綠色化學教育在有機化學實驗中探索

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[摘要]隨著綠色化學的產生與發展，綠色化學教育受到越來越多的關注。本文以綠色化學理念為指導，結合有機化學實驗特點，在實驗教學中通過精選實驗內容，引入儀器操作升級傳統實驗方式，優化反應條件，加強試劑回收與循環使用等方面進行了探索與實踐。增強了學生的綠色化學意識，為培養更多具有綠色環保意識的優秀人才和化學實驗教學改革提供參考。

[關鍵詞]綠色化學；有機化學；教學改革；實驗教學；安息香

近年來，“綠水青山就是金山銀山”這一科學論斷的提出，環境保護和可持續發展的理念越來越受到業界的重視。冠以綠色的概念不斷產生和發展，如綠色化學，又稱環境無害化學、環境友好化學、潔凈化學等。綠色化學現已成為一門重要的化學學科分支，要求從經濟、環保和技術上設計可行的化學反應，用化學的技術，原理和方法去消除對人體健康，安全和生態環境有毒有害的化學品[1]。有機化學實驗是我校化學專業的必修課程，包括基礎操作、驗證性有機合成及天然產物提取和設計性綜合實驗。實驗中用到的有機試劑品種繁多、有毒且揮發性強，這些物質容易經口或經皮吸收，影響人體健康，同時實驗中的各種有毒有害物質的后處理也加重了環保壓力，所以在有機化學實驗教學中倡導綠色化學教育尤為重要。本文遵循綠色化學十二基本原則[2]和5R原則[3]在實驗教學中做了一定的探索和實踐，從經濟、環保和安全的角度出發優化實驗方案，精選教學內容，引入綠色化學理念，培養學生綠色化學的思想意識，使學生掌握綠色化學的原理和核心概念，將有助于他們在日后學習與工作中注重綠色化學。

1精選實驗內容，加強試劑回收與循環重復利用

綠色化學5R原則，即減量、重復使用、回收、再生和拒用。按照5R原則，我們對實驗內容、試劑回收及循環利用做了調整。牢固地掌握各種分離和提純的操作技術對于化學專業的學生來說是十分重要的。在教學中，將基礎操作實驗獨立開設，可以使學生反復多次的進行練習以達到極其熟練的程度，提升學生的基礎實驗技能，有利于學生在后期的合成實驗中能夠得心應手地操作。遵循綠色化學的指導，精選實驗內容至關重要。在選擇基礎操作和合成實驗內容時，注重試劑的回收與循環、重復利用，精選了基礎操作“重結晶”、“熔點測定”和合成實驗“乙酰苯胺的制備及其物理常數測定”系列實驗內容。在教學中，回收上一輪學生合成的乙酰苯胺后，格外添加其它雜質，將其作為下一輪學生基本操作“重結晶”的實驗樣品，再將純化后得到的樣品收集、干燥并保存，作為“熔點測定”實驗的樣品加以利用。三個實驗通過乙酰苯胺這個化學品形成循環：“重結晶→熔點測定→乙酰苯胺的合成→重結晶→熔點測定”，避免了做單一實驗造成試劑的浪費。通過實驗內容的精選，試劑得到充分的利用，合成的產物得到了無限循環的使用。在教學中講述綠色化學知識，啟迪學生綠色化學意識，通過學生的親身實踐去踐行綠色化學教育理念。既保障了教學質量，又達到了教學目的。更重要的是通過試劑的回收、循環、重復使用有效實現了“省資源、少污染、減成本”的目標。

2引入儀器操作升級傳統實驗方式，降低實驗風險

傳統有機化學實驗嚴重依賴試劑和溶液，隨著實驗教學儀器及設備不斷更新和完善，引入當前開發的新型實驗儀器操作對傳統實驗方式進行升級，可大幅降低對試劑的使用量[4]。比如：傳統的熔點測定實驗是采用提勒管法，要消耗大量的液體石蠟(45mL/人)及燈用酒精(140mL/人)，并且液體石蠟粘滑，溫度計容易在操作過程中滑落打碎導致水銀灑落而造成污染，同時液體石蠟極容易被樣品污染。按照5R原則，在“減少三廢排放”及“盡量不用溶劑等輔助物質”的“減量”指導下，該實驗現已采用顯微熔點測定儀(僅消耗樣品約1mg/人)和全自動熔點測定儀(僅消耗樣品約2~3mg/人)與提勒管法同時使用進行熔點測定。儀器法測定操作快捷簡便，清潔安全，既縮短學生實驗操作時間，又大幅降低環境污染，同時，培養了學生掌握先進儀器操作技能，順應了社會發展需求，為學生以后的發展儲備了新的技能。

