成本控制下的基礎有機化學實驗室綠色化措施

嚴軍林,申海霞,張 健,岳 元

(陜西師范大學 基礎實驗教學中心,西安 710062)

·實驗室建設與科學管理·

成本控制下的基礎有機化學實驗室綠色化措施

嚴軍林,申海霞,張 健,岳 元

(陜西師范大學 基礎實驗教學中心,西安 710062)

基礎有機化學實驗室的綠色化改革是解決其環(huán)境污染問題的有效途徑，但是現(xiàn)行綠色化措施因為在教學過程和效果以及實驗成本控制等方面的不足限制了它們的推廣應用。通過對基礎有機實驗的仔細分析，在實驗設計中降低試劑濃度、替換高毒易揮發(fā)性試劑和使用耐用標準磨口器具，從源頭上減少了實驗室有害物質(zhì)和器具的消耗量，大大減少了污染物的排放，降低了實驗成本，實現(xiàn)了成本控制下的基礎有機化學實驗室綠色化；同時，這些措施最大程度地保留了現(xiàn)行基礎有機化學實驗教學的方式和效果，極具普適性和可行性，有望在同類基礎有機化學實驗室推廣應用。

有機化學實驗; 綠色化改革; 綠色化學; 成本控制

0 引 言

有機化學實驗教學過程所用的藥品和試劑絕大多數(shù)易揮發(fā)、腐蝕性強和毒性高，易對人和環(huán)境的安全造成嚴重威脅。隨著環(huán)保意識的增強，有機化學實驗教學所帶來的污染問題越來越引起人們的關注[1-2]。近年來，綠色化學逐漸深入人心，其強調(diào)減少有害物質(zhì)的使用，從源頭上減輕污染問題，因而在基礎有機化學實驗室實施綠色化建設極具意義[3-5]。

目前，基礎有機化學實驗室綠色化舉措主要有實驗內(nèi)容綠色化，實驗操作微型微量化和產(chǎn)物回收利用三種措施[6-9]。實驗內(nèi)容綠色化主要遵循綠色化學的原則，將綠色化的新方法、新試劑或新步驟引入到基礎實驗中來形成綠色化的教學實驗案例[10-11]。但是，鑒于基礎有機化學實驗訓練基本操作和鞏固理論知識的特點，適用于教學的綠色化有機化學實驗個數(shù)有限[12]；同時，全新實驗的一切物品都需要重新采購，制約了這種措施的廣泛推廣[13]。微型微量化實驗是另一種減少有毒有害藥品使用的有效方法，但是，微型微量化實驗的裝置和操作與常量實驗的裝置和操作有較大區(qū)別，不利于學生基本操作技能的訓練和提高[14-15]；同樣，購買微型微量化實驗所需器皿也需要額外的經(jīng)費。相對前面兩種方法，試驗產(chǎn)物回收利用對教學過程和效果的影響最小。但是，從實驗教學實際來看，①基礎有機化學實驗涉及面廣，實驗間的相關性不高，只有少數(shù)幾個實驗的產(chǎn)物具有再利用的價值；②即使是組合串聯(lián)實驗也因為學生操作不熟練而使得可供回收的試驗產(chǎn)物極少，因而這種措施對實驗室綠色化的貢獻極其有限。

綜上所述，由于教學方式和效果以及實驗成本控制等原因，基礎有機化學實驗室綠色化建設的舉措普適性較差，難以全面推廣。因而，如何在保證教學方式和效果以及控制實驗成本的前提下進行綠色化建設仍是實驗室管理工作的難點[16]。針對基礎有機化學實驗教學的特點，本文介紹在不修改任何實驗內(nèi)容和操作的前提下，在具體實驗環(huán)節(jié)中通過降低試劑濃度、替換高毒易揮發(fā)溶劑和使用耐用標準接口器具三舉措，大大推進了基礎有機化學實驗的綠色化建設和低成本運行；同時，這些措施絲毫不影響教師的講授和學生的操作，有望在基礎有機化學實驗室推廣。

