有機合成化學教學中綠色合成理念的滲透*

劉玉婷，尹大偉，何珍紅

(陜西科技大學化學與化工學院，陜西省輕化工助劑重點實驗室，陜西 西安 710021)

有機合成化學是應用化學和化學、化工等專業(yè)的核心課程，是在學生先修了有機化學、無機化學、物理化學、化工原理等課程，掌握了化學化工基本理論的基礎上開設的，目的是讓學生了解精細化學品的合成原理及工藝，為后續(xù)專業(yè)課的學習及培養(yǎng)適應社會發(fā)展的高素質應用型人才奠定堅實基礎。有機合成化學所涉及的知識面廣、內容豐富、涵蓋了所有單元反應及化學鍵的形成及轉化，其教學重點是單元反應，以“反應試劑——反應特點——反應歷程——影響因素——生產實例”為主線[1]，介紹從原料到產品的完整的知識及相關內容，通過本課程的學習，學生可以在老師的指導下完成精細化學品的設計、合成、分析等，為學生以后從事精細化學品的研發(fā)等相關工作、為培養(yǎng)應用型人才打下堅實的基礎。

綠色化學是一門新興學科，涵蓋了化學、材料、生物、制藥、環(huán)境等諸多學科，具有明確的社會需求和科學目標，按照合理的反應機理和方法，從源頭上減少或消除化學工業(yè)對環(huán)境的危害，保證從試劑、催化劑、溶劑、副產品、產品等各個環(huán)節(jié)達到綠色、環(huán)保的要求，這也是目前有機合成的主要目標[2]。基于此，將綠色合成理念融入到有機合成化學教學中，讓學生了解學科發(fā)展的前沿，是化學化工專業(yè)培養(yǎng)方案的要求，也是必然趨勢。這樣，可以將有機合成與綠色化學的知識相結合，培養(yǎng)和增強學生的環(huán)保意識，提高學生的創(chuàng)新意識及能力[3]。在講授單元反應時，教師應該注重以綠色化學理念為指導，緊跟有機合成中綠色化學研究的前沿，引入相應的參考文獻，讓學生能更深層次理解單元反應的內涵及每個單元反應的綠色合成方法，以致將綠色化學理念滲透到單元反應教學的每一個環(huán)節(jié)[4-5]。對于有機化合物的合成，其產率的主要影響因素包括合成技術、化學反應、反應試劑、反應溶劑、催化劑等，因此，本文將從這幾個影響因素的綠色化，探討綠色化學理念在有機合成化學教學中的滲透。

1 綠色化合成技術

傳統(tǒng)的有機合成反應就是在溶劑的作用下進行液相反應，不但反應溫度高、反應時間長、反應效率低，而且因為有機溶劑的使用而存在環(huán)境污染，因此進入二十一世紀以來，綠色合成方法得到深入的研究和開發(fā)探索，比如固相合成、無溶劑合成、微波輔助、超聲輔助技術、光化學合成、電化學合成等技術，這些技術的使用，可以大大縮短反應時間、提高反應產率、降低成本與污染、提高效率，是實現(xiàn)綠色有機合成的重要途徑。因此，教師在講授單元反應的時，在講授傳統(tǒng)反應方法的同時，增加綠色有機合成技術的介紹，比較綠色合成技術與傳統(tǒng)合成方法的異同，結合相關文獻的引入，在深化教學效果的同時，可以使學生了解綠色合成方法及其使用，拓寬學生的視野，增強綠色合成理念。比如在講授縮合反應時，液相合成查爾酮時反應溫度高、反應時間長、產率低、副產物多，因此，在掌握反應機理的情況下，采用微波促進反應，既克服了傳統(tǒng)液相反應的缺點又可以讓學生了解微波技術的基本原理及其優(yōu)越性，提高對有機反應的興趣。

2 綠色化反應

有機化合物的合成，在綠色化學的前提下，提高產率及反應效率是最終目標，因此在講授單元反應時，針對各個單元反應的特點，教師應該引導學生選擇綠色、經(jīng)濟、高效的合成方法，實現(xiàn)原子經(jīng)濟性反應而不產生或少產生副產物或廢棄物，最終實現(xiàn)最大的原子利用率及零排放。因此，為了達到有機反應的綠色化的目的，提高原料的原子利用率是關鍵。在傳統(tǒng)的化學反應中，一般都會忽略原料中原子的利用率而只注重目標產物產率的高低，因此不可能實現(xiàn)所有化學反應的原子經(jīng)濟性。在教學過程中，教師應對各個單元反應的原子利用率進行合理的分析，引導學生加深對原子經(jīng)濟性及原子利用率的理解。在講授時，針對同一類型化合物的合成，教師可通過引用相關參考文獻，結合具體生產實例，通過比較和分析不同的合成方法及結果，使學生充分認識原子經(jīng)濟性、原子利用率及綠色化反應的其重要性。

