綠色化學(xué)理念在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)上的應(yīng)用探索

1、    綠色化學(xué)理念在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)上的應(yīng)用探索    趙儉波馬小燕夏旭東姜建輝【摘 要】以綠色化學(xué)理念指導(dǎo)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革是一項(xiàng)十分艱巨而又很有意義的工作。我們從原子經(jīng)濟(jì)性和“5r”原則出發(fā)建設(shè)綠色的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，以減少實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的污染?！娟P(guān)鍵詞】綠色化學(xué);有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn);教學(xué)： g642;o62-4： a ： 2095-2457（2019）21-0100-002doi：10.19694/ki.issn2095-2457.2019.21.045application of green chemistry in organic chemistry exper

2、iment teachingzhao jian-bo ma xiao-yan xia xu-dong jiang jian-hui*（college of life sciences，tarim university，alar xinjiang 843300，china）【abstract】it is a very arduous and meaningful work to guide the reform of organic chemistry experiment with the concept of green chemistry. starting from atom econo

3、my and “5r” principle， we build green chemical laboratories to reduce the pollution caused by experiments.【key words】green chemistry; organic chemistry experiment; teaching綠色化學(xué)又稱環(huán)境無害化學(xué)、環(huán)境友好化學(xué)、清潔化學(xué)，綠色化學(xué)的理想是使污染消除在產(chǎn)生的源頭，使整個(gè)合成過程和生產(chǎn)過程對環(huán)境友好，不再使用有毒、有害的物質(zhì)，不再產(chǎn)生廢物，不再處理廢物，從根本上消除污染。綠色化學(xué)的核心內(nèi)容是原子經(jīng)濟(jì)性和“5r”原則。即減量;循環(huán)

4、;回收;再生;拒用。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是我校動(dòng)科、植科、生科等學(xué)院各個(gè)專業(yè)開設(shè)的一門重要公共基礎(chǔ)課，是有機(jī)化學(xué)的重要組成部分。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)所需的化學(xué)試劑具有種類多，用量大，污染強(qiáng)的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)過程中往往產(chǎn)生大量的有毒有害污染物及廢棄物，會對環(huán)境帶來嚴(yán)重的影響。隨著近年綠色化學(xué)理念被廣泛應(yīng)用于我校各學(xué)科實(shí)驗(yàn)課的課堂教學(xué)中。本文就我校有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)施綠色化學(xué)教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行了總結(jié)。1 建設(shè)綠色的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室是進(jìn)行有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本場所，建設(shè)綠色的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室是實(shí)施綠色化學(xué)的先決條件。1.1 硬件建設(shè)方面我校有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室已初具規(guī)模，可滿足全校20多個(gè)專業(yè)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，盡管如此，我們還需要改進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的

5、硬件設(shè)施，加強(qiáng)“三廢”處理設(shè)施的管理。（1）廢氣處理系統(tǒng)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)系統(tǒng)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室不僅配有通風(fēng)柜，還在學(xué)生實(shí)驗(yàn)臺面上增加通風(fēng)柜。此外，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)樓頂新安裝吸附塔和淋洗塔，對于實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的有毒氣體與酸堿性氣體進(jìn)行處理。（2）廢水處理系統(tǒng)嚴(yán)格要求學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的廢液進(jìn)行分類回收。有機(jī)實(shí)驗(yàn)的廢液通常是各種有機(jī)溶劑和有機(jī)試劑，對于含有苯胺或苯酚類的廢液，常加入漂白粉或過氧化氫等促使其分解后排放。對于用量較大的有機(jī)溶劑如乙醚、氯仿等采取蒸餾、精餾等手段處理后回收再利用。對于其他用量較少有機(jī)溶劑或有機(jī)試劑，采取焚燒后再排放的方式處理。（3）廢渣處理系統(tǒng)首先需盡可能避免實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生廢渣，對

