綠色化學(xué)在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的滲透

楊小紅 王鳳英 李 瑩 李文娟

（集寧師范學(xué)院化學(xué)系，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

有機(jī)化學(xué)的發(fā)展，在很大程度上提高了人類的生活質(zhì)量，改變了人類的生活方式，但也對整個(gè)人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染和破壞。而綠色化學(xué)是具有明確的社會需求和科學(xué)目標(biāo)的新興交叉學(xué)科，是21世紀(jì)化學(xué)發(fā)展的重要方向之一。它與傳統(tǒng)化學(xué)的不同之處在于更多地考慮社會的可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)人和自然關(guān)系的協(xié)調(diào)，是從源頭上阻止污染的化學(xué)，是防止化學(xué)污染的最好辦法之一。即綠色化學(xué)是用現(xiàn)代化學(xué)的原理和方法來減少或消除對人類和環(huán)境有害的原料、催化劑、溶劑、試劑、產(chǎn)物、副產(chǎn)物的使用和產(chǎn)生，使所開發(fā)的化學(xué)產(chǎn)品和過程更加友好［1，2］?？梢哉f，綠色化學(xué)是有機(jī)化學(xué)的新發(fā)展，而有機(jī)化學(xué)又是大學(xué)化學(xué)本科專業(yè)的基礎(chǔ)課。因此，如何能將綠色化學(xué)很好地滲透到有機(jī)化學(xué)教學(xué)中，使其成為有機(jī)化學(xué)教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是有機(jī)化學(xué)教師進(jìn)行教學(xué)改革的重要研究方向之一。

1 綠色化學(xué)在有機(jī)化學(xué)課程教學(xué)中的必要性

近十年來，綠色化學(xué)在歐美等國發(fā)展很快，許多國家已經(jīng)將綠色化學(xué)作為一種政府行為組織實(shí)施。我國各級政府部門也充分認(rèn)知到綠色化學(xué)及其產(chǎn)業(yè)對未來人類社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來的影響。綠色化學(xué)以保護(hù)和節(jié)約能源為目的，促進(jìn)人和自然的和諧與協(xié)調(diào)，追求可持續(xù)發(fā)展，為了全面推動綠色化學(xué)的發(fā)展，應(yīng)加強(qiáng)對綠色化學(xué)的宣傳和教育。而我國高等院校是培養(yǎng)不同層次的高素質(zhì)人才的主要機(jī)構(gòu)，可以最直接的宣傳和開展綠色化學(xué)教育。尤其是在大學(xué)有機(jī)化學(xué)課程中講授綠色化學(xué)知識最適宜，因?yàn)橛袡C(jī)化學(xué)是研究有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)、組成、性質(zhì)、合成、應(yīng)用以及反應(yīng)歷程等的科學(xué)。而綠色化學(xué)的主要研究內(nèi)容恰好是圍繞化學(xué)反應(yīng)、原料、催化劑、溶劑等綠色化進(jìn)行的，其內(nèi)容與有機(jī)化學(xué)密切相關(guān)，這是由有機(jī)化學(xué)課程本身的特點(diǎn)所決定的。作為高校教師應(yīng)該站在本學(xué)科的前沿，將新標(biāo)準(zhǔn)、新概念及時(shí)地介紹給學(xué)生，指出有機(jī)化學(xué)的發(fā)展趨勢，重視新方法、新學(xué)法［3］。