3 綠色化試劑

“巧婦難為無米之炊”，因此有機合成單元反應中，反應試劑即原料是必不可少的因素，也是重要的影響因素之一。反應試劑的選擇，直接影響單元反應的成敗與效果，選擇合適的反應試劑，對于從源頭上防止或減少污染，達到綠色化反應至關重要。在基礎有機化學學習中，對于化合物的合成，主要考慮其反應的成功率或者可行性，從而忽視毒性、危險性或者對環(huán)境可能造成的危害，這樣可能會給學生造成“目的性是最重要的”潛意識，因此，在講授單元反應時，教師應引導學生首先了解試劑的特點，著重講授每種試劑參與反應的機理，了解每種試劑使用的效果及可能造成的對環(huán)境的影響，盡量從源頭上做文章，選用無毒或低毒的試劑。如果必須要使用毒性較大的試劑，盡量尋找替代品，及時糾正學生已經(jīng)形成的潛意識，應與學生共同分析反應的優(yōu)缺點，及時介紹綠色反應、綠色試劑的最新進展，探索綠色合成方法。

比如在講授還原反應時，教師應積極引導學生，掌握氣固相接觸催化氫化、液相催化氫化的特點及優(yōu)缺點，在實驗室和工業(yè)生產中，盡量使用催化氫化的方法，既可以簡化反應過程、提高反應效率，又可以降低成本、減少或避免有機溶劑的使用，達到綠色、清潔生產的目的。又比如在講授烷基化反應時，甲基化試劑可以采用碳酸二甲酯這種綠色、環(huán)境友好的新型試劑來替代傳統(tǒng)工藝使用的硫酸二甲酯或鹵代甲烷，這樣既可以避免因試劑的毒性、致癌性對實驗者身體可能造成的傷害，同時提高了反應的安全性、減少了對設備的腐蝕和對環(huán)境造成污染[6]。

4 綠色化溶劑

在有機合成單元反應中，液相反應一直以來都是主要的合成工藝，因此溶劑是重要的影響因素之一，其結構、種類、用量等都會影響反應的效果。在有機反應中，溶劑和溶質之間既存在溶劑化作用，也有溶劑解作用，因此不同的反應溶劑，反應機理可能不同；溶劑不同，反應的選擇性也不同。傳統(tǒng)的液相有機反應常選用鹵代烴、苯系芳烴等作為溶劑，但是這類物質多數(shù)易揮發(fā)、有毒、有害，而且不易回收或不易降解，因此在使用中或反應后排放到環(huán)境中，會對人類和環(huán)境造成嚴重危害。教師在講授單元反應時，應注重強調溶劑對反應的影響及其在反應中的作用，介紹各類溶劑的特點特別是其毒性或對環(huán)境的危害性。強調無毒、無害和易回收的綠色溶劑的使用，或者結合相關文獻，介紹無溶劑合成方法。對于近年來研究熱點離子液體、低共熔溶劑等在有機合成中的研究進展，在課時允許的情況下，也可以介紹給學生，加強學生對綠色溶劑的理解，拓寬學生的知識面，增強學生的綠色化學意識。

離子液體是新型有機合成溶劑及催化劑，廣泛應用于各種有機合成反應，由于具有不易揮發(fā)、無色、無嗅、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，是一種理想的化學溶劑。離子液體雖然其制備成本較高，但是它還有一個優(yōu)點就是可以回收再使用多次，因此，可以在保證反應綠色環(huán)保的同時，可以降低成本，是一種重要的綠色溶劑。近年來關于低共熔溶劑應用的研究較多。低共熔溶劑作為一種新型混合物溶劑，具有制備簡單、價廉、易生物降解、可回收利用等優(yōu)點，是綠色有機合成的一個新的研究方向。

5 綠色化催化劑

催化劑的作用是可以提高或降低有機反應，也是有機合成反應的重要影響因素之一，其種類及用量直接影響反應的產率。催化劑在有機反應中的作用就是參與反應中間體的結構合成而不參與產物的合成，從而達到催化反應的目的，因此很多催化劑是可以實現(xiàn)、提高原子經(jīng)濟性，加快反應速率和提高轉化率，提高化學反應選擇性，直接關系到反應的成敗。目前，催化劑方面的研究比較多，因此，教師在講授單元反應時，注重介紹各類催化劑的作用及其使用效果，催化劑的選擇、選擇依據(jù)特別是對環(huán)境的影響。也可以結合相關文獻，介紹一些催化效果好、選擇性高、綠色環(huán)保、廉價易得的催化劑，摒棄傳統(tǒng)有機合成反應中所用的酸、堿或重金屬鹽等。比如在講授酯化反應時，傳統(tǒng)催化劑也是最常用的催化劑是濃硫酸，但其在使用中存在腐蝕性強、后處理時有廢酸生成、副產物多等缺點，不符合綠色化學發(fā)展要求[8]。因此，酯化反應催化劑的探索研究一直以來是研究的熱點，出現(xiàn)了離子液體、固體超強酸、分子篩、雜多酸、生物酶等催化劑，這些催化劑具有選擇性高、易與產物分離、可回收再使用、不腐蝕設備、成本低等優(yōu)點，可以替代濃硫酸來用于催化酯化反應，是酯化反應的必然趨勢。

6 結 語

本文通過對有機合成化學課程中有機單元反應的分析，在要求學生掌握反應機理的基礎上，在教學的各個環(huán)節(jié)中滲透綠色化學理念，從源頭上解決有機合成的綠色化，深化和探索綠色有機合成，引入相關的研究文獻，改革有機合成化學課程的講授方法和內容，結合專業(yè)培養(yǎng)方案的要求，將培養(yǎng)應用型人才作為最終目標，提高學生的創(chuàng)新意識、可持續(xù)發(fā)展意識，拓寬知識面，提高學生的學習興趣和保護環(huán)境、保護自然的使命感和責任感。