成本控制下的基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室綠色化措施

嚴(yán)軍林,申海霞,張 健,岳 元

(陜西師范大學(xué) 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,西安 710062)

·實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與科學(xué)管理·

成本控制下的基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室綠色化措施

嚴(yán)軍林,申海霞,張 健,岳 元

(陜西師范大學(xué) 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,西安 710062)

基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的綠色化改革是解決其環(huán)境污染問(wèn)題的有效途徑，但是現(xiàn)行綠色化措施因?yàn)樵诮虒W(xué)過(guò)程和效果以及實(shí)驗(yàn)成本控制等方面的不足限制了它們的推廣應(yīng)用。通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)有機(jī)實(shí)驗(yàn)的仔細(xì)分析，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中降低試劑濃度、替換高毒易揮發(fā)性試劑和使用耐用標(biāo)準(zhǔn)磨口器具，從源頭上減少了實(shí)驗(yàn)室有害物質(zhì)和器具的消耗量，大大減少了污染物的排放，降低了實(shí)驗(yàn)成本，實(shí)現(xiàn)了成本控制下的基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室綠色化；同時(shí)，這些措施最大程度地保留了現(xiàn)行基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式和效果，極具普適性和可行性，有望在同類基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室推廣應(yīng)用。

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn); 綠色化改革; 綠色化學(xué); 成本控制

0 引 言

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程所用的藥品和試劑絕大多數(shù)易揮發(fā)、腐蝕性強(qiáng)和毒性高，易對(duì)人和環(huán)境的安全造成嚴(yán)重威脅。隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所帶來(lái)的污染問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注[1-2]。近年來(lái)，綠色化學(xué)逐漸深入人心，其強(qiáng)調(diào)減少有害物質(zhì)的使用，從源頭上減輕污染問(wèn)題，因而在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)施綠色化建設(shè)極具意義[3-5]。

目前，基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室綠色化舉措主要有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容綠色化，實(shí)驗(yàn)操作微型微量化和產(chǎn)物回收利用三種措施[6-9]。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容綠色化主要遵循綠色化學(xué)的原則，將綠色化的新方法、新試劑或新步驟引入到基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中來(lái)形成綠色化的教學(xué)實(shí)驗(yàn)案例[10-11]。但是，鑒于基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練基本操作和鞏固理論知識(shí)的特點(diǎn)，適用于教學(xué)的綠色化有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)有限[12]；同時(shí)，全新實(shí)驗(yàn)的一切物品都需要重新采購(gòu)，制約了這種措施的廣泛推廣[13]。微型微量化實(shí)驗(yàn)是另一種減少有毒有害藥品使用的有效方法，但是，微型微量化實(shí)驗(yàn)的裝置和操作與常量實(shí)驗(yàn)的裝置和操作有較大區(qū)別，不利于學(xué)生基本操作技能的訓(xùn)練和提高[14-15]；同樣，購(gòu)買微型微量化實(shí)驗(yàn)所需器皿也需要額外的經(jīng)費(fèi)。相對(duì)前面兩種方法，試驗(yàn)產(chǎn)物回收利用對(duì)教學(xué)過(guò)程和效果的影響最小。但是，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際來(lái)看，①基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及面廣，實(shí)驗(yàn)間的相關(guān)性不高，只有少數(shù)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物具有再利用的價(jià)值；②即使是組合串聯(lián)實(shí)驗(yàn)也因?yàn)閷W(xué)生操作不熟練而使得可供回收的試驗(yàn)產(chǎn)物極少，因而這種措施對(duì)實(shí)驗(yàn)室綠色化的貢獻(xiàn)極其有限。

綜上所述，由于教學(xué)方式和效果以及實(shí)驗(yàn)成本控制等原因，基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室綠色化建設(shè)的舉措普適性較差，難以全面推廣。因而，如何在保證教學(xué)方式和效果以及控制實(shí)驗(yàn)成本的前提下進(jìn)行綠色化建設(shè)仍是實(shí)驗(yàn)室管理工作的難點(diǎn)[16]。針對(duì)基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，本文介紹在不修改任何實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和操作的前提下，在具體實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中通過(guò)降低試劑濃度、替換高毒易揮發(fā)溶劑和使用耐用標(biāo)準(zhǔn)接口器具三舉措，大大推進(jìn)了基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化建設(shè)和低成本運(yùn)行；同時(shí)，這些措施絲毫不影響教師的講授和學(xué)生的操作，有望在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室推廣。

