有机化学实验教学中渗透绿色化学理念

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摘要：随着有机化学学科的快速发展，新的有机合成技术不断涌现出来，针对有机化学实验对环境污染问题，有机化学实验绿色化这一理念逐渐被提出。本文根据实际教学中所出现的环境污染问题提出了在有机化学实验教学过程中，通过采用无溶剂、绿色催化剂、目标产物的绿色化、废弃物的回收利用等方法来实现有机化学实验绿色化。
关键词：绿色化学；有机化学；教学
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）51-0250-02
一、引言
“绿色化学”又称环境无害化学、环境友好化学、清洁化学，是设计研究没有或尽可能少的环境负作用，并在技术上、经济上可行的化学品和化学过程，包括原料和试剂在反应中的充分利用。它是实现化学污染防治的基本方法和科学手段，是一门从源头上阻止污染的化学。绿色化学适用各种化学领域，是用化学的技术和方法去减少或消灭那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂、试剂和产物、副产物等的使用和产生。
有机化学是化学的重要组成部分，有机化学实验是高校化学化工、环境、医学、农学等专业重要的基础课，对学生掌握有机化学知识，培养思维能力有着十分重要的作用。有机合成化学实验中使用的许多试剂、溶剂、催化剂以及排放的废料，都易对环境产生污染，影响实验者的健康，所以在有机化学实验教学中实行绿色化学教育，培养学生的绿色化和环保意识有十分重要的意义，也是高校有机化学实验教学改革的重点，因此，实现有机化学实验绿色化教学势在必行。作为多年从事有机化学实验教学的教师，结合实际教学情况和体会，对有机化学实验的绿色化，提出了一些想法，并进行了初步的实践。现将我们在有机化学实验教学过程中的一些经验总结如下。
二、合理设计实验，体现绿色化学思想
在保证达到实验教学目的和使学生能够掌握基本操作技能的前提下，有机化学实验要尽力遵循绿色化的途径。实验内容应尽量选用毒性小、废弃物少、污染轻的实验。例如：“己二酸的制备”实验，可以采用高锰酸钾替代硝酸做氧化剂，避免实验中产生大量有毒的氮氧化物气体和使用硝酸带来的强腐蚀性。又如：利用液溴制备溴苯的实验，液溴有毒，腐蚀性大，可以选用低毒高活性的溴化剂N-溴代丁二酰亚胺代替。
三、绿色化学理念在实验过程中的渗透
我们在有机化学实验教学中尽可能地实现实验内容的绿色化，注意培养学生的绿色化学意识。结合学校的实际情况，合理选择有机化学实验内容，不选用苯、甲苯、二氯甲烷、硝基苯、苯胺等毒性较大的试剂作为溶剂、原料和产品进行实验。总之，在有机化学实验的操作过程中，要把绿色化学的理念贯穿到整个有机化学实验的教学之中。
（一）试剂的选择
时至今日，人们己形成了一种固定思维模式，习惯地将有机反应放在溶剂中进行。在传统的有机合成中，有机溶剂是最常见的反应介质，因为他们能很好地溶解有机物，保证物料混合均匀和热量交换稳定，但有机溶剂的毒性和难以回收又成为对环境造成污染的主要因素。随着绿色化学的发展，新的绿色合成技术和合成方法不断涌现，这为有机实验的绿色化提供了很多有效途径。近年来无溶剂、绿色溶剂（离子液体、超临界流体、水）在有机合成中的应用得到了空前的发展，这些手段对于加快反应速度、减少能耗、减小污染有很重要的作用。
1.无溶剂的化学合成。在过去的近30年中，无溶剂化学合成得到很大发展。在合成中通常需要使用一些助剂，如催化剂或固体载体，也可能用到光、研磨、微波加热和超声波等方法。例如：苯基环己酮与查尔酮的Michael加成反应，可以使用溴化四丁胺为催化剂，在室温下用研磨的方法合成。又如：2-苯基四氢喹唑啉的合成，可以在无溶剂条件下由2-氨基苯胺与苯甲醛的缩合，转化率很高。
2.选用水为介质的合成。以水为介质的有机反应是“与环境友好的合成反应”的一个重要组成部分。水相中的有机反应具有许多优点：操作简便、安全，没有有机溶剂的易燃、易爆等問题。在有机合成方面，可以省略许多诸如官能团的保护和去保护等的合成步骤。水的资源丰富，成本低廉，不会污染环境，因此是潜在的“与环境友善”的反应介质。
3.选用绿色溶剂的化学合成。绿色溶剂被认为是绿色化学中很有前景的一类反应介质，尤其是离子液体。离子液体的研究是近年来绿色化学领域的研究热点之一，室温离子液体是一类特殊的液体熔融盐，具有优良的物理化学性质及可修饰、调变的阴阳离子结构，且可循环使用，被认为是替代常用挥发性有机溶剂的新型绿色溶剂。近几年来，离子液体作为一种绿色溶剂及催化剂在有机合成中发挥了独特的作用，受到人们越来越多的关注。因此，在离子液体中进行有机反应成为化学研究的一个重要领域。例如：在芳醛与丙烯酸甲醋的不对称Baylis-Hillman合成反应中，用季铵盐型离子液体作为溶剂，产率很高。又如：在离子液体中进行的Suzuki交叉偶合反应与传统方法相比具有诸多优势：少量的催化剂即可使反应活性明显提高；无副产物产生，产物纯净且容易分离；反应可以在空气中进行，产率不降低，催化剂不分解；催化体系可以重复使用。
