有機化學實驗教學綠色化改革的研究與實施

王 紅，劉秋平，王海濱，楊振平，強根榮

(浙江工業大學 化學化工國家級實驗教學示范中心，杭州 310014)

0 引 言

自從上個世紀90年代美國環保局在其官方文件上首次提出了“綠色化學”這個名詞以來，綠色化學已逐漸發展成為科學研究一個新的熱點領域。綠色化學倡導用化學的技術和方法減少或停止那些對人類健康、生態環境有害的原料、催化劑、溶劑和試劑、產物、副產物等的使用與產生。其核心是原子經濟性[1]和“5R”原則(Reduction,Reuse,Recycling,Regeneration and Rejection)[2]。綠色化學的理想是使污染消除在產生的源頭，使整個合成過程和生產過程對環境友好，因而綠色化學也被稱為是從根本上消除污染的對策。隨著人們環保意識的增強，實現經濟的可持續發展，保護環境已成為全社會的共識，“化學的綠色化”也成為了新世紀化學進展的主要方向之一[3]。

1 有機化學實驗教學綠色化改革的背景

在環境問題日益嚴重的今天，化學實驗的綠色化已成為化學實驗教學改革的重點。在實現教學目標，確保學生安全有效地完成實驗的同時，如何在教學中體現綠色化學的理念，降低實驗成本，減少實驗室污染的產生，引導學生接觸和學習綠色化學理論，培養學生的生態意識、實踐能力和創新精神已成為化學實驗教師面臨新的問題和挑戰。有機化學實驗是高校化學、化工、制藥等專業的重要基礎課程，是學生實踐理論、提高技能的重要途徑，對學生思維能力和創新能力的培養起著十分重要的作用。但在有機化學實驗的過程中，學生不可避免地要使用大量的化學藥品和有機溶劑，接觸一些有毒、易燃和具有腐蝕性試劑，而且每次實驗都會不斷地產生一些副產物，造成“三廢”。此外，在傳統的有機化學實驗教學中，各個實驗相互聯系的程度不夠，實驗與實驗之間相互獨立，使得實驗得到的產品沒法充分利用。這些產品的儲存和處理不僅要消耗大量的人力和物力，還會產生新的實驗室污染。

為了將綠色化學的理念貫徹到基本操作、合成、綜合設計性實驗的各個教學環節，采取了許多切實可行的措施，也收獲了不少的成果。從對有機化學實驗教學內容的綠色化研究入手，設計和篩選一些具有代表性的綠色化精品內容，開發了新的綜合性系列化實驗內容，并在對傳統有機合成實驗內容改革的基礎上，加大了實驗方法和手段的改革，采用綠色化的合成技術，努力實現有機化學實驗教學的綠色化。

2 有機化學實驗教學綠色化改革的具體措施

傳統的有機化學實驗主要包含有機化學實驗基本的單元操作和經典的合成實驗，其教學目的是鞏固學生的理論知識，培養學生認真的實驗態度和規范的實驗操作，鍛煉學生的動手能力，這些對于學生全面掌握有機化學實驗技能是非常必要和不可或缺的。但隨著時代的發展和人才培養需求的不斷變化，尤其是在“綠色”已經成為主流的今天，一些實驗內容和方法已不能滿足綠色化合成的新需要，必須加以改進。

2.1 改進實驗內容，體現綠色化學理念

2.1.1 酯化反應中帶水劑的綠色化

“苯甲酸乙酯合成”是傳統的有機化學實驗，近年來，對該實驗所用的帶水劑進行了認真的探討。

酸催化的直接酯化是工業和實驗室制備羧酸酯最重要的方法。酯化是典型的平衡反應，在實際操作中，提高反應收率常用的方法是除去反應中形成的水。在苯甲酸乙酯的制備中，通常是在反應體系中加入苯，使醇、苯和水之間形成三元恒沸物，來除去反應中不斷生成的水。但苯是一類致癌物，且在體內很難代謝，實驗室大量使用苯不僅會對學生的身體造成傷害，污染環境，也會給反應試劑的回收帶來很大麻煩。遵循綠色化學“盡量用對環境友好的試劑和溶劑代替污染大、毒性大的試劑”的原則，對苯甲酸乙酯合成實驗溶劑的綠色化進行了研究和探討，先后嘗試了用乙酸乙酯和環己烷替代苯作為苯甲酸酯化反應的帶水劑。

