成本控制下的基础有机化学实验室绿色化措施

严军林,申海霞,张 健,岳 元

(陕西师范大学 基础实验教学中心,西安 710062)

·实验室建设与科学管理·

成本控制下的基础有机化学实验室绿色化措施

严军林,申海霞,张 健,岳 元

(陕西师范大学 基础实验教学中心,西安 710062)

基础有机化学实验室的绿色化改革是解决其环境污染问题的有效途径，但是现行绿色化措施因为在教学过程和效果以及实验成本控制等方面的不足限制了它们的推广应用。通过对基础有机实验的仔细分析，在实验设计中降低试剂浓度、替换高毒易挥发性试剂和使用耐用标准磨口器具，从源头上减少了实验室有害物质和器具的消耗量，大大减少了污染物的排放，降低了实验成本，实现了成本控制下的基础有机化学实验室绿色化；同时，这些措施最大程度地保留了现行基础有机化学实验教学的方式和效果，极具普适性和可行性，有望在同类基础有机化学实验室推广应用。

有机化学实验; 绿色化改革; 绿色化学; 成本控制

0 引 言

有机化学实验教学过程所用的药品和试剂绝大多数易挥发、腐蚀性强和毒性高，易对人和环境的安全造成严重威胁。随着环保意识的增强，有机化学实验教学所带来的污染问题越来越引起人们的关注[1-2]。近年来，绿色化学逐渐深入人心，其强调减少有害物质的使用，从源头上减轻污染问题，因而在基础有机化学实验室实施绿色化建设极具意义[3-5]。

目前，基础有机化学实验室绿色化举措主要有实验内容绿色化，实验操作微型微量化和产物回收利用三种措施[6-9]。实验内容绿色化主要遵循绿色化学的原则，将绿色化的新方法、新试剂或新步骤引入到基础实验中来形成绿色化的教学实验案例[10-11]。但是，鉴于基础有机化学实验训练基本操作和巩固理论知识的特点，适用于教学的绿色化有机化学实验个数有限[12]；同时，全新实验的一切物品都需要重新采购，制约了这种措施的广泛推广[13]。微型微量化实验是另一种减少有毒有害药品使用的有效方法，但是，微型微量化实验的装置和操作与常量实验的装置和操作有较大区别，不利于学生基本操作技能的训练和提高[14-15]；同样，购买微型微量化实验所需器皿也需要额外的经费。相对前面两种方法，试验产物回收利用对教学过程和效果的影响最小。但是，从实验教学实际来看，①基础有机化学实验涉及面广，实验间的相关性不高，只有少数几个实验的产物具有再利用的价值；②即使是组合串联实验也因为学生操作不熟练而使得可供回收的试验产物极少，因而这种措施对实验室绿色化的贡献极其有限。

综上所述，由于教学方式和效果以及实验成本控制等原因，基础有机化学实验室绿色化建设的举措普适性较差，难以全面推广。因而，如何在保证教学方式和效果以及控制实验成本的前提下进行绿色化建设仍是实验室管理工作的难点[16]。针对基础有机化学实验教学的特点，本文介绍在不修改任何实验内容和操作的前提下，在具体实验环节中通过降低试剂浓度、替换高毒易挥发溶剂和使用耐用标准接口器具三举措，大大推进了基础有机化学实验的绿色化建设和低成本运行；同时，这些措施丝毫不影响教师的讲授和学生的操作，有望在基础有机化学实验室推广。

1 基础有机化学实验室绿色化新举措

1.1降低官能团鉴定实验中试剂的浓度

在官能团鉴定实验中，多数实验的现象是体系颜色变化或沉淀生成，是一种有或无的区别，非常容易观察。但是，教材中试剂浓度普遍较大(所有数据和步骤均以兰州大学编，王清廉等修订，《有机化学实验》为基础)，产生的具有毒害性的废弃物也较多，不符合绿色化学的原则。通过对实验目的和过程的分析，适当降低试剂的浓度完全可以完成实验，达到同样的教学目的，还可以节约试剂，减少废弃物的产生。如烷烯炔的鉴定中，能否使溴褪色是区分烷烃与烯炔烃的主要方法。但是，教材中溴的浓度为2%，在这一浓度下打开瓶盖，立即闻到溴蒸气的刺鼻气味，会对实验参与者造成健康隐患。为减少毒性，尝试降低溴的浓度，以0.2%、0.02%和0.002%(体积比)溴的四氯化碳溶液进行实验。如图1a所示，2%溴溶液为红棕色，0.2%溴溶液为洋红色，0.02%溴溶液则为黄色，而0.002%溴溶液则几乎为无色。在保证气流量相同的情况下向试管中同时通入乙炔，约通气3 min，0.02%的溴溶液已经褪为无色，而2%和0.02%溴溶液只是颜色变浅[见图1(b)]；通气6 min，0.02%溴溶液才褪为无色[见图1(c)]，而要使2%的溴溶液完全褪色则需要通气10 min以上。需要说明的是，本实验中所需通气时间较长是因为产生的气体需要同时分配给4个试管；同样的条件，若只供给1个试管，通气1 min即可使0.02%的溴溶液褪成无色，而使2%溴溶液的颜色完全褪去则需要4 min。可以预见，降低溴的浓度也会减少环己烯的用量，加入1滴环己烯即可使0.2%和0.02%溴溶液完全褪色，而要使2%溴溶液的颜色完全褪去则要加5滴环己烯。需要说明的是，在任一浓度的溴溶液中加入烷烃都不会产生褪色现象。以上实验充分说明在这类直观颜色变化的鉴定实验中，有色物质浓度的大幅降低(即使降到1%)并不影响教学过程和教学方式，可达到同样的教学效果，还可大大减少有害试剂的用量，同时缩短实验时间，极大地推进基础有机化学实验的绿色化。