1 基礎有機化學實驗室綠色化新舉措

1.1降低官能團鑒定實驗中試劑的濃度

在官能團鑒定實驗中，多數(shù)實驗的現(xiàn)象是體系顏色變化或沉淀生成，是一種有或無的區(qū)別，非常容易觀察。但是，教材中試劑濃度普遍較大(所有數(shù)據(jù)和步驟均以蘭州大學編，王清廉等修訂，《有機化學實驗》為基礎)，產(chǎn)生的具有毒害性的廢棄物也較多，不符合綠色化學的原則。通過對實驗目的和過程的分析，適當降低試劑的濃度完全可以完成實驗，達到同樣的教學目的，還可以節(jié)約試劑，減少廢棄物的產(chǎn)生。如烷烯炔的鑒定中，能否使溴褪色是區(qū)分烷烴與烯炔烴的主要方法。但是，教材中溴的濃度為2%，在這一濃度下打開瓶蓋，立即聞到溴蒸氣的刺鼻氣味，會對實驗參與者造成健康隱患。為減少毒性，嘗試降低溴的濃度，以0.2%、0.02%和0.002%(體積比)溴的四氯化碳溶液進行實驗。如圖1a所示，2%溴溶液為紅棕色，0.2%溴溶液為洋紅色，0.02%溴溶液則為黃色，而0.002%溴溶液則幾乎為無色。在保證氣流量相同的情況下向試管中同時通入乙炔，約通氣3 min，0.02%的溴溶液已經(jīng)褪為無色，而2%和0.02%溴溶液只是顏色變淺[見圖1(b)]；通氣6 min，0.02%溴溶液才褪為無色[見圖1(c)]，而要使2%的溴溶液完全褪色則需要通氣10 min以上。需要說明的是，本實驗中所需通氣時間較長是因為產(chǎn)生的氣體需要同時分配給4個試管；同樣的條件，若只供給1個試管，通氣1 min即可使0.02%的溴溶液褪成無色，而使2%溴溶液的顏色完全褪去則需要4 min。可以預見，降低溴的濃度也會減少環(huán)己烯的用量，加入1滴環(huán)己烯即可使0.2%和0.02%溴溶液完全褪色，而要使2%溴溶液的顏色完全褪去則要加5滴環(huán)己烯。需要說明的是，在任一濃度的溴溶液中加入烷烴都不會產(chǎn)生褪色現(xiàn)象。以上實驗充分說明在這類直觀顏色變化的鑒定實驗中，有色物質(zhì)濃度的大幅降低(即使降到1%)并不影響教學過程和教學方式，可達到同樣的教學效果，還可大大減少有害試劑的用量，同時縮短實驗時間，極大地推進基礎有機化學實驗的綠色化。

(a) 未通入

(b) 通入3 min

(c) 通入6 min

圖1 不同濃度的溴溶液通入乙炔前后的對比(從左至右試管中溴的濃度分別為2%、0.2%、0.02%和0.002%)

官能團鑒定實驗中另一個出現(xiàn)較多的現(xiàn)象是沉淀生成，乙炔與亞銅離子反應生成深褐色沉淀就是一個典型的例子。教科書中取0.1 g氯化亞銅加入1 mL水，再用濃氨水滴加直到溶解。實驗中，發(fā)現(xiàn)至少需要2 mL濃氨水才能使氯化亞銅完全溶解，向其中通入乙炔，立即有沉淀出現(xiàn)；但是在沉淀生成的同時，溶液仍為藍色，使得沉淀呈現(xiàn)出深藍色，與教科書描述不一致。要說明的是，教材中實驗的總體積為3 mL，Cu+的最終濃度為33 g/L，而實際中2 mL溶液已足夠完成實驗，因此，實際教學中可將CuCl溶液配成母液，學生按需取用即可，在降低濃度的嘗試中也采取這一策略。分別稱取0.1 g、0.05 g和0.01 g CuCl分散10 mL水中，再滴加濃氨水使CuCl完全溶解，母液中Cu+的濃度分別為8.3 g/L、4.5 g/L和0.98 g/L，每個溶液取2 mL進行對照實驗。與預期一致，隨著CuCl濃度的減小，溶液的藍色也逐漸變淺[見圖2(a)]。同樣，向上述4種濃度的CuCl溶液中以相同氣量通入乙炔30 s后，3個CuCl濃度較大的試管中立刻出現(xiàn)沉淀，而CuCl為0.98 g/L的試管則是藍色變淺，并出現(xiàn)了輕微渾濁[圖2(b)]。通氣2 min，CuCl含量較大的3個試管中出現(xiàn)了大量沉淀，但是由于仍有藍色溶液存在，使得沉淀呈現(xiàn)出深藍色或棕色，與教科書描述的褐色沉淀有較大差距；與之相反，濃度最小的試管中則完全沒有藍色溶液，全部是深褐色沉淀[圖2(c)]，與理論顏色一致。在這個實驗中，試劑濃度的減少不僅減少了藥品的用量，而且更為準確地呈現(xiàn)了實驗現(xiàn)象。