6、于產(chǎn)生的廢渣則可根據(jù)實(shí)際情況綜合處理，建立專門用于貯存廢渣庫房，并根據(jù)廢渣的化學(xué)特性的不同選擇合適的容器分類存儲，嚴(yán)防二次污染，回收的廢渣達(dá)一定數(shù)量后送至有機(jī)廢棄物處理公司進(jìn)行處理。1.2 軟件建設(shè)方面綠色的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室不僅指寬敞明亮的實(shí)驗(yàn)室，良好的安全設(shè)施，還包括建立健全的實(shí)驗(yàn)室規(guī)章制度以及具有綠色化學(xué)理念的教師和學(xué)生。近年來，我們結(jié)合我校實(shí)際情況將實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)制度、規(guī)定進(jìn)行了修訂和補(bǔ)充，結(jié)合國家有關(guān)部門對危險(xiǎn)化學(xué)品的管理規(guī)定制訂了實(shí)驗(yàn)室廢棄物處理?xiàng)l例并印制上墻，學(xué)生進(jìn)實(shí)驗(yàn)室前先學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室常用化學(xué)試劑的性質(zhì)、使用方法及處理方法，積極推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室規(guī)范化和制度化建設(shè)。除此之外，我們還著重培養(yǎng)教師和學(xué)生

7、的綠色化學(xué)理念，教師必須隨時(shí)保持強(qiáng)烈的綠色化學(xué)意識，系統(tǒng)學(xué)習(xí)綠色化學(xué)的理論知識和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在教學(xué)中向?qū)W生適時(shí)教授綠色化學(xué)思想，培養(yǎng)學(xué)生綠色化學(xué)理念，讓學(xué)生充分理解“5r”原則，從小處著手，培養(yǎng)學(xué)生利用“5r”原則來分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生在潛移默化中受到綠色化學(xué)教育。2 科學(xué)安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、分析問題、解決問題能力及創(chuàng)新能力的重要載體，科學(xué)安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是實(shí)施綠色化學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。要實(shí)現(xiàn)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化，從源頭上遏制化學(xué)污染物的生成是最優(yōu)選擇。為此，我們從以下幾個(gè)手段對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。2.1 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容我們對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了歸納總結(jié)，以實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和訓(xùn)練的全面性

8、為原則，盡量避免有毒有害和易揮發(fā)性有機(jī)溶劑的使用，選擇無毒無公害的綠色原料、產(chǎn)物、副產(chǎn)物、溶劑、試劑等，刪除或替代實(shí)驗(yàn)資源耗費(fèi)多，藥品毒性大，污染嚴(yán)重的實(shí)驗(yàn)，比如我們刪除了溴苯的制備、乙醚的合成等實(shí)驗(yàn)，濃硫酸是有機(jī)反應(yīng)中常用的催化劑，但其產(chǎn)生的廢酸難以處理，反應(yīng)副產(chǎn)物多，使用危險(xiǎn)性大，而固體超強(qiáng)酸具有選擇性高，副反應(yīng)少，易和反應(yīng)物分離，可重復(fù)使用，廢催化劑處理簡單，對環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)，因此，我們以al2o3/so42-固體超強(qiáng)酸代替濃硫酸作為乙酸乙酯的制備及乙酰水楊酸的制備等的催化劑。除此之外，我們還建立了各實(shí)驗(yàn)之間的連續(xù)性，使上一個(gè)實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物成為下一個(gè)實(shí)驗(yàn)的原料，或?qū)⑸弦粋€(gè)實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物作為下一

9、個(gè)實(shí)驗(yàn)的分析對象，有利于減少副產(chǎn)物的生成，實(shí)現(xiàn)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化。2.2 開展微量、半微量實(shí)驗(yàn)微量、半微量實(shí)驗(yàn)作為成功教學(xué)經(jīng)驗(yàn)已在多個(gè)高校推廣應(yīng)用，并已有多套相關(guān)教材出版發(fā)行，其最突出的優(yōu)點(diǎn)是使用最少的藥品、試劑完成教學(xué)任務(wù)，由于試劑用量大大減少，產(chǎn)生的“三廢”量也就非常少，既節(jié)省了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，又減少了環(huán)境污染，并且，實(shí)踐證明，微量、半微量實(shí)驗(yàn)與常量化實(shí)驗(yàn)在準(zhǔn)確性與嚴(yán)密性方面并無明顯差別1，而且，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)更細(xì)心，更認(rèn)真。因此，在我校財(cái)政支持下，我們購置了部分微型實(shí)驗(yàn)儀器，積極開展微量、半微量實(shí)驗(yàn)并取得了較好的效果。2.3 借助先進(jìn)的教學(xué)手段將多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)等先進(jìn)的教學(xué)手段引入實(shí)驗(yàn)教

