高?；A(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化

馬祥梅，王　斌，馮道全，邢宏龍

(安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

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高?；A(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化

馬祥梅，王斌，馮道全，邢宏龍

(安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

摘要：針對(duì)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境污染的影響，結(jié)合高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)現(xiàn)狀，通過(guò)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置、綠色催化劑的使用、試劑用量的減少、多媒體技術(shù)的運(yùn)用以及現(xiàn)代合成手段的融入等，將綠色化學(xué)理念應(yīng)用到基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，不僅有效地降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)的環(huán)境污染，而且還改善了教學(xué)效果，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

關(guān)鍵詞：有機(jī)化學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)；綠色化學(xué)

綠色化學(xué)又稱“環(huán)境無(wú)害化學(xué)”和“清潔化學(xué)”，它內(nèi)容廣泛，涉及有機(jī)合成、催化化學(xué)、生物化學(xué)、分析化學(xué)等學(xué)科，其核心內(nèi)容主要體現(xiàn)在5個(gè)“R”：Reduction、Reuse、Recycling、Regeneration、Rejection(即減量、重復(fù)使用、回收、再生、拒用)。面對(duì)科學(xué)技術(shù)和知識(shí)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，高校的教育模式和對(duì)人才的培養(yǎng)模式必須也作相應(yīng)的改變，更新教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段成為教學(xué)改革的重要課題，綠色化學(xué)教育進(jìn)入化學(xué)教育領(lǐng)域是一個(gè)值得思考和探索的問(wèn)題。為了避免化學(xué)尤其是有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室成為新的環(huán)境污染源[1]，在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)行綠色化學(xué)教育，秉承綠色化學(xué)的理念，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綠色化

綠色化學(xué)的目的是用化學(xué)方法在化學(xué)過(guò)程中預(yù)防污染，抓住綠色化學(xué)這一學(xué)科前沿，不斷更新化學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)，合理選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，盡量做到原料、溶劑和產(chǎn)品無(wú)毒或低毒化，廢除毒性大的實(shí)驗(yàn)，不選用重鉻酸鉀、氯酸鹽類氧化劑，取消涉及硝基苯和苯胺類毒性較大化學(xué)試劑的實(shí)驗(yàn)，從源頭上滿足綠色學(xué)化的要求。如己二酸的合成實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法是用濃硝酸或高錳酸鉀氧化環(huán)己醇制取，產(chǎn)生大量污染性氧化氮或氧化錳廢棄物，而使用綠色氧化劑過(guò)氧化氫不僅產(chǎn)率高，還可避免二次污染。有機(jī)溶劑是最常用的反應(yīng)介質(zhì)，但其毒性和難以回收使之成為對(duì)環(huán)境有害的因素，因而使用新型綠色反應(yīng)介質(zhì)(水、離子液體或超臨界液體)代替有機(jī)溶劑或徹底避免使用有機(jī)溶劑(無(wú)溶劑條件)已成為綠色化學(xué)的重要研究方向。水無(wú)毒、價(jià)廉、安全，無(wú)疑是最佳的選擇，但要注意廢水是否會(huì)造成新的污染。因此，減少有毒溶劑的使用，尋找更加綠色的合成實(shí)驗(yàn)是化學(xué)實(shí)驗(yàn)室今后努力的方向。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綠色化還應(yīng)考慮實(shí)驗(yàn)廢液的處理，由于化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的試劑和產(chǎn)生的廢液和有毒金屬、多環(huán)芳烴、表面活性劑、鹵代烴、亞硝基胺、多氯聯(lián)苯等也會(huì)造成環(huán)境污染[2]。因此，要充分認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)中和實(shí)驗(yàn)后產(chǎn)生廢液的危害性，對(duì)廢液進(jìn)行嚴(yán)格的回收處理，對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物盡可能再利用等，把環(huán)境友好問(wèn)題作為評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重要指標(biāo)。