2 綠色化學(xué)在有機(jī)化學(xué)理論課教學(xué)中的滲透

2.1 不同類型有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性

“原子經(jīng)濟(jì)性”是指反應(yīng)物中的原子有多少進(jìn)入了產(chǎn)物，一個(gè)理想的原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)，就是反應(yīng)物中的所有原子都進(jìn)入了目標(biāo)產(chǎn)物的反應(yīng)，即原子經(jīng)濟(jì)性為100%的反應(yīng)［4］?！霸咏?jīng)濟(jì)性”是綠色化學(xué)的最重要原理之一，是化學(xué)反應(yīng)的理想目標(biāo)。因此，教師在講授不同類型的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)時(shí)就應(yīng)該強(qiáng)調(diào)其原子經(jīng)濟(jì)性。如取代反應(yīng)是分子中一種原子或基團(tuán)被另一種原子或基團(tuán)所代替的反應(yīng)，其中被代替的基團(tuán)不出現(xiàn)在產(chǎn)物中，所以取代反應(yīng)不是原子經(jīng)濟(jì)性為100%的反應(yīng)，其原子經(jīng)濟(jì)性程度由不同的試劑和底物決定；加成反應(yīng)是將反應(yīng)物的原子全部加到另一反應(yīng)物上，完全利用了原料中的原子，是原子經(jīng)濟(jì)性為100%的反應(yīng)；消除反應(yīng)是從有機(jī)化合物分子中相近的兩個(gè)碳原子上除去兩個(gè)原子或基團(tuán)，產(chǎn)生離去基團(tuán)成為廢物，是原子經(jīng)濟(jì)性較差的合成方法；重排反應(yīng)是分子中的原子通過改變相對位置、鍵的形式等途徑重整而產(chǎn)生一種新物質(zhì)的反應(yīng)，因此也是理想的原子經(jīng)濟(jì)性為100%的反應(yīng)。

2.2 不同類型有機(jī)化合物都與綠色化學(xué)有關(guān)

在有機(jī)化學(xué)教材中所講述的每一類有機(jī)化合物幾乎都與綠色化學(xué)知識有關(guān)。如（1）烷烴：烷烴的燃燒會產(chǎn)生二氧化碳，導(dǎo)致溫室效應(yīng)，如果燃燒不完全，產(chǎn)生的大氣污染物更多，導(dǎo)致“光化學(xué)煙霧”；（2）烯烴：烯烴可以發(fā)生聚合反應(yīng)，得到的聚合產(chǎn)物是塑料制品的主要原料，但塑料不易降解，所含成分有潛在危害，即“白色污染”；（3）芳香烴：苯易揮發(fā)，是一種強(qiáng)致癌物，具有很好的溶解性，是各種涂料的和膠黏劑的主要成分之一，是導(dǎo)致居室污染的主要原因；（4）鹵代烴：氯氟烴大量排放會破壞臭氧層，當(dāng)氯氟烴進(jìn)入大氣后，在光的作用下進(jìn)行分解，釋放出大量的氯自由基，誘發(fā)連鎖反應(yīng)，極快地破壞臭氧分子；（5）醇、酚、醚：這些有機(jī)懸浮物對水體和大氣都會造成不同程度的污染；（6）醛、酮、醌：甲醛被譽(yù)為“萬能的化工原料”，是由于甲醛的還原性與可縮合性，能夠與眾多的氧化劑或含有氨基的物質(zhì)反應(yīng)，也可以與其他具有不飽和鍵的物質(zhì)交聯(lián)，形成共聚物質(zhì)，而且還能夠與許多生物大分子如蛋白質(zhì)等作用，這也是甲醛對人體健康產(chǎn)生危害的原因［5］；（7）酯和脂類：赤潮現(xiàn)象、水體污染都與這類化合物有關(guān)。事實(shí)上，在我們的日常生活中很難找出一種與化學(xué)無關(guān)的物品，但是也應(yīng)該看到，大量化學(xué)品的生產(chǎn)和使用造成了有害物質(zhì)對生態(tài)環(huán)境的污染和人類健康的危害，而綠色化學(xué)正是解決此問題行之有效的方法。因此，教師在講化合物性質(zhì)和應(yīng)用時(shí)就可以將綠色化學(xué)知識滲透到其中。

3 綠色化學(xué)在有機(jī)合成教學(xué)中的滲透

有機(jī)合成是有機(jī)化學(xué)的重要組成部分，是制備具有特定功能的新有機(jī)物的關(guān)鍵，而且能夠很好的提高學(xué)生應(yīng)用有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的綜合能力。由于有機(jī)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率一般不太高，因此由有機(jī)反應(yīng)過程帶來的污染相對較多。從綠色化學(xué)的角度考慮，教師在有機(jī)化學(xué)合成教學(xué)中應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手：（1）反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性；（2）反應(yīng)原料的綠色化；（3）催化劑的綠色化；（4）合成方法的綠色化。