10、學(xué)。計(jì)算機(jī)多媒體系統(tǒng)通過文字、聲音、圖像、動(dòng)畫在不同的界面上流動(dòng)從而對實(shí)驗(yàn)的原理，裝置，實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)進(jìn)行展示，學(xué)生還可以自由搭建實(shí)驗(yàn)裝置，添加藥品，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象逼真，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，不僅具有形象生動(dòng)的特點(diǎn)，而且真正實(shí)現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的零排放、零污染。在實(shí)踐教學(xué)中效果顯著。除此之外，還鼓勵(lì)學(xué)生通過手機(jī)模擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用“燒杯”、“化學(xué)方程式”、“nb化學(xué)實(shí)驗(yàn)室”等app隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，既可以進(jìn)行常規(guī)實(shí)驗(yàn)，還可以進(jìn)行“化學(xué)老師嚴(yán)厲禁止”的操作，在保證學(xué)生安全的前提下充分滿足學(xué)生的好奇心，除了能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣之外，還能提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)的警惕性和敏感性。3 應(yīng)用綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)合成

11、技術(shù)進(jìn)行有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)時(shí)常存在藥品、試劑及溶劑用量大，毒性高，反應(yīng)時(shí)間長，副反應(yīng)多，“三廢”多等缺點(diǎn)，從而制約了有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)的開展，采用綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)開展有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)是實(shí)施綠色化學(xué)的重要途徑。因此，我們積極引入綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)新技術(shù)，以期進(jìn)一步推動(dòng)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化。3.1 微波加熱技術(shù)微波加熱技術(shù)是一種通過微波介電熱效應(yīng)把電磁能轉(zhuǎn)化為熱能來加熱物料的新技術(shù)。具有加熱快，效率高，反應(yīng)條件溫和，操作簡單等優(yōu)勢，且微波加熱屬于分子意義上的攪拌，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率高且產(chǎn)品質(zhì)量高，副反應(yīng)少，原子經(jīng)濟(jì)性好，可直接減少環(huán)境污染。微波加熱技術(shù)在無機(jī)合成，材料科學(xué)等領(lǐng)域都有較大成果，有機(jī)合成中微波加熱技術(shù)也有具體的

12、應(yīng)用，比如將微波輻射合成阿司匹林，可以不需要有機(jī)溶劑，顯著降低環(huán)境污染，微波輻射合成苯甲酸也是典型的微波化學(xué)實(shí)驗(yàn)的范例2，反應(yīng)時(shí)間僅為15min，不僅大大縮短反應(yīng)時(shí)間，而且副產(chǎn)物可以回收，不污染環(huán)境。除了這些已報(bào)道的微波合成實(shí)驗(yàn)之外，我們還對乙酸乙酯的制備，正丁醚的制備等進(jìn)行了微波合成探索并取得了一定的效果。3.2 超聲合成技術(shù)超聲合成技術(shù)是將有機(jī)反應(yīng)置于超聲條件下完成的。超聲的化學(xué)作用不是直接與物質(zhì)作用，而是主要通過液體的聲空化完成，所謂的聲空化是指液體中微小泡核的形成、振蕩、生長、收縮至崩潰引起的物理、化學(xué)變化，液體聲空化的過程是集中聲場能量并迅速釋放的過程，這為在一般條件下不可能或難以實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)提供了一種非常特殊的物理環(huán)境，因此，超聲合成技術(shù)具有反應(yīng)速率快，產(chǎn)率高，時(shí)間短，條件溫和等特點(diǎn)。超聲合成技術(shù)作為一種新型綠色化實(shí)驗(yàn)技術(shù)已在有機(jī)合成中有一定的應(yīng)用，它能顯著提高原子經(jīng)濟(jì)性，符合綠色化學(xué)理念，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和開發(fā)前景。對有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)施綠色化教學(xué)改革符合環(huán)境可持續(xù)發(fā)展要求，控制有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的污染是我們每位有機(jī)化學(xué)教育工作者一項(xiàng)義不容辭的責(zé)任。經(jīng)過近幾年來我們對有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課綠色化教學(xué)的改革，不僅大大減輕了對環(huán)境帶來的污染，降低了對師生健康的危害，還培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)發(fā)展觀，加深對科學(xué)、人和環(huán)境關(guān)系的認(rèn)識，