綠色化學在有機化學實驗教學中的探索

韋復華　李　琳　張聲俊

(1、2、3.安順學院化學化工學院，貴州　安順561000)

綠色化學在有機化學實驗教學中的探索

韋復華1李琳2張聲俊3

(1、2、3.安順學院化學化工學院，貴州安順561000)

摘要：隨著工農業(yè)的發(fā)展，環(huán)境污染越來越嚴重，綠色化學越來越受到重視，文章從三個方面對有機化學實驗的綠色化進行探究，即藥品的微量化、試劑的綠色化以及產品的循環(huán)化及其實驗室“三廢”的綠色化處理。

關鍵詞：有機化學實驗；綠色化學；環(huán)境保護

化學是以實驗為基礎的科學，其中實驗主要包括有無機化學、機化學、分析化學及物理化學等相關實驗，因為實驗是驗證理論的基礎。然而，化學物質的濫用以及化學品本身的毒性，這一問題導致與我們生活息息相關的生態(tài)環(huán)境遭到嚴重的破壞和污染。由此美國化學會的專家便提出了“綠色化學”(Green Chemistry)這一概念。綠色化學又稱環(huán)境友好化學 (Environmentally Friendly Chemistry)、環(huán)境無害化學(Environmentally Benign Chemistry)、清潔化學(Clean Chemistry)[1-2]。從科學觀點看，綠色化學是化學學科傳統(tǒng)思維方式的更新和發(fā)展；從環(huán)境觀點看，它強調從源頭上消除污染；從經濟觀點看，它倡導合理利用資源和能源、降低生產成本，符合經濟可持續(xù)發(fā)展的要求[3-4]。綠色化學涉及內容廣泛，比如無機化學、有機化學、分析化學及物理化學、有機合成等許多相關領域，因此對化學實驗的綠色化研究是非常重要的。

1化學實驗的環(huán)境現(xiàn)狀分析

化學實驗涉及到四大基礎化學，實驗室中“三廢”(廢液、廢渣及廢氣)基本都是沒有經過處理，廢液直接經下水道排到湖泊、而廢氣及廢渣直接對大氣和環(huán)境造成污染。隨著高校學生人數的增加大量的課題產生的三廢以及使用劇毒，易制毒品試劑量，同時科研實驗室產生的污染物也是不可忽視的。以安順學院為例，最近幾年我校招生人數是陸續(xù)降低的，但是實驗人數是在增加的，2009年以前只有化學和化學教育專業(yè)做化學實驗，2009年增加了生物科學，2010年增加農學專業(yè)，2012年增加化學工程與工藝，從2008年以前的只有2個專業(yè)做化學實驗到2014年的5個專業(yè)做化學實驗，只是短短的五年間就增加了一倍的學生，平均每班一學期只做10個實驗，這產生的三廢將更多，那些規(guī)模比較大的學校，既有學生的實驗同時又有大量的科研人員，他們所產生的三廢就已經夠多了，別提大型化工廠礦，制藥廠等。因為化學實驗與環(huán)境污染有著密切的聯(lián)系，固體廢物污染、水污染以及空氣污染等問題基本都與實驗室所使用的試劑、產生的三廢有關。在所有化學實驗中，特別是有機化學實驗污染比較嚴重，因此對有機化學實驗的污染研究是非常必要的。

