綠色可持續(xù)化學在化學化工教育中的滲透

摘要：綠色可持續(xù)化學是發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟和工業(yè)的關鍵，是可持續(xù)發(fā)展的工具之一，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。在可持續(xù)發(fā)展大框架內(nèi)的綠色化學化工，對經(jīng)濟、資源、環(huán)境的良性發(fā)展具有重要意義。在高校化學化工教育領域培養(yǎng)學生的綠色可持續(xù)化學觀念，是化學工業(yè)發(fā)展的新要求。

關鍵詞：綠色化學 可持續(xù)發(fā)展 化工

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2012）11（a）-0135-02

1 綠色可持續(xù)化學的內(nèi)涵

20世紀90年代初，化學家提出了與傳統(tǒng)“污染治理”觀念不同的“綠色化學”觀念。綠色化學，又稱環(huán)境無害化學、環(huán)境友好化學或清潔化學，是當今國際化學科學研究的熱點和前沿。綠色化學的目標在于不再使用有毒、有害的物質(zhì)，不再產(chǎn)生廢物，不再需要處理廢物，最終實現(xiàn)零排放和零污染。綠色化學的基本原則可以歸納為12條：預防、原子經(jīng)濟性、無害化學合成、設計安全化學品、使用更安全的溶助劑、提高能源經(jīng)濟性、使用可再生原料、減少衍生物、開發(fā)新型催化劑、降解設計、預防污染實時分析、防止意外的安全工藝。依據(jù)這些原則可以開發(fā)和評估化學合成路線、生產(chǎn)流程、化合物是否符合綠色化學的指導方針和標準。

1987年世界環(huán)境與發(fā)展委員會發(fā)布了關于人類未來的報告—— 《我們共同的未來》，提出了“可持續(xù)發(fā)展”的概念，把這一概念定義為可持續(xù)發(fā)展是這樣一種發(fā)展：它既滿足當代人的需要，又不對后代人滿足其需要的能力構(gòu)成危害。化學工作者對可持續(xù)發(fā)展觀念應該有更深刻的體會，眾所周知，化學化工事業(yè)在取得巨大成就的同時，也給環(huán)境等帶來了不可忽視的負面影響。1998年國際經(jīng)濟合作與發(fā)展組織召開的研討會上提出了“可持續(xù)化學”（Sustainable Chemistry）的概念，日本于2000年進一步提出了“綠色可持續(xù)化學（GSC）”的概念，以強調(diào)化學化工不僅涉及環(huán)境，而且直接與可持續(xù)發(fā)展的多個方面相關。后來日本提出了綠色可持續(xù)化學（GSC）的技術體系，包括四個目標：和諧環(huán)境；擺脫資源制約；脫離能源制約；提高生活質(zhì)量。GSC技術體系還提出了若干開發(fā)課題和相應的關鍵技術。

可見，綠色可持續(xù)化學是可持續(xù)發(fā)展的工具之一，可持續(xù)發(fā)展觀念是以經(jīng)濟、資源、環(huán)境、社會等要素的一體化為特征，很明顯，在可持續(xù)發(fā)展大框架內(nèi)的綠色化學化工，對經(jīng)濟、資源、環(huán)境的良性發(fā)展具有重要意義。

2 化學反應的新要求—— 原子經(jīng)濟性

綠色可持續(xù)化學關系到化學工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，而化學反應的“原子經(jīng)濟性”是綠色化學的核心內(nèi)容之一，也是綠色化學技術中最關鍵的策略。“原子經(jīng)濟性”的概念目前被普遍承認，最早提出原子經(jīng)濟性概念的是美國斯坦福大學的B.M.Trost教授，傳統(tǒng)上一般僅用經(jīng)濟性來衡量化學工藝是否可行，針對這一做法，他指出用選擇性和原子經(jīng)濟性這種新的標準來評估化學工藝過程。也就是說，原子經(jīng)濟性關注的是在化學反應中原料的原子究竟有多少轉(zhuǎn)化為人們所要的產(chǎn)物，這一標準既要求盡可能地節(jié)約不可再生資源，又要求最大限度地減少廢棄物排放。理想的原子經(jīng)濟反應是原料分子中的原子百分之百地轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物，不產(chǎn)生副產(chǎn)物或廢物，實現(xiàn)廢物的“零排放”。

