Атом углерода, его особенности, валентные состояния

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

ХИМИКО-ФАРМАЦЕВТИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

 

Кафедра химической технологии лекарственных веществ и витаминов

 

ЛЕКЦИИ ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ

«ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ»

для студентов факультета промышленной технологии лекарств

Направление подготовки - 240100.62 «Химическая технология»

Профиль подготовки «Химическая технология биологически активных веществ, химико-фармацевтических препаратов и косметических средств»

 

Квалификация (степень) выпускника - БАКАЛАВР

 

Объем дисциплины (час)

Виды занятий	Всего	5 Семестр, III курс (18 недель)
Лекции
Практические занятия
Самостоятельная работа
Всего:

 

Контрольные мероприятия	Семестр
Экзамен

 

 

Санкт-Петербург

 

 

Лекции по дисциплине «Общая химическая технология» составлены на основании рабочей программы по дисциплине «Общая химическая технология», обсуждены и одобрены на заседании кафедры химической технологии лекарственных веществ и витаминов.

 

 

Составитель лекций:

профессор кафедры ХТЛВ доктор фармацевтических наук профессор Иозеп А.А.

 

 

Рецензенты:

Профессор тонкого органического и микробиологического синтеза Санкт-Петербургского государственного технологического института доктор химических наук С.М.Рамш

Профессор Санкт-Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров, доктор химических наук Ю.Г.Тришин

Профессор технологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий доктор техни­ческих наук В.С. Колодязная

 

ВВЕДЕНИЕ

Фармацевтическая промышленность является одной из самых прибыльных и быстро развивающихся отраслей, с рентабельностью продаж на уровне 17 %. Общий объем мирового фармацевтического рынка в 2006 году оценивался в 640 млрд долл., в 2009 г – 808, а в 2014 г, по прогнозу IMS Health, он будет составлять более 1000 млрд долл. Даже в условиях экономического кризиса фармацевтическое производство в меньшей степени подвержено риску спада, чем другие. По данным экспертных организаций, объем мирового фармацевтического рынка с каждым годом растет примерно на 5-7% в год. Несмотря на мировой финансовый кризис, в 2009 г. объем мирового фармрынка вырос на 7%.

Более 70% выпускаемых субстанций получаются путем хими­ческого синтеза, поэтому имеется большая группа фирм, занимающихся лишь производством и поставкой промежуточных продуктов тонкого органического синтеза для получения активных лекарственных субстанций. В 1998 г. таких промежуточных соединений предлагалось уже около 10000.

В химической технологии лекарственных веществ достигнуты большие успехи. Появились новые препараты, новые методы синтеза химико-фармацевтических препаратов и антибиотиков, открыты новые закономерности между их строением и биологической активностью, раз­работаны методы анализа, позволяющие следить за ходом синтеза лекар­ственного вещества и управлять им таким образом, чтобы получить нуж­ный продукт с высоким выходом и необходимого качества.

Однако поиск новых препаратов не становится от этого менее широким или менее упорным. Во всех промышленно развитых странах ассигнования на научно-исследовательские работы растут как в абсолютном денежном выражении, так и в процентах к прибылям.

Фармацевтическая промышленность – одна из наиболее наукоёмких отраслей. Создание новых лекарственных средств требует больших затрат на научные исследования. На разработку каждого нового препарата необходимо в среднем до 400-500 млн. долл.. Срок проведения всех исследовательских работ, промышленного их внедрения и последующих клинических проверок составляет 10–15 лет. По ведущим химико-фармацевтическим фирмам численность людей, занятых в научных исследованиях составляет более 10% от общего числа работников фирмы. Значительно выросла также и стоимость исследо­ваний.

Поэтому научный и производственный потенциал крупных фирм очень велик. Например, в 2009 г 20 крупнейших фармацевтических и биотехнологических компаний группы BigPharma, (к ним относятся компании с объемом продаж свыше 3 млрд долл. и затратами на НИОКР свыше 500 млн долл.) имели объем продаж 497,5 млрд долл. (60% от мировых продаж медикаментов) и затраты на НИОКР 70,8 млрд долл.

В США и Японии, которые являются мировыми лидерами в области разработки и производства новых лекарственных средств, на организацию и проведе­ние НИР в этой области тратится ежегодно около 3% валового национального продукта.

Среди трудностей поиска новых лекарственных препаратов можно вы­делить следующие: а) для лечения многих заболевании найдены настолько высокоэффективные препараты, что синтезировать вещества, обладающие заметным преимуществом, очень трудно; б) подавляющее число современных лекарственных веществ и все витамины представ­ляют собой сложные органические вещества, поэтому они являются продуктами сложных многостадийных синтезов; в) поскольку четкая зависимость между строением и биологической актив­ностью вещества еще не сформулирована, для создания нового лекарственного препарата необходимо провести синтез и изучение многих (иногда нескольких тысяч) веществ с предполагаемой биологической активностью. Осложняют выпуск нового препарата и высокие требования по токсично­сти, тератогенности, стабильности при хранении, патентной чистоте, отсутствию микробной загрязненности и т. д.

