2025年大学《资源化学》专业题库- 药物结晶过程的研究及优化

2025年大学《资源化学》专业题库——药物结晶过程的研究及优化考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（请将正确选项的字母填在题后的括号内。每小题2分，共20分）1.在药物结晶过程中，过饱和度是驱动结晶的（）。A.核心设备B.最终产物C.必要条件D.表面现象2.下列哪一项不属于影响药物溶液结晶动力学的因素？A.搅拌速度B.溶剂粘度C.药物纯度D.结晶热3.能够促进晶体成核，并获得细小、均匀晶粒的操作是（）。A.快速冷却B.加入晶种C.静置沉淀D.高速搅拌4.用来表征晶体物相纯度和晶体结构的是（）。A.红外光谱（IR）B.扫描电子显微镜（SEM）C.X射线衍射（XRD）D.差示扫描量热法（DSC）5.下列哪种方法通常用于获得较大尺寸的晶体？A.搅拌结晶B.反溶剂重结晶C.冷却结晶（缓慢）D.喷雾干燥6.在药物结晶过程中，加入少量与目标药物不互溶的液体，以降低目标药物溶解度的方法称为（）。A.共溶剂法B.抗晶剂法C.晶种诱导法D.溶剂萃取法7.能够提供样品热稳定性和相变信息的分析技术是（）。A.光学显微镜B.粒度分析仪C.热重分析（TGA）D.核磁共振（NMR）8.晶体的（）对其在体内的溶解和吸收有重要影响。A.晶面指数B.晶胞参数C.晶型D.比表面积9.晶种控制技术在药物结晶中的主要目的是（）。A.加快结晶速率B.改变晶体生长方向C.提高产物得率D.降低生产成本10.将溶液或熔融物在高压下快速膨胀，形成细小雾滴并快速冷却结晶的方法是（）。A.冷却结晶B.喷雾干燥C.微流控结晶D.搅拌结晶二、填空题（请将正确答案填在题后的横线上。每空2分，共20分）1.药物结晶过程的热力学驱动力是__________，动力学过程包括__________和__________两个主要阶段。2.影响药物在溶剂中溶解度的因素主要有温度、__________、__________和药物分子间作用力等。3.通过改变溶液过饱和度来控制结晶过程的方法包括__________、__________和溶剂蒸发等。4.表征药物晶体粒径大小和分布的常用技术有__________和__________。5.药物结晶过程优化常用的实验方法有单因素实验和__________。6.在资源化学背景下，利用植物提取物进行药物结晶时，需要关注溶剂的__________和晶体的__________。7.晶体的多形性是指同一种药物分子可以形成__________种或多种不同的晶型。8.溶剂-反溶剂结晶是一种通过加入反溶剂来降低药物溶解度的方法，其选择依据是__________原理。9.结晶动力学研究的是结晶过程中__________随时间的变化规律。10.绿色化学在药物结晶过程中的体现包括使用环境友好型溶剂、__________等。三、简答题（请简要回答下列问题。每小题5分，共20分）1.简述过饱和度在药物结晶过程中的作用及其来源。2.简述加入晶种对药物结晶过程的影响。3.简述X射线衍射（XRD）技术在药物结晶研究中的主要应用。4.简述溶剂-反溶剂结晶法的基本原理及其优点。四、论述题（请结合所学知识，全面阐述下列问题。每小题10分，共20分）1.试论述影响药物结晶过程的主要因素及其对最终晶体产物可能产生的影响。2.试论述如何选择合适的药物结晶优化策略，并说明在进行优化研究时需要考虑的关键因素。五、计算题（请列出计算步骤，得出最终结果。每小题10分，共20分）1.某药物在25°C时的溶解度为20mg/mL。现将25°C饱和的该药物溶液冷却至10°C，测得10°C时该药物的溶解度为5mg/mL。