2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫——應(yīng)用化學(xué)在生物制藥工程中的前沿課題考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡答題1.請簡述不對稱催化在藥物合成中的優(yōu)勢及其在開發(fā)手性藥物方面的典型應(yīng)用實例。2.生物樣品（如血漿、尿液）前處理是藥物分析中的關(guān)鍵步驟，請比較固相萃?。⊿PE）和液-液萃取（LLE）在處理復(fù)雜生物基質(zhì)時的原理、優(yōu)缺點及適用場景。3.納米藥物載體在提高藥物遞送效率和降低副作用方面展現(xiàn)出巨大潛力，請列舉三種常見的納米藥物載體類型，并分別說明其至少一項關(guān)鍵技術(shù)特性。4.在開發(fā)用于組織工程的三維支架材料時，化學(xué)工作者需要考慮哪些關(guān)鍵性能指標(biāo)？請結(jié)合應(yīng)用化學(xué)的知識，簡述如何通過化學(xué)方法調(diào)控材料的這些性能。5.“綠色化學(xué)”原則在生物制藥工程領(lǐng)域具有重要意義，請列舉至少三項綠色化學(xué)原則，并分別說明其在藥物合成或生產(chǎn)過程中的具體體現(xiàn)或潛在應(yīng)用。二、論述題1.隨著對疾病發(fā)生機制理解的深入，靶向治療成為生物制藥的重要方向。請結(jié)合藥物遞送系統(tǒng)的知識，論述化學(xué)家如何設(shè)計和開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)病灶部位特異性遞送的治療藥物（可任選一種疾病或藥物類型進(jìn)行闡述），并分析其面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。2.計算機輔助藥物設(shè)計（CADD）是現(xiàn)代藥物研發(fā)的重要工具。請論述CADD在藥物先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)與優(yōu)化過程中的作用機制，并討論其局限性以及如何結(jié)合化學(xué)實驗驗證虛擬設(shè)計的有效性。3.生物催化（使用酶作為催化劑）因其高選擇性、高效率和環(huán)境友好性，在藥物合成中展現(xiàn)出巨大潛力。請論述生物催化在復(fù)雜藥物分子合成中的優(yōu)勢，并舉例說明一種在藥物合成中應(yīng)用的生物催化反應(yīng)或酶促方法。4.試論化學(xué)與材料科學(xué)、生物學(xué)交叉融合對推動生物制藥工程領(lǐng)域創(chuàng)新的重要性。請結(jié)合具體的實例，說明這種交叉融合如何催生新的治療策略、藥物形式或診斷方法。試卷答案一、簡答題1.答案：不對稱催化通過利用手性催化劑或手性輔基，能夠高選擇性地催化不對稱反應(yīng)，生成特定構(gòu)型的手性產(chǎn)物，從而避免復(fù)雜的化學(xué)拆分步驟。優(yōu)勢包括：提高合成效率、減少副產(chǎn)物、降低成本、環(huán)境友好。典型應(yīng)用實例包括：利用手性催化劑進(jìn)行手性氫化反應(yīng)（如Sharpless不對稱氫化）、手性氧化反應(yīng)（如Jones不對稱氧化）來合成多種手性藥物分子，如沙丁胺醇、他達(dá)拉非等。解析思路：考察對不對稱催化基本概念、優(yōu)勢的理解以及在實際藥物合成中的應(yīng)用認(rèn)識。需回答其核心原理（高選擇性產(chǎn)生特定對映異構(gòu)體）、主要優(yōu)點（效率、成本、環(huán)境）和具體實例。2.答案：固相萃?。⊿PE）是將生物樣品與固相吸附劑接觸，利用待測物與基質(zhì)組分在固相和液相間的分配差異進(jìn)行分離富集的技術(shù)。其原理基于固相填料上的官能團(tuán)選擇性吸附目標(biāo)分析物。優(yōu)點是操作快速、樣品量大、有機溶劑消耗少、易于自動化。缺點是可能存在樣品前處理的假陰性（吸附過強）、基質(zhì)效應(yīng)影響、對極性化合物選擇性有限。適用場景包括生物樣品中目標(biāo)分析物濃度較低、需要快速分離富集的情況。液-液萃?。↙LE）是利用目標(biāo)分析物在兩種不互溶或部分互溶溶劑中溶解度的差異進(jìn)行萃取分離的技術(shù)。其原理基于分配系數(shù)。優(yōu)點是原理簡單、適用范圍廣（尤其對非極性或中等極性化合物）、無需特殊設(shè)備。