2催化劑應(yīng)用的綠色化

新的催化材料或催化技術(shù)的應(yīng)用會(huì)促使化學(xué)工業(yè)的重大變革和技術(shù)進(jìn)步，催化劑的應(yīng)用對(duì)化學(xué)化工的綠色化進(jìn)程起著重要的作用，已被許多綠色化學(xué)合成的開(kāi)發(fā)所證明[3]。傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)多使用一些強(qiáng)酸或強(qiáng)堿作為催化劑，它們共同的缺點(diǎn)在于腐蝕設(shè)備和嚴(yán)重危害人身健康，并且易產(chǎn)生污染環(huán)境的廢棄物。固體酸催化劑的問(wèn)世是酸催化研究的重大轉(zhuǎn)折，不僅易于保管、使用方便，對(duì)環(huán)境污染和設(shè)備腐蝕較低，甚至不溶于有機(jī)反應(yīng)體系，便于操作、回收，是一類環(huán)境友好型催化劑[4]。在目前高校基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)中的酯化反應(yīng)、硝化反應(yīng)、氧化反應(yīng)和消除反應(yīng)中，固體酸催化劑能夠起到很好的催化作用[5]。如阿司匹林的制備，目前主要用水楊酸和乙酸酐在硫酸催化下經(jīng)?；磻?yīng)制備，此法雖然工藝成熟, 但產(chǎn)品收率不高，品質(zhì)不好，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，同時(shí)產(chǎn)生大量廢液污染環(huán)境。而同樣的原料，采用甲苯磺酸催化合成乙酰水楊酸，產(chǎn)率可達(dá)90%以上且純度大于等于99%[6]。以負(fù)載型雜多酸為催化劑，71～75 ℃反應(yīng)15 min，產(chǎn)率就可高達(dá)94.2%[7]。顯然，催化在發(fā)展一門對(duì)環(huán)境友好造福于人類的綠色化學(xué)與技術(shù)的學(xué)科中將起到關(guān)鍵的作用。

3實(shí)施手段的綠色化

化學(xué)實(shí)驗(yàn)屬于消耗性實(shí)驗(yàn)，特別是性質(zhì)實(shí)驗(yàn)需要消耗大量藥品和溶劑，若改進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段，采用多媒體系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，不僅化學(xué)試劑和儀器裝置零投入，而且廢棄物也零排放。如對(duì)于儀器、試劑價(jià)格昂貴，危險(xiǎn)或反應(yīng)條件苛刻，污染嚴(yán)重的實(shí)驗(yàn)，借助計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)模擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)(仿真實(shí)驗(yàn))，或觀看實(shí)驗(yàn)錄像等方法建立虛擬化的實(shí)驗(yàn)室。由于虛擬實(shí)驗(yàn)操作，不受實(shí)驗(yàn)條件、藥品、儀器的限制，可以緊密結(jié)合當(dāng)今化學(xué)學(xué)科的最新成就和發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)結(jié)合綠色化學(xué)學(xué)科特點(diǎn)有針對(duì)性地設(shè)計(jì)課件，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。在課件設(shè)計(jì)過(guò)程中穿插一些與生活實(shí)際密切相關(guān)的內(nèi)容，將視頻和動(dòng)畫(huà)引入課堂，使課堂教學(xué)富于趣味性和啟發(fā)性。利用多媒體技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、裝置、流程、實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行仿真，學(xué)生不僅容易接受綠色化學(xué)的重要性，更有利于促進(jìn)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綠色化[8]。利用模擬化仿真實(shí)驗(yàn)，增加綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)手段，還可設(shè)計(jì)不當(dāng)操作導(dǎo)致的不良后果，可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)資源的有效利用、安全隱患的減少，環(huán)境污染減少的目的。

