綠色化學融入有機化學實驗的探究

郭元龍，謝海波(貴州大學材料與冶金學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

有機化學實驗是應用化學、化工、制藥等多學科專業的核心課程，具有非常強的實踐操作性。同時，有機化學實驗過程中涉及種類繁多的有機試劑，其中很多都是有毒性質且揮發性較強，經口吸入或經皮吸收都會對人體健康造成極大的危害，也會增加環保壓力[1]。恰當、高效地設計實施有機化學實驗，不僅對保護實驗人員人身安全，降低實驗對環境影響具有重要作用，同時也是實現具備良好節約與環保意識和較強實驗操作與創新能力的高素質人才培養的基本要求。綠色化學是化學學科的一門重要分支，旨在推進環境無害型、環境友好型、清潔型的化學學科發展[2]。將綠色化學與有機化學實驗緊密結合在一起，以綠色化學理念為指導，綠色化學要求為原則，進行有機化學實驗的設計、操作與評價，促進有機化學實驗綠色化，是當前有機化學實驗建設與發展的根本方向。

1 綠色化學與綠色化學理念

綠色化學又叫做環境無害化學、環境友好化學和清潔化學，其根本目的是降低或者完全消除對危險化學物質的使用和產生。目前，綠色化學發展迅猛，已經成為化學學科一項重要交叉學科，涉及有機化學、生物化學、分析化學等多領域，為化學學科發展提供重要指導[3]。以實現綠色化學為目標的化學工作指導思想構成綠色化學理念，日益被社會推崇。

在綠色化學理念下，提倡合理運用化學技術及方法，避免或者降低使用或產生對生態環境、人體健康有毒有害的原料、試劑、催化劑以及產物和副產物等[4]。隨著時代的發展，綠色化學理念也處于發展變化中，從最初提出時的一種愿景或理想，轉變為當前在實踐應用落實中的重要指導理念，引領化學相關專業領域實現可持續發展。在綠色化學理念下，有機化學要求從源頭控制并消除污染物的產生，在有機物合成過程中，采用科學的合成方法，優化選取反應原料、催化劑以及反應介質等，降低或消除污染物、廢物的產生，將預防污染的控制手段前置到始端，進而實現過程與終端的零污染。現階段，綠色化學已經成為新時代化學發展的一個主要方向，成為化學領域發展的根本目標。

2 綠色化學在有機化學實驗中的重要價值

2.1 保護環境，節約成本

綠色化學在有機化學實驗中的應用，必然要求相關人員在進行有機化學實驗設計中，將降低污染、減少三廢排放作為設計重要目標，注重對環境的保護。同時，有機化學實驗的開展對實驗儀器設備、試劑及耗材等方面的需求量非常大，一些高校存在著實驗經費與實驗教學研究需求之間的矛盾。將綠色化學與有機化學實驗融合，要求在實驗設計中，根據實驗內容與要求進行科學綜合設計。通過降低試劑用量，優選試劑類型、增加實驗重復次數等途徑，縮短實驗反應時間，增強實驗現象，提高實驗成效，從而在保護環境與實驗人員健康的同時，達到節約成本的目的。

2.2 樹立綠色理念，培養創新能力

有機化學實驗是多專業領域的核心基礎課程，融入綠色化學理念，在進行實驗設計教學中，要求教師充分發揮自身的示范與引導作用，科學合理處置實驗廢水、廢氣、固體廢棄物，集中收集、科學分類，盡可能避免造成環境污染。通過教師的實際行動，潛移默化中將綠色理念根植于學生的思想中，并指導其行為。同時，在有機化學實驗學習過程中，綠色化學要求學生要發揮其自身主觀能動性，在實踐探索中不斷提升自身的綜合素質。學生通過貫穿綠色化學理念，自覺在實驗過程中探索能夠降低環境污染，減少實驗負面影響的途徑。在教師指導與生生合作下，通過查閱梳理理論資料，進行實驗操作探究，探討實驗優化設計方案，提出安全、可靠、高效的替代試劑等。這不僅有利于學生在有機化學實驗中實現對綠色化學的實踐，同時對促進學生創新能力、實踐操作能力的發展具有重要作用。