乙酸乙酯能與水和反應物乙醇形成三元共沸物(b.p.= 70.0 ℃)，通過共沸分水，可將水帶離反應體系，促進平衡右移，提高苯甲酸乙酯的產率。乙酸乙酯共沸物中水的含量比苯高，分水效果好，且為低毒性溶劑，是理想的酯化反應的綠色溶劑。實驗結果表明，用乙酸乙酯作為帶水劑時，反應溫度在75 ℃左右時酯的收率達到最高，但反應溫度的上下波動會造成酯收率的大幅度下降[4]。分析認為，乙酸乙酯、乙醇和水除了能形成三元共沸物之外，還會彼此之間形成二元共沸物，且溫度對共沸物形成的種類起著十分重要的作用[5]。如果反應溫度控制不當，就會使部分反應物乙醇共沸蒸出，留在分水器中，而不能回到反應體系繼續參與反應，造成反應物乙醇的損失和酯收率的下降。因此，苯甲酸乙酯的合成中用乙酸乙酯作為帶水劑時，嚴格地控制反應溫度十分必要。酯化反應是放熱的，放熱的速度很難控制，這會給實驗中的嚴格控溫增加難度。為了更好地控制反應的溫度，實驗室勢必要添加新的實驗設備，實驗裝置也會隨之復雜化，這樣會造成實驗成本和學生實驗操作難度的增加。因而，我們認為用乙酸乙酯替代苯作為帶水劑，在目前本科實驗教學中的大規模推廣還存在一定的困難。

環己烷的毒性比苯小，也是酯化反應常用的帶水劑[6]。環己烷、水和乙醇形成的三元共沸物(b.p.= 62.1℃)由反應瓶蒸出，從冷凝管流入分水器中會明顯地分成三層。上層含有環己烷，部分的乙醇和極少量的水，中層水的相對含量增大，乙醇含量相對減少，最下面一層為水層。在實驗中學生只需認真觀察分水器液面，控制分水器中液面位置，保證上層始終是薄薄的一層，中層液面不流回到反應瓶即可有效地分出反應生成的水。但實驗中發現，以環己烷作為帶水劑時，在和苯同樣的反應條件下，反應往往進行得不夠完全，反應瓶內的液體有的始終不能澄清，苯甲酸乙酯的產率也普遍要比苯做帶水劑偏低5%～10%左右。考慮到環己烷反應體系中共沸物的組成(水7.0%、乙醇17.0%、環己烷76.0%)中水的含量比苯反應體系(水7.5%、乙醇18.5%、環己烷74.0%)的低[7-8]，帶水效果略差的因素，嘗試通過調整反應物和帶水劑的比例，以達到更好的除水效果，彌補乙醇由于共沸蒸出帶來的損失，提高反應的收率。結果發現，當環己烷反應體系中苯甲酸、乙醇和環己烷的摩爾比為1.0∶5.0∶2.2時，反應的效果最好，學生苯甲酸乙酯的平均收率為60% 左右，和苯作為帶水劑，苯甲酸、乙醇和苯的摩爾比為1.0∶2.0∶2.0時酯的收率相當，達到了較好的實驗效果。

從以上分析可以看出，苯甲酸乙酯的合成實驗中，以毒性小的環己烷取代苯作為帶水劑是完全可行的，通過調整反應物和帶水劑的摩爾比，可以達到和苯一樣的實驗效果。這種替代提高了實驗的綠色化程度，降低了使用試劑的毒性，減少了實驗室污染，且反應中實驗現象明顯，操作簡單，值得在本科有機化學實驗中實施和推廣。

