在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中踐行綠色化學(xué)理念*

張舜波 沈 琤 程 璇 杜華夫 游秋云

（湖北中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，湖北 武漢 430060）

有機(jī)化學(xué)是中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)各專業(yè)、檢驗(yàn)各專業(yè)必修的基礎(chǔ)課之一，而有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課是學(xué)好有機(jī)化學(xué)、掌握實(shí)驗(yàn)操作技能的重要途徑。但有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試劑、產(chǎn)物的毒性和廢水、廢氣、廢液的產(chǎn)生排放也長(zhǎng)期困擾著師生們，給師生們的身體健康帶來(lái)了巨大危害，給毗臨的美麗的黃家湖帶來(lái)了污染。隨著近年來(lái)綠色化學(xué)[1]理念的興起和實(shí)踐，改進(jìn)更新湖北中醫(yī)藥大學(xué)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，降低實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各種因素對(duì)師生健康的危害，保護(hù)我們周圍的環(huán)境，也被提上了議事日程。

十三五期間，根據(jù)學(xué)校統(tǒng)一安排，對(duì)部分學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)進(jìn)度作出適當(dāng)調(diào)整，有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課恰在其中。經(jīng)與藥學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心負(fù)責(zé)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教師多次交流討論，確定了這次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)整的原則：以綠色化學(xué)理念為指導(dǎo)，精選實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從源頭上減少、控制有害試劑的使用；強(qiáng)化對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的管理，加強(qiáng)對(duì)廢液的回收，減少?gòu)U水、廢氣的排放；在教學(xué)過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)綠色化學(xué)理念的傳播。湖北中醫(yī)藥大學(xué)調(diào)整前后的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容見(jiàn)表1。

1 精心選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)湖北中醫(yī)藥大學(xué)辦學(xué)層次定位，有機(jī)化學(xué)在藥學(xué)、中藥學(xué)專業(yè)中的位置，考慮實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器條件，學(xué)生的動(dòng)手能力普遍比較薄弱，確定以現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，在確保甚至加強(qiáng)基本操作、基本技能的學(xué)習(xí)訓(xùn)練的前提下，按照“保留、刪除、替換、改良、增加”的原則對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行汰舊換新[4]。

1.1 保留的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 簡(jiǎn)單蒸餾、減壓蒸餾、水溶劑重結(jié)晶、熔點(diǎn)的測(cè)定、萃取這5 個(gè)實(shí)驗(yàn)主要是為了訓(xùn)練學(xué)生的基本操作，所用試劑量少、無(wú)毒、無(wú)刺激性，予以保留。保留的合成實(shí)驗(yàn)和提取實(shí)驗(yàn)都具備試劑、產(chǎn)物環(huán)保無(wú)毒或低毒，現(xiàn)象明顯等特點(diǎn)。

1.2 刪除的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 苯亞甲基苯乙酮 由于最終產(chǎn)物苯亞甲基苯乙酮有刺激性，會(huì)導(dǎo)致部分學(xué)生過(guò)敏而且持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，從安全角度考慮，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中刪掉，本實(shí)驗(yàn)所涉及的攪拌裝置、重結(jié)晶操作安排在其他實(shí)驗(yàn)中。

1.2.2 甲基橙的制備 本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，很多大學(xué)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中都有開設(shè)。該實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，沒(méi)有用特殊儀器，現(xiàn)象明顯，可以讓學(xué)生直觀地觀察到重氮化反應(yīng)，偶聯(lián)反應(yīng)前后的變化。但原料N，N-二甲基苯胺是劇毒品，具有血液毒、神經(jīng)毒和致癌性，亞硝酸鈉也是眾所周知的致癌物，同時(shí)該實(shí)驗(yàn)所用儀器及操作過(guò)于簡(jiǎn)單，只用到了試管、燒杯、玻璃棒、水浴等簡(jiǎn)單儀器，主要操作技能重結(jié)晶在很多實(shí)驗(yàn)中會(huì)反復(fù)使用，在學(xué)時(shí)數(shù)有限的情況下，只能刪除。采取在理論課上展示反應(yīng)過(guò)程的照片補(bǔ)救，主要是重氮鹽結(jié)晶，甲基橙在反應(yīng)過(guò)程中在不同pH值下顏色的變化。

1.2.3 旋光度與折光率的測(cè)定 在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中有類似實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重復(fù)。

1.2.4 有機(jī)化合物性質(zhì)實(shí)驗(yàn) 操作過(guò)于簡(jiǎn)單，用多媒體教學(xué)可以演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在肥皂的制備實(shí)驗(yàn)中安排了部分性質(zhì)實(shí)驗(yàn)（甘油、羧酸），作為彌補(bǔ)。

1.3 替換的實(shí)驗(yàn)