3 綠色化學與有機化學實驗的實踐路徑

綠色化學能夠實現對有機化學實驗可能造成的環境污染的源頭控制，它注重在化學產品形成的全過程中遵循綠色化學理念及原則，運用綠色化的有機合成技術，選擇綠色化的實驗原料及試劑等，確保化學反應的綠色化，從而實現生成化學產品的綠色化。同時，還需要將綠色化學貫穿于有機化學實驗的評價中，真正將綠色化學與有機化學實驗緊密結合在一起。基于此，以下針對綠色化學與有機化學實驗的實踐路徑進行了探究。

3.1 綠色化學滲透有機化學實驗理論

有機化學知識理論是開展有機化學實驗的前提與基礎，掌握扎實的理論知識才能夠確保有機化學實驗的順利展開。因此，理論教學是有機化學實驗教學的重要前提。綠色化學與有機化學實驗的結合，需要從理論教學環節開始，滲透綠色化學理念，從而增強師生對基于綠色化學的有機化學實驗的理論高度認識。

有機化學理論包括有機理論和實驗理論兩個方面：一方面，教師在進行有機理論教學過程中，應充分結合理論教學內容，利用互聯網搜集有機化學污染有關的視頻、圖片等資料，呈現在學生面前，結合理論引發學生的深入思考。并同時為學生提供綠色化學在相關方面成功應用的實際案例，形成正負效應反差，從而直觀形象地讓學生了解綠色化學在有機化學中的應用與融入的重要性和迫切性。此外，在理論教學中，教師還可以緊密聯系生活實際，利用生活實例讓學生感知化學與日常生活息息相關，體會其重要性的同時，也認識到綠色化學的必要。如在進行鹵代烴相關內容學習中，教師可以利用傳統農藥有機磷、有機氯等對環境產生的污染，與現代低毒、污染小的新型農藥相對比，了解綠色化學優勢。另一方面，教師在進行實驗理論教學過程中融入綠色化學理念，主要是在進行實驗講解過程中，增強學生對規范、優化選取化學試劑、降低污染等方面的認知與理解，并能夠自覺在實驗過程中踐行綠色化學理念與基本原則。

3.2 綠色化學融合有機化學實驗操作

3.2.1 精心設計實驗內容

減量 (reduction)、循環使用 (reuse)、回收 (recycling)、再生(regeneration)、拒用(rejection)是綠色化學的“5R”原則，這也是綠色化學的核心內容[5]。在有機化學實驗操作過程中，融合綠色化學的實驗內容設計上要求遵循這一原則，通過整合實驗內容，將實驗項目進行科學性的串聯，使上一環節的實驗產品作為下一環節的原料使用，提升化學試劑的利用率，提升實驗效率。同時，還可以幫助學生實現理論知識體系的構建和知識的遷移，提高學習效率。在有機化學實驗中，分離和提純的基礎操作技術是學生開展合成實驗的重要前提，要求學生熟練掌握相關基礎操作，才能實施合成實驗。在教學過程中，教師可以根據合成實驗要求，精心設計基礎實驗操作及合成實驗內容，形成具有連續性的實驗項目組，既可以幫助學生系統掌握理論與實驗操作知識技能，同時還可以實現化學試劑的回收、循環使用，實現綠色有機化學實驗。

例如，將有機化學實驗中的“重結晶”“熔點測定”的基礎操作內容和“乙酰苯胺的制備”及相關合成實驗內容設計為具有連續性的實驗項目組。在一次乙酰苯胺制備完成后，下一輪進行乙酰苯胺重結晶實驗的學生可以以上一輪實驗制備完成的乙酰苯胺回收作為原料，添加其他雜質后，進行實驗操作，最后得到提純后的樣品，并將其收集保存起來，作為下一項“乙酰苯胺的熔點測定”的實驗原料。通過將三個實驗聯系起來，可以實現對乙酰苯胺化學品的循環利用，相較于三個實驗獨立操作，大大降低了對反應物的用量需求，節約資源、降低污染、減少成本，有效實現了綠色化學的目的。

3.2.2 優化實驗操作方案

實現原子經濟性也是綠色化學的核心內容之一[6]。在綠色化學下，有機化學實驗要求提高原子利用率，在滿足實驗要求基礎上，通過優化設計傳統實驗操作方案，來實現有機化學實驗的綠色化。