(a) 未通入

(b) 通入3 min

(c) 通入6 min

图1 不同浓度的溴溶液通入乙炔前后的对比(从左至右试管中溴的浓度分别为2%、0.2%、0.02%和0.002%)

官能团鉴定实验中另一个出现较多的现象是沉淀生成，乙炔与亚铜离子反应生成深褐色沉淀就是一个典型的例子。教科书中取0.1 g氯化亚铜加入1 mL水，再用浓氨水滴加直到溶解。实验中，发现至少需要2 mL浓氨水才能使氯化亚铜完全溶解，向其中通入乙炔，立即有沉淀出现；但是在沉淀生成的同时，溶液仍为蓝色，使得沉淀呈现出深蓝色，与教科书描述不一致。要说明的是，教材中实验的总体积为3 mL，Cu+的最终浓度为33 g/L，而实际中2 mL溶液已足够完成实验，因此，实际教学中可将CuCl溶液配成母液，学生按需取用即可，在降低浓度的尝试中也采取这一策略。分别称取0.1 g、0.05 g和0.01 g CuCl分散10 mL水中，再滴加浓氨水使CuCl完全溶解，母液中Cu+的浓度分别为8.3 g/L、4.5 g/L和0.98 g/L，每个溶液取2 mL进行对照实验。与预期一致，随着CuCl浓度的减小，溶液的蓝色也逐渐变浅[见图2(a)]。同样，向上述4种浓度的CuCl溶液中以相同气量通入乙炔30 s后，3个CuCl浓度较大的试管中立刻出现沉淀，而CuCl为0.98 g/L的试管则是蓝色变浅，并出现了轻微浑浊[图2(b)]。通气2 min，CuCl含量较大的3个试管中出现了大量沉淀，但是由于仍有蓝色溶液存在，使得沉淀呈现出深蓝色或棕色，与教科书描述的褐色沉淀有较大差距；与之相反，浓度最小的试管中则完全没有蓝色溶液，全部是深褐色沉淀[图2(c)]，与理论颜色一致。在这个实验中，试剂浓度的减少不仅减少了药品的用量，而且更为准确地呈现了实验现象。

(a) 未通入

(b) 通入30 s

(c) 通入2 min

图2 不同浓度的CuCl溶液通入乙炔前后的对比(从左至右试管中CuCl的浓度分别为33 g/L、8.3 g/L、4.5 g/L和0.98 g/L)

综合以上实验可以发现，在有机官能团鉴定实验中，采用大幅降低试剂浓度(最多可降到百分之一)的方法既不改变实验内容和过程，也不影响实验教学效果(部分实验甚至效果更好)，又可大大减少药品用量(尤其是有毒有害试剂)和缩短实验时间，极大地推进了基础有机化学实验的绿色化。

1.2替换高毒易挥发溶剂

鉴于基础有机化学实验训练学生基本操作技能的基础性，多年来，基础有机化学实验的主要实验内容变化不大。但是，由于历史和认识的原因，这些实验内容经常涉及各种易挥发高毒性的液体溶剂，对实验人员和环境带来了严重的危害。通过分析可以发现：这些易挥发高毒性液体溶剂在实验中主要起溶剂的作用，只有少数是直接参与反应，因而可选择一些性质相近的难挥发低毒性溶剂进行替换。实际上，这种替换也是可行的，因为化学试剂中既存在大量溶解性能类似的物质，也存在着化学性质极为相似的同系物，这为替换溶剂的选择提供了可能。乙醚在多个实验(如萃取、水蒸汽蒸馏、苯甲醇和苯甲酸的制备)中用到，其主要作用是混合物溶解，利用其与水不互溶和比密度水小的特性，经萃取和蒸馏得到纯净化合物。但乙醚极易挥发，在加热过程也可能会自燃甚至爆炸。乙酸乙酯则要安全得多，而且溶解性、相溶性和密度也类似，完全可替代乙醚，因而在这些实验中都以乙酸乙酯代替乙醚，都顺利完成实验，实现预期的教学目的。

