趙勝芳

(黃岡師范學院 化工學院，湖北 黃州 438000)

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有機化學實驗綠色化探索

趙勝芳

(黃岡師范學院 化工學院，湖北 黃州 438000)

摘要對基礎(chǔ)有機化學實驗實施綠色化探索，不僅是減少污染、凈化環(huán)境的需要，是對大學生進行綠色化學教育，培養(yǎng)大學生良好的環(huán)境保護行為習慣的需要。本文圍繞化學實驗綠色化的“5R原則”，從選擇實驗內(nèi)容、改進實驗條件與方法、開設(shè)半微量實驗、試劑的循環(huán)使用，修舊利廢、廢棄物處理等幾方面，對有機化學實驗綠色化的實踐進行了介紹。

關(guān)鍵詞有機化學實驗；綠色化學：環(huán)境保護

化學尤其是有機合成為人類提供了絢麗多彩的染料、豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的肥料和農(nóng)藥、療效顯著的藥物、性能優(yōu)良的材料等多種多樣的功能性化學品，但是在環(huán)境污染中，由化學物質(zhì)引起的污染約占80%~90%[1]。為了保護環(huán)境和促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，需要大力研究和開發(fā)從源頭上減少和消除污染的綠色化學設(shè)計和綠色化學工業(yè)。

1學校教育實施綠色化學的重要性和必然性

綠色化學又稱環(huán)境無害化學、環(huán)境友好化學、清潔化學、原子經(jīng)濟化學, 是一門從源頭阻止污染的化學。綠色化學的目的是把現(xiàn)有化學和化工生產(chǎn)中的技術(shù)路線從“先污染后治理”改變?yōu)椤皬脑搭^上根除污染”。根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》[2]，我國提出在高等學校實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，加速建設(shè)綠色化學化工特色專業(yè)，為我國創(chuàng)新型國家的建設(shè)以及綠色經(jīng)濟發(fā)展培養(yǎng)綠色化學化工人才。

實驗室化學研究是化學工業(yè)的基礎(chǔ)和源頭，從源頭開始實施綠色化學，才可以真正達到降低有毒物排放，保護環(huán)境，促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的目的。這不僅要求化學科研工作者有扎實的專業(yè)功底，還要有良好的環(huán)境保護意識和高度的環(huán)保責任感。

加強環(huán)保教育，不僅要重視綠色化學得理論和思想教育，而且要使師生身體力行，在實驗實踐中養(yǎng)成良好的環(huán)保素質(zhì)和提高綠色化學實驗技能。這就要求高校實驗教師在傳授實驗教學內(nèi)容的同時，滲透綠色化學內(nèi)容對學生進行認知教育，引導學生養(yǎng)成綠色化學意識，不斷地對化學實驗綠色化的方法進行深入地研究與探索，設(shè)計出對環(huán)境友好的綠色合成路線，切實減少實驗室污染。

2化學實驗綠色化設(shè)計的目標和內(nèi)容

從綠色化學的12條原則可以看出:綠色化學的目標和任務(wù)不是被動地治理環(huán)境污染，而是主動地防止環(huán)境污染[3]。可以說，綠色化學是防，環(huán)境保護是治，只有從根本上切斷污染源，才能真正做到保護環(huán)境。綠色化學實驗使用化學藥品的基本原則是“5R原則”，即：

Reduction ——“減量”，減少“三廢”排放； Reuse ——“重復使用”；Recycling ——“回收”；Regeneration ——“再生”；Rejection ——“拒用”，對一些無法替代，又無法回收、再生和重復使用的、有毒副作用及污染作用明顯的原料，拒絕在化學過程中使用，這是杜絕污染的最根本方法[4]。

按上述目標要求，化學實驗綠色化應(yīng)從實驗原理及條件改進、操作優(yōu)化、試劑循環(huán)使用、產(chǎn)品充分利用、實驗廢棄物妥善處理等方面進行設(shè)計。

3有機化學實驗的綠色化探索

有機化學實驗是有機化學不可缺少的重要組成部分。有機化學實驗常會產(chǎn)生毒性較大、對環(huán)境污染較嚴重的廢氣、廢液、廢渣。有機化學實驗綠色化，符合環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，能減少酸堿和有機類污染物對環(huán)境的污染，而且實現(xiàn)了節(jié)約資源的目的，提高實驗效率，有利師生身體健康，更重要的是，能培養(yǎng)學生的環(huán)境保護意識。

