有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化探索

趙勝芳

(黃岡師范學(xué)院 化工學(xué)院，湖北 黃州 438000)

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有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化探索

趙勝芳

(黃岡師范學(xué)院 化工學(xué)院，湖北 黃州 438000)

摘要對(duì)基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)施綠色化探索，不僅是減少污染、凈化環(huán)境的需要，是對(duì)大學(xué)生進(jìn)行綠色化學(xué)教育，培養(yǎng)大學(xué)生良好的環(huán)境保護(hù)行為習(xí)慣的需要。本文圍繞化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的“5R原則”，從選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件與方法、開(kāi)設(shè)半微量實(shí)驗(yàn)、試劑的循環(huán)使用，修舊利廢、廢棄物處理等幾方面，對(duì)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的實(shí)踐進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)；綠色化學(xué)：環(huán)境保護(hù)

化學(xué)尤其是有機(jī)合成為人類提供了絢麗多彩的染料、豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的肥料和農(nóng)藥、療效顯著的藥物、性能優(yōu)良的材料等多種多樣的功能性化學(xué)品，但是在環(huán)境污染中，由化學(xué)物質(zhì)引起的污染約占80%~90%[1]。為了保護(hù)環(huán)境和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，需要大力研究和開(kāi)發(fā)從源頭上減少和消除污染的綠色化學(xué)設(shè)計(jì)和綠色化學(xué)工業(yè)。

1學(xué)校教育實(shí)施綠色化學(xué)的重要性和必然性

綠色化學(xué)又稱環(huán)境無(wú)害化學(xué)、環(huán)境友好化學(xué)、清潔化學(xué)、原子經(jīng)濟(jì)化學(xué), 是一門從源頭阻止污染的化學(xué)。綠色化學(xué)的目的是把現(xiàn)有化學(xué)和化工生產(chǎn)中的技術(shù)路線從“先污染后治理”改變?yōu)椤皬脑搭^上根除污染”。根據(jù)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》[2]，我國(guó)提出在高等學(xué)校實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，加速建設(shè)綠色化學(xué)化工特色專業(yè)，為我國(guó)創(chuàng)新型國(guó)家的建設(shè)以及綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展培養(yǎng)綠色化學(xué)化工人才。

實(shí)驗(yàn)室化學(xué)研究是化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)和源頭，從源頭開(kāi)始實(shí)施綠色化學(xué)，才可以真正達(dá)到降低有毒物排放，保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的目的。這不僅要求化學(xué)科研工作者有扎實(shí)的專業(yè)功底，還要有良好的環(huán)境保護(hù)意識(shí)和高度的環(huán)保責(zé)任感。

加強(qiáng)環(huán)保教育，不僅要重視綠色化學(xué)得理論和思想教育，而且要使師生身體力行，在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中養(yǎng)成良好的環(huán)保素質(zhì)和提高綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能。這就要求高校實(shí)驗(yàn)教師在傳授實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，滲透綠色化學(xué)內(nèi)容對(duì)學(xué)生進(jìn)行認(rèn)知教育，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成綠色化學(xué)意識(shí)，不斷地對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的方法進(jìn)行深入地研究與探索，設(shè)計(jì)出對(duì)環(huán)境友好的綠色合成路線，切實(shí)減少實(shí)驗(yàn)室污染。

2化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化設(shè)計(jì)的目標(biāo)和內(nèi)容

從綠色化學(xué)的12條原則可以看出:綠色化學(xué)的目標(biāo)和任務(wù)不是被動(dòng)地治理環(huán)境污染，而是主動(dòng)地防止環(huán)境污染[3]。可以說(shuō)，綠色化學(xué)是防，環(huán)境保護(hù)是治，只有從根本上切斷污染源，才能真正做到保護(hù)環(huán)境。綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)使用化學(xué)藥品的基本原則是“5R原則”，即：

Reduction ——“減量”，減少“三廢”排放； Reuse ——“重復(fù)使用”；Recycling ——“回收”；Regeneration ——“再生”；Rejection ——“拒用”，對(duì)一些無(wú)法替代，又無(wú)法回收、再生和重復(fù)使用的、有毒副作用及污染作用明顯的原料，拒絕在化學(xué)過(guò)程中使用，這是杜絕污染的最根本方法[4]。

按上述目標(biāo)要求，化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化應(yīng)從實(shí)驗(yàn)原理及條件改進(jìn)、操作優(yōu)化、試劑循環(huán)使用、產(chǎn)品充分利用、實(shí)驗(yàn)廢棄物妥善處理等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化探索

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是有機(jī)化學(xué)不可缺少的重要組成部分。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)常會(huì)產(chǎn)生毒性較大、對(duì)環(huán)境污染較嚴(yán)重的廢氣、廢液、廢渣。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化，符合環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，能減少酸堿和有機(jī)類污染物對(duì)環(huán)境的污染，而且實(shí)現(xiàn)了節(jié)約資源的目的，提高實(shí)驗(yàn)效率，有利師生身體健康，更重要的是，能培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)境保護(hù)意識(shí)。

