有機化學實驗教學中滲透綠色化學理念

馮駙

摘要：隨著有機化學學科的快速發(fā)展，新的有機合成技術(shù)不斷涌現(xiàn)出來，針對有機化學實驗對環(huán)境污染問題，有機化學實驗綠色化這一理念逐漸被提出。本文根據(jù)實際教學中所出現(xiàn)的環(huán)境污染問題提出了在有機化學實驗教學過程中，通過采用無溶劑、綠色催化劑、目標產(chǎn)物的綠色化、廢棄物的回收利用等方法來實現(xiàn)有機化學實驗綠色化。

關(guān)鍵詞：綠色化學；有機化學；教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）51-0250-02

一、引言

“綠色化學”又稱環(huán)境無害化學、環(huán)境友好化學、清潔化學，是設(shè)計研究沒有或盡可能少的環(huán)境負作用，并在技術(shù)上、經(jīng)濟上可行的化學品和化學過程，包括原料和試劑在反應(yīng)中的充分利用。它是實現(xiàn)化學污染防治的基本方法和科學手段，是一門從源頭上阻止污染的化學。綠色化學適用各種化學領(lǐng)域，是用化學的技術(shù)和方法去減少或消滅那些對人類健康、社區(qū)安全、生態(tài)環(huán)境有害的原料、催化劑、溶劑、試劑和產(chǎn)物、副產(chǎn)物等的使用和產(chǎn)生。

有機化學是化學的重要組成部分，有機化學實驗是高校化學化工、環(huán)境、醫(yī)學、農(nóng)學等專業(yè)重要的基礎(chǔ)課，對學生掌握有機化學知識，培養(yǎng)思維能力有著十分重要的作用。有機合成化學實驗中使用的許多試劑、溶劑、催化劑以及排放的廢料，都易對環(huán)境產(chǎn)生污染，影響實驗者的健康，所以在有機化學實驗教學中實行綠色化學教育，培養(yǎng)學生的綠色化和環(huán)保意識有十分重要的意義，也是高校有機化學實驗教學改革的重點，因此，實現(xiàn)有機化學實驗綠色化教學勢在必行。作為多年從事有機化學實驗教學的教師，結(jié)合實際教學情況和體會，對有機化學實驗的綠色化，提出了一些想法，并進行了初步的實踐?，F(xiàn)將我們在有機化學實驗教學過程中的一些經(jīng)驗總結(jié)如下。

二、合理設(shè)計實驗，體現(xiàn)綠色化學思想

在保證達到實驗教學目的和使學生能夠掌握基本操作技能的前提下，有機化學實驗要盡力遵循綠色化的途徑。實驗內(nèi)容應(yīng)盡量選用毒性小、廢棄物少、污染輕的實驗。例如：“己二酸的制備”實驗，可以采用高錳酸鉀替代硝酸做氧化劑，避免實驗中產(chǎn)生大量有毒的氮氧化物氣體和使用硝酸帶來的強腐蝕性。又如：利用液溴制備溴苯的實驗，液溴有毒，腐蝕性大，可以選用低毒高活性的溴化劑N-溴代丁二酰亞胺代替。

三、綠色化學理念在實驗過程中的滲透

我們在有機化學實驗教學中盡可能地實現(xiàn)實驗內(nèi)容的綠色化，注意培養(yǎng)學生的綠色化學意識。結(jié)合學校的實際情況，合理選擇有機化學實驗內(nèi)容，不選用苯、甲苯、二氯甲烷、硝基苯、苯胺等毒性較大的試劑作為溶劑、原料和產(chǎn)品進行實驗?？傊?，在有機化學實驗的操作過程中，要把綠色化學的理念貫穿到整個有機化學實驗的教學之中。

（一）試劑的選擇

時至今日，人們己形成了一種固定思維模式，習慣地將有機反應(yīng)放在溶劑中進行。在傳統(tǒng)的有機合成中，有機溶劑是最常見的反應(yīng)介質(zhì)，因為他們能很好地溶解有機物，保證物料混合均勻和熱量交換穩(wěn)定，但有機溶劑的毒性和難以回收又成為對環(huán)境造成污染的主要因素。隨著綠色化學的發(fā)展，新的綠色合成技術(shù)和合成方法不斷涌現(xiàn)，這為有機實驗的綠色化提供了很多有效途徑。近年來無溶劑、綠色溶劑（離子液體、超臨界流體、水）在有機合成中的應(yīng)用得到了空前的發(fā)展，這些手段對于加快反應(yīng)速度、減少能耗、減小污染有很重要的作用。