3.1　合理選擇實驗，盡量減少有機合成實驗產(chǎn)生的污染

在化學實驗中，要用到一些有毒、有害的化學物質(zhì)，也可能產(chǎn)生一些有毒、有害的化學物質(zhì)，會對師生健康產(chǎn)生影響，且產(chǎn)生嚴重的環(huán)境污染。所以合理選擇實驗，盡可能避免對環(huán)境和師生身體有害的實驗也很重要。如開始設(shè)計一組系列合成實驗：硝基苯→苯胺→乙酰苯胺，但硝基苯還原制備苯胺，原料和產(chǎn)物都有毒性，苯胺蒸汽還能通過皮膚吸收進入人體，所以后來刪除了硝基苯還原的實驗。又如環(huán)己酮氧化制備己二酸，可以用高錳酸鉀氧化，也可以用HNO3氧化，教師試驗前拿出兩種方案，由學生做出選擇，學生們認為HNO3氧化容易產(chǎn)生有害氣體紅棕色刺鼻且有毒氣體二氧化氮，而二氧化氮遇水會產(chǎn)生有毒的氧化氮和硝酸，這是酸雨的來源之一，所以用高錳酸鉀優(yōu)點更多,不但實驗基本無毒害和污染，而且高錳酸鉀還原產(chǎn)物二氧化錳可以回收利用。實驗原理的討論，使學生有了更強的環(huán)保意識，既培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，又實現(xiàn)實驗綠色化。

3.2　改進實驗條件與方法

一些大學有機實驗采用天然氣作熱源，不僅有爆炸起火的危險，而且還有燃燒產(chǎn)生二氧化碳造成的溫室效應(yīng)。近些年來，微波輻射加熱、超聲輻射引入有機合成已引起了化學工作者的強烈關(guān)注，是一些很有發(fā)展前景的綠色能源。

微波合成是一種通過微波介電熱效應(yīng)把能量輸入化學反應(yīng)體系的合成方法。利用微波輻射加熱不但可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)加熱方法，而且可以使反應(yīng)速度有成倍直至成千倍的增加；目前，微波輻射加熱技術(shù)在有機化合物合成中已迅速發(fā)展起來，成為最方便最高效地促進化學反應(yīng)的方法之一。將其引入有機化學實驗中，比傳統(tǒng)加熱法省時，且能提高產(chǎn)率和產(chǎn)品的純度。如肉桂酸的合成，傳統(tǒng)加熱法為:制備反應(yīng)45 min，水蒸氣蒸餾1.5 h，最終產(chǎn)率68 %，熔點135~136℃。改用微波輻射:制備反應(yīng)10 min，水蒸氣蒸餾15~20 min，產(chǎn)品產(chǎn)率76%~78%，熔點135~136℃[5]。又如乙酰水楊酸(阿司匹林)的合成，傳統(tǒng)70~80℃加熱反應(yīng)20 min[6]，450~460w微波加熱60~75 s[7]。

超聲有機合成是將有機反應(yīng)置于超聲輻射下進行，利用超聲波的空化作用不僅可以促進反應(yīng)，還可以避免其它加熱方式導致溫度升高使熱敏物質(zhì)分解的問題，具有反應(yīng)產(chǎn)率高、時間短、操作簡便等特點。如威廉姆遜合成混合醚，傳統(tǒng)加熱需要回流數(shù)小時甚至數(shù)十小時，而超聲合成只需要45 min[7]。這些綠色能源的利用，不僅縮短了反應(yīng)時間，降低了能耗，還使副反應(yīng)減少，廢棄物排放降低。

教師指導學生將微波技術(shù)引入精細有機品和復雜化合物的合成，也取得了一些成果，積累了較豐富的經(jīng)驗[8]。

3.3　Reduction——開設(shè)微量或半微量實驗

微量或半微量化學實驗是在微型化的儀器裝置中進行的化學實驗，是以盡可能少的試劑，來獲取所需化學信息的實驗原理與技術(shù)[9]。微量或半微量實驗能有效地減少污染，節(jié)約經(jīng)費，降低能耗，縮短實驗時間，特別適用毒性大，藥品貴，耗量大，污染嚴重，操作復雜的實驗。