若在25°C时取100mL饱和溶液，冷却至10°C后，理论上最多能析出该药物多少克？（假设溶液体积不变）2.某研究人员想要优化某药物（A）的结晶过程，以获得粒径更小的晶体。现有三种溶剂：溶剂X、溶剂Y、溶剂Z。已知药物A在溶剂X中的溶解度最高，在溶剂Y中次之，在溶剂Z中最低。请设计一个简单的实验方案，用来比较这三种溶剂对药物A结晶过程（如晶粒大小、形态）的影响。---试卷答案一、选择题1.C解析：过饱和度是指溶液中溶质的实际浓度超过其在该温度下的饱和浓度的程度，是结晶发生的必要驱动力。2.D解析：结晶热力学研究的是结晶过程的能量变化和平衡状态，如溶解度、过饱和度等，而动力学研究的是过程进行的速度和机理。其他选项均为动力学影响因素。3.B解析：加入晶种可以提供成核位点，从而抑制新生核的形成，使晶体在已有晶种上生长，通常得到更小、更均匀的晶粒。4.C解析：X射线衍射（XRD）是唯一能直接测定晶体内部原子排列结构的技术，因此用于表征物相纯度和晶体结构。5.C解析：缓慢冷却溶液使过饱和度逐渐建立并维持较长时间，有利于晶体有充足的时间生长，从而获得较大的晶体。6.B解析：抗晶剂是能与目标药物形成不溶性复合物或降低其溶解度的物质，从而抑制目标药物的结晶。7.C解析：热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）都能监测样品在不同温度下的热变化，从而提供热稳定性和相变信息。8.C解析：不同的晶型（polymorphism）具有不同的物理化学性质，特别是溶解度差异显著，直接影响药物的溶解、吸收和稳定性。9.B解析：晶种诱导法的核心作用是控制晶体生长的方向，获得特定形态或避免形成无定形。10.B解析：喷雾干燥是将溶液或熔融物通过喷嘴雾化成细小液滴，与热空气接触迅速蒸发溶剂而结晶的技术。二、填空题1.过饱和度；形核；生长解析：结晶驱动力是过饱和度，过程分为自动形核和晶体生长两个核心阶段。2.溶剂种类；pH值解析：溶解度受温度、溶剂极性、pH（对酸碱药物）、药物分子间作用力等多种因素影响。3.搅拌；加入抗晶剂解析：这些方法都是通过改变溶液状态或组成来快速或缓慢地建立和维持过饱和度。4.粒度分析仪；激光粒度仪解析：常用技术包括静态或动态粒度分布测量仪器。5.响应面法解析：响应面法是一种用于多因素实验设计的统计方法，能更高效地优化工艺参数。6.可持续性；产率与纯度解析：资源化学关注环境友好和资源高效利用，结晶过程需考虑溶剂绿色化、原子经济性及产物质量。7.多形性解析：晶体的多形性（polymorphism）是指同一种分子能形成多种不同晶型的现象。8.相互作用（或类似相容）解析：反溶剂与药物分子作用力弱，导致药物溶解度急剧下降，遵循类似相容原理。9.形核速率和生长速率（或结晶速率）解析：动力学研究的是结晶过程中单位时间内形核的数量和晶体大小的变化。10.减少溶剂使用量（或原子经济性）解析：绿色化学要求高效利用资源，减少废物和能耗，优化溶剂使用和反应原子经济性是重要体现。三、简答题1.解析：过饱和度是指溶液中溶质的实际浓度超过其在该温度下的饱和浓度的程度。它是驱动结晶发生的必要热力学势能，是晶体生长的驱动力。过饱和度的来源主要包括：溶液被冷却时，溶解度下降而溶质浓度不变；溶液被蒸发时，溶质浓度增加而溶解度基本不变；通过添加不溶性物质（如抗晶剂）降低溶解度；通过搅拌加速传质，维持高浓度层等。2.解析：加入晶种为结晶系统提供了异质成核位点。与均匀成核（Nucleation）相比，异质成核的活化能低得多，成核速率大大增加。这使得结晶过程更容易发生，并能有效控制结晶的起始。同时，加入特定形态的晶种可以诱导目标晶体沿该晶种生长，获得期望的晶体形态，并获得更小、更均匀的晶粒尺寸。