(a) 未通入

(b) 通入30 s

(c) 通入2 min

圖2 不同濃度的CuCl溶液通入乙炔前后的對比(從左至右試管中CuCl的濃度分別為33 g/L、8.3 g/L、4.5 g/L和0.98 g/L)

綜合以上實驗可以發(fā)現(xiàn)，在有機官能團鑒定實驗中，采用大幅降低試劑濃度(最多可降到百分之一)的方法既不改變實驗內(nèi)容和過程，也不影響實驗教學效果(部分實驗甚至效果更好)，又可大大減少藥品用量(尤其是有毒有害試劑)和縮短實驗時間，極大地推進了基礎有機化學實驗的綠色化。

1.2替換高毒易揮發(fā)溶劑

鑒于基礎有機化學實驗訓練學生基本操作技能的基礎性，多年來，基礎有機化學實驗的主要實驗內(nèi)容變化不大。但是，由于歷史和認識的原因，這些實驗內(nèi)容經(jīng)常涉及各種易揮發(fā)高毒性的液體溶劑，對實驗人員和環(huán)境帶來了嚴重的危害。通過分析可以發(fā)現(xiàn)：這些易揮發(fā)高毒性液體溶劑在實驗中主要起溶劑的作用，只有少數(shù)是直接參與反應，因而可選擇一些性質(zhì)相近的難揮發(fā)低毒性溶劑進行替換。實際上，這種替換也是可行的，因為化學試劑中既存在大量溶解性能類似的物質(zhì)，也存在著化學性質(zhì)極為相似的同系物，這為替換溶劑的選擇提供了可能。乙醚在多個實驗(如萃取、水蒸汽蒸餾、苯甲醇和苯甲酸的制備)中用到，其主要作用是混合物溶解，利用其與水不互溶和比密度水小的特性，經(jīng)萃取和蒸餾得到純凈化合物。但乙醚極易揮發(fā)，在加熱過程也可能會自燃甚至爆炸。乙酸乙酯則要安全得多，而且溶解性、相溶性和密度也類似，完全可替代乙醚，因而在這些實驗中都以乙酸乙酯代替乙醚，都順利完成實驗，實現(xiàn)預期的教學目的。

苯是一種強致癌的物質(zhì)，且揮發(fā)性強(沸點只有80.1 ℃)，但在基礎有機化學實驗苯乙酮的制備中苯既作為反應溶劑，也作為反應物原料參與反應過程，因而使用大量苯，給實驗人員造成了極大的健康隱患。分析實驗原理可以發(fā)現(xiàn)，在這個實驗中，主要是利用苯的芳香性與乙酸酐發(fā)生典型的傅克酰基化反應，從而制備苯乙酮。實際上，大多數(shù)苯系同系物都具有這種芳香性，也能發(fā)生這種傅克酰基化反應。考慮到具體的實驗過程，以毒害性小得多的甲苯代替苯進行實驗制備對甲基苯乙酮，完全不改變實驗過程，也沒有影響實驗教學效果。最為重要的是，甲苯屬于低毒性化合物，而且也難揮發(fā)得多(沸點也高達110.6 ℃)。從以上實驗可以看出，這些易揮發(fā)高毒溶劑的替換能夠大大減少實驗室危險源，極大地提高了基礎有機化學實驗室安全性和綠色化。