1.1有機化學實驗課程的現(xiàn)狀分析

一般有機化學實驗教材包括五部分的內容：(1)有機化學實驗的一般知識，主要講解實驗的一般常識及安全等；(2)有機化學實驗的基本操作，主要包括蒸餾、重結晶、萃取及升華等基本操作技術；(3)有機化合物的性質實驗，這一部分主要是鞏固理論基礎知識，比如官能團的鑒別、化學反應的現(xiàn)象等；(4)有機化學合成實驗，包括醇、酚、醚、醛、酮以及羧酸等的制備，比如己二酸的制備、乙酰水楊酸(阿司匹林)、乙酰苯胺、甲基橙的制備、以及乙酸乙酯的制備等，在這一部分中所消耗的原材料、藥品以及試劑等均較多，對環(huán)境的危害也相當大；(5)天然有機化合物的提取，有從茶葉中提取咖啡因、叢黃蓮中提取黃連素等。在有機化學實驗中前三部分消耗的藥品較少，甚至可以將第四部分合成的產品回收后作為第三部分的材料，比如將制備的苯甲酸的粗產品用作重結晶的原料等，第四部分和第五部分相對耗費的藥品較多，有些甚至毒性較大等。因此在有機化學實驗的方案中應該開設更多、更高效的綠色反應等。

1.2綠色化學的意識的滲透

將綠色化學意識融于有機化學實驗教學中，使綠色化學成為有機化學實驗的重要組成部分。由于實驗課程的引導需要教師在教學活動中起主要作用，在教學內容、實驗操作、實驗步驟及其教學方法等方面具備綠色意識，在整個實驗過程中要求綠色化學的思想和內容貫穿于始終。然而，在選擇實驗和教學方式時，教師應遵循美國科學家、綠色化學的倡導者阿納斯塔斯( Anastas PT) 和韋納 ( Waner JC) 提出綠色化學的12條原則及Reduce、Reuse、Recycling 、Regeneration 、Rejection 5R理論。只要能夠在教學和實踐中運用好這12條原則和5R理論，它將使我們的生存環(huán)境產生更有利的影響，免遭生態(tài)的破壞和環(huán)境的污染而帶來的苦難。

2加強實驗設計，規(guī)范實驗操作

在實驗的選擇和實驗方案設計時應嚴格根據12條基本原則和5R理論，即減少試劑的用量及“三廢”的排放，試劑和原料的重復使用；拒用無法回收的原料、試劑等；回收利用沒有反應的原料、催化劑等；重復使用催化劑、溶劑等減少成本開支；利用再生能源，減少環(huán)境的污染等，這些主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

2.1藥品的微量化

在實驗中可以將試劑量減半或者盡可能選擇做微型化的實驗，這樣既可以節(jié)約原材料，又可以減少原材料以及發(fā)生反應后雜質所帶來的污染，例如乙酸乙酯的制備教材要求用9.5ml無水乙醇和6ml冰醋酸在2.5ml硫酸的作用下回流，完全可以將原料的用量減少一半或者減到三分二也能夠做出相同的效果，減少的原料可以作為下一組學生所用的原料，而對環(huán)境也減少了污染。甚至還可以將此實驗改為試管實驗也能夠觀察到明顯現(xiàn)象等。

2.2試劑的綠色化

在有機化學實驗中試劑消耗非常大，做實驗時盡量要求學生使用無毒、低毒、安全、經濟的試劑，并且對環(huán)境污染較小，甚至是不污染的藥品。生活中的水是天然的綠色試劑，例如從茶葉中提取咖啡因的實驗，教材是用乙醇做溶劑，在索氏提取器中進行提取。聯(lián)想到平時喝茶的人都是用白開水泡茶這一原理，將溶劑更換為水，將茶葉包好后在燒杯中煮沸1個小時后用氯仿進行萃取3-4次，合并萃取液后按照教材要求的步驟進行升華實驗，觀察到同樣的效果，只是產量相對來說要低一點，但是能夠達到實驗目的。還有在苯乙酮的制備中要用大量苯作為溶劑，可選用甲苯來代替，因為甲苯的生理毒性比苯要小得多。

己二酸的制備傳統(tǒng)通常采取的方法是用硝酸和高錳酸鉀在加熱條件下將環(huán)己醇氧化為己二酸，因為硝酸是危險、強腐蝕性的溶劑，生成副產物一氧化氮易與大氣中臭氧發(fā)生反應而破壞臭氧層使紫外線直接射到地球造成人類的災難等。目前有研究表明在過氧化氫的氧化體系下，采用鎢酸鈉作為催化劑，僅需加入催化量的硫氫酸鉀和相轉移催化劑如甲基三辛基氯化銨，反應條件較溫和，易于控制，能夠很好地完成反應[5]。用硝酸和高錳酸鉀都對環(huán)境產生或多或少的污染，甚至不能夠達到原子經濟的目的，改用催化劑以后，既能夠節(jié)約原料的使用又能夠環(huán)保。

