綠色化學理念在有機化學教學中的實踐

張偉

[摘 要] 近幾十年來，綠色化學取得了巨大進步，為化學學科的發(fā)展注入了新活力，也對化學、特別是有機化學的教學提出了新要求。首先探討了在傳統(tǒng)“有機化學”課程中進行綠色化教學改革的必要性;其次從社會形勢、教材選用、儀器保障及綠色化學基礎研究的支撐等方面，論述了綠色化學教學的可行性;最后以《腦文格縮合》一節(jié)的教學為例詳述了如何將綠色化學理念融入傳統(tǒng)教學中，使學生在掌握必要基礎知識的同時，了解學科發(fā)展動向，拓寬學術視野，并做到融會貫通。

[關鍵詞] 綠色化學;有機化學;腦文格反應;化學教育

[基金項目] 2020年度復旦大學本科教學研究與改革實踐項目“網(wǎng)絡視頻—線下混合課”（2020 A）

[作者簡介] 張 偉（1980—），男，上海人，博士，復旦大學藥學院副教授，碩士生導師，主要從事藥物化學研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）11-0077-04 [收稿日期] 2021-09-03

有機化學理論課及配套的有機化學實驗課是化學、材料、生命科學、醫(yī)學（含藥學）等專業(yè)本科生的必修課，對學生后續(xù)專業(yè)知識的學習、合理知識框架的構建起到非常重要的作用。在傳統(tǒng)的有機化學理論課教學中，大多側(cè)重知識點的講授，而對涉及的相關經(jīng)典反應的原子經(jīng)濟性、副產(chǎn)物處理等綠色因素關注不夠;相應的實驗課中也多考慮學生實驗試劑及所用儀器設備的經(jīng)濟性、操作的安全性、可重復性等，而對實驗過程中涉及藥品的環(huán)保性及產(chǎn)生廢棄物的量，以及是否容易處理的重視程度不夠[1]。20世紀90年代綠色化學興起，為化學學科發(fā)展和化學教育注入了新的活力。黨的十九大報告明確了“綠色發(fā)展，建設人與自然和諧共生的現(xiàn)代化”。因此，新形勢下對傳統(tǒng)有機化學教學提出了新的要求。本文結合筆者多年來講授本科生有機化學理論課與實驗課的經(jīng)歷，對傳統(tǒng)有機化學教學的“綠色化”改革和實踐進行了思考。

一、綠色有機化學教學的必要性

對于有機合成反應來講，涉及能量的輸入與輸出、起始物料、中間產(chǎn)物、所需主產(chǎn)物及不需要的廢棄物等多方面的因素。在理論課教學中，教師更側(cè)重于將相應的反應條件、反應機理等知識點傳授給學生，可能忽視了知識點背后的綠色因素。如鐵粉還原硝基苯生成苯胺是經(jīng)典的有機反應之一。學生在學習有機化學后，設計合成路線時，常常選擇此反應用以構建芳胺類化合物。從理論上來講并無不妥，但做過鐵粉還原實驗的學生會發(fā)現(xiàn)，反應產(chǎn)生的鐵泥處理起來非常麻煩。鐵泥不僅包裹了大量產(chǎn)物加大了純化的難度，還屬于危險廢棄物，回收處理的成本非常高，這一問題在工業(yè)生產(chǎn)中非常棘手。由此可知，對有機化學及配套的有機化學實驗課進行綠色化革新勢在必行，否則我們很可能教出考慮問題不全面、無法做到理論聯(lián)系實際的學生。有專家在《合成化學的研究前沿和發(fā)展趨勢》一文中指出：“未來的合成化學，將更加強調(diào)反應的高效性與選擇性，提升原子的經(jīng)濟性和反應的專一性，同時使能量輸入、溶劑使用、分離純化成本等降到最低”[2]。因此，將綠色化學的理念滲入傳統(tǒng)的有機化學教學中勢在必行。

二、綠色有機化學教學的可行性

習近平總書記提出了“綠水青山就是金山銀山”，反復強調(diào)生態(tài)文明建設和綠色發(fā)展的重要性。從社會形勢和社會輿論來講，綠色環(huán)保、綠色發(fā)展的理念已經(jīng)深入人心。采取傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的化工、化學制藥等行業(yè)，由于高污染、高能耗而頻頻被社會媒體曝光，由此也引導這些企業(yè)向綠色化學、綠色生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。目前新建的與化學化工相關的企業(yè)（包括一些小型研發(fā)中心），首先要通過安全性和環(huán)保方面的評估，審批難度大大增加。過于追求利潤而忽視環(huán)境保護的時代已經(jīng)一去不復返。從這個角度來說，當今社會輿論和公眾認知水平為傳統(tǒng)有機化學的綠色化提供了良好的社會基礎。