1.3耐用標準磨口器具的使用

基礎有機化學實驗使用的器皿種類廣、數(shù)量多，破損率高，是實驗室的主要消耗品。因此，控制器皿的破損可有效降低實驗成本。玻璃材質(zhì)是器皿易破損的主要原因，因而，在實驗過程和效果允許的情況下，使用塑料或聚四氟乙烯材質(zhì)的器皿可有效降低破損率。例如，在基礎有機化學實驗教學中，量筒使用率極高，其破碎主要原因是由于傾倒而碰碎，使用塑料量筒則可有效地避免這一問題。在施行這種替換后2年中，各種型號量筒共更換約20個，取得了顯著的效果。同樣，聚四氟乙烯塞子替換玻璃材質(zhì)塞子也可大大減少各規(guī)格塞子的破損率，而塑料藥匙和塑料鑷子的使用則可有效減少鐵質(zhì)器具因腐蝕而造成的損壞。

大多數(shù)有機化學實驗都需要將多個器材組裝起來形成一套完整的實驗裝置，由于各個器材接口的標準不一，組裝時費時費力，既易損壞器材，又易出現(xiàn)連接不緊密，泄漏有害蒸汽，威脅實驗人員健康,使用標準磨口的器材可有效避免。因而，在采購器皿時，所有具有連接部位的器材都采用19號標準磨口。非標準接口也導致了恒壓滴液漏斗、分液漏斗和二通路玻璃管等含有活塞器具的高更換率。這是因為這些活塞與主體器材一一對應，無法維修或更換，所以單個活塞的破碎或整理收納時的混淆將導致整個器具無法使用，造成了較大浪費。隨著技術的發(fā)展，與標準磨口匹配的聚四氟乙烯材質(zhì)活塞已經(jīng)相當普遍。這種活塞除不易破碎和更耐腐蝕外，更為重要的是可以互換，即使活塞遺失或混淆，只需更換活塞即可。因而，只要器具主體不破損，一般可長久使用，可大大地降低此類器具的耗損率，節(jié)約實驗成本，符合實驗室綠色化的要求。

2 結 語

在不對實驗教學過程作任何修改和不需增加額外經(jīng)費的前提下，通過降低藥品濃度、替換高毒易揮發(fā)溶劑和使用耐用標準磨口器具等舉措，從源頭上大幅減少了基礎有機化學實驗室藥品和器具的消耗量，推進了基礎有機化學實驗教學的綠色化進程，降低了實驗室運行成本，為基礎有機化學實驗的改革提供了可行途徑。同時，這些措施簡單易行，有望在所有化學類相關的基礎實驗室推廣施行。

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Measures for Greenization of Basic Organic Chemistry Laboratory under Cost Control

YANJunlin,SHENHaixia,ZHANGJian,YUEYuan

(Basic Experimental Teaching Center,Shaanxi normal university,Xi’an 710062,China)

Greenization of basic organic chemistry laboratory is the best way for resolving its pollutions; however,current greening measures were restricted for wide range of applications due to their drawbacks on teaching process and effectiveness,as well as the cost.Three effective measures,including decreasing concentration of reagents,replacing high toxic or volatile compounds,utilizing apparatus with durable materials and standard ground joint,were proposed based on carefully analyzing the character of basic organic chemistry experiments,by which the consumption of noxious compounds and apparatus have been reduced form the source.Therefore,the pollutions and cost were decreased greatly and the process of greenization of basic organic chemistry laboratories was boosted without any additional funds.At the same time,to the greatest extent,the current teaching process and effectiveness of basic organic chemistry experiments could be retained,hence,endowed these greening measures with universality and feasibility.It is expected that they can be widely used in greenization of basic organic chemistry laboratories.

organic chemistry experiment; greening reform; green chemistry; cost control

2016-11-20

國家自然科學基金青年基金(21503128)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(GK201503005)；陜西師范大學2016年度校級實驗教學改革研究項目(16SY04)；陜西師范大學實驗建設與管理處實驗技術研究項目(SYJS201417)資助項目

嚴軍林(1981-)，男，湖北鄂州人，博士，高級實驗師，主要從事基礎有機化學實驗室管理和納米顆粒自組裝方向的研究。

Tel.: 029-85303683；E-mail: jlyan@snnu.edu.cn

O 6-31

：A

：1006-7167(2017)07-0246-03