3.1 反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性

在合成反應(yīng)中，要減少廢物排放的關(guān)鍵是提高目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性和原子經(jīng)濟(jì)性，即化學(xué)反應(yīng)中，到底有多少反應(yīng)物的原子轉(zhuǎn)變到了目標(biāo)產(chǎn)物中。如，在講到由乙烯制備環(huán)氧乙烷時(shí)，采用經(jīng)典的氯乙醇法時(shí)，假設(shè)每一步反應(yīng)的產(chǎn)率、選擇性均為100%，其原子利用率只能達(dá)到25%。在此教師可以進(jìn)行更多的綠色化學(xué)知識補(bǔ)充，強(qiáng)調(diào)應(yīng)該提高反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性，并可以介紹新的催化氧化法，即以銀為催化劑，用氧氣直接氧化乙烯一步合成環(huán)氧乙烷，反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性達(dá)到了100%。

3.2 反應(yīng)原料的綠色化

在目前利用的化學(xué)反應(yīng)中，常常使用一些有毒有害的原料，這些物質(zhì)有的可能直接危及人類的生命，嚴(yán)重污染環(huán)境。如，在講授制備α—甲基丙烯酸甲酯時(shí)，常用的方法就是以丙酮為原料，與氫氰酸反應(yīng)，且在濃硫酸的作用下來合成。此時(shí)，教師可以從綠色化學(xué)的角度去分析該方法的不足之處，即使用了劇毒的氫氰酸和強(qiáng)腐蝕性的濃硫酸，而且反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性也不高。因此，教師應(yīng)該給學(xué)生介紹一種更符合綠色化學(xué)要求的合成方法，即丙炔-鈀催化劑，甲醇羰基化一步合成α—甲基丙烯酸甲酯，該方法區(qū)域選擇性和反應(yīng)收率均大于 99%，原子利用率高達(dá) 100%［6］。

3.3 催化劑的綠色化

有機(jī)反應(yīng)一般速率較慢，收率較低，因此大多數(shù)有機(jī)合成反應(yīng)過程需要借助催化劑來提高反應(yīng)過程的效率，因此選擇性能優(yōu)良的催化劑對于有機(jī)合成過程具有關(guān)鍵的促進(jìn)作用。如，在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中講授傅—克反應(yīng)時(shí)，教材中使用的催化劑是三氯化鋁。從綠色化學(xué)的角度來看，三氯化鋁易水解，會腐蝕設(shè)備，污染環(huán)境，不符合綠色化學(xué)的要求。因此，教師可以給學(xué)生介紹一些新的、高效的、環(huán)保的催化劑。如，（1）固體超強(qiáng)酸催化劑：固體超強(qiáng)酸是指比100%硫酸的酸度還高的固體酸，和液體超強(qiáng)酸相比，有容易與反應(yīng)物分離、可重復(fù)使用、不腐蝕反應(yīng)器、減少催化劑公害、制備簡單等優(yōu)點(diǎn)，是近年來發(fā)展的一種新型催化材料，對許多化學(xué)反應(yīng)有較好的催化活性、選擇性及重復(fù)使用性能；（2）分子篩催化劑：分子篩是具有均勻微孔，其孔徑與一般分子大小相當(dāng)?shù)囊活愇镔|(zhì)。沸石分子篩作為催化劑具有優(yōu)異的反應(yīng)選擇性、較高的熱穩(wěn)定性和水熱穩(wěn)定性、無毒、對環(huán)境無害、對設(shè)備無腐蝕；（3）離子液體：也稱為低溫熔融鹽，是完全由離子組成的液體，是低溫下呈現(xiàn)液態(tài)的鹽，一般由有機(jī)陽離子和無機(jī)陰離子組成，具有高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、不揮發(fā)、可以循環(huán)使用、消除了揮發(fā)性有機(jī)化合物環(huán)境污染問題，既可以作為清潔的反應(yīng)介質(zhì)，又可以作為反應(yīng)的催化劑。