1.3.1 用無(wú)水乙醇的制備替換掉正溴丁烷的合成 以溴化鈉、濃硫酸、正丁醇制備正溴丁烷，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)習(xí)訓(xùn)練帶有氣體吸收裝置的加熱回流操作，蒸餾操作以及分液漏斗的使用。該反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的溴化氫為揮發(fā)性刺激性氣體，所以采用了簡(jiǎn)易的氣體吸收裝置，主要出現(xiàn)2 個(gè)問(wèn)題：（1）學(xué)生們把握不好漏斗與水面的角度，導(dǎo)致溴化氫少量泄漏到教室里刺激師生們的呼吸系統(tǒng)，腐蝕教室里的金屬設(shè)備（與湖北中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)設(shè)備落后也有關(guān)），特別是實(shí)驗(yàn)帶教教師，年年都要受到傷害，一直呼吁將該實(shí)驗(yàn)替換掉；（2）如果意外將漏斗全部覆蓋到水面上，容易發(fā)生水流倒灌到反應(yīng)燒瓶中，引起學(xué)生驚慌混亂，出現(xiàn)意外甚至事故。無(wú)水乙醇的制備只使用95%的乙醇和生石灰2 種原料，得到的產(chǎn)物是無(wú)水乙醇和碳酸鈣，基本無(wú)毒無(wú)害，從操作上來(lái)說(shuō)，也訓(xùn)練了帶有干燥裝置的加熱回流操作，蒸餾操作。缺少分液漏斗的使用，但在其他實(shí)驗(yàn)中也有安排。用無(wú)水乙醇的制備替換掉正溴丁烷的制備，對(duì)環(huán)保和師生安全2 個(gè)方面都有提升，并且操作訓(xùn)練要求并沒(méi)有降低。

1.3.2 用丹皮酚的提取替換掉從橙皮中提取檸檬烯 這2 個(gè)實(shí)驗(yàn)都是采用水蒸氣蒸餾法來(lái)分離有效成分，操作完全一樣。從橙皮中提取檸檬烯存在的問(wèn)題有三：（1）原料臍橙可以吃，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室吃橙子可能會(huì)帶來(lái)安全隱患；（2）看到實(shí)驗(yàn)室還有吃的東西，引起學(xué)生過(guò)度興奮，教室秩序不好控制；（3）所得到的檸檬烯為油狀液體，量很少，部分學(xué)生甚至沒(méi)有。另外，實(shí)驗(yàn)中用的萃取劑二氯甲烷有毒有害，是潛在的致癌物，這也是該實(shí)驗(yàn)被替換的重要原因。丹皮酚的提取用的原料是牡丹皮，常用的中藥材，提取物丹皮酚為常用藥物。通常情況下30 g牡丹皮可以提取50～200 mg 的丹皮酚，丹皮酚為針狀結(jié)晶，如果室溫合適，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，冷凝管的后部，尾接管里面會(huì)出現(xiàn)丹皮酚的結(jié)晶，非常便于觀察，實(shí)驗(yàn)效果很好。

1.4 改良的實(shí)驗(yàn)

1.4.1 乙酸乙酯的合成 乙酸乙酯是一個(gè)經(jīng)典的合成實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)方法采用硫酸作為催化劑，同時(shí)硫酸還具有脫水性，在反應(yīng)過(guò)程中吸收產(chǎn)生的水有利于提高乙酸乙酯的產(chǎn)率。由于濃硫酸的強(qiáng)脫水性，甚至能使乙醇脫水生成碳，導(dǎo)致反應(yīng)液剛開始就變黃變黑，少數(shù)追求完美的學(xué)生就認(rèn)為實(shí)驗(yàn)做壞了，不經(jīng)教師允許就將反應(yīng)液倒掉重做，實(shí)在讓教師無(wú)奈！用硫酸氫鈉代替硫酸，已經(jīng)被很多學(xué)校采用，避免了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中反應(yīng)液變黑。同時(shí)，不使用硫酸，后續(xù)的廢液處理也安全簡(jiǎn)單得多。

1.4.2 乙酰苯胺制備 由于苯胺有毒，將苯胺的用量由5 mL改為2 mL，其他反應(yīng)試劑也減半，最終得到約2 g乙酰苯胺，現(xiàn)象同樣明顯，試劑的使用量降低了一半，廢液的產(chǎn)生也減少了一半。

1.5 增加的實(shí)驗(yàn)

1.5.1 肥皂的制備及性質(zhì) 所用原料、產(chǎn)物食用油、甘油、肥皂均環(huán)保無(wú)毒，產(chǎn)物肥皂允許學(xué)生帶回去使用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。還有部分性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，補(bǔ)充了刪除性質(zhì)實(shí)驗(yàn)后的不足。