4試劑用量的綠色化

微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)是綠色化學(xué)理念在實(shí)驗(yàn)中的體現(xiàn)，是綠色化學(xué)的重要組成部分。微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)中試劑的用量只相當(dāng)于常規(guī)實(shí)驗(yàn)的幾十分之一到幾千分之一，以盡可能少的試劑來(lái)獲得所需的化學(xué)信息、實(shí)驗(yàn)原理與技術(shù)。如乙酸正丁酯的制備實(shí)驗(yàn)，把原料降低到只有原來(lái)的五分之一依然能夠收到預(yù)期的效果。在改用微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)后，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)儀器的微型化以及試劑用量的大幅度減少，化學(xué)實(shí)驗(yàn)的排污量大大減少，尾氣吸收、尾料和廢棄物回收處理也比較容易，能減少對(duì)環(huán)境的污染。把化學(xué)實(shí)驗(yàn)“綠色化”作為探究型課題，讓學(xué)生進(jìn)行探究，鼓勵(lì)他們對(duì)原來(lái)可能導(dǎo)致環(huán)境污染的常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行改進(jìn)或重新設(shè)計(jì)。同時(shí)構(gòu)建設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)實(shí)施體系也是培養(yǎng)高質(zhì)量創(chuàng)新人才的重要舉措之一[9]。在保證實(shí)驗(yàn)效果的前提下，以微量、半微量實(shí)驗(yàn)取代常量實(shí)驗(yàn)，盡量減少實(shí)驗(yàn)試劑的用量，逐步把實(shí)驗(yàn)小型化、微型化、半微量化。

5合成方法的綠色化

現(xiàn)代有機(jī)合成方法在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，不僅促使有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化，而且還可以提高實(shí)驗(yàn)的趣味性。如微波作為一種“綠色”技術(shù)在有機(jī)合成方面得到了大量的應(yīng)用[10]。借助微波技術(shù)進(jìn)行有機(jī)反應(yīng)，反應(yīng)速度較傳統(tǒng)的加熱方法快數(shù)十倍甚至上千倍, 且具有操作簡(jiǎn)便、產(chǎn)率高、安全衛(wèi)生及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。將微波合成手段應(yīng)用于科研和基礎(chǔ)有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)教學(xué)日益受到重視, 并逐步發(fā)展成為一個(gè)極具發(fā)展前景的新領(lǐng)域。有機(jī)電合成是綠色化學(xué)中有機(jī)合成潔凈技術(shù)的重要組成部分。電化學(xué)反應(yīng)用的氧化劑和還原劑都是電子,一般無(wú)須使用危險(xiǎn)和有毒的試劑，可以說(shuō)是綠色無(wú)公害工藝，在潔凈合成中具有獨(dú)特的魅力。

總之，有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化設(shè)計(jì)是要對(duì)環(huán)境污染小，并在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上可行的化學(xué)品和化學(xué)過(guò)程的科學(xué)。事實(shí)上，沒(méi)有一種化學(xué)物質(zhì)是完全良性的，因此，在有機(jī)化學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要不斷摸索和改進(jìn)，要清醒地意識(shí)到減少化學(xué)實(shí)驗(yàn)室污染以及對(duì)污染物回收再利用的必要性和緊迫性，結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，做到物盡其用，點(diǎn)滴之中體現(xiàn)綠色化學(xué)的理念。

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Study on the Green Chemistry Experiment of Basic Organic Chemistry in University

MA Xiang-mei, WANG Bin, FENG Dao-quan, XING Hong-long

(Institute of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan, Anhui 232001, China)

Abstract:Green chemistry，is also known as environmentally-friendly chemistry. According to college organic chemistry laboratory that cause the environmental pollution and the current conditions of the teaching of college chemistry experiment, some measures such as reforming the experiment content, reducing the consumption of chemical reagents, using green catalysts, the application of multimedia technology and the modern synthetic methods etc are introduced to the organic synthesis experiment teaching based on the concept of green chemistry in this paper，which will fundamentally minimize the pollution，improve teaching quality and foster the innovation consciousness of students.

Key words:organic chemistry，experiment teaching，green chemistry

文章編號(hào)：1007-4260(2016)01-0155-02

中圖分類號(hào)：G648.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.01.040

作者簡(jiǎn)介：馬祥梅，女，安徽壽縣人，博士，安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境化學(xué)。E-mail: wb6314005@126.com

基金項(xiàng)目：省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目(2013jyxm075)，安徽理工大學(xué)校級(jí)教研項(xiàng)目(2014zdxm040)和安徽理工大學(xué)2015年度校級(jí)重大教學(xué)改革研究項(xiàng)目。

*收稿日期：2015-07-26

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-03-15 17:05網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160315.1705.040.html