苯是一种强致癌的物质，且挥发性强(沸点只有80.1 ℃)，但在基础有机化学实验苯乙酮的制备中苯既作为反应溶剂，也作为反应物原料参与反应过程，因而使用大量苯，给实验人员造成了极大的健康隐患。分析实验原理可以发现，在这个实验中，主要是利用苯的芳香性与乙酸酐发生典型的傅克酰基化反应，从而制备苯乙酮。实际上，大多数苯系同系物都具有这种芳香性，也能发生这种傅克酰基化反应。考虑到具体的实验过程，以毒害性小得多的甲苯代替苯进行实验制备对甲基苯乙酮，完全不改变实验过程，也没有影响实验教学效果。最为重要的是，甲苯属于低毒性化合物，而且也难挥发得多(沸点也高达110.6 ℃)。从以上实验可以看出，这些易挥发高毒溶剂的替换能够大大减少实验室危险源，极大地提高了基础有机化学实验室安全性和绿色化。

1.3耐用标准磨口器具的使用

基础有机化学实验使用的器皿种类广、数量多，破损率高，是实验室的主要消耗品。因此，控制器皿的破损可有效降低实验成本。玻璃材质是器皿易破损的主要原因，因而，在实验过程和效果允许的情况下，使用塑料或聚四氟乙烯材质的器皿可有效降低破损率。例如，在基础有机化学实验教学中，量筒使用率极高，其破碎主要原因是由于倾倒而碰碎，使用塑料量筒则可有效地避免这一问题。在施行这种替换后2年中，各种型号量筒共更换约20个，取得了显著的效果。同样，聚四氟乙烯塞子替换玻璃材质塞子也可大大减少各规格塞子的破损率，而塑料药匙和塑料镊子的使用则可有效减少铁质器具因腐蚀而造成的损坏。

大多数有机化学实验都需要将多个器材组装起来形成一套完整的实验装置，由于各个器材接口的标准不一，组装时费时费力，既易损坏器材，又易出现连接不紧密，泄漏有害蒸汽，威胁实验人员健康,使用标准磨口的器材可有效避免。因而，在采购器皿时，所有具有连接部位的器材都采用19号标准磨口。非标准接口也导致了恒压滴液漏斗、分液漏斗和二通路玻璃管等含有活塞器具的高更换率。这是因为这些活塞与主体器材一一对应，无法维修或更换，所以单个活塞的破碎或整理收纳时的混淆将导致整个器具无法使用，造成了较大浪费。随着技术的发展，与标准磨口匹配的聚四氟乙烯材质活塞已经相当普遍。这种活塞除不易破碎和更耐腐蚀外，更为重要的是可以互换，即使活塞遗失或混淆，只需更换活塞即可。因而，只要器具主体不破损，一般可长久使用，可大大地降低此类器具的耗损率，节约实验成本，符合实验室绿色化的要求。

2 结 语

在不对实验教学过程作任何修改和不需增加额外经费的前提下，通过降低药品浓度、替换高毒易挥发溶剂和使用耐用标准磨口器具等举措，从源头上大幅减少了基础有机化学实验室药品和器具的消耗量，推进了基础有机化学实验教学的绿色化进程，降低了实验室运行成本，为基础有机化学实验的改革提供了可行途径。同时，这些措施简单易行，有望在所有化学类相关的基础实验室推广施行。

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Measures for Greenization of Basic Organic Chemistry Laboratory under Cost Control

YANJunlin,SHENHaixia,ZHANGJian,YUEYuan

(Basic Experimental Teaching Center,Shaanxi normal university,Xi’an 710062,China)

Greenization of basic organic chemistry laboratory is the best way for resolving its pollutions; however,current greening measures were restricted for wide range of applications due to their drawbacks on teaching process and effectiveness,as well as the cost.Three effective measures,including decreasing concentration of reagents,replacing high toxic or volatile compounds,utilizing apparatus with durable materials and standard ground joint,were proposed based on carefully analyzing the character of basic organic chemistry experiments,by which the consumption of noxious compounds and apparatus have been reduced form the source.Therefore,the pollutions and cost were decreased greatly and the process of greenization of basic organic chemistry laboratories was boosted without any additional funds.At the same time,to the greatest extent,the current teaching process and effectiveness of basic organic chemistry experiments could be retained,hence,endowed these greening measures with universality and feasibility.It is expected that they can be widely used in greenization of basic organic chemistry laboratories.

organic chemistry experiment; greening reform; green chemistry; cost control

2016-11-20

国家自然科学基金青年基金(21503128)；中央高校基本科研业务费专项资金(GK201503005)；陕西师范大学2016年度校级实验教学改革研究项目(16SY04)；陕西师范大学实验建设与管理处实验技术研究项目(SYJS201417)资助项目

严军林(1981-)，男，湖北鄂州人，博士，高级实验师，主要从事基础有机化学实验室管理和纳米颗粒自组装方向的研究。

Tel.: 029-85303683；E-mail: jlyan@snnu.edu.cn

O 6-31

：A

：1006-7167(2017)07-0246-03