高校基础有机化学实验的绿色化

马祥梅，王　斌，冯道全，邢宏龙

(安徽理工大学 化学工程学院，安徽 淮南 232001)



高校基础有机化学实验的绿色化

马祥梅，王斌，冯道全，邢宏龙

(安徽理工大学 化学工程学院，安徽 淮南 232001)

摘要：针对有机化学实验对环境污染的影响，结合高校化学实验的教学现状，通过实验内容的设置、绿色催化剂的使用、试剂用量的减少、多媒体技术的运用以及现代合成手段的融入等，将绿色化学理念应用到基础有机化学实验中，不仅有效地降低了实验教学带来的环境污染，而且还改善了教学效果，更有利于培养学生的创新意识。

关键词：有机化学，实验教学；绿色化学

绿色化学又称“环境无害化学”和“清洁化学”，它内容广泛，涉及有机合成、催化化学、生物化学、分析化学等学科，其核心内容主要体现在5个“R”：Reduction、Reuse、Recycling、Regeneration、Rejection(即减量、重复使用、回收、再生、拒用)。面对科学技术和知识经济的高速发展以及日趋严重的环境污染问题，高校的教育模式和对人才的培养模式必须也作相应的改变，更新教学内容和教学手段成为教学改革的重要课题，绿色化学教育进入化学教育领域是一个值得思考和探索的问题。为了避免化学尤其是有机化学实验室成为新的环境污染源[1]，在有机化学实验教学中实行绿色化学教育，秉承绿色化学的理念，具有重要的现实意义。

1实验内容的绿色化

绿色化学的目的是用化学方法在化学过程中预防污染，抓住绿色化学这一学科前沿，不断更新化学知识结构，合理选择实验内容，尽量做到原料、溶剂和产品无毒或低毒化，废除毒性大的实验，不选用重铬酸钾、氯酸盐类氧化剂，取消涉及硝基苯和苯胺类毒性较大化学试剂的实验，从源头上满足绿色学化的要求。如己二酸的合成实验，传统的实验方法是用浓硝酸或高锰酸钾氧化环己醇制取，产生大量污染性氧化氮或氧化锰废弃物，而使用绿色氧化剂过氧化氢不仅产率高，还可避免二次污染。有机溶剂是最常用的反应介质，但其毒性和难以回收使之成为对环境有害的因素，因而使用新型绿色反应介质(水、离子液体或超临界液体)代替有机溶剂或彻底避免使用有机溶剂(无溶剂条件)已成为绿色化学的重要研究方向。水无毒、价廉、安全，无疑是最佳的选择，但要注意废水是否会造成新的污染。因此，减少有毒溶剂的使用，寻找更加绿色的合成实验是化学实验室今后努力的方向。实验内容的绿色化还应考虑实验废液的处理，由于化学实验过程中使用的试剂和产生的废液和有毒金属、多环芳烃、表面活性剂、卤代烃、亚硝基胺、多氯联苯等也会造成环境污染[2]。因此，要充分认识到实验中和实验后产生废液的危害性，对废液进行严格的回收处理，对实验产物尽可能再利用等，把环境友好问题作为评价实验内容的重要指标。

2催化剂应用的绿色化

新的催化材料或催化技术的应用会促使化学工业的重大变革和技术进步，催化剂的应用对化学化工的绿色化进程起着重要的作用，已被许多绿色化学合成的开发所证明[3]。传统的有机化学实验多使用一些强酸或强碱作为催化剂，它们共同的缺点在于腐蚀设备和严重危害人身健康，并且易产生污染环境的废弃物。固体酸催化剂的问世是酸催化研究的重大转折，不仅易于保管、使用方便，对环境污染和设备腐蚀较低，甚至不溶于有机反应体系，便于操作、回收，是一类环境友好型催化剂[4]。在目前高校基础有机化学合成实验中的酯化反应、硝化反应、氧化反应和消除反应中，固体酸催化剂能够起到很好的催化作用[5]。如阿司匹林的制备，目前主要用水杨酸和乙酸酐在硫酸催化下经酰化反应制备，此法虽然工艺成熟, 但产品收率不高，品质不好，设备腐蚀严重，同时产生大量废液污染环境。而同样的原料，采用甲苯磺酸催化合成乙酰水杨酸，产率可达90%以上且纯度大于等于99%[6]。以负载型杂多酸为催化剂，71～75 ℃反应15 min，产率就可高达94.2%[7]。显然，催化在发展一门对环境友好造福于人类的绿色化学与技术的学科中将起到关键的作用。

3实施手段的绿色化

化学实验属于消耗性实验，特别是性质实验需要消耗大量药品和溶剂，若改进实验手段，采用多媒体系统进行仿真实验，不仅化学试剂和仪器装置零投入，而且废弃物也零排放。如对于仪器、试剂价格昂贵，危险或反应条件苛刻，污染严重的实验，借助计算机辅助教学模拟化学实验(仿真实验)，或观看实验录像等方法建立虚拟化的实验室。由于虚拟实验操作，不受实验条件、药品、仪器的限制，可以紧密结合当今化学学科的最新成就和发展趋势，同时结合绿色化学学科特点有针对性地设计课件，激发学习兴趣。在课件设计过程中穿插一些与生活实际密切相关的内容，将视频和动画引入课堂，使课堂教学富于趣味性和启发性。利用多媒体技术对实验原理、装置、流程、实验过程进行仿真，学生不仅容易接受绿色化学的重要性，更有利于促进有机化学实验内容的绿色化[8]。利用模拟化仿真实验，增加绿色化学实验手段，还可设计不当操作导致的不良后果，可以达到实验资源的有效利用、安全隐患的减少，环境污染减少的目的。