在優化實驗操作方案中，微量化實驗是重要發展方向。微量化有機化學實驗是指降低實驗化學試劑用量，以減少實驗成本及實驗風險的操作方案。例如，在萃取與反萃取的實驗中，經常會用到諸如：乙醚、四氯化碳等易揮發，且對人體和環境不友好的化學有機溶劑。在綠色化學理念下，對該類有機化學實驗操作進行優化，就可以融入微量化學實驗操作，合理設計操作方案。以在I2-CCl4溶液利用KI-H2O溶液萃取I2的反萃取實驗操作為例，I2-CCl4溶液準確量均為10 mL 0.01%的溶液，在傳統的實驗操作中，通常是采用一次萃取方法，直接利用40 mL 1%的KIH2O溶液加入到10 mL 0.01%的I2-CCl4溶液當中完成萃取實驗。而在微量化實驗操作設計中，則可以設計多次萃取的操作步驟，在將10 mL 0.01%的I2-CCl4溶液置于分液漏斗之后，減少向其中加入的KI-H2O溶液的量，由原本的40 mL 1%溶液減少為20 mL 1%溶液，進行2次萃取操作。對兩次不同操作方案最終獲得等量的I2-CCl4溶液進行對比可以發現，一次萃取實驗操作所獲得的溶液中的紫色相比與多次萃取實驗操作所獲得溶液的顏色要更深，說明一次萃取結果殘留在CCl4中的碘比多次萃取的殘留量更多，表明多次萃取的效率更高。通過對結果的直觀對比，學生可以發現一次萃取和多次萃取不同的實驗操作方案對萃取效果有影響，并且多次萃取的效率明顯提高，可以實現有機溶劑使用效率的最大化，符合原子經濟性的要求。同時，通過降低萃取劑的用量，還能夠降低對環境的污染以及人體傷害，充分滿足綠色化學的要求。

此外，在優化實驗操作方案中，轉變操作方式也可以達到良好的綠色實驗效果。如乙酸乙酯的制備是一個具有典型性的有機化學實驗，在實驗操作中，加料方式對實驗轉化率具有非常關鍵的影響。當混合液的溫度達到110 ℃時，在1∶1的冰醋酸和乙醇混合物加料時，采用滴液加入的方法，控制加料速度，分成在70 min勻速加入，改變以往的一次性加入方式。這樣一來，在圓底燒杯中本來就有部分乙醇進行濃硫酸的溶解，滴入冰醋酸可以使其保持乙醇過量的狀態，而且為冰醋酸進行反應提供了充足時間，從而達到最大化的轉化率，避免加料浪費，減少了環境污染，提高了原子經濟性。

3.2.3 合理選擇化學試劑

化學試劑是有機化學實驗中不可或缺的重要組成，將綠色化學與有機化學實驗的融合，要求在實驗中合理選擇化學試劑，實現其綠色化。綠色化學試劑要求實現化學實驗原料、實驗催化劑以及實驗產生的副產品等各方面的綠色化。具體來說，在有機化學實驗中，一是實驗原料要應盡可能選擇無毒無害或者低毒性的；二是實驗催化劑應當盡可能選用沒有腐蝕性的；三是在實驗過程中還需要盡量控制副產品的產生，若存在副產品要盡可能實現綠色化。

例如，在進行“合成安息香縮合反應”的有機化學實驗中，主要是以苯甲醛作為實驗原料，在傳統的實驗中，較為常見的方法是選用氰化鈉(NaCN)或者氰化鉀(KCN)作為合成安息香的催化劑，可以獲得較高的實驗產率。但是，氰化物是一種劇毒的致命物質，在實驗操作中產生實驗風險事故的概率較高，與綠色化學理念不符。因此，需要合理優化選擇催化劑。維生素B1屬于生物輔酶，其無毒無害，可以通過堿作用形成碳負離子作為反應中心，但在pH值上具有較高的要求，教材中多采用其作為催化劑。在該項實驗中，可以增加運用相轉移催化劑(PTC)，來達到更好的實驗效果。PTC是一種能夠幫助反應物從一相轉移至另外一相中，從而使其異相反應速率進一步加快的催化劑。將維生素B1和PTC結合使用，可以有效加強其與苯甲醛原料的混合，增強催化效用，減少催化反應所需要的時間，進而得到較高的實驗產率。四丁基溴化銨(TBAB)、聚乙二醇等都是較為多見的相轉移催化劑，其中將聚乙二醇-6000(PEG-6000)和維生素B1組合應用的催化活性更高、試劑更加安全，并且在價格和易得程度方面也具有較高的優勢，滿足綠色化學高效性、綠色化的催化劑優選理念。將這種組合式的催化劑作為安息香合成的縮合反應的催化劑，選擇替代具有致命毒性、使用安全隱患非常高的氰化物，能夠使實驗反應更加溫和且安全，并且還可以加快反應速度，縮短反應時間，提高實驗產率，從而兼顧實驗的綠色化和高效性，達到良好的有機化學實驗教學效果。