黃岡師范學院有機化學微量或半微量實驗，已經(jīng)開始十多年了，每屆學生有機化學實驗的第一次課，每個學生領(lǐng)一套常用半微量實驗儀器，在開設(shè)有機實驗的一年里，這套儀器歸學生保管和使用，有機化學實驗結(jié)束清理歸還。更重要的是，半微量儀器的使用，一是使藥品使用量大大降低，節(jié)約經(jīng)費；二是節(jié)能省時，降低水電耗費； 三是降低廢棄物排放，環(huán)保；四是微量實驗對學生實驗操作精確度要求更高，操作稍疏忽粗放，就可能得不到產(chǎn)品，這更有利于實驗技能的培養(yǎng)。

另外，對教材中試劑使用量較大的實驗，實驗中適當減少用量。如乙酰苯胺的制備，教材采用10 mL苯胺，這個合成實驗容易完成，減半量，用5 mL苯胺也能取得很好的效果；甲基橙的制備，教材使用2 g對氨基苯磺酸為原料，此試劑是學生從苯胺磺化制備的，每個學生產(chǎn)量不一樣，減半只用1 g，做出的甲基橙產(chǎn)量也很好，而且也消除了學生因為上一個實驗產(chǎn)物產(chǎn)量不高使本實驗原料不夠?qū)е碌镁趩市睦?，提高了學生的實驗信心和興趣。

3.4　Reuse——重復使用，減少廢棄物

實驗中要盡可能減少溶劑尤其是有害溶劑的使用量，換言之是減少有害溶劑的排放量。如蒸餾和分餾及其效率對比實驗，我們用丙酮和水體系，先做分餾，第一組分為丙酮，第二組分是丙酮和水的混合物，第三組分是水。做完分餾，要用各組分做燃燒性質(zhì)實驗以檢驗丙酮含量，第一部分可以燃燒，且燃燒后無液體殘留，第二組分可以燃燒，但燃燒后有液體殘留，第三部分不燃，故各組分純度容易判斷。做下一次蒸餾時，就用第一組分補加到所需量(因為分餾實驗及燃燒試驗后有部分損耗了)，第二組分很少，一般只有幾滴，燃燒性質(zhì)實驗后就沒有了。蒸餾完后第一組分還是較純的丙酮，可以回收再用，第二組分比較多，可以通過分餾回收丙酮。這樣，一個實驗中，丙酮循環(huán)使用，損失很少，既節(jié)約，又環(huán)保。在合成實驗中經(jīng)常用到低沸點有機溶劑如乙醚、氯仿、二氯甲烷等，有些老師用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀回收溶劑，雖然操作簡便快速，但大部分溶劑被抽到水泵中然后揮發(fā)到實驗室空氣中，不僅損耗溶劑，更重要的是低沸點有毒蒸汽污染空氣，損害師生健康。因此，我們要求學生按低沸點液體蒸餾裝置要求進行蒸餾，大大減少了溶劑損失，也培養(yǎng)了學生少污染、零排放的綠色化學意識和愛護環(huán)境的習慣。

3.5　Regeneration——再生，變廢為寶

一般有機實驗教材注重基本操作技能訓練和一類化合物合成或一類反應(yīng)原理及操作方法的訓練，合成的產(chǎn)物實際就成了沒用的廢物，要么久置在實驗室成了占地的累贅，要么丟棄，既浪費資源，還污染環(huán)境。為充分利用資源，減少廢棄物，應(yīng)采取一些措施變廢為寶。