Общий прогресс науки и техники открывает новые пути воздействия при лечении болезней. В частности, успехи диагностики открыли путь к созданию препаратов для профилактики и лечения заболеваний на самых ранних стадиях. С другой стороны, это потребовало создания новых диагностических средств (рентгеноконтрастные вещества и т. п.). Увеличение контингента лиц пожилого и престарелого возраста привело к необходи­мости поиска специальных, так называемых, щадящих средств лекарствен­ной терапии. Снижение детской смертности приводит к появлению зна­чительного числа детей с врожденными дефектами, которые требуют по­стоянной поддерживающей терапии и соответствующих лекарственных средств. В результате прогресса медицинских наук появилась потребность в лекарствах для лечения заболеваний, которые ранее считались не поддающимися химиотерапии (злокачественные новообразования, нервно-пси­хические заболевании и др.). Успехи науки привели также к необходимости создания специальных биологически активных препаратов — для человека в космосе, для работы в условиях радиации, для решения про­блемы пересадки органов и т. д.

Длительное применение лекарственных веществ вызывает появление устойчивых к их действию форм болезнетворных бактерий. Это требует создания новых лекарств с новым механизмом действия.

Постоянная миграция населения, развитие транспортных средств создали условия для чрезвычайно быстрого распространения инфекционных заболеваний по всему миру.

Постоянные стрессовые ситуации, загрязнение окружающей среды, другие факторы риска, неконтролируемое употребление лекарств (самолечение) также создают условия для возникновения психических, сердечно-сосудистых, раковых и ряда других заболеваний.

Кроме того, следует иметь в виду, что промышленность выпускает ле­карственные средства не только для удовлетворения потребностей здраво­охранения, но также и для сельского хозяйства (ветеринарные средства и кормовые добавки), и для пищевой промышленности (пищевые добавки, корригенты запаха и вкуса, подсластители и т. п.).

Некоторые особенности имеет и витаминная отрасль, ее продукция необходима для профилактики и лечения заболеваний. Витаминная про­дукция широко используется в сельском хозяйстве и пищевой промыш­ленности, в биотехнологии для питания продуцентов, в качестве исходно­го сырья для синтеза лекарственных веществ с новыми свойствами.

Таким образом, работа в области создания новых и улучшения техноло­гий имеющихся синтетических лекарственных средств проводится и бу­дет проводиться в очень широком масштабе, а для осуществления такой работы необходима целая армия специалистов, в совершенстве владеющих основными методами синтеза лекарственных соединений.

Быстрое обновление номенклатуры лекарственных средств, сравнительно небольшой объём и высокий материальный индекс производства дела­ют совершенно необходимым для каждого работника химико-фармацев­тической промышленности знание химических и физических свойств перерабатываемых веществ и физико-химические особенностей процес­са, так как только при этом условии возможно постоянное совершенство­вание существующих и освоение новых производств.

В части знания химических и физических свойств перерабатываемых веществ для химика-технолога наибольшее значение имеет понимание связи реакционной способности и строения перерабатываемых веществ, что позволяет ему предвидеть возможные направления реакции, а также решать вопрос о замене одного вида сырья другим.

Знание физико-химических особенностей процесса позволяют выбрать оптимальные условия его проведения, обеспечивающие максимальный выход и наилучшее качество готового продукта. В этой части особое значение имеет знание механизма, по которому осуществляется химическое превращение, и законов изменения скорости реакции, что в конечном итоге определяет степень превращения сырья в целевой продукт.

Химико-фармацевтическая промышленность в последние годы советской власти была мощным структурным элементом промышленности страны. Начиная с 1990 г. производство фармацевтических субстанций сократилось более чем на 95 %. Разрушена научная и экспериментальная база отрасли, утерян кадровый состав научных и инженерно-технических работников в области тонкого органического синтеза фармацевтических субстанций, витаминов и биотехнологии антибиотиков.

В последние годы в России начали осознавать, что отсутствие отечественной химфармпромышленности угрожает национальной безопасности. Это привело к появлению ряда постановлений, направленных на возрождение Российской промышленности по производству лекарственных субстанций, а в июле 2009 г. правительство приняло «Стратегию развития фармацевтической промышленности Российской Федерации на период до 2020 года». В документе отмечается, что ключевым элементом для реализации планируемых проектов является наличие подготовленных кадров и соответствующей научно-исследовательской инфраструктуры. На сегодня, по экспертным оценкам, имеется не более 10 % кадрового ресурса необходимой квалификации, в связи с чем, встает первоочередная задача подготовки и переподготовки кадров для запуска «инновационного цикла» в фармотрасли РФ.

Представляемое вашему вниманию учебное пособие предназначено для подготовки высококвалифицированных специалистов для предприятий по выпуску синтетических лекарственных субстанций и витаминов.

Вводная лекция

 

Атом углерода, его особенности, валентные состояния

 

Органическая химия – химия атома углерода. Число соединений на уго основе (органических соединений) в десятки раз больше, чем неорганических, что может быть объяснено только особенностями атома углерода:

а) он находится в середине шкалы электроотрицательности и второго периода, поэтому ему невыгодно отдавать свои и принимать чужие электроны и приобретать положительный или отрицательный заряд;

б) он имеет особенное строение валентной электронной оболочки в возбужденном состоянии – нет электронных пар и свободных орбиталей (есть еще только один атом с подобным строением – водород, вероятно, поэтому углерод с водородом образует столь много соединений - углеводородов).