缺點是通常需要大量有機溶劑、萃取效率受平衡影響、可能存在乳化問題。適用場景包括需要處理大量樣品、目標(biāo)物極性適中或較低的情況。比較兩者需關(guān)注效率、選擇性、操作便捷性、溶劑用量及成本。解析思路：考察對兩種主流生物樣品前處理技術(shù)的基本原理、優(yōu)缺點和適用性的掌握。需要清晰區(qū)分兩者的工作機制、各自的長短板，并能根據(jù)實際情況進(jìn)行初步判斷。3.答案：常見的納米藥物載體類型包括：①脂質(zhì)體：由磷脂雙分子層構(gòu)成，具有良好生物相容性，可包裹水溶性或脂溶性藥物。關(guān)鍵技術(shù)特性包括大小均一性、表面修飾能力（如PEG化以提高循環(huán)壽命）、藥物包封率和釋放動力學(xué)調(diào)控能力。②聚合物膠束：由親水性和疏水性嵌段共聚物自組裝形成，內(nèi)核可包載脂溶性藥物。關(guān)鍵技術(shù)特性包括內(nèi)核/殼結(jié)構(gòu)、臨界膠束濃度（CMC）、載藥量、穩(wěn)定性以及表面功能化能力。③介孔二氧化硅納米粒：具有高度有序的孔道結(jié)構(gòu)和大的比表面積，孔徑可調(diào)。關(guān)鍵技術(shù)特性包括高載藥量、良好的生物相容性、孔道尺寸可控性（影響藥物釋放速率）以及表面修飾潛力。解析思路：考察對幾種代表性納米載體的基本結(jié)構(gòu)、組成、至少一項關(guān)鍵技術(shù)特性的了解。要求能列舉出類型，并準(zhǔn)確描述其核心特性和相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。4.答案：開發(fā)用于組織工程的三維支架材料時，化學(xué)工作者需要考慮的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括：①生物相容性：材料需無毒、不引起免疫排斥或過度炎癥反應(yīng)。②細(xì)胞相容性：材料表面應(yīng)能促進(jìn)細(xì)胞粘附、增殖和分化。③可降解性：材料應(yīng)能在體內(nèi)按預(yù)定速率降解，最終被吸收或排出，留下有序組織結(jié)構(gòu)。④降解產(chǎn)物安全性：降解產(chǎn)物應(yīng)為生物可降解、無毒性。⑤力學(xué)性能：材料應(yīng)能提供適當(dāng)?shù)牧W(xué)支撐，匹配目標(biāo)組織的力學(xué)環(huán)境。⑥孔隙結(jié)構(gòu)：良好的孔隙率（通常>50%）和孔徑分布是細(xì)胞遷移、營養(yǎng)輸送和廢物排出的關(guān)鍵。⑦滲透性：材料應(yīng)允許液體（如生長因子、營養(yǎng)液）滲透。⑧表面化學(xué)性質(zhì)：表面化學(xué)組成和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可被調(diào)控以引導(dǎo)細(xì)胞行為?；瘜W(xué)方法調(diào)控性能可通過合成不同單體（調(diào)控降解速率和力學(xué)性能）、引入特定功能基團(tuán)（調(diào)控細(xì)胞粘附和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)）、調(diào)控聚合物分子量/architecture（影響力學(xué)和降解）、制備特定微納結(jié)構(gòu)（如通過模板法、自組裝）等實現(xiàn)。解析思路：考察對組織工程支架材料關(guān)鍵理化性能及其生物學(xué)意義的理解，以及從化學(xué)角度出發(fā)對這些性能進(jìn)行調(diào)控的思路。需要列出關(guān)鍵指標(biāo)并解釋其重要性，同時提及化學(xué)層面的調(diào)控手段。5.答案：至少三項綠色化學(xué)原則及其在生物制藥中的應(yīng)用體現(xiàn)或潛在應(yīng)用：①無毒化學(xué)合成原則：盡量使用和生成對人類健康和環(huán)境無毒害的化學(xué)物質(zhì)。在藥物合成中體現(xiàn)為選擇低毒的反應(yīng)溶劑、試劑和催化劑，開發(fā)無溶劑或水相合成路線，設(shè)計反應(yīng)路徑以減少或消除有毒中間體的產(chǎn)生。潛在應(yīng)用如發(fā)展酶催化、光催化等綠色合成方法。②實現(xiàn)原子經(jīng)濟(jì)性：使反應(yīng)盡可能多地轉(zhuǎn)化為期望產(chǎn)物，減少副產(chǎn)物生成。