原子經(jīng)濟性在有機化學中并不鮮見。例如，周環(huán)反應就是典型的A+B→C原子經(jīng)濟性反應，比如Diels-Alder反應和ene反應。在工業(yè)生產(chǎn)中涉及的大量氧化還原反應，比如將醇氧化為醛、酮或酸一般都使用一定量的氧化劑如鉻等，一方面氧化劑的原子利用率非常低，生成大量副產(chǎn)物，既浪費資源又產(chǎn)生污染。如果用純氧氣或空氣中的氧氣或過氧化氫作為氧化劑，不僅原子利用率大大提高，而且副產(chǎn)物水對環(huán)境無害。再比如無論是1，2-加成反應還是1，4-共軛加成反應，傳統(tǒng)方法都是使用等量或過量的堿先產(chǎn)生一個親核試劑，該親核試劑與受體發(fā)生反應后生成產(chǎn)物，這樣反應中堿的原子沒有得到利用，原子利用率低。而如果用催化劑代替堿，則使反應的原子利用率大幅度提高。其他的還有自由基反應中的部分反應也是原子經(jīng)濟性的，特別是通過原子轉(zhuǎn)移實現(xiàn)的自由基加成反應和通過自由基引發(fā)的多組分反應。但需要注意的是自由基反應中反應產(chǎn)物選擇性特別是包括對應選擇性在內(nèi)的立體選擇性的調(diào)控仍將是一項艱巨的任務，新反應類型的建立也將是實現(xiàn)自由基引發(fā)的原子經(jīng)濟性反應的關鍵。

3 教學中綠色可持續(xù)化學理念的培養(yǎng)

在基礎教育中已明確提出要培養(yǎng)學生綠色化學觀念，比如高中化學課程標準對此就有明確的表述，比如新課標內(nèi)容標準中指出：“必修課程的設計……體現(xiàn)綠色化學思想，突出化學對生活、社會發(fā)展和科技進步的重要作用”；“實驗化學”模塊明確提出“形成綠色化學的觀念，強化實驗安全意識”；“樹立綠色化學思想，形成環(huán)境保護的意識”。

在大學化學化工領域的教學中，讓學生樹立綠色可持續(xù)化學觀念更是社會、經(jīng)濟發(fā)展的需要。這種觀念的形成可以通過多種途徑：可以做綠色可持續(xù)化學的專題講座；可以開設綠色化學選修課；也可以在教學中潛移默化地進行綠色可持續(xù)化學理念的熏陶，從化學反應原料、催化劑、溶劑三個方面介紹綠色化的措施。比如對于化學反應原料，讓學生知道95%以上的有機化學品來自石油，但地球上的煤和石油畢竟有限而且不可再生。因此，如何利用生物質(zhì)為原料生產(chǎn)人類需要的化學品就是當下綠色有機合成的主要任務。反應原料的綠色化有兩條途徑：采用無毒、無害的原料；用可再生資源為原料。研究高效催化劑對于避免副產(chǎn)物的產(chǎn)生提高原子利用率有非常重要的實際意義。傳統(tǒng)的許多有機溶劑大多具有揮發(fā)性、毒性，對環(huán)境有危害，讓學生知道可以設計或?qū)ふ野踩木G色有機溶劑。目前有很多為減少毒性和環(huán)境污染而設計的綠色溶劑，例如碳酸1，2-丙二醇酯可作為很多環(huán)氧化—— 氨基甲酸乙酯和其他聚合物和樹脂的有效溶劑。熱的N-甲基-2-吡咯酮（NMP）可以溶解多種油，低溫時本身又可析出。乳酸酯包括乳酸乙酯是許多聚合物和樹脂的極好溶劑。雙丙酮醇作為丙酮的有效替代品，可溶解多種脂肪、油、蠟和樹脂，同時保留了水混溶性。

