綠色化學也稱環境無害化學、環境友好化學、清潔化學,是指運用化學原理,在化學品及其制備過程的設計、開發和應用過程中減少或消除對人類健康和環境有害物質的使用和產生.綠色化學的特點在于從化學品制備過程的源頭及各個環節預防污染,通過人與自然的和諧共處,最終實現人類社會可持續發展的目標。近年來,綠色化學的研究在我國已經引起足夠重視,人們的環境保護意識明顯增強,但基本上是以治理為主。要真正解決由于生產和使用化學品對環境造成的危害,必須提倡和發展綠色化學,實施始端污染預防,減少三廢排放量,對化學反應做到污染物零排放。
目前,高等學校需要培養具有綠色理念的下一代。對大學生進行綠色化學教育,將綠色化學思想貫穿于化學教育、教學的全過程,有助于培養學生的環境保護意識和責任感,使學生在學習專業知識的同時形成綠色化學理念,也有助于培養他們掌握環境友好化學的能力。
一、結合課堂教學內容,培養學生的綠色化學意識
有機化學的許多內容都與環境保護問題密切相關,因此,在有機化學教學中結合綠色化學知識十分必要。
(一) 結合具體反應,介紹原子的利用率和經濟性
從經濟的觀點考慮,綠色化學可提供合理利用資源和能源、降低生產成本、符合經濟持續發展的原理和方法。如原子的利用率,這一概念是用來量化合成一定量目標產品時所產生廢物的量。原子的利用率為 100% 的化學反應主要有兩個特征: (1) 反應物得到充分利用,資源以最經濟的形式得到使用; (2) 廢物被減少到最少。
例如,用傳統方法制備環氧丙烷:CH3CH = CH2+ Cl2+ Ca(OH)2→C3H6O + CaCl2+ H2O(原子的利用率 31%) ,即每生產 1g 產品,產生 2g 廢物。用新的方法: CH3CH = CH2+ H2O2→C3H6O + H2O(原子的利用率 76%) ,反應的副產物為水,對環境無影響,另外,參與的反應物過氧化氫比氯氣更安全。
化學反應的“原子經濟性”概念是 1991 年由美國斯坦福大學的 B. M. Trost 教授首次提出的,是綠色化學的核心內容之一。他認為化學合成應考慮原料分子中的原子進入所希望產品中的數量,原于經濟性的目標就是在設計合成路線時盡量使原料分子中的原子更多或全部地變成最終預期產品中的原子。提高原子利用率,減少反應產生的廢棄物。
例如應用較廣的有機合成 Wittig 反應生成的副產物較多,從綠色化學的角度看,其原子經濟性差。又如: 加成反應和重排反應,這兩類反應的原子利用率幾乎高達 100%.
如乙烯和溴化氫的加成反應:H2C = CH2+ HBr →CH3CH2Br(原子利用率 100% )如肟的貝克曼重排反應:目前真正屬于高原子經濟性的有機合成反應還不多見。有機化學工作者應該用原子經濟性的原則,不斷開發具有高原子經濟性的新反應。
(二) 綠色化學的基本原則
綠色化學的 12 項原則是[2]:(1) 從源頭制止污染,而不是在末端治理污染; (2) 合成方法應具“原子經濟性”,即盡量使參加過程的原子都進入最終產物; (3) 在合成方法中盡量不使用和不產生對人類健康和環境有毒有害的物質; (4) 設計具有高使用效益低環境毒性的化學產品; (5) 盡量不用溶劑等輔助物質,不得已使用時它們必須是無害的; (6) 生產過程應該在溫和的溫度和壓力下進行,而且能耗應最低; (7) 盡量采用可再生的原料,特別是用生物質代替石油和煤等礦物原料; (8) 盡量減少副產品; (9) 使用高選擇性的催化劑; (10) 化學產品在使用完后應能降解成無害的物質并且能進入自然生態循環;(11) 發展適時分析技術以便監控有害物質的形成; (12) 選擇參加化學過程的物質,盡量減少發生意外事故的風險。
在大學有機化學教學中,應將綠色化學知識貫穿整個教學過程中,教學中滲透原子經濟性的思想,在化學反應中盡可能使用綠色原料、綠色溶劑和綠色催化劑,使有機化學教學與綠色化學的知識有機結合,從而使有機化學教學達到更高的層次[3].