3.4 溶劑的綠色化

在整個(gè)有機(jī)合成過程中，關(guān)于溶劑的應(yīng)用是其中很重要的一部分。使用量最大、最為常見的溶劑有石油醚、苯類芳香烴、醇、酮和鹵代烴等。然而，有機(jī)溶劑大多數(shù)是易揮發(fā)、有毒、有害的，這些溶劑在使用過程中經(jīng)過揮發(fā)進(jìn)入空氣中，在陽光的照射下容易在地面附近形成光化學(xué)煙霧，導(dǎo)致并加劇人們肺氣腫、支氣管炎，甚至誘發(fā)癌癥病變。因此，尋找一種沒有或盡可能少的環(huán)境副作用的新型綠色溶劑成為了對化學(xué)研究的必然要求。教師在講授有機(jī)合成時(shí)就應(yīng)該向?qū)W生介紹一些綠色溶劑，目前代替?zhèn)鹘y(tǒng)溶劑的途徑有：（1）采用水作溶劑；（2）使用超臨界流體作溶劑；（3）使用離子液體作溶劑；（4）采用固定化溶劑。

3.5 合成方法的綠色化

一般有機(jī)化學(xué)教材在談到羧酸的脫羧反應(yīng)時(shí)只是輕描淡寫的提一下柯爾伯反應(yīng)，這個(gè)反應(yīng)是將羧酸堿金屬鹽電解合成烴類化合物［7］。對此教師可以補(bǔ)充一下綠色化學(xué)的知識?？聽柌磻?yīng)是通過反應(yīng)物在電極上得失電子實(shí)現(xiàn)的，這種通過電化學(xué)合成有機(jī)化合物的方法稱為有機(jī)電化學(xué)合成。有機(jī)電化學(xué)合成與一般有機(jī)合成相比，有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢，一般情況下無需加入氧化還原試劑，可在常溫常壓下進(jìn)行，通過調(diào)節(jié)電位、電流密度等來控制反應(yīng)，便于自動控制。這樣，簡化了反應(yīng)步驟，減少物耗和副反應(yīng)的發(fā)生，可以說有機(jī)電化學(xué)合成完全符合“原子經(jīng)濟(jì)性”要求。從本質(zhì)來說，有機(jī)電化學(xué)合成很有可能會消除傳統(tǒng)有機(jī)合成產(chǎn)生環(huán)境污染的根源，是一種綠色化學(xué)，將是未來有機(jī)合成化學(xué)的一種發(fā)展趨勢。

4 結(jié)語

有機(jī)化學(xué)的的理論和方法在發(fā)展過程中都取得了巨大的進(jìn)展，但是人類正面臨著有史以來最為嚴(yán)峻的環(huán)境污染。綠色化學(xué)提出了新的觀念和方法，體現(xiàn)了科學(xué)發(fā)展觀，是減少資源消耗、實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展的重要科學(xué)基礎(chǔ)，是未來化學(xué)發(fā)展和人類進(jìn)步的方向。因此，將綠色化學(xué)滲透到有機(jī)化學(xué)教學(xué)中是當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期教育界所面臨的重要課題，教師在認(rèn)真鉆研教材的同時(shí)，還應(yīng)在教學(xué)中滲透綠色化學(xué)，將新方法、新反應(yīng)、新試劑、高選擇性的原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)，以及符合綠色化學(xué)要求的合成方法介紹給學(xué)生。這樣既可以擴(kuò)展學(xué)生的知識面，提高學(xué)生學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的興趣，又能突破傳統(tǒng)的“知識教育”層次， 充分實(shí)現(xiàn)“素質(zhì)教育”的目標(biāo)［8］， 且有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識。教學(xué)實(shí)踐證明，將綠色化學(xué)教育滲透于有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的做法是可行的，但這種做法仍然需要教師高度重視，盡可能的去嘗試和完善。

［1］貢長生，張龍.綠色化學(xué)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2008.

［2］楊德紅，楊本勇等.綠色化學(xué)［M］.鄭州：黃河水利出版社，2008.

［3］曹暉.有機(jī)化學(xué)中的綠色化學(xué)［J］.黔東南民族師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2003，（6）：33-35.

［4］胡常偉，李賢均.綠色化學(xué)原理和應(yīng)用［M］.北京：中國石化出版社，2002.

［5］鄭健.甲醛與人體健康［J］.大學(xué)化學(xué)，2009，（1）：52-56.

［6］閔恩澤，吳巍.綠色化學(xué)與化工［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

［7］曾少瓊.有機(jī)化學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［8］張淑婷，陳實(shí).農(nóng)科有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的綠色化學(xué)教育［J］.高等農(nóng)業(yè)教育，2002，（7）：68-70.