2.1.2 合成實驗內容的調整

Fridel-Crafts 反應是向芳環引入烷基或酰基最重要的方法，在有機合成中有很大的實用價值。為了讓學生更好地學習和掌握該知識，我校本科有機化學實驗中曾長期開設 “鄰叔丁基對苯二酚的制備”。此實驗以對苯二酚和叔丁醇為原料，以磷酸作催化劑，在二甲苯溶劑中反應制得TBHQ，其反應式為：

學生通過此實驗不僅可以學習制備鄰叔丁基對苯二酚的原理與方法，還可掌握和鞏固帶有加熱回流、滴加、控溫的機械攪拌以及過濾、重結晶、熔點測定等基本操作。但實驗的運行中也存在一些問題，如：作為原料的對苯二酚有一定的毒性，學生在稱取藥品時，操作不慎容易污染皮膚或實驗服；要用到大量的低毒性有刺激性味道的二甲苯作為反應和重結晶的溶劑，實驗室氣味較大，且二甲苯的回收和再處理也會增加實驗成本；反應要在較高的溫度下攪拌、加熱、回流，安全性差。這些問題顯然有悖于實驗教學中一直倡導的合成綠色化的理念。近幾年來，一直在找尋一個能夠涵蓋“鄰叔丁基對苯二酚制備”中所有的知識點，實驗的過程更為綠色化的合成實驗來替代“鄰叔丁基對苯二酚的制備”。在查閱相關文獻的基礎上[9]，開發并進一步完善了 “乙酰二茂鐵的制備與柱色譜分離”實驗，以此來替代“鄰叔丁基對苯二酚的制備”，并已在本科有機化學實驗教學中全面推廣實施了3年。

二茂鐵有類似苯的芳香性，且比苯更容易發生親電取代反應。以乙酸酐為酰化試劑，磷酸為催化劑，二茂鐵可以發生Friedel-Crafts酰基化反應得到乙酰二茂鐵，其反應式為：

從兩個實驗的比較(見表1)和實驗運行的實際效果來看，這種替代實現了教學設想，達到了預期的要求，主要表現在：① 這種替代保證了能夠按照教學大綱的要求完成“鄰叔丁基對苯二酚的制備”實驗所要完成的教學任務和目標。“乙酰二茂鐵的制備與柱色譜分離”實驗幾乎包含了“鄰叔丁基對苯二酚的制備”實驗中所涉及到的單元操作和實驗技能，只是在產物純化步驟用柱色譜替代了重結晶的操作，而重結晶的操作學生在另外的合成實驗中已經掌握；② 實驗的綠色化程度提高。實驗避免了大量有機溶劑的使用，降低了溶劑在量取、加熱回流和傾倒環節對學生的傷害和對實驗室的污染，也減輕了有機溶劑回收和后處理的負擔；③ “乙酰二茂鐵的制備與柱色譜分離”實驗中反應溫度為50～60℃，反應時間短，反應條件溫和。這既降低了能源消耗，也緩解了高溫加熱給學生帶來的緊張情緒，使實驗操作更安全。

表1 “鄰叔丁基對苯二酚的制備“與“乙酰二茂鐵的

另外，在原有的有機化學實驗教學中，由于課時的關系，沒有安排“柱色譜”的教學內容，而這一內容恰恰是現代有機化合物分離中非常重要和常用的技術。因而，在“乙酰二茂鐵的制備與柱色譜分離”實驗中，還增加了薄層色譜和柱色譜聯用分離技術，用薄層色譜追蹤反應，用柱色譜進行產物的純化。實驗結束后，學生還可借助于紅外光譜和氫譜對產物的結構進行表征。通過以上訓練，不僅使學生的實驗基本技能更加全面，實驗的過程更為完整，也使教學實驗更加貼近科研實際，實用性大大提高，學生的學習興趣十分濃厚。

