朱艷秋
1 對(duì)“1,2—二溴乙烷的合成”實(shí)驗(yàn)綠色化方法的分析與闡述
1.1 采用無(wú)毒無(wú)害的原料
1,2—二溴乙烷傳統(tǒng)的合成反應(yīng)中,原料溴可揮發(fā)為有毒的氣體,強(qiáng)烈刺激咽喉、上呼吸道,直接導(dǎo)致流淚, 聲音嘶啞甚至失聲,而且溴還是劇毒,強(qiáng)腐蝕性化學(xué)品,因而根據(jù)綠色化學(xué)的原理,我們要研究尋找無(wú)毒無(wú)害的替代品即過(guò)吡啶氫溴酸鹽來(lái)替代溴,它是一種無(wú)毒,不易燃燒的紅棕色溴化絡(luò)合物.改變反應(yīng)原料的一般原則之一是考慮原料本身的危險(xiǎn)性,看是否對(duì)人對(duì)環(huán)境有害;是否具有比如毒性,發(fā)生意外事故的可能性;是否破壞生態(tài)環(huán)境;是否具有其他不友好性質(zhì)等
1.2 采用無(wú)毒無(wú)害的溶劑
1,2—二溴乙烷傳統(tǒng)的合成反應(yīng)中,由于溴易溶于四氯化碳,我們不得不用四氯化碳做溶劑,但四氯化碳也是有毒試劑,而據(jù)綠色化學(xué)的原理,我們?nèi)砸芯繉ふ覠o(wú)毒無(wú)害的替代品,而由于選用了很好的溴化劑過(guò)吡啶氫溴酸鹽,其是易溶于水的溴化絡(luò)合物,經(jīng)實(shí)驗(yàn)綜合分析,選用無(wú)毒無(wú)害的綠色溶劑乙醇來(lái)代替有毒有害的四氯化碳溶劑。由上述實(shí)驗(yàn)分析,我們已經(jīng)知道在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中我們經(jīng)常要考慮“選用什么樣的試劑”這樣一個(gè)問(wèn)題,當(dāng)然我們也可以進(jìn)一步考慮這樣一個(gè)問(wèn)題:“反應(yīng)必須要使用溶劑嗎”。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的溶劑大多都是揮發(fā)性的有機(jī)物,對(duì)人的健康,環(huán)境有很大的污染,所以可以用完全相同反應(yīng)的無(wú)毒無(wú)害溶劑或無(wú)溶劑的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化。據(jù)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)在采用下面幾種行之有效的方法:
1.2.1 水溶液
水由于價(jià)格低廉,無(wú)毒,不易燃燒,不易爆炸,在有機(jī)合成反應(yīng)中,可以省略許多如官能團(tuán)的保護(hù)和保護(hù)基團(tuán)等合成步驟,所以應(yīng)盡量使用水做溶劑而不采用有機(jī)溶劑。而水溶液作溶劑的烯烴復(fù)分解反應(yīng)正被應(yīng)用在綠色化學(xué)上和化學(xué)生物的親水酶作用物,例如蛋白質(zhì)和多糖。
1.2.2 離子溶液
離子液體作為一種“綠色”溶劑或催化劑在有機(jī)合成中發(fā)揮了獨(dú)特的作用,首先,離子液體作為溶劑為化學(xué)反應(yīng)提供了不同于傳統(tǒng)分子溶劑的環(huán)境,它可以改變反應(yīng)的機(jī)理,使催化劑的活性、穩(wěn)定性更好,選擇性、轉(zhuǎn)化率更高;其次,溶解在離子液體中的催化劑,具有均相催化效率高,多相催化易分離的優(yōu)點(diǎn),產(chǎn)物的分離可以用傾析、萃取和蒸餾等方法;再者因離子液體無(wú)蒸氣壓,液相溫度范圍寬,使得分離易于進(jìn)行。因此,對(duì)于許多有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn),如低聚反應(yīng),聚合反應(yīng),烷基化反應(yīng),酰基化反應(yīng)來(lái)說(shuō),離子溶液是良好的溶劑。
1.2.3 無(wú)溶劑化
徹底解決溶劑污染的最佳方法當(dāng)然就是完全不使用溶劑。例如使用環(huán)境友好催化劑與微波作用相結(jié)合的方法。
1.2.4 超臨界流體
當(dāng)達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)氣液界面消失,體系的性質(zhì)變得均一,不在分為氣體和液體。據(jù)了解,目前應(yīng)用最廣的就是超臨界二氧化碳,由于其對(duì)多數(shù)物質(zhì)具有較大的溶解度,而水在二氧化碳中的溶解度卻很小,這些性質(zhì)使得在近臨界或超臨界二氧化碳中分離有機(jī)物和水十分方便。
1.3 采用無(wú)毒無(wú)害的催化劑