4试剂用量的绿色化

微型化学实验是绿色化学理念在实验中的体现，是绿色化学的重要组成部分。微型化学实验中试剂的用量只相当于常规实验的几十分之一到几千分之一，以尽可能少的试剂来获得所需的化学信息、实验原理与技术。如乙酸正丁酯的制备实验，把原料降低到只有原来的五分之一依然能够收到预期的效果。在改用微型化学实验后，因为实验仪器的微型化以及试剂用量的大幅度减少，化学实验的排污量大大减少，尾气吸收、尾料和废弃物回收处理也比较容易，能减少对环境的污染。把化学实验“绿色化”作为探究型课题，让学生进行探究，鼓励他们对原来可能导致环境污染的常规实验方法进行改进或重新设计。同时构建设计性实验实施体系也是培养高质量创新人才的重要举措之一[9]。在保证实验效果的前提下，以微量、半微量实验取代常量实验，尽量减少实验试剂的用量，逐步把实验小型化、微型化、半微量化。

5合成方法的绿色化

现代有机合成方法在有机化学实验中的应用，不仅促使有机化学实验的绿色化，而且还可以提高实验的趣味性。如微波作为一种“绿色”技术在有机合成方面得到了大量的应用[10]。借助微波技术进行有机反应，反应速度较传统的加热方法快数十倍甚至上千倍, 且具有操作简便、产率高、安全卫生及环境友好等优点。将微波合成手段应用于科研和基础有机合成实验教学日益受到重视, 并逐步发展成为一个极具发展前景的新领域。有机电合成是绿色化学中有机合成洁净技术的重要组成部分。电化学反应用的氧化剂和还原剂都是电子,一般无须使用危险和有毒的试剂，可以说是绿色无公害工艺，在洁净合成中具有独特的魅力。

总之，有机化学实验的绿色化设计是要对环境污染小，并在技术上、经济上可行的化学品和化学过程的科学。事实上，没有一种化学物质是完全良性的，因此，在有机化学的实验教学中要不断摸索和改进，要清醒地意识到减少化学实验室污染以及对污染物回收再利用的必要性和紧迫性，结合现有的实验条件，做到物尽其用，点滴之中体现绿色化学的理念。

参考文献:

[1]岳秀侠. 在化学实验中实现绿色化学的几点做法[J].安庆师范学院学报(自然科学版),2009，15(2)：125-126.

[2]刘俊，赵秀琴. 论未来化学实验教学发展方向[J].安庆师范学院学报(自然科学版),2006，12(3)：113-114.

[3]李小年，卢春山，马磊,等．基于催化技术的绿色有机合成工艺研究及应用[C]．中国化学会第28届学术年会论文集,成都:四川大学出版社,2012．

[4]付宁．催化技术对绿色化学的影响研究[J]. 环境科学与管理, 2013, 38(7): 192-194．

[5]王斌，马祥梅，张晓梅, 等. 一种绿色高效催化剂对有机化学实验的改进[J].池州学院学报, 2012,26(6):124-125.

[6]李继忠．对甲苯磺酸催化合成乙酰水杨酸的研究化[J]. 化学世界，2005(6)：365-366.

[7]周卫国，戎姗姗，莫清,等．阿司匹林合成催化剂研究进展[J]．化工生产与技术，2009，16( 6)：40-43．

[8]翟淑红，陈涛，秦斐．高等院校绿色化学实验教学研究[J].广东化工, 2013, 40(20)：75-75.

[9]蒋巍，王丽敏，董薇, 等．高校化学实验绿色化的研究与实践[J]. 吉林化工学院学报，2010，27(6)：48-50．

[10]吴大雨, 吴根华. 注重化学实验教学改革, 培养学生创新能力[J].安庆师范学院学报(自然科学版),2009，15(3)：108-110.

Study on the Green Chemistry Experiment of Basic Organic Chemistry in University

MA Xiang-mei, WANG Bin, FENG Dao-quan, XING Hong-long

(Institute of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan, Anhui 232001, China)

Abstract:Green chemistry，is also known as environmentally-friendly chemistry. According to college organic chemistry laboratory that cause the environmental pollution and the current conditions of the teaching of college chemistry experiment, some measures such as reforming the experiment content, reducing the consumption of chemical reagents, using green catalysts, the application of multimedia technology and the modern synthetic methods etc are introduced to the organic synthesis experiment teaching based on the concept of green chemistry in this paper，which will fundamentally minimize the pollution，improve teaching quality and foster the innovation consciousness of students.

Key words:organic chemistry，experiment teaching，green chemistry

文章编号：1007-4260(2016)01-0155-02

中图分类号：G648.1

文献标识码：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.01.040

作者简介：马祥梅，女，安徽寿县人，博士，安徽理工大学化学工程学院副教授，主要研究方向为环境化学。E-mail: wb6314005@126.com

基金项目：省级质量工程项目(2013jyxm075)，安徽理工大学校级教研项目(2014zdxm040)和安徽理工大学2015年度校级重大教学改革研究项目。

*收稿日期：2015-07-26

网络出版时间：2016-03-15 17:05网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160315.1705.040.html