（二）积极开展微量或半微量实验，减少试剂消耗和污染
传统的常量实验具有现象明显、操作方便的优点，但消耗多、污染大，不利于环境友好。微量或半微量实验推广已有十几年，逐渐引起各国化学教育界的广泛重视，已成为国际趋势，成为化学实验改革的方向之一。目前我国已有数百所大中学校开始在化学教学中采用微型实验，取得了很好的社会与经济效益。微型化学实验主要有以下几方面的特点：节约药品、节省能源、降低实验成本；实验迅速；减少环境污染，避免不安全隐患；能激发学生学习的兴趣，提高学生实验技能。例如：2-甲基-2-己醇的制备、乙酰乙酸乙酯的制备、肉桂酸的制备等实验，按照实验教材药品用量的■进行实验。在同样可以达到实验目的同时，减少了废弃物的排放量，保护了环境。总之，微型化学实验不仅有利于培养学生的创新能力、提高教学质量，也有利于师生的身心健康以及培养环保意识和绿色化学的理念。
（三）绿色催化剂的选择
催化剂在化学合成中起着十分重要的作用，每种新型催化剂的发现及催化工艺的研制成功，都会引起化学工业的重大革新。绿色催化自然是绿色化学研究的另一个重要内容。少量、高效催化剂的加入可以大大加快反应的速率、提高反应的选择性及降低副反应的产生。绿色催化剂还应该具备清洁无毒和可循环使用的特点。目前有机合成中使用的绿色催化剂主要包括固体酸、固体碱、晶格氧选择氧化催化剂等非均相催化剂以及生物催化剂（酶催化剂）。例如：在传统的有机合成中，烷基化、酯化、水合、酰化、烃类异构化反应一般使用氢氟酸、硫酸、三氯化铝等液体酸催化剂，这些催化剂在工艺上难以连续生产，不易分离，对设备腐蚀严重，危害人体健康，产生废液废渣，污染环境。而我们可以选择分子筛、杂多酸、超强酸等新型催化剂。又如异丁烷与丁烯的烷基化反应原来使用氢氰酸或硫酸作催化剂，现在可用新开发的负载型磺酸盐/SiO2催化剂代替。
（四）目标产物的绿色化
绿色产品，应具有合理的使用功能及使用寿命，产品易于回收、利用和再生，在使用过程中和使用后不会危害生态环境和人体健康，报废后易于处置，在環境条件下容易降解。在有机实验中联系实际，如目前大量使用的聚苯乙烯发泡塑料快餐盒，使用以后成为垃圾，在自然条件下，需数百年才能降解，对环境带来严重的影响。为了加速它的自然降解，我们生产时可以在其中加入光敏剂、化学助剂等，使其在使用后几个月内即分解成无害物质。
（五）废弃物的回收利用
有机化学实验过程中使用的有机溶剂，一般毒性较大、难处理，随意倒掉这些有机溶剂，不仅对环境造成严重污染，还会造成药品的浪费。基于绿色化学原则，处理这些有机溶剂，应进行重新蒸馏后利用，或在实验中重复再次使用。对于在实验过程中产生的有毒物质也要积极处理，例如：在制备正溴丁烷的实验中会产生腐蚀性气体溴化氢，要使用氢氧化钠溶液进行吸收处理，对水银温度计破损洒出的汞认真进行收集，并撒硫磺粉进行处理，尽可能减少对学生的危害。对于某些数量较少、浓度较高确实无法回收使用的有机废液，可采用活性炭吸附法、过氧化氢氧化法处理，或在燃烧炉中供给充分的氧气使其完全燃烧。对实验中产生的废酸、废碱，要指导学生倒入相应容器中，经中和至近中性（pH=6-9）时方可排放。通过有机化学实验绿色化实践，有效地做到实验药品循环使用，减少环境污染，使绿色化学教育在实验教学中对学生起到潜移默化的作用，提高了学生的环保意识。
（六）多媒体在有机实验教学中的应用
随着科技的发展和计算机普及，多媒体已成为化学实验教学发展的趋势和必然，将多媒体技术引入实验教学，对提高学生化学实验操作技能和对实验的理解起着重要的作用。例如：像易燃易爆等危险性较大的实验、毒性较大且不易控制的实验，可使用多媒体教学辅助手段来代替此类实验，既保证了学生的安全，保护了环境，又达到了良好的教学效果。例如：在制备亚磷酸二苯酯的实验中，反应出来的粗品需进行减压蒸馏，如反应瓶温度达到250℃，体系中存在微量的氧，亚磷酸将会冒烟，发生爆炸。
四、学生绿色化学意识的加强
我国绿色化学教育还处于起步阶段，但化学实验绿色化已经成为化学教学改革发展的必然趋势，将成为培养学生的绿色化学观念和创新能力的重要途径。有机化学实验教学不仅需要培养学生的基本化学实验技能，同时应把绿色化学思想融于实验教学之中，让学生了解绿色化学，树立起绿色意识。
实践证明，在有机化学实验教学中渗透绿色化学教育是可行的。
参考文献：
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