3.解析：X射线衍射（XRD）技术基于晶体对X射线的衍射特性，可以提供关于晶体内部原子或分子排列的定性和定量信息。在药物结晶研究中，XRD主要用于：确认晶体的物相纯度（区分不同晶型或杂质）；确定晶体的晶体结构（空间点阵类型、晶胞参数）；表征晶体的多形性；研究晶体的微观形貌和织构等。它是表征晶体结构特征的金标准。4.解析：溶剂-反溶剂结晶法的基本原理是利用反溶剂与目标药物分子间弱的相互作用，或者反溶剂与溶剂、反溶剂与药物分子间的强相互作用，从而破坏药物在溶剂中的溶解平衡，导致药物溶解度急剧下降，过饱和度迅速建立，促使药物结晶析出。优点包括：通常可以获得纯度高、晶型选择性好、粒度分布集中的晶体产物；有时可以在较温和的条件下结晶；部分溶剂-反溶剂体系具有可再生和循环使用的特点，符合绿色化学理念。四、论述题1.解析：影响药物结晶过程的主要因素包括：*热力学因素：温度（影响溶解度）、溶剂种类与纯度、pH值（对酸碱药物）、压力、药物纯度、共溶剂/抗晶剂的存在等。这些因素共同决定溶液的过饱和度，影响结晶的驱动力和平衡状态。*动力学因素：搅拌速度（影响传质效率）、溶剂蒸发速率、冷却速率、晶种的有无及其数量、结晶容器表面性质等。这些因素影响成核速率和生长速率，决定晶体的大小、形态和分布。*其他因素：药物本身的性质（如分子结构、晶型稳定性）、结晶过程的历史（如前置操作）等。这些因素通过影响过饱和度的建立、维持方式以及成核和生长过程，最终决定了结晶产物的晶型、纯度、粒度、粒度分布、形态等关键质量属性，这些属性直接关系到药物的性能和用途（如溶解度、稳定性、生物利用度）。2.解析：选择合适的药物结晶优化策略需要综合考虑以下因素：*目标产物：明确希望获得什么样的晶体特性，如特定的晶型、理想的粒度范围（大小、分布）、特定的形态、高纯度等。*原料特性：了解药物本身的化学性质、物理性质、不同晶型的稳定性、在常用溶剂中的溶解度等。*工艺限制：考虑可用设备、生产规模、溶剂成本与环境影响、时间成本、能耗等实际条件。*理论基础：基于对药物结晶热力学和动力学的理解，判断哪些因素对目标特性影响最大，优先调整哪些参数可能更有效。优化策略通常遵循：首先通过文献调研、相图分析或单因素实验，了解基本结晶行为；然后选择合适的实验设计方法（如正交实验、响应面法），系统地考察关键工艺参数（温度、溶剂、添加剂、搅拌、溶剂蒸发速率等）对目标产物的综合影响；根据实验结果分析主效应和交互作用，逐步缩小优化范围；最终确定最佳工艺参数组合，并进行放大验证。在整个过程中，需要使用合适的表征技术（如XRD、DSC、粒度分析、SEM等）来评价优化效果。五、计算题1.解析：*25°C时，100mL溶液含药物=20mg/mL*100mL=2000mg=2g。*10°C时，100mL溶液最多能溶解药物=5mg/mL*100mL=500mg=0.5g。*冷却后析出药物=原含量-新溶解度=2g-0.5g=1.5g。*答：理论上最多能析出1.5克药物。2.解析：*实验目的：比较溶剂X、Y、Z对药物A结晶过程（晶粒大小、形态）的影响。*实验方案：1.准备：配制相同浓度（例如，接近饱和）的药物A在溶剂X、Y、Z中的溶液各一份，确保溶液体积和初始状态一致。2.选择方法：选择一种合适的结晶诱导方法，例如缓慢冷却或缓慢蒸发溶剂。为便于比较，建议对所有溶液采用完全相同的诱导条件（如相同的冷却速率范围或相同的蒸发时间）。3.进行结晶：将三份溶液分别置于干净的容器中，采用上述统一的诱导方法进行结晶，确保结晶时间也尽可能一致。4.收集与表征：结晶完成后，通过过滤或离心收集晶体，洗涤（若需要）并干燥。5.分析：使用相同的表征技术对获得的晶体进行表征，重点比较：