绿色化学与有机化学实验_杨志强
第24卷第11期 2005年11月
实验室研究与探索
RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORY
Vol .24No .11
Nov .2005
绿色化学与有机化学实验
杨志强, 王莉贤, 王 红, 刘俊燕
(上海应用技术学院化学工程系,上海200235)
摘 要:该文通过论述绿色化学在有机化学实验中的重要性,提出了逐步实现有机实验绿色化的设想。关键词:绿色化学;有机化学实验;环保
中图分类号:G642.423文献标识码:B
文章编号:1006-7167(2005)11-0084-03
Green Chemistry and Experiments of Organic Chemistry
YANG Zhi -qiang , WANG Li -xian , WANG Hong , LI U Jun -yan
(Dept .of Chemical Eng .,Shanghai Inst .of Technology ,Shanghai 200235,China )
A bstract :The importance of green chemistry in experiments of organic chemistry was discussed and some ideas regarding to greenization of experiments in or ganic chemistr y were given .
Key words :green chemistry ;experiments of or ganic chemistry ;environmental pr otection
收稿日期:2004-12-09
基金项目:上海市教委有机化学重点课程建设基金项目(Y05037)作者简介:杨志强(1965-),男,河南方城人,讲师,硕士,从事有机化学教学及科研工作,Tel :021-********;E -mail :yangz hiqiang @s it .edu .cn
1 绿色化学
化学是一门中心学科,是最具创新性和应用性的学科,它在提高人们生活质量、增进人们的身体健康、促进其它学科的发展中做出了突出的贡献。然而,近年来环境污染的日益严重和公众对环境的日益关注,人们对化学工业提出了质疑,认为环境的恶化,化学是罪魁祸首,这就迫使化学家们反思自己,了解化学对环境带来的负面影响,总结经验教训,行动起来,使化学实验和化学工业“绿色化”,不仅要创造出更多的高新技术物质产品,而且要对环境十分友好,走可持续发展的道路,使化学在人类的进步中起重要的作用。21世纪,“绿色化学”及“绿色化学工业”已成为世界各国普遍接受和大力实施的可持续发展方针的重要组成部分。当今化学教学中,务必走培养“绿色化学”人才的道路。人们知道,化学是一门实践性很强的学科,而有机化学实验和有机化学理论并重是化学、化工及相关专业的必修基础课,对学生的科学思维、动手能力、创新意识的培养起着重要的作用,但是在培养学生能力的同时,有机化学实验都将产生或多或少的废气、废液、废渣等,这使得有机化学实验中的毒害性和污染性
更为严重,如何更有效的减少有机化学实验过程中对
实验环境所产生的污染,培养学生的绿色化意识是高校有机化学实验教学改革的重点,实现有机化学实验绿色化教学、培养“绿色化学”人才势在必行。
Anastas 和Warner 提出了绿色化学的12条原则
[1]
,这些原则可作为实验化学家开发和评估一条合
成路线、一个生产过程、一个化合物是不是绿色的指导方针和标准。据此,绿色有机化学实验的基本思想应该符合绿色化学的基本原则,即:在合成过程中从原料的选择、合成方法的制定、制备过程及最终得到的化学品等都尽可能不对环境造成污染和危害。具体原则有:①采用无公害原料;②在无公害的反应条件(催化剂、溶剂)下进行反应;③减少副产物甚至实现“零排放”(即所选反应为“原子经济型”的);④产品应是环境友好的,即化学全过程的绿色化
[2]
。
2 有机化学实验的现状
2.1 实验规格