在教材方面，如今的基礎有機化學教材在保證重要基本知識點不變的情況下，對綠色化學內(nèi)容做了一定的介紹，甚至有專門編排綠色化學的相關章節(jié)。目前市面上也有多種關于綠色化學的專業(yè)性書籍可供教師在備課中參考，學有余力的學生也可以通過在課后閱讀這些書籍了解學科發(fā)展動向，擴展自己的知識面。

在儀器支撐方面，實施綠色化學教學的條件已經(jīng)完全成熟。比如在化學反應的能量輸入方面，早期的方法是使用酒精燈或煤氣燈等通過加熱燃燒提供能量，這些化石燃料在由化學能轉(zhuǎn)化為熱能的過程中，不僅污染空氣，還存在非常大的安全隱患。后來，人們又改用電熱套或油浴、水浴加熱，將相對清潔的電能轉(zhuǎn)化為熱能。雖然這種方法的安全隱患有所降低，但能耗仍然相對較高。如今，使用微波、超聲波、光照等提供能量的化學反應越來越多，相應的教學儀器價格也多在可接受的范圍之內(nèi)，這為綠色有機化學實驗提供了保障。

在基礎研究方面，科研工作者自20世紀末開始著力發(fā)展綠色化學反應，迄今已取得了相當大的進展。以溶劑的使用為例?；瘜W反應是分子間進行碰撞然后發(fā)生變化的過程，此過程一般伴隨能量輸入和能量輸出，為使分子完成相互碰撞并使能量輸入更均勻及能量輸出更可控，化學反應一般在某種分散劑（溶劑）中進行。反應完成后，又需要設法去除這些溶劑。過去人們研究化學反應，選擇溶劑時一般不做太多環(huán)境保護和人員防護方面的考慮，因此檢索早期的文獻經(jīng)?？梢砸姷揭恍┦褂酶叨?、易燃、致癌、致畸等溶劑的報道，現(xiàn)在已很少使用這些溶劑。隨著對傳統(tǒng)反應綠色化研究的深入，以離子液體、水等為溶劑的改良反應越來越多，甚至無溶劑的反應也多有報道。由此可見，綠色化學在基礎研究方面取得了巨大進步，也為有機化學教學綠色化提供了有力保障。

三、綠色有機化學教學的實踐

包括筆者在內(nèi)的多名有機化學教育工作者[3-5]嘗試將綠色化學融入有機化學教學，并取得了一定效果。

精選教材、精心備課是實現(xiàn)有機化學教學綠色化的首要條件。我院藥學專業(yè)本科生使用的教材為《基礎有機化學》（邢其毅、裴偉偉、徐瑞秋、裴堅主編，第4版，北京大學出版社2016年第4版）。該書內(nèi)容編排合理，對相應知識點的介紹也非常詳細。由于本書無專門的綠色化學章節(jié)，故教師在備課時還需參考其他專業(yè)書籍，比如可以使用《綠色化學原理》一書（何良年，等編著，科學出版社出版，2018年第1版）作為教輔，將其中相應的綠色化學內(nèi)容糅合到《基礎有機化學》的備課中。通過教材內(nèi)容的調(diào)整與更新，精選與基礎有機化學授課內(nèi)容密切相關且具有時代性的材料，在確保傳統(tǒng)授課要點不減量的前提下，使學生了解學科發(fā)展的前沿動態(tài)，融會貫通綠色化學理念。

課堂教學的質(zhì)量在很大程度上取決于教學方式。“灌輸式”教學方式并不能使學生做到知識點的融會貫通，只會增加課業(yè)負擔。將綠色化學滲入傳統(tǒng)有機化學教學中，比較適宜的方式是啟發(fā)式和誘導式教學。通過啟發(fā)學生的思維，引導學生自主思考、自主探索，發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，是傳統(tǒng)有機化學綠色化學教學的重要任務。