1 基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室綠色化新舉措

1.1降低官能團(tuán)鑒定實(shí)驗(yàn)中試劑的濃度

在官能團(tuán)鑒定實(shí)驗(yàn)中，多數(shù)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象是體系顏色變化或沉淀生成，是一種有或無(wú)的區(qū)別，非常容易觀察。但是，教材中試劑濃度普遍較大(所有數(shù)據(jù)和步驟均以蘭州大學(xué)編，王清廉等修訂，《有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》為基礎(chǔ))，產(chǎn)生的具有毒害性的廢棄物也較多，不符合綠色化學(xué)的原則。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮瓦^(guò)程的分析，適當(dāng)降低試劑的濃度完全可以完成實(shí)驗(yàn)，達(dá)到同樣的教學(xué)目的，還可以節(jié)約試劑，減少?gòu)U棄物的產(chǎn)生。如烷烯炔的鑒定中，能否使溴褪色是區(qū)分烷烴與烯炔烴的主要方法。但是，教材中溴的濃度為2%，在這一濃度下打開(kāi)瓶蓋，立即聞到溴蒸氣的刺鼻氣味，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)參與者造成健康隱患。為減少毒性，嘗試降低溴的濃度，以0.2%、0.02%和0.002%(體積比)溴的四氯化碳溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如圖1a所示，2%溴溶液為紅棕色，0.2%溴溶液為洋紅色，0.02%溴溶液則為黃色，而0.002%溴溶液則幾乎為無(wú)色。在保證氣流量相同的情況下向試管中同時(shí)通入乙炔，約通氣3 min，0.02%的溴溶液已經(jīng)褪為無(wú)色，而2%和0.02%溴溶液只是顏色變淺[見(jiàn)圖1(b)]；通氣6 min，0.02%溴溶液才褪為無(wú)色[見(jiàn)圖1(c)]，而要使2%的溴溶液完全褪色則需要通氣10 min以上。需要說(shuō)明的是，本實(shí)驗(yàn)中所需通氣時(shí)間較長(zhǎng)是因?yàn)楫a(chǎn)生的氣體需要同時(shí)分配給4個(gè)試管；同樣的條件，若只供給1個(gè)試管，通氣1 min即可使0.02%的溴溶液褪成無(wú)色，而使2%溴溶液的顏色完全褪去則需要4 min。可以預(yù)見(jiàn)，降低溴的濃度也會(huì)減少環(huán)己烯的用量，加入1滴環(huán)己烯即可使0.2%和0.02%溴溶液完全褪色，而要使2%溴溶液的顏色完全褪去則要加5滴環(huán)己烯。需要說(shuō)明的是，在任一濃度的溴溶液中加入烷烴都不會(huì)產(chǎn)生褪色現(xiàn)象。以上實(shí)驗(yàn)充分說(shuō)明在這類直觀顏色變化的鑒定實(shí)驗(yàn)中，有色物質(zhì)濃度的大幅降低(即使降到1%)并不影響教學(xué)過(guò)程和教學(xué)方式，可達(dá)到同樣的教學(xué)效果，還可大大減少有害試劑的用量，同時(shí)縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，極大地推進(jìn)基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化。

(a) 未通入

(b) 通入3 min

(c) 通入6 min

圖1 不同濃度的溴溶液通入乙炔前后的對(duì)比(從左至右試管中溴的濃度分別為2%、0.2%、0.02%和0.002%)