3.1　合理選擇實(shí)驗(yàn)，盡量減少有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的污染

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，要用到一些有毒、有害的化學(xué)物質(zhì)，也可能產(chǎn)生一些有毒、有害的化學(xué)物質(zhì)，會(huì)對(duì)師生健康產(chǎn)生影響，且產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染。所以合理選擇實(shí)驗(yàn)，盡可能避免對(duì)環(huán)境和師生身體有害的實(shí)驗(yàn)也很重要。如開(kāi)始設(shè)計(jì)一組系列合成實(shí)驗(yàn)：硝基苯→苯胺→乙酰苯胺，但硝基苯還原制備苯胺，原料和產(chǎn)物都有毒性，苯胺蒸汽還能通過(guò)皮膚吸收進(jìn)入人體，所以后來(lái)刪除了硝基苯還原的實(shí)驗(yàn)。又如環(huán)己酮氧化制備己二酸，可以用高錳酸鉀氧化，也可以用HNO3氧化，教師試驗(yàn)前拿出兩種方案，由學(xué)生做出選擇，學(xué)生們認(rèn)為HNO3氧化容易產(chǎn)生有害氣體紅棕色刺鼻且有毒氣體二氧化氮，而二氧化氮遇水會(huì)產(chǎn)生有毒的氧化氮和硝酸，這是酸雨的來(lái)源之一，所以用高錳酸鉀優(yōu)點(diǎn)更多,不但實(shí)驗(yàn)基本無(wú)毒害和污染，而且高錳酸鉀還原產(chǎn)物二氧化錳可以回收利用。實(shí)驗(yàn)原理的討論，使學(xué)生有了更強(qiáng)的環(huán)保意識(shí)，既培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，又實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)綠色化。

3.2　改進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件與方法

一些大學(xué)有機(jī)實(shí)驗(yàn)采用天然氣作熱源，不僅有爆炸起火的危險(xiǎn)，而且還有燃燒產(chǎn)生二氧化碳造成的溫室效應(yīng)。近些年來(lái)，微波輻射加熱、超聲輻射引入有機(jī)合成已引起了化學(xué)工作者的強(qiáng)烈關(guān)注，是一些很有發(fā)展前景的綠色能源。

微波合成是一種通過(guò)微波介電熱效應(yīng)把能量輸入化學(xué)反應(yīng)體系的合成方法。利用微波輻射加熱不但可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)加熱方法，而且可以使反應(yīng)速度有成倍直至成千倍的增加；目前，微波輻射加熱技術(shù)在有機(jī)化合物合成中已迅速發(fā)展起來(lái)，成為最方便最高效地促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的方法之一。將其引入有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，比傳統(tǒng)加熱法省時(shí)，且能提高產(chǎn)率和產(chǎn)品的純度。如肉桂酸的合成，傳統(tǒng)加熱法為:制備反應(yīng)45 min，水蒸氣蒸餾1.5 h，最終產(chǎn)率68 %，熔點(diǎn)135~136℃。改用微波輻射:制備反應(yīng)10 min，水蒸氣蒸餾15~20 min，產(chǎn)品產(chǎn)率76%~78%，熔點(diǎn)135~136℃[5]。又如乙酰水楊酸(阿司匹林)的合成，傳統(tǒng)70~80℃加熱反應(yīng)20 min[6]，450~460w微波加熱60~75 s[7]。

超聲有機(jī)合成是將有機(jī)反應(yīng)置于超聲輻射下進(jìn)行，利用超聲波的空化作用不僅可以促進(jìn)反應(yīng)，還可以避免其它加熱方式導(dǎo)致溫度升高使熱敏物質(zhì)分解的問(wèn)題，具有反應(yīng)產(chǎn)率高、時(shí)間短、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。如威廉姆遜合成混合醚，傳統(tǒng)加熱需要回流數(shù)小時(shí)甚至數(shù)十小時(shí)，而超聲合成只需要45 min[7]。這些綠色能源的利用，不僅縮短了反應(yīng)時(shí)間，降低了能耗，還使副反應(yīng)減少，廢棄物排放降低。

教師指導(dǎo)學(xué)生將微波技術(shù)引入精細(xì)有機(jī)品和復(fù)雜化合物的合成，也取得了一些成果，積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)[8]。

3.3　Reduction——開(kāi)設(shè)微量或半微量實(shí)驗(yàn)

微量或半微量化學(xué)實(shí)驗(yàn)是在微型化的儀器裝置中進(jìn)行的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，是以盡可能少的試劑，來(lái)獲取所需化學(xué)信息的實(shí)驗(yàn)原理與技術(shù)[9]。微量或半微量實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行У販p少污染，節(jié)約經(jīng)費(fèi)，降低能耗，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，特別適用毒性大，藥品貴，耗量大，污染嚴(yán)重，操作復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。

