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展，新的有機合成技術不斷涌現出來，針對有機化學實驗對環境污染問題，有機化學實驗綠色化這一理念逐漸被提出。本文根據實際教學中所出現的環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、目標產物的綠色化、廢棄物的回收利用等方法來實現有機化學實驗綠色化。

關鍵詞：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”又稱環境無害化學、環境友好化學、清潔化學，是設計研究沒有或盡可能少的環境負作用，并在技術上、經濟上可行的化學品和化學過程，包括原料和試劑在反應中的充分利用。它是實現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域，是用化學的技術和方法去減少或消滅那些對人類健康、社區安全、生態環境有害的原料、催化劑、溶劑、試劑和產物、副產物等的使用和產生。

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、環境、醫學、農學等專業重要的基礎課，對學生掌握有機化學知識，培養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，都易對環境產生污染，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，培養學生的綠色化和環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。現將我們在有機化學實驗教學過程中的一些經驗總結如下。

二、合理設計實驗，體現綠色化學思想

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。實驗內容應盡量選用毒性小、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實驗內容的綠色化，注意培養學生的綠色化學意識。結合學校的實際情況，合理選擇有機化學實驗內容，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、原料和產品進行實驗。總之，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，習慣地將有機反應放在溶劑中進行。在傳統的有機合成中，有機溶劑是最常見的反應介質，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定，但有機溶劑的毒性和難以回收又成為對環境造成污染的主要因素。隨著綠色化學的發展，新的綠色合成技術和合成方法不斷涌現，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）在有機合成中的應用得到了空前的發展，這些手段對于加快反應速度、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：苯基環己酮與查爾酮的Michael加成反應，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，轉化率很高。

2.選用水為介質的合成。以水為介質的有機反應是“與環境友好的合成反應”的一個重要組成部分。水相中的有機反應具有許多優點：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，不會污染環境，因此是潛在的“與環境友善”的反應介質。

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介質，尤其是離子液體。離子液體的研究是近年來綠色化學領域的研究熱點之一，室溫離子液體是一類特殊的液體熔融鹽，具有優良的物理化學性質及可修飾、調變的陰陽離子結構，且可循環使用，被認為是替代常用揮發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揮了獨特的作用，受到人們越來越多的關注。因此，在離子液體中進行有機反應成為化學研究的一個重要領域。例如：在芳醛與丙烯酸甲醋的不對稱Baylis-Hillman合成反應中，用季銨鹽型離子液體作為溶劑，產率很高。又如：在離子液體中進行的Suzuki交叉偶合反應與傳統方法相比具有諸多優勢：少量的催化劑即可使反應活性明顯提高；無副產物產生，產物純凈且容易分離；反應可以在空氣中進行，產率不降低，催化劑不分解；催化體系可以重復使用。

（二）積極開展微量或半微量實驗，減少試劑消耗和污染

傳統的常量實驗具有現象明顯、操作方便的優點，但消耗多、污染大，不利于環境友好。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濟效益。微型化學實驗主要有以下幾方面的特點：節約藥品、節省能源、降低實驗成本；實驗迅速；減少環境污染，避免不安全隱患；能激發學生學習的興趣，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目的同時，減少了廢棄物的排放量，保護了環境。總之，微型化學實驗不僅有利于培養學生的創新能力、提高教學質量，也有利于師生的身心健康以及培養環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現及催化工藝的研制成功，都會引起化學工業的重大革新。綠色催化自然是綠色化學研究的另一個重要內容。少量、高效催化劑的加入可以大大加快反應的速率、提高反應的選擇性及降低副反應的產生。綠色催化劑還應該具備清潔無毒和可循環使用的特點。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：在傳統的有機合成中，烷基化、酯化、水合、酰化、烴類異構化反應一般使用氫氟酸、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生產，不易分離，對設備腐蝕嚴重，危害人體健康，產生廢液廢渣，污染環境。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原來使用氫氰酸或硫酸作催化劑，現在可用新開發的負載型磺酸鹽/SiO2催化劑代替。

（四）目標產物的綠色化

綠色產品，應具有合理的使用功能及使用壽命，產品易于回收、利用和再生，在使用過程中和使用后不會危害生態環境和人體健康，報廢后易于處置，在環境條件下容易降解。在有機實驗中聯系實際，如目前大量使用的聚苯乙烯發泡塑料快餐盒，使用以后成為垃圾，在自然條件下，需數百年才能降解，對環境帶來嚴重的影響。為了加速它的自然降解，我們生產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即分解成無害物質。

（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，不僅對環境造成嚴重污染，還會造成藥品的浪費。基于綠色化學原則，處理這些有機溶劑，應進行重新蒸餾后利用，或在實驗中重復再次使用。對于在實驗過程中產生的有毒物質也要積極處理，例如：在制備正溴丁烷的實驗中會產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。對實驗中產生的廢酸、廢堿，要指導學生倒入相應容器中，經中和至近中性（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使用，減少環境污染，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，提高了學生的環保意識。

（六）多媒體在有機實驗教學中的應用

隨著科技的發展和計算機普及，多媒體已成為化學實驗教學發展的趨勢和必然，將多媒體技術引入實驗教學，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，反應出來的粗品需進行減壓蒸餾，如反應瓶溫度達到250℃，體系中存在微量的氧，亞磷酸將會冒煙，發生爆炸。

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成為化學教學改革發展的必然趨勢，將成為培養學生的綠色化學觀念和創新能力的重要途徑。有機化學實驗教學不僅需要培養學生的基本化學實驗技能，同時應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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