官能團(tuán)鑒定實(shí)驗(yàn)中另一個(gè)出現(xiàn)較多的現(xiàn)象是沉淀生成，乙炔與亞銅離子反應(yīng)生成深褐色沉淀就是一個(gè)典型的例子。教科書(shū)中取0.1 g氯化亞銅加入1 mL水，再用濃氨水滴加直到溶解。實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)至少需要2 mL濃氨水才能使氯化亞銅完全溶解，向其中通入乙炔，立即有沉淀出現(xiàn)；但是在沉淀生成的同時(shí)，溶液仍為藍(lán)色，使得沉淀呈現(xiàn)出深藍(lán)色，與教科書(shū)描述不一致。要說(shuō)明的是，教材中實(shí)驗(yàn)的總體積為3 mL，Cu+的最終濃度為33 g/L，而實(shí)際中2 mL溶液已足夠完成實(shí)驗(yàn)，因此，實(shí)際教學(xué)中可將CuCl溶液配成母液，學(xué)生按需取用即可，在降低濃度的嘗試中也采取這一策略。分別稱取0.1 g、0.05 g和0.01 g CuCl分散10 mL水中，再滴加濃氨水使CuCl完全溶解，母液中Cu+的濃度分別為8.3 g/L、4.5 g/L和0.98 g/L，每個(gè)溶液取2 mL進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。與預(yù)期一致，隨著CuCl濃度的減小，溶液的藍(lán)色也逐漸變淺[見(jiàn)圖2(a)]。同樣，向上述4種濃度的CuCl溶液中以相同氣量通入乙炔30 s后，3個(gè)CuCl濃度較大的試管中立刻出現(xiàn)沉淀，而CuCl為0.98 g/L的試管則是藍(lán)色變淺，并出現(xiàn)了輕微渾濁[圖2(b)]。通氣2 min，CuCl含量較大的3個(gè)試管中出現(xiàn)了大量沉淀，但是由于仍有藍(lán)色溶液存在，使得沉淀呈現(xiàn)出深藍(lán)色或棕色，與教科書(shū)描述的褐色沉淀有較大差距；與之相反，濃度最小的試管中則完全沒(méi)有藍(lán)色溶液，全部是深褐色沉淀[圖2(c)]，與理論顏色一致。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，試劑濃度的減少不僅減少了藥品的用量，而且更為準(zhǔn)確地呈現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

(a) 未通入

(b) 通入30 s

(c) 通入2 min

圖2 不同濃度的CuCl溶液通入乙炔前后的對(duì)比(從左至右試管中CuCl的濃度分別為33 g/L、8.3 g/L、4.5 g/L和0.98 g/L)

綜合以上實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在有機(jī)官能團(tuán)鑒定實(shí)驗(yàn)中，采用大幅降低試劑濃度(最多可降到百分之一)的方法既不改變實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和過(guò)程，也不影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果(部分實(shí)驗(yàn)甚至效果更好)，又可大大減少藥品用量(尤其是有毒有害試劑)和縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，極大地推進(jìn)了基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化。

1.2替換高毒易揮發(fā)溶劑

鑒于基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練學(xué)生基本操作技能的基礎(chǔ)性，多年來(lái)，基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容變化不大。但是，由于歷史和認(rèn)識(shí)的原因，這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容經(jīng)常涉及各種易揮發(fā)高毒性的液體溶劑，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員和環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的危害。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)：這些易揮發(fā)高毒性液體溶劑在實(shí)驗(yàn)中主要起溶劑的作用，只有少數(shù)是直接參與反應(yīng)，因而可選擇一些性質(zhì)相近的難揮發(fā)低毒性溶劑進(jìn)行替換。實(shí)際上，這種替換也是可行的，因?yàn)榛瘜W(xué)試劑中既存在大量溶解性能類似的物質(zhì)，也存在著化學(xué)性質(zhì)極為相似的同系物，這為替換溶劑的選擇提供了可能。乙醚在多個(gè)實(shí)驗(yàn)(如萃取、水蒸汽蒸餾、苯甲醇和苯甲酸的制備)中用到，其主要作用是混合物溶解，利用其與水不互溶和比密度水小的特性，經(jīng)萃取和蒸餾得到純凈化合物。但乙醚極易揮發(fā)，在加熱過(guò)程也可能會(huì)自燃甚至爆炸。乙酸乙酯則要安全得多，而且溶解性、相溶性和密度也類似，完全可替代乙醚，因而在這些實(shí)驗(yàn)中都以乙酸乙酯代替乙醚，都順利完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的教學(xué)目的。