1.無溶劑的化學合成。在過去的近30年中，無溶劑化學合成得到很大發(fā)展。在合成中通常需要使用一些助劑，如催化劑或固體載體，也可能用到光、研磨、微波加熱和超聲波等方法。例如：苯基環(huán)己酮與查爾酮的Michael加成反應(yīng)，可以使用溴化四丁胺為催化劑，在室溫下用研磨的方法合成。又如：2-苯基四氫喹唑啉的合成，可以在無溶劑條件下由2-氨基苯胺與苯甲醛的縮合，轉(zhuǎn)化率很高。

2.選用水為介質(zhì)的合成。以水為介質(zhì)的有機反應(yīng)是“與環(huán)境友好的合成反應(yīng)”的一個重要組成部分。水相中的有機反應(yīng)具有許多優(yōu)點：操作簡便、安全，沒有有機溶劑的易燃、易爆等問題。在有機合成方面，可以省略許多諸如官能團的保護和去保護等的合成步驟。水的資源豐富，成本低廉，不會污染環(huán)境，因此是潛在的“與環(huán)境友善”的反應(yīng)介質(zhì)。

3.選用綠色溶劑的化學合成。綠色溶劑被認為是綠色化學中很有前景的一類反應(yīng)介質(zhì)，尤其是離子液體。離子液體的研究是近年來綠色化學領(lǐng)域的研究熱點之一，室溫離子液體是一類特殊的液體熔融鹽，具有優(yōu)良的物理化學性質(zhì)及可修飾、調(diào)變的陰陽離子結(jié)構(gòu)，且可循環(huán)使用，被認為是替代常用揮發(fā)性有機溶劑的新型綠色溶劑。近幾年來，離子液體作為一種綠色溶劑及催化劑在有機合成中發(fā)揮了獨特的作用，受到人們越來越多的關(guān)注。因此，在離子液體中進行有機反應(yīng)成為化學研究的一個重要領(lǐng)域。例如：在芳醛與丙烯酸甲醋的不對稱Baylis-Hillman合成反應(yīng)中，用季銨鹽型離子液體作為溶劑，產(chǎn)率很高。又如：在離子液體中進行的Suzuki交叉偶合反應(yīng)與傳統(tǒng)方法相比具有諸多優(yōu)勢：少量的催化劑即可使反應(yīng)活性明顯提高；無副產(chǎn)物產(chǎn)生，產(chǎn)物純凈且容易分離；反應(yīng)可以在空氣中進行，產(chǎn)率不降低，催化劑不分解；催化體系可以重復(fù)使用。

（二）積極開展微量或半微量實驗，減少試劑消耗和污染

傳統(tǒng)的常量實驗具有現(xiàn)象明顯、操作方便的優(yōu)點，但消耗多、污染大，不利于環(huán)境友好。微量或半微量實驗推廣已有十幾年，逐漸引起各國化學教育界的廣泛重視，已成為國際趨勢，成為化學實驗改革的方向之一。目前我國已有數(shù)百所大中學校開始在化學教學中采用微型實驗，取得了很好的社會與經(jīng)濟效益。微型化學實驗主要有以下幾方面的特點：節(jié)約藥品、節(jié)省能源、降低實驗成本；實驗迅速；減少環(huán)境污染，避免不安全隱患；能激發(fā)學生學習的興趣，提高學生實驗技能。例如：2-甲基-2-己醇的制備、乙酰乙酸乙酯的制備、肉桂酸的制備等實驗，按照實驗教材藥品用量的■進行實驗。在同樣可以達到實驗?zāi)康耐瑫r，減少了廢棄物的排放量，保護了環(huán)境。總之，微型化學實驗不僅有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、提高教學質(zhì)量，也有利于師生的身心健康以及培養(yǎng)環(huán)保意識和綠色化學的理念。