黃岡師范學(xué)院有機(jī)化學(xué)微量或半微量實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)開(kāi)始十多年了，每屆學(xué)生有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的第一次課，每個(gè)學(xué)生領(lǐng)一套常用半微量實(shí)驗(yàn)儀器，在開(kāi)設(shè)有機(jī)實(shí)驗(yàn)的一年里，這套儀器歸學(xué)生保管和使用，有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)束清理歸還。更重要的是，半微量?jī)x器的使用，一是使藥品使用量大大降低，節(jié)約經(jīng)費(fèi)；二是節(jié)能省時(shí)，降低水電耗費(fèi)； 三是降低廢棄物排放，環(huán)保；四是微量實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作精確度要求更高，操作稍疏忽粗放，就可能得不到產(chǎn)品，這更有利于實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)。

另外，對(duì)教材中試劑使用量較大的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中適當(dāng)減少用量。如乙酰苯胺的制備，教材采用10 mL苯胺，這個(gè)合成實(shí)驗(yàn)容易完成，減半量，用5 mL苯胺也能取得很好的效果；甲基橙的制備，教材使用2 g對(duì)氨基苯磺酸為原料，此試劑是學(xué)生從苯胺磺化制備的，每個(gè)學(xué)生產(chǎn)量不一樣，減半只用1 g，做出的甲基橙產(chǎn)量也很好，而且也消除了學(xué)生因?yàn)樯弦粋€(gè)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物產(chǎn)量不高使本實(shí)驗(yàn)原料不夠?qū)е碌镁趩市睦?，提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)信心和興趣。

3.4　Reuse——重復(fù)使用，減少?gòu)U棄物

實(shí)驗(yàn)中要盡可能減少溶劑尤其是有害溶劑的使用量，換言之是減少有害溶劑的排放量。如蒸餾和分餾及其效率對(duì)比實(shí)驗(yàn)，我們用丙酮和水體系，先做分餾，第一組分為丙酮，第二組分是丙酮和水的混合物，第三組分是水。做完分餾，要用各組分做燃燒性質(zhì)實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)丙酮含量，第一部分可以燃燒，且燃燒后無(wú)液體殘留，第二組分可以燃燒，但燃燒后有液體殘留，第三部分不燃，故各組分純度容易判斷。做下一次蒸餾時(shí)，就用第一組分補(bǔ)加到所需量(因?yàn)榉逐s實(shí)驗(yàn)及燃燒試驗(yàn)后有部分損耗了)，第二組分很少，一般只有幾滴，燃燒性質(zhì)實(shí)驗(yàn)后就沒(méi)有了。蒸餾完后第一組分還是較純的丙酮，可以回收再用，第二組分比較多，可以通過(guò)分餾回收丙酮。這樣，一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，丙酮循環(huán)使用，損失很少，既節(jié)約，又環(huán)保。在合成實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常用到低沸點(diǎn)有機(jī)溶劑如乙醚、氯仿、二氯甲烷等，有些老師用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀回收溶劑，雖然操作簡(jiǎn)便快速，但大部分溶劑被抽到水泵中然后揮發(fā)到實(shí)驗(yàn)室空氣中，不僅損耗溶劑，更重要的是低沸點(diǎn)有毒蒸汽污染空氣，損害師生健康。因此，我們要求學(xué)生按低沸點(diǎn)液體蒸餾裝置要求進(jìn)行蒸餾，大大減少了溶劑損失，也培養(yǎng)了學(xué)生少污染、零排放的綠色化學(xué)意識(shí)和愛(ài)護(hù)環(huán)境的習(xí)慣。

3.5　Regeneration——再生，變廢為寶

一般有機(jī)實(shí)驗(yàn)教材注重基本操作技能訓(xùn)練和一類化合物合成或一類反應(yīng)原理及操作方法的訓(xùn)練，合成的產(chǎn)物實(shí)際就成了沒(méi)用的廢物，要么久置在實(shí)驗(yàn)室成了占地的累贅，要么丟棄，既浪費(fèi)資源，還污染環(huán)境。為充分利用資源，減少?gòu)U棄物，應(yīng)采取一些措施變廢為寶。

