组选用硼氢化钠，有的小组选用硼氢化钠-氯化钙。溶剂的选择上，有的小组选用甲醇，有的小组选用甲醇和乙酸乙酯混合溶剂。第二步双氢青蒿素制备蒿甲醚时，在溶剂的选择上，有的小组选用二氯甲烷和甲醇，有的小组选用乙酸乙酯和甲醇。蒿甲醚的纯化时，有的小组采取重结晶法，有的小组选用柱色谱法。

2.2 强化各项实验技能和实验思维

青蒿素的提取纯化实验采用柱色谱分离，配合薄层色谱检测。在这个过程中，学生首先要根据青蒿素的性质选择合适的展开剂，再根据TLC的监测情况调整柱色谱流动相比例，有效地训练科研思维。

蒿甲醚的制备先将青蒿素还原成双氢青蒿素，然后在三氟乙酸的催化作用下和甲醇反应生成蒿甲醚。第一步，大部分学生选用硼氢化钠还原，随着反应的进行，反应瓶中逐渐析出白色固体。学生需要分析白色固体主要是什么物质，如何快速分析，怎么处理未反应的硼氢化钠，采用哪种方法纯化可以得到比较纯的双氢青蒿素。第二步制备蒿甲醚时，反应不完全怎么办？反应结束后怎么先初步纯化？再进一步分离α-蒿甲醚和β-蒿甲醚？这些都要求学生有一定的分析问题的能力，并制定合理的解决方案。

整个实验训练了学生的液液萃取、薄层色谱、柱色谱、重结晶技术、减压过滤、旋转蒸发、熔点测定及LC-MS操作等实验技能。实验过程中，用薄层色谱监测反应时，有学生没有点交叉点，样品点的Rf值相近时，有些学生无法准确判断是否为同一物质。这时候教员通过提问的形式引导学生增加交叉点样。有学生通过重结晶法得到蒿甲醚后，TLC显示纯度不够，这时他们会选择通过柱色谱进一步纯化，以得到纯度更高的产品。这些过程让学生亲身经历实验中出现的问题，寻找原因并探索解决问题的方法。这样的训练留给学生的印象更加深刻。

2.3 全面提高综合能力

结题汇报时，有学生提出查找文献要多方比较，结合所学知识客观地分析实验方案，并在实验过程中根据实际情况及时调整实验方案。有学生认为实验中要主动思考，不可操之过急，学生之间分工合作要密切，各成员要各司其职，齐心协力方可取得成功。还有学生认为不可眼高手低，实验开始前要充分了解各试剂的性质，考虑试剂之间可能存在的化学反应，全面思考问题。此次研究型实验的开展，不仅强化了学生的实验操作技能，更提高了口头表达和写作能力。

3 潜移默化主动思政

屠呦呦先生于2015年获得诺贝尔生理学或医学奖，是我国首位获得诺贝尔的科学家。选择青蒿素为实验对象不仅能够培养学生的自信心，还能让学生体验到自己得到青蒿素纯品和制备出蒿甲醚的成就感。同时，屠呦呦发现青蒿素的过程中扛住了190次失败，她坚忍不拔的拼搏精神、实事求是的科学态度给学生深刻启发。而这些都是在准备阶段，学生通过查阅文献主动了解青蒿素的研究进展，进一步了解青蒿素发现发展史的过程中自己领悟体会出来的。在开题汇报时，学生民族自豪感油然而生，溢于言表。

在还原青蒿素的实验中，有的小组未得到双氢青蒿素，这时候在教员的引导下回头分析原因。有的学生认为是在称取反应物时没仔细看试剂瓶，加错原料。有的学生认为是因为反应后处理时没弄清楚双氢青蒿素在滤液还是滤饼中，直接丢弃滤饼，导致得不到产物。经历这些小失误让学生意识到每个细节的重要性，不仅培养了学生严谨求真的精神，独立思考和自主判断的能力，还帮助他们建立正确的挫折观。

青蒿素和蒿甲醚的综合设计性实验已实施两年，结果总体满意。大部分小组都得到了理想的实验结果，但也有少数小组课内实验结果不理想，比如未能从黄花蒿中制备纯度较高的青蒿素，合成的蒿甲醚得率低，纯度达不到要求。有重做需求的学生，通过预约就可以在课余时间进入实验室补做。

本项目的实施，深入锤炼了学生的基本实验技能和实验习惯，强化了提炼信息、分析问题和解决问题的能力，同时培养了学生严谨的科学态度和学术素养，潜移默化地增强了学生的民族自豪感和文化自信，提高了抗挫折能力。