（三）綠色催化劑的選擇

催化劑在化學合成中起著十分重要的作用，每種新型催化劑的發(fā)現(xiàn)及催化工藝的研制成功，都會引起化學工業(yè)的重大革新。綠色催化自然是綠色化學研究的另一個重要內(nèi)容。少量、高效催化劑的加入可以大大加快反應(yīng)的速率、提高反應(yīng)的選擇性及降低副反應(yīng)的產(chǎn)生。綠色催化劑還應(yīng)該具備清潔無毒和可循環(huán)使用的特點。目前有機合成中使用的綠色催化劑主要包括固體酸、固體堿、晶格氧選擇氧化催化劑等非均相催化劑以及生物催化劑（酶催化劑）。例如：在傳統(tǒng)的有機合成中，烷基化、酯化、水合、?；N類異構(gòu)化反應(yīng)一般使用氫氟酸、硫酸、三氯化鋁等液體酸催化劑，這些催化劑在工藝上難以連續(xù)生產(chǎn)，不易分離，對設(shè)備腐蝕嚴重，危害人體健康，產(chǎn)生廢液廢渣，污染環(huán)境。而我們可以選擇分子篩、雜多酸、超強酸等新型催化劑。又如異丁烷與丁烯的烷基化反應(yīng)原來使用氫氰酸或硫酸作催化劑，現(xiàn)在可用新開發(fā)的負載型磺酸鹽/SiO2催化劑代替。

（四）目標產(chǎn)物的綠色化

綠色產(chǎn)品，應(yīng)具有合理的使用功能及使用壽命，產(chǎn)品易于回收、利用和再生，在使用過程中和使用后不會危害生態(tài)環(huán)境和人體健康，報廢后易于處置，在環(huán)境條件下容易降解。在有機實驗中聯(lián)系實際，如目前大量使用的聚苯乙烯發(fā)泡塑料快餐盒，使用以后成為垃圾，在自然條件下，需數(shù)百年才能降解，對環(huán)境帶來嚴重的影響。為了加速它的自然降解，我們生產(chǎn)時可以在其中加入光敏劑、化學助劑等，使其在使用后幾個月內(nèi)即分解成無害物質(zhì)。

（五）廢棄物的回收利用

有機化學實驗過程中使用的有機溶劑，一般毒性較大、難處理，隨意倒掉這些有機溶劑，不僅對環(huán)境造成嚴重污染，還會造成藥品的浪費?；诰G色化學原則，處理這些有機溶劑，應(yīng)進行重新蒸餾后利用，或在實驗中重復(fù)再次使用。對于在實驗過程中產(chǎn)生的有毒物質(zhì)也要積極處理，例如：在制備正溴丁烷的實驗中會產(chǎn)生腐蝕性氣體溴化氫，要使用氫氧化鈉溶液進行吸收處理，對水銀溫度計破損灑出的汞認真進行收集，并撒硫磺粉進行處理，盡可能減少對學生的危害。對于某些數(shù)量較少、濃度較高確實無法回收使用的有機廢液，可采用活性炭吸附法、過氧化氫氧化法處理，或在燃燒爐中供給充分的氧氣使其完全燃燒。對實驗中產(chǎn)生的廢酸、廢堿，要指導(dǎo)學生倒入相應(yīng)容器中，經(jīng)中和至近中性（pH=6-9）時方可排放。通過有機化學實驗綠色化實踐，有效地做到實驗藥品循環(huán)使用，減少環(huán)境污染，使綠色化學教育在實驗教學中對學生起到潛移默化的作用，提高了學生的環(huán)保意識。

（六）多媒體在有機實驗教學中的應(yīng)用

隨著科技的發(fā)展和計算機普及，多媒體已成為化學實驗教學發(fā)展的趨勢和必然，將多媒體技術(shù)引入實驗教學，對提高學生化學實驗操作技能和對實驗的理解起著重要的作用。例如：像易燃易爆等危險性較大的實驗、毒性較大且不易控制的實驗，可使用多媒體教學輔助手段來代替此類實驗，既保證了學生的安全，保護了環(huán)境，又達到了良好的教學效果。例如：在制備亞磷酸二苯酯的實驗中，反應(yīng)出來的粗品需進行減壓蒸餾，如反應(yīng)瓶溫度達到250℃，體系中存在微量的氧，亞磷酸將會冒煙，發(fā)生爆炸。

四、學生綠色化學意識的加強

我國綠色化學教育還處于起步階段，但化學實驗綠色化已經(jīng)成為化學教學改革發(fā)展的必然趨勢，將成為培養(yǎng)學生的綠色化學觀念和創(chuàng)新能力的重要途徑。有機化學實驗教學不僅需要培養(yǎng)學生的基本化學實驗技能，同時應(yīng)把綠色化學思想融于實驗教學之中，讓學生了解綠色化學，樹立起綠色意識。

實踐證明，在有機化學實驗教學中滲透綠色化學教育是可行的。

參考文獻：

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