3優化反應條件，減少向環境排放廢物

“原子經濟性”是綠色化學的核心內容之一，即充分利用反應物中的各個原子，最大限度地將其轉移到目標產物中，減少反應產生的廢棄物，控制環境污染[2,5]。理想的反應要求高原子經濟性，目前還不可能實現所有合成反應的原子利用率都達到100%，人們能夠做的是基于“原子經濟性”原則，優化合成路線，提高反應選擇性，開發副產物利用途徑[2]。對于大多數化學反應來說，可以充分利用催化劑來加快反應速率，提高反應選擇性，減少副產物產生。幾乎所有的有機反應都需要用到催化劑，為了適應現代工業的發展，催化劑不僅要有高的催化活性，高的選擇性，而且還要求無污染[6]。基于以上原則，在指導“合成安息香縮合反應”的本科生設計實驗中，提前通知學生其原料和目標產物：“苯甲醛→安息香”。要求學生查閱資料：以苯甲醛為原料生成安息香有哪些合成方法，并結合綠色化學理念總結每種方法的優缺點，制定科學的實驗方案并說明理由。合成方法見圖1。在教學中從以下三方面展開討論：(1)精選反應裝置與儀器：反應裝置采用微波法[7]和超聲波法[8]具有反應溫和，操作簡便，反應時間短，產率較高等優點，但設備較少，學生實驗批量使用具有一定的局限性，但可以作為對比實驗研究，在實驗中多數同學選擇常規的實驗儀器法。啟發學生從實驗經濟成本、效益和產率等多角度考慮，將綠色化學的知識內化于心，達到理想的教學效果。(2)優選催化劑：氰化鈉或氰化鉀作為催化劑是合成安息香最經典的方法[9]，雖然產率很高，但氰化物有劇毒。按照綠色化學5R原則需要尋找更加合理的催化劑。維生素B1(VB1)是一種生物輔酶，無毒，在堿的作用下，形成碳負離子作為反應中心，但對pH值要求很高，此法為教材法[10]。相轉移催化劑(PTC)是一類有助于反應物從一相轉移到另一相當中，從而加快異相反應速率的催化劑，將VB1與PTC結合，能使VB1與苯甲醛更好的混合，提高催化活性，縮短反應時間，提高安息香的產率[11-12]。常見的PTC有聚乙二醇-6000(PEG-6000)、聚乙二醇-4000(PEG-4000)、溴化十二烷基二甲基卞基銨、四丁基溴化銨(TBAB)、乙基三苯基溴化膦(ETPB)等。從試劑的安全、價格及是否易得等方面加以考慮，優選高效、綠色、有活性的VB1與PEG-6000組合，將綠色化學的核心理念反復滲透，深入人心。(3)控制反應條件(溫度、pH值)：控制該反應的溫度和pH值至關重要，VB1在水溶液中易被氧化失效，在氫氧化鈉溶液中噻唑環易開環失效，因此，在反應前VB1和氫氧化鈉溶液都必須用冰水冷透[10]。反應溫度對反應產率影響很大，溫度低，反應慢，產率低，溫度過高VB1易分解且苯甲醛副反應多，產率低[10]。VB1在酸性條件下穩定，在堿的作用下，利于產生碳負離子(親核試劑)，若堿性太強，苯甲醛會發生歧化反應，導致副產物多，安息香產率低[10]。引導學生從“原子經濟性”出發，提高原子利用率，減少副產物的生成，將綠色化學的核心理念根植于學生的整個設計思想中。經討論分析，確定最佳反應條件：以VB1為催化劑，PEG-6000為相轉移催化劑，反應溫度65~70℃，反應時間60min(教材法90min)，用10%的氫氧化鈉溶液調pH值9~10。實驗結果：產率在74%以上(教材法約38%)，重現性100%。用有生物活性的VB1代替劇毒、存在巨大不安全因素的氰化物作為縮合反應的催化劑，反應更巧妙更溫和更安全[10]，同時加入一定量的相轉移催化劑PEG-6000，能使反應速度加快(比教材法少1/3的時間)，產率明顯提高(約為教材法的2倍)，大大提高了學生的獲得感和成就感。學生在相對安全的環境中，順利完成多步合成的第一步，為后面的安息香轉化打下良好的基礎，增添了合成實驗的活力。與學生共同探討，設計優化實驗方案，培養了學生系統思維能力，增強了學生的綠色思想意識，更強化了學生專業知識。

4結語

隨著社會的進步與發展，在高校全面推行綠色化學是實驗教學的必然。尤其是在有機化學實驗教學中，注重綠色化學的引導，培養學生的綠色化學意識是十分重要的。我們在教學中精選實驗內容，引入儀器操作升級傳統實驗方式，對反應條件進行優化等措施從不同角度切實加強綠色化學的教育，將綠色化學的原理和核心概念根植于學生的思想中，助推他們在之后的學習和未來工作中真正領悟和做到綠色化學，為綠色環保貢獻力量。

作者:陳容 陸小蘭 單位:中國海洋大學化學化工學院