1,2—二溴乙烷的合成反應(yīng)中,四氯化碳同時(shí)也是催化劑,同樣由于它是有毒催化劑,我們尋找到無(wú)毒無(wú)害的綠色催化劑乙醇來(lái)代替四氯化碳。而催化劑的選擇需要從許多方面考慮,如反應(yīng)的可行性,最大平衡產(chǎn)率,要求的最佳反應(yīng)條件,可選用的原料,反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性,在實(shí)際使用中可能會(huì)遇到的問(wèn)題,催化劑的經(jīng)濟(jì)性,催化反應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性等。據(jù)了解目前人們從以下幾個(gè)方面設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新的催化劑:首先,設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)新型分子氧氧化催化劑;其次,設(shè)計(jì)新型金屬配合物催化劑;最后設(shè)計(jì)新型分子篩催化劑。
1.4 采用固體酸
此方法提出兩類(lèi)催化劑:一類(lèi)是強(qiáng)酸性離子交換樹(shù)脂作催化劑,這類(lèi)離子交換樹(shù)脂均含有可被陽(yáng)離子交換的氫質(zhì)子,屬?gòu)?qiáng)酸性。常用的有酚磺酸樹(shù)脂以及磺化聚苯乙烯樹(shù)脂,雖然此類(lèi)催化劑具有酸性強(qiáng)、易分離、無(wú)碳化現(xiàn)象、脫水性強(qiáng)及可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn),但此類(lèi)催化劑的價(jià)格比較昂貴,用于實(shí)驗(yàn),成本太高。另一類(lèi)催化劑是非酸性催化劑,這類(lèi)催化劑是近年發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新方向,優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有腐蝕性,產(chǎn)品質(zhì)量好、色澤淺、副反應(yīng)少,而且成本較低。 因此此類(lèi)催化劑完全符合綠色化學(xué):不再使用有毒、有害的物質(zhì)、不再產(chǎn)生廢棄物、無(wú)需處理廢棄物,從源頭上消除污染,實(shí)行環(huán)境友好的要求。對(duì)于實(shí)驗(yàn)不用擔(dān)心由于操作失誤而引起硫酸灼傷等事故的發(fā)生了。
1.5 妥善處理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的廢棄物,減少污染物的排放
1,2—二溴乙烷合成的綠色反應(yīng)中,如果過(guò)吡啶氫溴酸鹽過(guò)量,可能會(huì)使廢液呈黃色,雖然過(guò)吡啶氫溴酸鹽無(wú)毒,但仍要對(duì)廢液進(jìn)行無(wú)害化處理,我們采用加入碳酸氫鈉的方法中和至無(wú)色,即可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。所以必須對(duì)實(shí)驗(yàn)的廢棄物進(jìn)行分門(mén)別類(lèi)處理, 使其對(duì)環(huán)境的危害性減小到最低, 達(dá)到零排放, 實(shí)現(xiàn)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化:
第一,溶劑的循環(huán)使用與產(chǎn)物回收
第二,廢液處理的化學(xué)法
有機(jī)廢液、廢渣可用焚燒、深埋、氧化分解、溶劑萃取及水解法等。鹵代烴可使其生成鹵化銀沉淀; 胺酚類(lèi)化合物毒性大可先用濃硝酸氧化, 再進(jìn)一步處理; 烴及其含氧衍生物先用強(qiáng)氧化性酸處理, 再用堿中和后排放。
第三,廢舊儀器的再利用
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中總會(huì)出現(xiàn)一些破損的儀器, 如果隨意丟棄無(wú)形中就增加了棄物的產(chǎn)生, 有些器具經(jīng)過(guò)加工還可重新使用。例如破損的玻璃電極經(jīng)過(guò)修復(fù)可以充當(dāng)銀電極; 破裂的蒸發(fā)皿、坩堝可以用做沸石;塑料的氨水及雙氧水瓶可改裝成洗瓶; 滴管損壞的滴瓶可改裝成盛放固體指示劑的器皿等。
第四,綠色植物可以吸收實(shí)驗(yàn)中的廢棄物
實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化的研究, 僅只是作了一些局部的探索性的研究與實(shí)踐。今后我們化學(xué)教師在工作中仍然會(huì)圍繞“綠色化學(xué)”這條主線, 不斷的進(jìn)行探索和實(shí)踐, 承擔(dān)起“實(shí)驗(yàn)綠色化”教育這一義不容辭的責(zé)任, 為人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展做出應(yīng)有的努力。
(作者單位:四川省米易中學(xué)校)