3.3 綠色化學評價有機化學實驗效果

實驗評價是一個總結與反饋的重要過程，通過評價，教師能夠及時了解學生在化學實驗過程中存在的問題和不足，及時給予指導反饋，同時還可以獲得自身在實驗設計、實驗指導等方面的教學反饋，從而進一步優化有機化學實驗教學。綠色化學在有機化學實驗中的滲透與融合，不僅要求教師實驗內容設計的合理性、化學試劑選擇的可靠性，同時還需要教師重視客觀合理地進行有機化學實驗效果評價，融入綠色化學理念，在強化學生化學專業知識的掌握程度的同時，培養起學生的綠色化學意識。

綠色化學評價有機化學實驗效果，需要重視從以下幾個方面的評價：

(1)創新多元化評價方式。以往以考試成績為主的單一評價模式不能全面有效地考察學生的綜合素質，更不用說了解學生綠色化學的認知與掌握程度。因此，要對實驗評價進行優化，創新多元化評價方式。一是豐富評價主體，將教師與學生均納入到評價主體中來。二是多元化評價方式，包括教學評價、組內互評以及學生自評等方式。三是拓寬評價范圍。從時間上由期末評價擴大至全過程評價，從內容上包括學生實驗課程到課率、實驗理論掌握度、實驗操作參與度、實驗操作無誤率、實驗任務完成度等。四是創新考核方式，在期末考核過程中，不僅僅是以考試或實驗實操作為考核評價方式，而是增加開放式的有機化學實驗設計考核。以小組為單位，進行綠色化學與有機化學實驗的綜合設計，提前布置考核任務，學生小組可以通過查閱資料、小組討論、組間交流等方式，根據題目制定有機化學實驗設計方案，并最終由教師指導參與，完成實驗操作。通過這種多元化考核評價方式，不僅可以確保學生實驗學習的參與度，調動學生積極性，同時還可以做到以學生為主的教學評價，真正了解學生實驗操作能力、創新能力發展水平，以及綠色化學理念的掌握程度，實現評價的科學、客觀、合理。

(2)重視對綠色化學實驗效果的評價。在有機化學實驗評價中，還需要加強綠色化學在有機化學實驗中的實踐效果的評價，這對今后教師優化綠色有機化學實驗設計具有重要作用。在進行實驗效果評價中，可以采取數據對比方式，通過記錄好原實驗方案的化學試劑用量、實驗安全事故發生率(包括微小事故，如灼傷)、實驗產率，與綠色化學理念應用改進后的有機化學實驗操作效果進行對比。通過對比，可以使師生直觀、明確地感受到綠色化學下有機化學實驗的實踐價值。如：在上述“重結晶”“熔點測定”“乙酰苯胺的制備”不同實驗連續性設計中，有效提高化學實驗試劑的回收與循環使用率，降低實驗成本，并且達到良好的教學效果；在I2的反萃取實驗中，有效降低了化學試劑的用量，并且達到更高效的萃取效果；在“合成安息香縮合反應”實驗中，以綠色化學為指導，通過優化催化劑的選用，提高了實驗的安全性，并且實驗產率有效提升。通過對實驗效果的對比評價，可以充分表明綠色化學在有機化學實驗中的應用價值，使學生對綠色化學的價值有更明確認知，從而增強學生綠色化學意識和理念。

4 結語

綠色化學已經成為化學相關專業領域未來發展的一個重要方向。在有機化學實驗中，綠色化學的應用價值極高，是促進有機化學向更高水平發展的重要指導。因此，加強對綠色化學和有機化學實驗的探究，探討綠色化學在有機化學實驗中的有效應用，是相關專業教師應當關注的重要課題，在未來仍要求其不斷研究創新綠色有機化學實驗方案，為有機化學發展作出應有的貢獻。