2.2 調整實驗方案，推行微量、半微量實驗

微量或半微量實驗是指以盡可能少的化學試劑來獲取所需要的化學信息的實驗方法，是在綠色化學理念指導下新發展起來的合成技術[10]。微量或半微量實驗具有節省反應原料，縮短反應時間，降低能耗，減少廢棄物的排放，改善實驗室環境以及防止環境污染的特點。微量或半微量實驗的實施，在幫助學生樹立綠色化學的理念的同時，還可以培養學生細致，嚴謹的實驗態度，提實高學生的實驗技能。因而，實驗的微型化正逐漸成為化學實驗改革的核心之一。

實驗室制備環己烯主要是通過酸催化條件下的環己醇的脫水，常用的脫水劑為硫酸或磷酸等強的質子酸。雖然這些酸方便易得，操作簡便，但實驗室大量使用也存在一些不足，如：酸存在條件下，長時間加熱造成的有機物碳化的問題；大量酸廢液的產生帶來的環境污染和后處理的問題等。為了解決上述問題，在環己烯的合成實驗中采用了半微量反應，將原料環己醇的用量減少到實驗室常規用量的1/3，這樣磷酸的用量也隨之減少，反應時間也由常量實驗的1.5～2 h縮短至40 min。實驗結果表明，微量實驗同樣實現了常量實驗的教學目的，學生較好地掌握了相關的實驗原理和操作，產率也和常規實驗持平，實驗的態度也更加仔細、認真。同時，由于酸用量的減少，實驗室的操作環境得到了改善，酸廢液對環境的污染也降至最低。

2.3 加強實驗產品的循環利用，開設系列化實驗項目

作為有機化學課程體系重要的組成部分，有機化學實驗的目的是通過實驗去驗證有機化學中所學的理論，學習有機化合物的合成、分離與鑒定的原理與方法。實驗內容的設置上一般是針對一種反應類型或合成方法，設計一類化合物的合成，各個合成實驗之間互不關聯。雖然這些傳統的實驗項目都很經典，學生也通過實驗親自驗證了自己在理論課上學到的合成原理和方法。但由于每個實驗之間缺乏連續性，學生一學年有機化學實驗結束后，也發現一些問題：① 學生綜合分析問題和解決問題的能力得不到培訓和提高；② 學生花費3～4 h合成得到的實驗產物，最后往往都被教師收集到廢棄的容器中進行回收，學生實驗的成就感大大降低，實驗興趣下降；③ 由于合成的產品得不到有效的利用，實驗室的藥品會越積累越多，不僅給實驗室帶來了一定的環境和安全隱患，也不符合綠色化學所倡導的“Reuse”“Recycling”和“Regeneration”的原則。

為了減少實驗室廢棄物的產生，節省資源，減輕污染，設計了一些系列化綜合實驗，把孤立的合成實驗串聯起來，用一個反應的產物當做下一個反應的反應物，實現了實驗的連續化。

案列1苯甲酸乙酯的系列化合成。此系列化實驗是3個相互獨立的合成實驗“苯甲醇和苯甲酸的制備”“苯甲酸的制備”和“苯甲酸乙酯制備”的串聯，共包括3步，其反應式為：

第1步，以苯甲醛為原料，通過歧化反應生成苯甲酸和苯甲醇兩種實驗產品；第2步，將第1步的產物之一的環己醇經高錳酸鉀氧化得到苯甲酸；第3步，將第1和第2步得到的苯甲酸合并,并以此為原料，通過和乙醇的酯化反應得到目標產物苯甲酸乙酯。實驗中包含了“Cannizzaro反應、氧化反應、酯化反應”3種類型的有機化學經典反應，涉及到機械攪拌、加熱回流、油水分離、萃取、洗滌、干燥、重結晶和減壓蒸餾等基本操作。為了使整個教學過程更貼合合成綠色化學的要求，在保證順利實現教學目的的前提下，盡量在每步反應中更多地采用綠色化的技術，如：苯甲酸合成中微波合成技術的使用，酯化反應中環己烷替代苯作為帶水劑等，貫徹綠色化學的理念。