(三) 結合生活實際,介紹環保知識
當前,有機化學教學要把綠色化學的理念貫穿到整個課程之中,讓學生認識綠色化學,逐漸培養他們認真、嚴謹的科學態度和實踐能力,拓寬知識面,開闊視野,樹立起綠色意識,增強綠色觀念。在有機化學烴類一章的教學中,介紹城市中大氣污染物之一是汽車尾氣; 在烯烴一章的教學中,介紹環境中很難降解的白色污染物---塑料袋和一次性塑料餐盒,由于它們的大量使用和廢棄,對環境產生嚴重污染。在醛酮一章的教學中,介紹室內空氣污染的主要來源甲醛等。通過這些內容的介紹,使學生了解有機化學發展的新內容,并使他們在學習書本知識的同時能夠結合實際,豐富知識結構,有利于培養學生的科學思維能力。
二、結合實驗教學內容,培養學生的綠色化學能力
有機化學實驗是有機化學內容的重要組成部分,培養綠色化學意識是高等學校有機化學實驗教學的重要內容。在有機化學實驗中,使用的試劑、溶劑、催化劑,以及生成的副產物、排放的廢氣、產生的廢液等都會對環境產生污染,由此造成的問題不容忽視。針對實驗中的問題,在選擇和設計實驗時必須盡可能考慮綠色化實驗,讓學生在實驗預習和操作中自覺養成綠色環保的意識,培養學生的綠色化學能力。
(一) 優化組合實驗內容
把單個的合成實驗串聯成一個系列,即把前一個實驗的產品作為后一個反應的原料,形成如環己醇 - 環己酮 - 己二酸的合成鏈,把每一步的產品作為下一實驗的原料。這樣,對學生提出較高的要求,他們必須認真做每一步實驗,否則,下一步沒有產品。通過這種系統的訓練,可使學生提高基本操作技能。這樣可將每一步的實驗產品都得到有效利用,同時也提高了學生的綜合實驗能力。
(二) 引入實驗新技術
將新型的科技成果引入有機化學實驗教學中是近年實驗教學方法顯著的進步,如微波、超聲波、電化學等新技術被引入有機化學實驗,并且逐漸被應用于有機合成實驗中。通過這些手段的應用,不僅可減少能耗、加快反應速度、提高產率,而且可大大減小對環境的污染。從而達到綠色化學的目標。
另外,在信息資源共享的時代,計算機輔助實驗教學也為綠色化學實驗提供了新的途徑。學生可以充分利用網絡化教學的技術以及大量的數據庫資源來完成實驗的設計。
(三) 實現有機實驗微型化
有機化學實驗可以選擇常量、半微量和微量,近年來,為了預防化學污染,在綠色化學思想指導下,有機化學實驗轉向半微量或微型化,微型化實驗的優點不僅限于節約實驗材料、節省時間,而且還體現在減少污染、安全便攜等方面。實驗用微小型儀器,用盡可能少的試劑進行實驗,生成少量的中間產物,從而大大減少了實驗中的三廢,是可持續發展戰略在化學實驗中的具體體現。在環境因素困擾的今天,普及和推廣微型化學實驗有利于學生形成綠色科研意識。
總之,把綠色化學理念滲透在有機化學教學中,逐步培養學生綠色化學理念和環境保護意識,使他們在掌握有機化學知識和有機實驗操作技能的同時,學會踐行綠色低碳生活,為我國建設環境友好型和資源節約型社會奠定基礎。
參考文獻:
[1] 蔡衛權,程蓓,張光旭,等。 綠色化學原則在發展[J].化學進展,2009,21(10) : 2001 -2008.
[2] 朱清時。 綠色化學[J]. 化學進展,2002,12(4) :410 -414.
[3] 葉紅。 綠色化學與有機化學教學的有機結合[J]. 藥學教育,2006,22(5) :48.