在藥物合成中體現(xiàn)為設(shè)計高效、選擇性的催化反應(yīng)，優(yōu)化反應(yīng)條件以最大化收率。潛在應(yīng)用如開發(fā)交叉偶聯(lián)反應(yīng)等高效構(gòu)建分子核心的方法。③設(shè)計安全化學(xué)產(chǎn)品原則：從源頭設(shè)計更安全的產(chǎn)品，考慮其整個生命周期對人類健康和環(huán)境的影響。在藥物合成中體現(xiàn)為設(shè)計易于降解或排泄的藥物分子結(jié)構(gòu)，使用環(huán)境友好的原料。潛在應(yīng)用如開發(fā)基于生物基材料或可生物降解骨架的藥物。④減少衍生物生成原則：盡量避免使用保護(hù)基團(tuán)和去保護(hù)步驟，減少分離和純化需求。在藥物合成中體現(xiàn)為采用一鍋法合成策略，使用高選擇性的反應(yīng)條件直接得到目標(biāo)結(jié)構(gòu)。潛在應(yīng)用如發(fā)展連續(xù)流合成技術(shù)。解析思路：考察對綠色化學(xué)核心原則的理解，并能結(jié)合藥物合成或生產(chǎn)的實際情境進(jìn)行闡述。需要準(zhǔn)確列舉原則，并清晰說明其在藥物研發(fā)中的具體含義和應(yīng)用實例。二、論述題1.答案：實現(xiàn)病灶部位特異性遞送的關(guān)鍵在于設(shè)計和構(gòu)建能夠響應(yīng)病灶微環(huán)境特征（如pH、溫度、特定酶、高滲透壓/低剪切力）或主動靶向到病灶部位（如通過配體-受體相互作用）的藥物遞送系統(tǒng)。化學(xué)家可通過以下方式設(shè)計：①設(shè)計智能響應(yīng)性納米載體，如利用聚乙二醇（PEG）修飾的脂質(zhì)體或聚合物膠束，其表面PEG在正常組織血液中提供保護(hù)，而在病灶（如腫瘤）的酸性微環(huán)境中，PEG可能被酶切割或載體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而釋放藥物。②開發(fā)主動靶向載體，通過化學(xué)方法在載體表面連接能夠特異性識別病灶相關(guān)受體（如葉酸靶向卵巢癌，轉(zhuǎn)鐵蛋白靶向腦部腫瘤）的配體，使藥物載體像“導(dǎo)彈”一樣精確送達(dá)目標(biāo)區(qū)域。面臨的挑戰(zhàn)包括：載體在血液循環(huán)中的穩(wěn)定性、靶向效率（如何提高配體結(jié)合親和力和特異性）、內(nèi)吞作用和逃逸效率、如何克服生物屏障（如血腦屏障）、遞送系統(tǒng)的生物相容性和安全性評估、以及如何實現(xiàn)多參數(shù)協(xié)同靶向等。未來發(fā)展方向可能涉及：開發(fā)更智能、多模態(tài)的遞送系統(tǒng)（結(jié)合成像、治療），利用微流控技術(shù)制備高度均一的靶向藥物，探索基于生物材料（如活細(xì)胞）的遞送策略，以及利用人工智能進(jìn)行遞送系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化。解析思路：考察對靶向藥物遞送基本原理、設(shè)計策略、面臨挑戰(zhàn)和未來趨勢的深入理解。需要闡述主動和被動靶向的原理與實例，分析當(dāng)前存在的問題，并提出有見地的未來發(fā)展方向。2.答案：CADD在藥物先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)與優(yōu)化過程中的作用機制主要包括：①分子模擬與對接：通過分子力學(xué)、量子化學(xué)計算模擬分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，利用分子對接技術(shù)預(yù)測藥物小分子與靶點（如酶、受體）的結(jié)合模式、親和力及相互作用類型，從而指導(dǎo)先導(dǎo)化合物的篩選和設(shè)計。②QSAR（定量構(gòu)效關(guān)系）：建立分子結(jié)構(gòu)特征與生物活性之間的數(shù)學(xué)模型，用于預(yù)測未知化合物的活性，評估結(jié)構(gòu)修改對活性的影響，指導(dǎo)化合物優(yōu)化方向。③虛擬篩選：利用CADD工具（如基于結(jié)構(gòu)的篩選、基于性質(zhì)的篩選）在大型化合物庫中快速篩選出具有潛在活性的候選分子，減少后續(xù)實驗篩選的工作量。