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有机合成化学实验教学中的有机试剂和合成产物大多会对人体有害,对环境造成一定的污染.为了使学生树立绿色化学的意识,节约原材料,教师应当把绿色化学的理念应用到有机合成实验中去,逐步实现有机合成实验的绿色化.
有机化学实验中最重要的部分就是有机合成实验,它在有机合成相关理论的基础上,通过实验教学,训练学生的实验操作技能,并掌握有机化合物合成的步骤和技巧,强化理论知识.然而,在有机合成实验中存在着诸多问题：常规型实验需要大量溶剂导致开支大；合成产物量多给环保带来负担；实验内容不成体系导致制备产物种类多,不便处理；实验设备传统老化,使得合成时间长,不利于培养学生对实验的熟练程度.绿色化学遵循“减量化”、“循环使用”、“回收再利用”、“再生重复使用”、“拒绝危险化学品”的5R原则,以“原子经济性”为核心内容,是改变有机合成实验教学现状的不二理念选择.因此,如何更有效地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.
一、实验规模绿色化
常规的有机合成实验量是经过长期实践确定的工业化生产最基础的实验量,但是过多的实验药品量在加大教学经费的同时,也加重了对环境的污染.高中化学中有机合成实验教学主要是为了验证某一个理论或事实,培养学生的观察、思考和动手能力,因此,采用微量型的有机合成实验是符合绿色化学思想的.微量化学实验缩小了实验的规模,它使用的实验仪器一般都偏小,如5mL的圆底烧瓶、微型装置、微型仪器,实验试剂用量范围控制在100～200mg,这种缩小实验仪器、减少实验试剂的做法不仅节约了实验时间,还减少了污染程度.例如,在合成对硝基苯甲酸时,常规实验中把6.8g的硝基苯甲放入250mL的三口烧瓶中进行氧化反应,合成物为4～7g,如果采用微量合成,把硝基苯甲的用量减少到2g,再将其放入100mL的三口烧瓶中氧化反应得出反应物为1～2g,是不妨碍实验结果的.
二、合成方法绿色化
现代有机合成正朝着高选择性、原子经济性和环境保护型三大趋势发展,,重点在于开发绿色合成路线及新的合成工艺,寻找高选择性、高效的催化剂,简化反应步骤,开发和应用环境友好介质.合成方法对于实现现代有机合成来说非常重要,在教学过程中教师在选择合成方法时要注重体现绿色化学的理念.例如,在制备乙酸乙酯时,为了防止浓硫酸造成不必要的实验事故,减少空气污染,我们可以选择固体路易斯酸来取代它.现在的有机合成实验中几乎都会装一个回流的装置,这种做法虽然会降低合成物的产量,但是它会恰到好处的吸收合成反应中产生的一些有害物质,是值得提倡的行为.
三、合成原料绿色化
目前的有机合成实验中用到的原料大多都是从石油中提炼的有毒化工原料,例如,有机合成时常常用到的甲酸会灼伤人体,刺激皮肤和粘膜；甲醇遇见明火容易引起爆炸,吸至体内易氧化成甲酸不利于人体健康；乙酸具有中等程度的腐蚀性和毒性；乙醇无色透明,杀菌效果强,容易误食.合成原料一般包含三方面,即溶剂、催化剂和原料.首先,我们要选择绿色的溶剂,虽然在有机合成实验中都不会选择水作为反应介质,其实水溶剂不仅有特殊的疏水效应,能够有效地进行重要的有机转化,而且它是低价、无毒无害的存在.有些化学家发现在水相加成反应中,选取水溶剂的反应比在有机溶剂中的反应产量高.其次,绿色催化剂的作用也不可忽视.缩酮目前的合成大都采用HCl催化,若用SnCl4/NaHSO4催化,则可以减少酸催化剂带来的污染,并且还提高了产率.最后,选择绿色的合成原料,阻止污染源,防止污染的发生.如果实验中特定的原料含有毒性、易挥发性,教师应当想法设法用绿色原料进行替换,如果替换不了,就减少用量并警示学生.
四、合成路线绿色化
高中化学有机合成实验内容基本都是相对独立的,为了覆盖所有有机合成实验的操作内容,实验过程往往造成资源浪费.把看似独立的实验内容组合起来设计出全新的实验步骤,一方面促使学生认真对待实验的每一步,细心操作,把有机合成知识融会贯通,另一方面减少了合成原料的使用,综合利用了实验产物,体现了绿色化学的原则.例如,我们可以用环己醇做原料设计一次组合式有机化学实验方案,首先用催化剂FeCl36H2O催化环己醇脱水制备环己烯,再把合成物环己烯作为原料经过H2O的氧化和Na2WO4/HO4的催化制备出己二酸,这样的做法深刻体现了绿色化学的思想,节约了成本,减轻环境污染,为学生树立绿色化学的观念做了一个良好的示范作用.
五、处理“三废”绿色化
“三废”是指废渣、废气、废液,如果随意处理废弃物将会导致严重的环境污染.固体有机合成物即我们所说的“废渣”,可以留在下次实验再用,如乙酰苯胺可以留作硝基苯胺的原料,如果“废渣”不能被利用应该进行统一规范处理.对于“废液”的处理,我们尽量对有机溶液进行提纯再循环利用,对于重金属含量高、酸碱浓度高的废液也应该统一回收.关于“废气”的处理,教师要在实验台上安装封闭式的排风装置,在实验仪器中安装吸收装置,科学处理“废气”.
总之,在有机合成实验教学中教师应当遵循绿色化学的核心和原则,将绿色化学的理念积极融入到实验教学中去,为培养绿色化学人才铺垫好基础.