目前,有机化学实验教学以“常规实验”教学体系为主。一般选用具有代表性的反应类型,如:①消去反应;②亲核取代反应;③氧化反应;④亲电取代反应;⑤卡宾反应;⑥歧化反应等,以及基本操作实验技术,完成对学生基本操作技能及分析解决问题能力系统性的训练和培养。2.2 原料选择
上述实验规格及内容,所选用的绝大部分原料可为无毒或低毒物质,但也可能会涉及到一些有毒性、易燃、易挥发性的物质。但原料和溶剂用量大,会对环境造成一定的负面影响。
2.3 “三废”处理
(1)废渣处理。①固体有机化合物的制备实验主要以独立实验为主,个别合成实验制备得到的固体产物采用下次实验套用,如粗的苯甲酸可用于升华、重结晶的实验原料;乙酰苯胺可作为对硝基苯胺的原料。
②对不能套用的产物、副产物及其它残渣统一回收进行处理。
(2)废液处理。①对学生制备得到的液体产物同固体产物一样个别采用套用法,如环己烯可用于7. 7-二氯双环[2.2.1]庚烷的原料。实验所得液体产物用试剂瓶进行统一回收处理。②对有机溶剂采取回收提纯的方法进行再利用。③对含有重金属离子及酸、碱浓度较高的废水、副产物统一回收进行处理。
(3)废气处理。①对反应生成的气体利用吸收装置进行回收。②学生实验台上全部安装了封闭式排风装置。
2.4 存在问题
按照绿色化学的要求,有机化学实验存在下列主要问题:①常规型实验,因溶剂用量大、产物及副产物量多,给环保和开支带来负担。②实验内容相对较独立,没有形成系统的“序列多步合成”[3](前一个实验的产物是下一个实验的原料,依次多个实验相继,则称为“序列多步合成”),使制备得到的产物堆积量大、种类多,给后处理带来不便。③实验设备过于传统,合成时间长,加上学时有限,不能满足熟练程度和应用能力的培养。④反应类型、合成过程、废弃物及废水等与“绿色化学”的要求存有较大的本质上的差距。
3 有机化学实验绿色化的思考
作为多年从事有机化学及实验教学的教师,结合教学实际情况和体会,实现当前“绿色化学”的目标和任务,对有机化学实验的绿色化,提出以下几个方面的想法及实践。
3.1 采用常量与微量相结合的方式
目前,大多数的院校有机化学实验绝大部分是常规实验,虽然它是经过长期的实践检验确定的,也是工业化生产最基础的实验研制“量”,无论是在培养实验的基本操作技能方面,还是在观察实验现象、提高分析问题能力方面,及实现培养应用型人才目标方面,常规实验都是不可缺少的实验环节。但常规实验的药品用量大,既会加大教学经费的开支,又会加重实验环境的污染程度。在有机化学实验的教学中,教学的目的是培养学生的实验基本技巧,观察、分析、解决问题的能力,所开设的实验项目主要为“验证型”,因此,实验完全可以采用小量及“微量”型的有机化学实验。
微量化学实验是近20年来迅速发展起来的一种化学实验方法。该方法使用5ml的圆底烧瓶及其它微型装置和仪器,试剂用量一般在100～200mg,因此,可以节省药品用量,减少污染,缩短实验时间。但微型有机化学实验存在实验室“转型”的问题,实验所用仪器需要重新定制,需要额外经费的投入,而且对实验操作的精细程度要求比较高。因此,在现有的实验条件下,短期内转变为微型有机实验比较困难,采用小量———半微量有机化学实验是切实可行的。它所使用的实验仪器是常规有机实验中常用的小容量实验仪器。固、液体反应起始原料一般为1～5g。由于小量—半微量有机化学实验是以常量的12～15量为起始原料,较大程度的节约了化学试剂、溶剂的用量,减少了实验经费,又使环境污染大大降低。它符合绿色化学的思想,用预防化学污染的新思想来改革常规有机化学实验的方法。
有机化学实验的思路是保留1～2个常规有机合成实验内容,但尽量是低毒、污染小的实验,如乙酸正丁酯的制备、肉桂酸的合成实验,其余合成实验尽可能地采用小量—半微量有机合成实验。如1-溴丁烷的制备实验,常规实验正丁醇的用量是15ml,在100ml圆底烧瓶中反应,产量一般是8～14ml;采用半微量合成,原料正丁醇的用量是7.5ml,可在50ml圆底烧瓶中反应,所得产量一般是3～6ml,足以进行量取及光谱分析。再如用常规实验合成对硝基苯甲酸,原料对硝基甲苯的用量是6.80g,在250ml三口烧瓶中进行氧化反应,得粗产品为4～7g;采用半微量合成,原料用量为2g,在100ml三口烧瓶中氧化后得粗产品1～2g,完全可以采用升华法进行精制,然后进行红外光谱分析。
3.2 从简单合成向序列化多步合成过渡