下面筆者以基礎有機化學《縮合反應》一章中腦文格（Knoevenagel）反應的教學為例，闡述綠色化學在有機化學理論課與實驗課教學中的實踐。

腦文格反應是一類重要的碳負離子型縮合反應。在理論課授課時，首先聯(lián)系學生已經(jīng)掌握的Perkin反應，指出腦文格反應是對Perkin反應的改進，是將反應原料中的酸酐換為活潑亞甲基化合物;其次引導學生回顧典型的含活潑亞甲基化合物都有哪些;隨后指出與Perkin反應不同。由于有了足夠的活潑氫，因此腦文格反應在弱堿催化下即可進行。引導學生通過比較得出結論：由于使用弱堿催化，腦文格反應避免了醛、酮的自身縮合，因此除芳香醛外，酮及脂肪醛均可以發(fā)生腦文格反應，這使得其底物范圍有所擴大。再通過比較Perkin反應和腦文格反應的副產(chǎn)物，點出后者的副產(chǎn)物是無污染的水，相比而言更為綠色環(huán)保。在溶劑方面，傳統(tǒng)的腦文格反應均需在有機溶劑中進行，反應結束后還要去除溶劑。這不僅加大了化學試劑的使用量，還增加了能耗。啟發(fā)學生：能否在某些綠色環(huán)保的溶劑中進行此類反應，常用的綠色溶劑有哪些，接下來可向?qū)W生介紹綠色化學在腦文格反應研究中的一些最新進展[6]。如在反應能量輸入方面，有文獻報道可用微波或超聲波代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加熱;在溶劑選擇方面，使用離子液體或水等綠色溶劑作為反應介質(zhì)，甚至無溶劑腦文格縮合也已有報道。這樣，在腦文格反應的教學中，首先讓學生聯(lián)系已有知識點，在Perkin反應基礎上引出新授內(nèi)容，然后讓學生從原料、催化劑、副產(chǎn)物等方面對二者進行對比。待學生基本掌握了這些知識點后，再引導學生做更為深入的思考：這個反應能不能用更環(huán)保的綠色方式實現(xiàn)。通過介紹該領域的一些最新進展，讓學生在掌握前沿科技的同時，將綠色化學理念融入自己的知識體系。

有機化學是一門實驗性學科，各種理論知識需要在實驗中進行深化和驗證。因此，我們除了在理論課教學中貫徹綠色化學的理念外，還應該把更多的精力用于有機化學實驗的綠色化。有機化學教育工作者已經(jīng)在這方面做了很多嘗試，主要包括實驗微型化、綠色化，設計選用原子經(jīng)濟性高的實驗，等等[7]。

1.教學方式的轉(zhuǎn)變。2020年新冠肺炎疫情期間，由于學生不能按時到校學習，實驗課時被大大壓縮。在這種情況下，我們在復旦大學A類教改項目“有機化學實驗網(wǎng)絡視頻—線下混合課”的支持下，啟動了實驗教學的視頻化。我們對實驗課進行了重新梳理，去粗取精，然后針對重點實驗重新錄制了視頻。首先對一般反應裝置的搭建、加熱、抽濾、萃取、洗滌、蒸餾、重結晶等基本單元操作步驟進行視頻化。出鏡人員需全程穿戴實驗服、護目鏡、手套進行操作，動作務必規(guī)范。對重點難點操作拉近鏡頭給予特寫，以求讓無任何實驗基礎的學生可以看清、看懂。通過在線上反復觀看這些視頻，學生對要進行的實驗操作有了很好的了解，在解封返校后，可以很快地完成實驗操作。實踐證明，這種線上線下混合的教學模式取得了較理想的效果。

2.實驗教學內(nèi)容的更新?！翱s合反應”是基礎有機化學理論課上要學習的重點內(nèi)容。作為相應的配套實驗，我校在有機化學實驗課上安排的是丙酮與苯甲醛反應制備雙（二亞芐基丙酮）。該實驗以丙酮和新蒸苯甲醛為原料，反應消耗1當量的丙酮、2當量的苯甲醛、5當量的氫氧化鈉，反應在乙醇和水的混合溶劑中進行，反應時間為45～60分鐘。反應結束后減壓抽濾獲得產(chǎn)物，濾液為含醇廢水，應倒入有機廢液桶以待集中處理。同時，由于氫氧化鈉使用量大，在反應結束后需要用大量的清水洗滌產(chǎn)物至溶液呈中性，由此產(chǎn)生了較多堿性廢水。