苯是一種強(qiáng)致癌的物質(zhì)，且揮發(fā)性強(qiáng)(沸點(diǎn)只有80.1 ℃)，但在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)苯乙酮的制備中苯既作為反應(yīng)溶劑，也作為反應(yīng)物原料參與反應(yīng)過(guò)程，因而使用大量苯，給實(shí)驗(yàn)人員造成了極大的健康隱患。分析實(shí)驗(yàn)原理可以發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，主要是利用苯的芳香性與乙酸酐發(fā)生典型的傅克酰基化反應(yīng)，從而制備苯乙酮。實(shí)際上，大多數(shù)苯系同系物都具有這種芳香性，也能發(fā)生這種傅克酰基化反應(yīng)。考慮到具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，以毒害性小得多的甲苯代替苯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)制備對(duì)甲基苯乙酮，完全不改變實(shí)驗(yàn)過(guò)程，也沒(méi)有影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。最為重要的是，甲苯屬于低毒性化合物，而且也難揮發(fā)得多(沸點(diǎn)也高達(dá)110.6 ℃)。從以上實(shí)驗(yàn)可以看出，這些易揮發(fā)高毒溶劑的替換能夠大大減少實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)源，極大地提高了基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全性和綠色化。

1.3耐用標(biāo)準(zhǔn)磨口器具的使用

基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)使用的器皿種類廣、數(shù)量多，破損率高，是實(shí)驗(yàn)室的主要消耗品。因此，控制器皿的破損可有效降低實(shí)驗(yàn)成本。玻璃材質(zhì)是器皿易破損的主要原因，因而，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程和效果允許的情況下，使用塑料或聚四氟乙烯材質(zhì)的器皿可有效降低破損率。例如，在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，量筒使用率極高，其破碎主要原因是由于傾倒而碰碎，使用塑料量筒則可有效地避免這一問(wèn)題。在施行這種替換后2年中，各種型號(hào)量筒共更換約20個(gè)，取得了顯著的效果。同樣，聚四氟乙烯塞子替換玻璃材質(zhì)塞子也可大大減少各規(guī)格塞子的破損率，而塑料藥匙和塑料鑷子的使用則可有效減少鐵質(zhì)器具因腐蝕而造成的損壞。

大多數(shù)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)都需要將多個(gè)器材組裝起來(lái)形成一套完整的實(shí)驗(yàn)裝置，由于各個(gè)器材接口的標(biāo)準(zhǔn)不一，組裝時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，既易損壞器材，又易出現(xiàn)連接不緊密，泄漏有害蒸汽，威脅實(shí)驗(yàn)人員健康,使用標(biāo)準(zhǔn)磨口的器材可有效避免。因而，在采購(gòu)器皿時(shí)，所有具有連接部位的器材都采用19號(hào)標(biāo)準(zhǔn)磨口。非標(biāo)準(zhǔn)接口也導(dǎo)致了恒壓滴液漏斗、分液漏斗和二通路玻璃管等含有活塞器具的高更換率。這是因?yàn)檫@些活塞與主體器材一一對(duì)應(yīng)，無(wú)法維修或更換，所以單個(gè)活塞的破碎或整理收納時(shí)的混淆將導(dǎo)致整個(gè)器具無(wú)法使用，造成了較大浪費(fèi)。隨著技術(shù)的發(fā)展，與標(biāo)準(zhǔn)磨口匹配的聚四氟乙烯材質(zhì)活塞已經(jīng)相當(dāng)普遍。這種活塞除不易破碎和更耐腐蝕外，更為重要的是可以互換，即使活塞遺失或混淆，只需更換活塞即可。因而，只要器具主體不破損，一般可長(zhǎng)久使用，可大大地降低此類器具的耗損率，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，符合實(shí)驗(yàn)室綠色化的要求。

2 結(jié) 語(yǔ)

在不對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程作任何修改和不需增加額外經(jīng)費(fèi)的前提下，通過(guò)降低藥品濃度、替換高毒易揮發(fā)溶劑和使用耐用標(biāo)準(zhǔn)磨口器具等舉措，從源頭上大幅減少了基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室藥品和器具的消耗量，推進(jìn)了基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化進(jìn)程，降低了實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行成本，為基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的改革提供了可行途徑。同時(shí)，這些措施簡(jiǎn)單易行，有望在所有化學(xué)類相關(guān)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室推廣施行。

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(21503128)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(GK201503005)；陜西師范大學(xué)2016年度校級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究項(xiàng)目(16SY04)；陜西師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)建設(shè)與管理處實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目(SYJS201417)資助項(xiàng)目

嚴(yán)軍林(1981-)，男，湖北鄂州人，博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室管理和納米顆粒自組裝方向的研究。

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

O 6-31

：A

：1006-7167(2017)07-0246-03