现有的有机合成实验内容是相对独立的实验项目,各自考查了一个有机化学反应类型,所选的实验基本上覆盖了有机化学实验基本操作的所有内容,如:蒸馏、分馏、回流、水蒸气蒸馏、干燥、过滤、加热、冷却、搅拌、萃取、重结晶等。但这些简单的合成实验存在两个突出的问题,一是制备出的产品后处理的问题,二是缺乏具有科研性的多步合成实验训练。不同专业的学生重复同一个实验,使回收产品量越积越多,无疑会增加处理的成本。可以以一个合成实验的产品用于下一个合成实验的原料,当第一步的产品用于第二步合成的原料严重不足时,老师可以给以补加。这样做不仅减少药品经费的开支,又可以避免对环境所带来的负面影响,同时增强了学生的实验综合能力。因此,研究和开发序列化多步合成实验是一个切实有效的途径。
为此,对部分专业的学生开设了多步合成实验课,
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第11期杨志强,等:绿色化学与有机化学实验
其显著特点是产品后处理量大大减少。例如,由环己醇制备7,7-二氯双环[4.1.0]庚烷是一个多步合成实验,实际是环己烯的制备和7,7-二氯双环[4.1.0]庚烷的制备这两个独立实验的叠加。起始原料环己醇用量是10ml,得到中间产物环己烯为5～7ml,如果不作为后续反应的原料,每年按1000人次的学生实验,将回收到约6000ml的环己烯,年复一年,积累增加,后处理难度加大,对环境的负面影响将不言而喻。
3.3 利用现代教学手段
有机化学实验是一门动手能力特别强的课程,尤其注重实验基本操作和实验技能的培养。如果一个化学学科的学生熟练的掌握了有机化学实验的实验技能,等于修完了有机化学实验60%的课程。
大一的学生往往存在实验基本操作比较薄弱这一环节,一是实验装置搭建不标准、不规范,甚至不会搭建;二是对搭建的实验装置不知其所以然。为了加快有机化学实验的进度,丰富实验教学的内容,我们可以借助现代教学手段,将实验的基本操作通过录象方式,边演示边讲解,让学生在亲自动手做实验前先耳濡目染,加深印象;或采用多媒体手段,利用化工仿真技术[3],让学生“亲自动手”,在电脑旁通过移动鼠标进行实验装置的“搭建”,这种虚拟有机化学实验能非常逼真地再现实验过程,并具有较强的智能化,强烈的现场感,可以让学生亲临其境,激发出浓厚的兴趣,快速掌握每一个基本实验技能。这样通过把实验教学内容寓于游戏式的教学软件[4]中既可以有助于学生理解和掌握理论知识,又避免了现实实验的“三废污染”,达到事半功倍的效果。
过去常采用挂图、教师演示、录象等讲解方式,效果不太理想,其原因是学生是被动者,不能有效地激发出他们的积极性。目前,一方面在网上下载有关有机化学实验的演示课件,让学生浏览,加深记忆,另一方面自己也在加紧收集整理有机实验的多媒体软件,寻求合作伙伴开发有机化学实验基本操作和有机物制备实验操作多媒体软件。
3.4 筛选和开发具有环保性的实验项目
有机合成实验所用的化学试剂、溶剂、催化剂或多或少有一定的毒性,即便是同一产物的不同制备方法,所用原料的毒性也不一样,而对学生所开设的实验基本是“验证型”,因此有必要选择具有环保型的实验项目,从选取价廉、无毒或低毒的原料代替高毒或有毒原料为出发点,尽量提高原子利用率。
因此,可以着手从以下几个方面进行筛选和开发:首先从现有的有机化学实验教材中进行遴选;其次,进行科研攻关,对必做的有机化学实验项目进行改进,如所用的试剂、溶剂、催化剂、反应条件等的改进;除此之外,着力开发一些有环保性的实验项目:①开发以“生物物质”[5,6]为原料的环保型实验,如糠醛的制备、咖啡因的提取;②开发“微波有机化学实验”[7,8]改善反应条件,减少反应时间。
3.5 妥善处理好实验后的“三废”
有机化学实验不可避免地会出现废弃物的处理问题,如果随意丢弃,将严重污染环境。因此,采取有效措施,势在必行。有机实验室的环境保护应规范化、制度化,应对每次产生的废气、废液、废渣进行处理。并严格要求学生,实验开始前要了解环保的意义,实验过程中按照对环境友好的要求做,每次实验结束,要求学生不仅保证实验台干净整洁、井然有序,而且不乱丢弃废弃物。并把学生该方面的完成情况计入实验总分。使培养绿色化人才的工程始于“脚下”。
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