1.5.2 立體化學(xué)模型實(shí)驗(yàn) 鑒于學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)中缺乏對(duì)分子結(jié)構(gòu)立體形象的想象和理解，特別在學(xué)習(xí)立體化學(xué)這一章后增加了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生直觀感受有機(jī)化合物的立體結(jié)構(gòu)，有利于理論課的學(xué)習(xí)。

2 強(qiáng)化對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的管理

2.1 加強(qiáng)安全教育 確保師生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的安全是最優(yōu)先考慮的問(wèn)題[5]。通過(guò)加強(qiáng)安全教育培訓(xùn)，樹立安全意識(shí)，避免燙傷，化學(xué)試劑灼傷，吸入易揮發(fā)試劑等。

2.2 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)試劑的管理 部分學(xué)生對(duì)合成實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的現(xiàn)象沒(méi)有把握，片面地認(rèn)為實(shí)驗(yàn)失敗，不經(jīng)教師允許將反應(yīng)液偷偷倒入下水道，然后重做。經(jīng)與實(shí)驗(yàn)教師約定，在實(shí)驗(yàn)開始一段時(shí)間后，將主要試劑移出實(shí)驗(yàn)室；認(rèn)為做得不好的實(shí)驗(yàn)小組，首先必須報(bào)告帶教教師，經(jīng)帶教教師同意后將反應(yīng)液回收到廢液缸，再找實(shí)驗(yàn)教師領(lǐng)取試劑重做。個(gè)別實(shí)驗(yàn)比如制備乙酸乙酯中的硫酸氫鈉，合成乙酰苯胺時(shí)用的鋅粉，直接由實(shí)驗(yàn)教師發(fā)放。采取這些措施后，重做的頻次比以前下降了95%，避免了廢液的隨意傾倒，也節(jié)約了試劑[6]。

2.3 采用廢液廢渣回收登記制度“綠水青山就是金山銀山”，環(huán)保理念多年前就已經(jīng)深入人心，湖北中醫(yī)藥大學(xué)也早已經(jīng)采取了廢液回收，廢水集中處理再排放的措施。但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的落實(shí)卻參差不齊?，F(xiàn)在規(guī)定每次實(shí)驗(yàn)后，回收廢液和傾倒廢渣必須登記，而且和實(shí)驗(yàn)成績(jī)掛鉤（這個(gè)措施最有效?。?，基本避免了廢液、廢渣隨意傾倒的行為，廢液的回收可以達(dá)到100%。

2.4 溶劑的回收和產(chǎn)物再利用 酒精是實(shí)驗(yàn)中使用較多的試劑。制備無(wú)水乙醇后無(wú)水乙醇要回收，簡(jiǎn)單蒸餾及從茶葉中提取咖啡因中使用的酒精都是反復(fù)回收利用的[5]。乙酰苯胺合成實(shí)驗(yàn)得到的乙酰苯胺也被回收用在水溶劑重結(jié)晶操作訓(xùn)練中。減少了試劑的使用，節(jié)省了成本。

3 開展綠色化學(xué)理念專題講座 課堂教學(xué)上滲透綠色化學(xué)理念

湖北中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)相關(guān)專業(yè)，檢驗(yàn)學(xué)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)后大都和化學(xué)相關(guān)，在實(shí)踐中踐行綠色化學(xué)理念，效益是巨大的[5]。對(duì)每一屆新生，都由湖北中醫(yī)藥大學(xué)專業(yè)資深教師就綠色化學(xué)的提出、內(nèi)涵、重要性、原則、特點(diǎn)、在我國(guó)的研究推廣情況開展講座，由于學(xué)生們?cè)谥袑W(xué)學(xué)習(xí)過(guò)一些基礎(chǔ)的化學(xué)知識(shí)，講座深入淺出，結(jié)合實(shí)際，受到了學(xué)生們的廣泛歡迎。同時(shí)在具體的課程教學(xué)中，各位教師也結(jié)合自己的學(xué)科特點(diǎn)，將綠色化學(xué)理念貫穿在教學(xué)中。

調(diào)整后的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及配套措施實(shí)施三年來(lái)，減排效果明顯，效益巨大，確保了學(xué)生基本操作技能的學(xué)習(xí)，沒(méi)有發(fā)生安全事故（僅個(gè)別學(xué)生燙傷，可以用在實(shí)驗(yàn)室備用的燙傷膏處理），試劑的用量減少，消除了有毒刺激性氣體的排放，廢液、廢渣全回收，師生的滿意度大大提高，也為學(xué)校周圍環(huán)境保護(hù)做出了貢獻(xiàn)。綠色化學(xué)理念的踐行沒(méi)有止境，下一步，在高等有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)（研究生開設(shè)）全面微量半微量化的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)下，于本科生的有機(jī)化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)中，部分引入微量半微量實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步降低試劑的使用量，降低廢水、廢液的產(chǎn)生量。