3.5.1系列實驗，使實驗產(chǎn)品能循環(huán)利用

參照一些綜合化學實驗教材開設(shè)系列實驗的方法，在基礎(chǔ)有機化學實驗基本操作訓練完成后進行幾個合成實驗訓練后，開設(shè)系列實驗。合成實驗連續(xù)化是從“變廢為寶，減排少污”的綠色化學新思想對常規(guī)實驗進行整合而形成的實驗教學方法。根據(jù)實驗內(nèi)容和要求把相關(guān)的實驗聯(lián)系起來，將幾個單一實驗設(shè)計成一個連續(xù)實驗，用前一個合成的產(chǎn)品作為后一步合成的原料來完成系列合成實驗。如肉桂酸→重結(jié)晶；甲苯→苯甲酸→苯甲酸乙酯→三苯甲醇；苯胺→對氨基苯磺酸→甲基橙。開設(shè)系列實驗，第一可以節(jié)省購買試劑的經(jīng)費；第二可以減少廢棄物，利于環(huán)境保護；第三利于培養(yǎng)學生實驗操作過程認真嚴謹細心的良好習慣。

推廣合成實驗連續(xù)化和實驗藥品的回收再利用，通過設(shè)計連續(xù)實驗，可以最大限度地利用資源，變廢為寶，符合“節(jié)約化和綠色化”的原則，建立“一條龍”實驗,可解決實驗后廢棄物的處理這一問題。同時增加探索性實驗、設(shè)計性實驗、創(chuàng)新性實驗板塊，體現(xiàn)學生的主體性，培養(yǎng)學生主動探索的精神和能力。

有時，一些物質(zhì)對本實驗室來說可能沒有利用價值，但對其它實驗室和老師來說可能有用。如合成的甲基橙，無機和分析可以用作指示劑，還可以提供給光降解研究的教師做科研用的試劑，阿司匹林，可以作為分析和制藥專業(yè)實驗的原料。

3.5.2修舊利廢，變廢為寶

有機實驗除了試劑，主要是玻璃儀器，這兩樣都屬于易耗品。為此，將損壞的一些儀器進行修理，修舊利廢，變廢為寶。如量筒，很容易摔壞，但總是上一截破損，老師們就動手將破損部分用剪刀修剪整齊，再用酒精噴燈將邊沿燒齊，制成容量小的量筒繼續(xù)使用。還有塑料試劑瓶，用完后將瓶子剪掉上口，下面部分可以作為制冰塊的容器，或作為裝玻棒、滴管和洗衣粉等的容器，比玻璃容器更耐用，上口可以代替固體裝樣漏斗。較長的廢玻璃管也可以拉成滴管使用。這樣的做法，同樣減少了廢棄塑料和玻璃對環(huán)境的污染，也節(jié)約了實驗開支。

3.6　妥善處理廢液，減少強酸強堿等化學品對環(huán)境的污染

實驗中產(chǎn)生三廢是化學實驗室不可避免的問題。目前，憑現(xiàn)有的實驗條件和實驗方法，還不能完全消滅三廢，但是可以合理排放、回收和處理三廢，實現(xiàn)實驗末端的綠色化。在多數(shù)院校，學生實驗后的廢渣及廢液通常是倒入指定的“廢液缸”中，再集中進行無害化處理。如果讓學生自己設(shè)計方案直接將實驗產(chǎn)生廢液進行化學處理，對學生專業(yè)知識利用和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，環(huán)境保護意識增強都很有益處。例如：對有機廢酸廢堿，可以采取分類存放，進而分類處理。如廢酸和堿回收后,可以制成公廁清潔液。純度太差不能利用的，也可以經(jīng)過酸堿中和，使酸、堿腐蝕性降低再進行處理，也能減少對環(huán)境的影響。

從長遠發(fā)展來看，綠色化學的發(fā)展是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的。所以化學實驗實現(xiàn)綠色化是化學實驗教學發(fā)展的必然趨勢，化學實驗要以綠色化學原則進行實驗設(shè)計、改進，這不僅有利于凈化實驗室環(huán)境，保護師生身體健康，

也有利于提高教學質(zhì)量，還使學生逐步養(yǎng)成對自己負責、對社會負責、對子孫后代負責的環(huán)境保護行為和習慣。

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編輯王菊平

基金項目2013年度黃岡師范學院教學研究項目(zj201227)。

作者簡介趙勝芳，女，湖北麻城人，教授，主要研究方向為有機化學教學研究。

收稿日期2014-11-14

doi10.3969/j.issn.1003-8078.2015.06.24

中圖分類號G642.0

文獻標志碼A

文章編號1003-8078(2015)06-0087-03