在化學實驗設計中也可以貫徹綠色化學理念，比如從綠色化學的十二原則和GSC技術體系出發(fā)，通過與一些傳統(tǒng)實驗方法相對比，讓學生明白改進后實驗中蘊含的綠色可持續(xù)化學理念。如1，2-二苯乙烯的綠色溴化，蘊含了使用安全溶劑和試劑、原子經(jīng)濟性等綠色化學信息；用環(huán)乙烯做原料，乙二酸的綠色合成和重結(jié)晶實驗，體現(xiàn)了催化作用、反應介質(zhì)的選擇、試劑的再利用等綠色化學信息。

4 構(gòu)建大學綠色可持續(xù)化學實驗體系

基礎教育中，在實驗教學中滲透綠色化學思想、培養(yǎng)學生可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保意識，是進行綠色可持續(xù)化學教育可操作性最強、效果最明顯的途徑。化學實驗的綠色化是《化學課程標準》的要求，也是化學學科發(fā)展的要求。同樣，在高等教育中，化學實驗教學也是進行綠色可持續(xù)化學教育的主陣地。構(gòu)建大學綠色可持續(xù)化學實驗體系有多種途徑。

4.1 化學實驗設計的綠色化

大學化學實驗，不能再是簡單模仿、照葫蘆畫瓢，而應對學生的實驗設計能力提出更高的要求，側(cè)重實驗設計的綠色化。化學實驗的綠色化，要求原料綠色化，以可再生資源為原料，選取無毒、無害原料；要求化學反應的綠色化，采用“原子經(jīng)濟性”反應，比如催化劑的綠色化（選用無毒無害催化劑），溶劑的綠色化（無毒無害溶劑），提高反應的選擇性，從而實現(xiàn)產(chǎn)物的綠色化。例如乙酸乙酯的制備實驗，傳統(tǒng)教學實驗存在以下缺陷：濃硫酸作催化劑腐蝕性強，用量大，使用不安全；反應溫度難控制、副反應多、反應速率慢、乙醇利用率低、分離提純困難；產(chǎn)生的廢液對環(huán)境有污染。對該實驗進行綠色化設計改造：采用無機固體酸作酯化催化劑，特點是產(chǎn)率高，操作方便，后處理容易，對環(huán)境友好。

4.2 化學實驗的微型化

化學實驗微型化具有明顯的綠色環(huán)保特點，既節(jié)約藥品、減少污染，又具有安全、便捷、高效等優(yōu)點。我國開展微型化學實驗研究已近20年，化學教學中可以充分利用這些研究成果，將化學實驗微型化作為化學實驗綠色化的微型化一條重要途徑。但是微型化學實驗與常規(guī)實驗相比也有它的不足之處，如收率相對偏低，有時實驗現(xiàn)象不明顯；較忽視基本操作的規(guī)范性；較少考慮實驗中有關的安全因素等。因此，教學中應根據(jù)實驗的特點，結(jié)合使用常規(guī)實驗、微型實驗或半微量試驗，取長補短，以發(fā)揮更好的教學效果。

另外，還可以通過其他措施構(gòu)建綠色可持續(xù)化學實驗體系，比如，化學仿真實驗或化學實驗的清潔化。化學仿真實驗不使用化學原料、無毒無污染、成本低，與綠色化學思想相吻合。對一些實驗成本高、危險性大、污染較重的實驗，可以考慮通過視頻影像、flash動畫等手段利用計算機多媒體系統(tǒng)加以呈現(xiàn)，但需要主要化學實驗仿真化只能在特殊情況下作為輔助手段，絕對不能取代實際操作。所謂化學實驗的清潔化，就是通過一些有效措施使化學實驗對實驗場所和環(huán)境的污染降到最低限度。

綠色可持續(xù)化學是化學化工發(fā)展的新階段，它利用近代科學和技術，在繼續(xù)生產(chǎn)人類社會所需要的大量新物質(zhì)、新產(chǎn)品的同時，充分利用原料并確保生產(chǎn)過程和生產(chǎn)出的物質(zhì)不污染環(huán)境。因此，綠色可持續(xù)化學是發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟和工業(yè)的關鍵，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。

參考文獻

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