④優(yōu)化藥物設(shè)計：通過模擬分析預(yù)測藥物分子不同位置的化學(xué)修飾對活性、選擇性、成藥性（如ADMET）的影響，指導(dǎo)化學(xué)家進(jìn)行有針對性的合成。局限性在于：預(yù)測精度受模型質(zhì)量和參數(shù)影響，靶點結(jié)構(gòu)未知或不準(zhǔn)確會導(dǎo)致預(yù)測失敗，難以完全模擬復(fù)雜的生理過程和藥物作用機制，計算量大且需要專業(yè)知識和經(jīng)驗。驗證虛擬設(shè)計有效性的方法包括：①合成并實驗測試CADD預(yù)測活性或性質(zhì)的高置信度候選化合物。②進(jìn)行結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系實驗，驗證QSAR模型的預(yù)測能力。③通過晶體學(xué)、NMR等實驗驗證分子對接的準(zhǔn)確性。④結(jié)合生物學(xué)實驗（如酶抑制實驗、細(xì)胞活性實驗）評估虛擬篩選結(jié)果。解析思路：考察對CADD主要技術(shù)（對接、QSAR、虛擬篩選）的作用機制的理解，以及對其局限性和驗證方法的認(rèn)識。需要清晰描述各項技術(shù)的功能，分析其優(yōu)點和不足，并能說明如何通過實驗來確認(rèn)虛擬結(jié)果的有效性。3.答案：生物催化在復(fù)雜藥物分子合成中的優(yōu)勢體現(xiàn)在：①高度立體選擇性：酶催化的不對稱合成能高效得到特定構(gòu)型的產(chǎn)物（非對映選擇性或?qū)τ尺x擇性），避免了傳統(tǒng)化學(xué)方法中可能產(chǎn)生的多種立體異構(gòu)體及其分離難題。②高區(qū)域選擇性和化學(xué)選擇性：酶能精確區(qū)分結(jié)構(gòu)相似的底物或官能團(tuán)，只催化目標(biāo)反應(yīng)，副反應(yīng)極少，大大簡化了合成步驟和純化過程。③相對溫和的反應(yīng)條件：許多生物催化反應(yīng)在近中性、常溫常壓的水相環(huán)境中即可高效進(jìn)行，避免了傳統(tǒng)有機合成中常用的強酸、強堿、高溫、高壓或有毒溶劑，更加綠色環(huán)保。④高催化效率：酶是高效催化劑，通常在較短時間內(nèi)即可達(dá)到化學(xué)平衡。⑤可再生性：酶可以重復(fù)使用，降低了催化劑成本。舉例說明：①利用脂肪酶進(jìn)行酯化或轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，實現(xiàn)藥物分子中酯鍵的構(gòu)建或轉(zhuǎn)化，具有立體選擇性好、條件溫和的優(yōu)點。②利用氨基酸脫羧酶或氨肽酶進(jìn)行氨基酸的降解或合成，可用于合成含有特定氨基酸結(jié)構(gòu)的藥物中間體。③利用手性過氧化物酶進(jìn)行不對稱氧化反應(yīng)，合成具有手性中心的藥物分子。解析思路：考察對生物催化優(yōu)勢（選擇性、條件、效率、綠色性）的理解，并能結(jié)合具體藥物合成反應(yīng)實例進(jìn)行說明。需要清晰闡述生物催化的核心優(yōu)點，并提供1-2個典型應(yīng)用案例及其化學(xué)基礎(chǔ)。4.答案：化學(xué)、材料科學(xué)、生物學(xué)三者的交叉融合對推動生物制藥工程領(lǐng)域創(chuàng)新至關(guān)重要?；瘜W(xué)為藥物分子設(shè)計、合成提供基礎(chǔ)理論和工具，材料科學(xué)提供藥物遞送載體、組織工程支架、生物傳感器等物理平臺，生物學(xué)則提供對生命過程、疾病機制、細(xì)胞行為的理解。這種交叉融合催生了新的治療策略、藥物形式和診斷方法。例如：①化學(xué)生物學(xué)利用化學(xué)探針和合成方法研究生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能，發(fā)現(xiàn)新的藥物靶點或作用機制，推動了靶向治療和PROTAC（蛋白質(zhì)降解靶向嵌合體）等新興治療模式的誕生。②化學(xué)與材料科學(xué)結(jié)合，開發(fā)了納米藥物載體（如脂質(zhì)體、聚合物膠束、無機納米粒），實現(xiàn)了藥物的靶向遞送、控釋和延長循環(huán)時間，提高了療效并降低了副作用。③生物學(xué)與材料科學(xué)結(jié)合，產(chǎn)生了組織工程和再生醫(yī)學(xué)，利用生物相容性、可降解的合成材料（如PLGA、水凝膠）作為支架，結(jié)合細(xì)胞和生長因子，修復(fù)或替換受損組織