3.5.1系列實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品能循環(huán)利用

參照一些綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材開(kāi)設(shè)系列實(shí)驗(yàn)的方法，在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作訓(xùn)練完成后進(jìn)行幾個(gè)合成實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練后，開(kāi)設(shè)系列實(shí)驗(yàn)。合成實(shí)驗(yàn)連續(xù)化是從“變廢為寶，減排少污”的綠色化學(xué)新思想對(duì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合而形成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求把相關(guān)的實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)，將幾個(gè)單一實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成一個(gè)連續(xù)實(shí)驗(yàn)，用前一個(gè)合成的產(chǎn)品作為后一步合成的原料來(lái)完成系列合成實(shí)驗(yàn)。如肉桂酸→重結(jié)晶；甲苯→苯甲酸→苯甲酸乙酯→三苯甲醇；苯胺→對(duì)氨基苯磺酸→甲基橙。開(kāi)設(shè)系列實(shí)驗(yàn)，第一可以節(jié)省購(gòu)買試劑的經(jīng)費(fèi)；第二可以減少?gòu)U棄物，利于環(huán)境保護(hù)；第三利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)心的良好習(xí)慣。

推廣合成實(shí)驗(yàn)連續(xù)化和實(shí)驗(yàn)藥品的回收再利用，通過(guò)設(shè)計(jì)連續(xù)實(shí)驗(yàn)，可以最大限度地利用資源，變廢為寶，符合“節(jié)約化和綠色化”的原則，建立“一條龍”實(shí)驗(yàn),可解決實(shí)驗(yàn)后廢棄物的處理這一問(wèn)題。同時(shí)增加探索性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)板塊，體現(xiàn)學(xué)生的主體性，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探索的精神和能力。

有時(shí)，一些物質(zhì)對(duì)本實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)可能沒(méi)有利用價(jià)值，但對(duì)其它實(shí)驗(yàn)室和老師來(lái)說(shuō)可能有用。如合成的甲基橙，無(wú)機(jī)和分析可以用作指示劑，還可以提供給光降解研究的教師做科研用的試劑，阿司匹林，可以作為分析和制藥專業(yè)實(shí)驗(yàn)的原料。

3.5.2修舊利廢，變廢為寶

有機(jī)實(shí)驗(yàn)除了試劑，主要是玻璃儀器，這兩樣都屬于易耗品。為此，將損壞的一些儀器進(jìn)行修理，修舊利廢，變廢為寶。如量筒，很容易摔壞，但總是上一截破損，老師們就動(dòng)手將破損部分用剪刀修剪整齊，再用酒精噴燈將邊沿?zé)R，制成容量小的量筒繼續(xù)使用。還有塑料試劑瓶，用完后將瓶子剪掉上口，下面部分可以作為制冰塊的容器，或作為裝玻棒、滴管和洗衣粉等的容器，比玻璃容器更耐用，上口可以代替固體裝樣漏斗。較長(zhǎng)的廢玻璃管也可以拉成滴管使用。這樣的做法，同樣減少了廢棄塑料和玻璃對(duì)環(huán)境的污染，也節(jié)約了實(shí)驗(yàn)開(kāi)支。

3.6　妥善處理廢液，減少?gòu)?qiáng)酸強(qiáng)堿等化學(xué)品對(duì)環(huán)境的污染

實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生三廢是化學(xué)實(shí)驗(yàn)室不可避免的問(wèn)題。目前，憑現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)方法，還不能完全消滅三廢，但是可以合理排放、回收和處理三廢，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)┒说木G色化。在多數(shù)院校，學(xué)生實(shí)驗(yàn)后的廢渣及廢液通常是倒入指定的“廢液缸”中，再集中進(jìn)行無(wú)害化處理。如果讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)方案直接將實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生廢液進(jìn)行化學(xué)處理，對(duì)學(xué)生專業(yè)知識(shí)利用和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，環(huán)境保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)都很有益處。例如：對(duì)有機(jī)廢酸廢堿，可以采取分類存放，進(jìn)而分類處理。如廢酸和堿回收后,可以制成公廁清潔液。純度太差不能利用的，也可以經(jīng)過(guò)酸堿中和，使酸、堿腐蝕性降低再進(jìn)行處理，也能減少對(duì)環(huán)境的影響。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，綠色化學(xué)的發(fā)展是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的。所以化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)綠色化是化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)要以綠色化學(xué)原則進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、改進(jìn)，這不僅有利于凈化實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，保護(hù)師生身體健康，

也有利于提高教學(xué)質(zhì)量，還使學(xué)生逐步養(yǎng)成對(duì)自己負(fù)責(zé)、對(duì)社會(huì)負(fù)責(zé)、對(duì)子孫后代負(fù)責(zé)的環(huán)境保護(hù)行為和習(xí)慣。

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編輯王菊平

基金項(xiàng)目2013年度黃岡師范學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目(zj201227)。

作者簡(jiǎn)介趙勝芳，女，湖北麻城人，教授，主要研究方向?yàn)橛袡C(jī)化學(xué)教學(xué)研究。

收稿日期2014-11-14

doi10.3969/j.issn.1003-8078.2015.06.24

中圖分類號(hào)G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1003-8078(2015)06-0087-03