案列2己二酸的綠色化合成。己二酸是重要的化工原料，在化工生產、有機合成工業、醫藥和潤滑劑制造等方面都有重要作用。工業上一般通過環己醇或環己酮的硝酸氧化來生產己二酸，實驗室可用高錳酸鉀或重鉻酸鉀氧化環己醇而得。硝酸作為氧化劑，反應的副產物氧化氮是有毒氣體，而高錳酸鉀或重鉻酸鉀的還原產物也會對人體和環境帶來危害。尋找環境無害的氧化劑代替上述氧化劑，已經成為己二酸綠色合成的關鍵。1998年，Sato等[11]報道了綠色氧化劑雙氧水氧化環己烯合成己二酸的方法，隨后，Scott 等[12]將這一綠色合成方法應用到本科有機化學實驗教學中，并取得了不錯的效果。考慮到雙氧水作為氧化劑的環境友好的特點，遵循合成實驗盡量系列化的原則，將環己醇脫水合成環己烯和環己烯雙氧水氧化合成己二酸的實驗串聯起來，開發了己二酸的系列化綠色合成實驗，其反應過程為：

此實驗開設的目的除了教給學生核心實驗技術外，更為重要的是從環境和經濟的角度向學生展示綠色合成的好處,例如：① 系列化反應帶來的經濟效益；② 過氧化氫是綠色的氧化劑，其還原產物是水。用對環境友好的氧化劑過氧化氫代替高錳酸鉀，避免了使用高錳酸鉀作為氧化劑時，產生的細狀顆粒二氧化錳帶來的分離的麻煩和對環境的影響；③ 反應是在水溶液當中進行，水是無毒無害的溶劑，成本低，反應后處理更簡便。以水為介質的的有機反應也避免了使用有機溶劑帶來的安全和環境的問題，更符合環境友好反應的要求；④ 催化劑的可循環使用是綠色催化的特點之一。由于鎢酸鈉和相轉移催化劑在反應中沒有被消耗，可以從反應的水溶液中進行回收，在后續反應中只需要將新鮮的環己烯和過氧化氫添加到再生催化劑溶液中即可重復反應，實現了催化劑的回收再利用，降低了實驗的成本。

通過這些系列化綜合實驗的實施，不僅培養了學生實驗中嚴格認真的實驗態度，強化了學生的實驗技能，提高了學生統籌安排實驗和綜合分析、解決問題的能力，更為重要的是將實驗室原本廢棄的實驗產品循環利用起來，避免了大量化學藥品的儲存和回收處理帶來的污染，化學實驗的綠色化程度極大提高。

2.4 改進實驗手段，應用微波、超聲波等實驗技術

為了在實驗中降低用來驅動反應所需的電能消耗，使合成變得對環境友好，同時展示綠色化學技術，近年來新的綠色合成技術不斷涌現，如：微波反應，超聲波反應[13]以及太陽能反應器[14]等。在本科實驗教學中，合理地采用這些新的實驗技術是實現有機化學實驗“綠色化”有效手段。從實驗室的具體情況出發，將微波合成技術應用到了苯甲酸的合成中。

近年來，微波合成技術由于其在有機合成和高分子材料合成中的出色表現而逐漸引起人們的關注。微波輻射提供了一種在化學反應中代替傳統加熱方式的方法，和傳統的加熱反應相比，微波輔助反應不僅速度快，操作簡單，而且反應更干凈、經濟和易控制，一般也不會有熱解產物生成。微波反應的這些特點使其在有機化學實驗室得到了廣泛的應用，有關微波反應技術在本科實驗教學中應用的報道也不斷涌現：如，王永紅等[15]將微波合成應用到肉桂酸的合成,Montes等[16]曾在《美國化學教育》上報道過微波技術在本科實驗合成阿司匹林中的應用。