2.3產品的循環(huán)化

在制定或選擇有機化學實驗的方案和教學計劃時，應該根據不同產品和原料之間的聯(lián)系，可以將學生先做出的產品用在后續(xù)的實驗中，例如，苯甲酸的制備和重結晶的操作就可以放在一起，將學生做出來的粗產品用在重結晶的操作中，這樣不僅將學生所做的實驗串聯(lián)起來，而且還節(jié)約了原料、試劑，也提高了實驗的綜合性。在無機化學實驗中所用到的指示劑甲基橙，在有機化學實驗中，其中一個就是甲基橙的制備，我們可以將學生做的甲基橙進一步的加工提純后拿到無機化學實驗室用，這既可以節(jié)約經濟，又減少環(huán)境的污染，把污染環(huán)境的程度降到最低。

3實驗室廢物的綠色化處理

實驗室的廢棄物主要包括“三廢”(廢液、廢氣、廢渣)，對于廢氣的處理主要用液體試劑對它進行吸收，比如酸堿試劑等；處理廢液的方法主要包括中和、活性污泥，沉降、吸附以及生物法對其進行處理；對于廢渣的處理則通過專門的廢渣回收瓶收集能夠有效的控制實驗室廢渣對周圍環(huán)境的破壞與污染。在實驗中往往通過對“三廢”的處理來培養(yǎng)學生的實踐動手能力及環(huán)境保護意識。

綜上所述，綠色化學在有機化學實驗教學中及其重要，有機化學實驗課程的綠色化建設需要教師和學生來共同努力和深入研究。作為高校教師，以身作則，讓學生從課堂、教材開始樹立環(huán)境保護的意識；在理論教學和實驗教學中，采用適當的教學方法，向學生滲透綠色化學的意識，拓展學生的環(huán)境保護意識，培養(yǎng)學生的環(huán)保理念。

參考文獻：

[1]朱清時·綠色化學[J].化學進展，2000，12(4)：410-414.

[2]Horvath I T，Anastas P T·Introduction：Green chemistry[J].Chem．Rev．，2007，107(6)：2167-2168.

[3]吳輝祿·綠色化學[M].成都：西南交通大學出版社，2010.

[4]譚小紅，高慧等·高?；瘜W實驗教學的綠色化探索與實踐[J].廣東化工，2014，41(9)：262-263.

[5]包河彬， 晏華等·有機化學實驗教學內容的綠色化改進[J].化學教育，2014,35(14)：39-42.

(責任編輯：王德紅)

收稿日期：2015-03-03

作者簡介：1.韋復華(1981.01～)，貴州正安人，安順學院化學化工學院講師，碩士。研究方向：有機合成及化學教學。

中圖分類號：O6

文獻標識碼：A

文章編號：1673-9507(2015)03-0132-02

Exploration to Green Chemistry in Organic Chemistry Experiment

Wei Fuhua1Li Lin2Zhang Shengjun3

(1,2,3.College of Chemistry and Chemical Engineering, Anshun University Anshun561000, Guizhou, China)

Abstract：With the development of industry and agriculture, the environment pollution is more and more serious, green chemistry is becoming more and more attention。This paper is study to green chemistry from three aspects of organic chemistry experiment, the trace amount of the drug, the greening of the reagents, the cycle of product and greening of “three wastes” treatment in laboratory.

Key words:organic Chemistry experiment, Green Chemistry, environmental protection

2.李琳(1973～)，貴州安順人，安順學院化學化工學院教授，博士。研究方向：鋰離子電池電極材料。