筆者遵循綠色化學的原則，并結合自己在相關領域的科研成果[8]，將綠色有機合成新技術應用于傳統(tǒng)的有機化學實驗教學。我們設計了水相腦文格縮合反應，該實驗無須使用有機溶劑和強酸強堿，反應耗時短、后續(xù)處理簡單、產(chǎn)生的廢棄物少，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雙（二亞芐基丙酮）制備實驗。該實驗課的詳細內(nèi)容如下。（1）實驗目的。學習和掌握醛（酮）與含有活潑亞甲基化合物的反應;掌握減壓抽濾操作;掌握熔點儀的使用方法，能夠熟練測量化合物的熔點。（2）實驗原理。反應式見圖1。（3）實驗方案設計。一是儀器和試劑。儀器：100ml單口瓶、燒杯、量筒、帶加熱功能磁力攪拌器、玻璃棒、刮刀、布氏漏斗、循環(huán)水式多用真空泵、抽濾瓶。試劑：對甲氧基苯甲醛、丙二腈、水、脯氨酸鋅。二是實驗步驟。第一步，取100ml單口瓶，小心放入攪拌，然后架在磁力攪拌器上。第二步，加入30ml水，然后開始攪拌，保持適宜的轉(zhuǎn)速。第三步，依次加入4.08g（30m/mol）對甲氧基苯甲醛和1.98g丙二腈（30m/mol）。第四步，將以上混合物加熱到80℃，然后加入17.6mg脯氨酸鋅，再攪拌10～15分鐘。第五步，反應液自然冷卻，有大量固體生成，注意適時加大攪拌力度。第六步，減壓抽濾，然后以～30ml水洗滌產(chǎn)物。第七步，濾餅以紅外燈烘干至恒重。第八步，稱量并記錄產(chǎn)物重量，計算收率。第九步，取少量樣品研細，使用全自動熔點儀測定其熔點。三是實驗結果與討論。筆者在前期的科學研究中發(fā)現(xiàn)了一種在水中使用脯氨酸鋅催化腦文格反應的新方法。我們研究了近20種醛（酮）與丙二腈的反應，發(fā)現(xiàn)反應大多可在10分鐘左右完成，收率一般不低于85%。更重要的是，該方法后續(xù)處理非常簡單，只需過濾即可將產(chǎn)物分離，且催化劑可以重復使用多次而不會對收率造成明顯影響。根據(jù)這一研究結果，同時考慮到本科生有機化學實驗課的實際情況，我們對其做了適當優(yōu)化，并將之用于本科生的實驗教學之中。

為考察該實驗的重現(xiàn)性，筆者前后共安排了5名一年級本科生進行了實際操作。每人實驗2次，共進行10次實驗。結果發(fā)現(xiàn)，按上述投料量及操作要點，反應均在15分鐘內(nèi)完成，收率從90～99%不等，平均收率95%。

本反應將傳統(tǒng)高毒易燃的有機溶劑換成了水。反應的產(chǎn)物在水里溶解度很低，反應結束后過濾即可，大大提高了分離效率，降低了純化成本。此反應的副產(chǎn)物是水。反應完成后，經(jīng)過減壓抽濾獲取所需產(chǎn)物后，濾液（溶有催化劑）另收集。將此母液反復套用8次，反應收率未見明顯下降。不過，考慮到多次套用后母液顏色加深不利于對反應現(xiàn)象的觀察，筆者建議如需套用，母液套用5次即可。由于反應的溶劑可多次套用，大大降低了實驗成本和廢棄物的量，因而此反應具有良好的經(jīng)濟性和環(huán)境友好性。

隨著科學技術的發(fā)展，對傳統(tǒng)有機化學教學進行綠色化改革是必要的，在客觀條件上也是完全可行的。筆者嘗試了將綠色化學的相關內(nèi)容融入有機化學理論課教學，通過啟發(fā)式與誘導式教學，使學生了解學科發(fā)展前沿，形成了綠色化學的思維。在有機化學實驗課上，通過線上線下混合模式的教學，提高了學生的學習效率;借助最新科研成果對實驗內(nèi)容進行了更新，使綠色化學的理念貫穿理論教學與實驗教學中，并取得了較好的效果。

參考文獻

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Practice of Green Chemistry Concept in Organic Chemistry Teaching： Taking Knoevenagel

Condensation Reaction as an Example

ZHANG Wei

（School of Pharmacy， Fudan University， Shanghai 201203， China）

Abstract： In the past decades， remarkable progress has been made in the field of green chemistry， which gives new vitality to the development of chemistry. At the same time， the development of green chemistry also makes new requirements for chemistry education， especially organic chemistry. This paper discusses the necessity and feasibility of green chemistry teaching. The author takes Knoevenagel condensation reaction as an example to describe how to integrate the concept of green chemistry into traditional organic chemistry teaching. This strategy enables students to understand the new trend of chemistry， broaden their academic horizons， and achieve a thorough understanding.

Key words： green chemistry; organic chemistry; Knoevenagel condensation reaction; chemistry education