芳烴側鏈的氧化是制備芳香族羧酸的重要方法。苯甲酸傳統的合成方法是通過高錳酸鉀氧化甲苯來完成的。但作為反應物的甲苯毒性較大，本科實驗教學中一般采用毒性較小的苯甲醇替代甲苯進行反應。高錳酸鉀氧化苯甲醇制備苯甲酸的實驗是一個典型的非均相反應，作為反應物的苯甲醇是油溶性的，而氧化劑高錳酸鉀是水溶性的，反應必須在劇烈攪拌或添加相轉移催化劑的條件下才能得到好的收率。

自2005年起，我校將微波實驗技術應用到了苯甲酸的合成實驗中，取得了很好的教學效果。和傳統的合成方法相比，微波氧化合成苯甲酸更具有環境和經濟的優勢，主要表現在：① 反應時間大大縮短，選擇微波功率60%時，反應在20 min即可結束，學生苯甲酸收率的平均值在70% 左右。提高了實驗的效率，降低了能源消耗；② 實驗裝置簡單，反應不需要劇烈攪拌，降低了安全隱患；③ 微波反應不需要添加相轉移催化劑，避免了催化劑的回收和處理過程帶來的實驗準備人員工作量增大和藥品的消耗問題，降低了實驗的成本。微波技術在本科實驗教學中的應用，給學生創造了接觸綠色化學新的合成技術的機會，引導學生用綠色化學的方法去研究實驗，激發了學生實驗的興趣和求知欲，拓展了學生的知識面，培養學生挑戰傳統的化學思維的能力。

3 有機化學實驗教學綠色化改革的效果

經過這些年有機化學實驗教學綠色化的改革實踐，積累了經驗，取得了明顯的經濟和環境效益：

(1)建立了綠色化的實驗環境。由于實驗方案的綠色化改進，系列化的合成實驗的增設，將學生的實驗產品、回收的溶劑再利用起來，實驗廢棄物大大減少，減少了“三廢”處理，更有助于學生自覺地建立起綠色化的理念和保護環境的使命感。

(2)促進了學生實驗知識的系統性和完整性。新型系列化實驗項目的綜合性高，涵蓋有機合成的全過程，而不是單元實驗零打碎敲地學習，要求學生有扎實的基本操作能力和寬廣的知識面。實驗中學生必須從實驗的全局出發，統籌安排實驗步驟，把握實驗的系統性，熟悉實驗所涉及到的各種技能，正確掌握反應條件，遵循實驗規范，操作認真仔細，才能順利完成實驗。

(3)增強了學生的綜合能力。改革迫使學生改變過去那種不加思考地按操作規程 “照方抓藥”式實驗，只有勤于思考，并參閱有關資料或通過相互間的討論，認真分析并解決實驗中遇到的問題，找出原因并加以克服，方能取得實驗的最后成功。經過系列化、綠色化實驗項目的訓練，學生對有機化學基本理論、化合物的性質與反應機理有了更深地理解，學生也在實驗中逐步學會了如何綜合運用所學的知識來解決實際問題。

4 結 語

強化學生的國家情懷和生態意識已成為新型人才培養的重要目標之一，學習用對環境更友好的方法來進行傳統意義上的反應，已經變得越來越重要。這就要求實驗教學不再僅僅是指導學生掌握幾種單元操作，完成幾個實驗，而是要通過綠色化觀念的滲透，引導學生分析如何將一個標準反應向更綠色的反應轉化，學習用綠色化學的方法去研究實驗，并應用所學到的綠色化學的知識和技術對傳統的合成方法進合行改革，強化學生的生態意識，增強社會責任感。