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绿色合成理念在有机合成化学教学中的渗透研究

2020-08-27 528 上传者：管理员

摘要：有机合成化学是化学化工相关专业的主干课程。绿色合成理念是有机合成化学目前追求的热点。本文从影响有机合成产率的主要因素出发,分别从绿色化反应技术、反应、反应试剂、反应溶剂、催化剂等探讨了绿色化学理念在有机合成化学教学中的渗透。这种教学方法不仅可以加深学生对知识的理解、拓宽学生的知识面,更能提高学生的环保意识和创新意识。

关键词：
教学
有机化学
有机合成化学
渗透
绿色合成
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有机合成化学是应用化学和化学、化工等专业的核心课程,是在学生先修了有机化学、无机化学、物理化学、化工原理等课程,掌握了化学化工基本理论的基础上开设的,目的是让学生了解精细化学品的合成原理及工艺,为后续专业课的学习及培养适应社会发展的高素质应用型人才奠定坚实基础。有机合成化学所涉及的知识面广、内容丰富、涵盖了所有单元反应及化学键的形成及转化,其教学重点是单元反应,以“反应试剂——反应特点——反应历程——影响因素——生产实例”为主线[1],介绍从原料到产品的完整的知识及相关内容,通过本课程的学习,学生可以在老师的指导下完成精细化学品的设计、合成、分析等,为学生以后从事精细化学品的研发等相关工作、为培养应用型人才打下坚实的基础。

绿色化学是一门新兴学科,涵盖了化学、材料、生物、制药、环境等诸多学科,具有明确的社会需求和科学目标,按照合理的反应机理和方法,从源头上减少或消除化学工业对环境的危害,保证从试剂、催化剂、溶剂、副产品、产品等各个环节达到绿色、环保的要求,这也是目前有机合成的主要目标[2]。基于此,将绿色合成理念融入到有机合成化学教学中,让学生了解学科发展的前沿,是化学化工专业培养方案的要求,也是必然趋势。这样,可以将有机合成与绿色化学的知识相结合,培养和增强学生的环保意识,提高学生的创新意识及能力[3]。在讲授单元反应时,教师应该注重以绿色化学理念为指导,紧跟有机合成中绿色化学研究的前沿,引入相应的参考文献,让学生能更深层次理解单元反应的内涵及每个单元反应的绿色合成方法,以致将绿色化学理念渗透到单元反应教学的每一个环节[4,5]。对于有机化合物的合成,其产率的主要影响因素包括合成技术、化学反应、反应试剂、反应溶剂、催化剂等,因此,本文将从这几个影响因素的绿色化,探讨绿色化学理念在有机合成化学教学中的渗透。

1、绿色化合成技术

传统的有机合成反应就是在溶剂的作用下进行液相反应,不但反应温度高、反应时间长、反应效率低,而且因为有机溶剂的使用而存在环境污染,因此进入二十一世纪以来,绿色合成方法得到深入的研究和开发探索,比如固相合成、无溶剂合成、微波辅助、超声辅助技术、光化学合成、电化学合成等技术,这些技术的使用,可以大大缩短反应时间、提高反应产率、降低成本与污染、提高效率,是实现绿色有机合成的重要途径。因此,教师在讲授单元反应的时,在讲授传统反应方法的同时,增加绿色有机合成技术的介绍,比较绿色合成技术与传统合成方法的异同,结合相关文献的引入,在深化教学效果的同时,可以使学生了解绿色合成方法及其使用,拓宽学生的视野,增强绿色合成理念。比如在讲授缩合反应时,液相合成查尔酮时反应温度高、反应时间长、产率低、副产物多,因此,在掌握反应机理的情况下,采用微波促进反应,既克服了传统液相反应的缺点又可以让学生了解微波技术的基本原理及其优越性,提高对有机反应的兴趣。

2、绿色化反应

有机化合物的合成,在绿色化学的前提下,提高产率及反应效率是最终目标,因此在讲授单元反应时,针对各个单元反应的特点,教师应该引导学生选择绿色、经济、高效的合成方法,实现原子经济性反应而不产生或少产生副产物或废弃物,最终实现最大的原子利用率及零排放。因此,为了达到有机反应的绿色化的目的,提高原料的原子利用率是关键。在传统的化学反应中,一般都会忽略原料中原子的利用率而只注重目标产物产率的高低,因此不可能实现所有化学反应的原子经济性。在教学过程中,教师应对各个单元反应的原子利用率进行合理的分析,引导学生加深对原子经济性及原子利用率的理解。在讲授时,针对同一类型化合物的合成,教师可通过引用相关参考文献,结合具体生产实例,通过比较和分析不同的合成方法及结果,使学生充分认识原子经济性、原子利用率及绿色化反应的其重要性。

3、绿色化试剂

“巧妇难为无米之炊”,因此有机合成单元反应中,反应试剂即原料是必不可少的因素,也是重要的影响因素之一。反应试剂的选择,直接影响单元反应的成败与效果,选择合适的反应试剂,对于从源头上防止或减少污染,达到绿色化反应至关重要。在基础有机化学学习中,对于化合物的合成,主要考虑其反应的成功率或者可行性,从而忽视毒性、危险性或者对环境可能造成的危害,这样可能会给学生造成“目的性是最重要的”潜意识,因此,在讲授单元反应时,教师应引导学生首先了解试剂的特点,着重讲授每种试剂参与反应的机理,了解每种试剂使用的效果及可能造成的对环境的影响,尽量从源头上做文章,选用无毒或低毒的试剂。如果必须要使用毒性较大的试剂,尽量寻找替代品,及时纠正学生已经形成的潜意识,应与学生共同分析反应的优缺点,及时介绍绿色反应、绿色试剂的最新进展,探索绿色合成方法。

比如在讲授还原反应时,教师应积极引导学生,掌握气固相接触催化氢化、液相催化氢化的特点及优缺点,在实验室和工业生产中,尽量使用催化氢化的方法,既可以简化反应过程、提高反应效率,又可以降低成本、减少或避免有机溶剂的使用,达到绿色、清洁生产的目的。又比如在讲授烷基化反应时,甲基化试剂可以采用碳酸二甲酯这种绿色、环境友好的新型试剂来替代传统工艺使用的硫酸二甲酯或卤代甲烷,这样既可以避免因试剂的毒性、致癌性对实验者身体可能造成的伤害,同时提高了反应的安全性、减少了对设备的腐蚀和对环境造成污染[6]。

4、绿色化溶剂

在有机合成单元反应中,液相反应一直以来都是主要的合成工艺,因此溶剂是重要的影响因素之一,其结构、种类、用量等都会影响反应的效果。在有机反应中,溶剂和溶质之间既存在溶剂化作用,也有溶剂解作用,因此不同的反应溶剂,反应机理可能不同;溶剂不同,反应的选择性也不同。传统的液相有机反应常选用卤代烃、苯系芳烃等作为溶剂,但是这类物质多数易挥发、有毒、有害,而且不易回收或不易降解,因此在使用中或反应后排放到环境中,会对人类和环境造成严重危害。教师在讲授单元反应时,应注重强调溶剂对反应的影响及其在反应中的作用,介绍各类溶剂的特点特别是其毒性或对环境的危害性。强调无毒、无害和易回收的绿色溶剂的使用,或者结合相关文献,介绍无溶剂合成方法。对于近年来研究热点离子液体、低共熔溶剂等在有机合成中的研究进展,在课时允许的情况下,也可以介绍给学生,加强学生对绿色溶剂的理解,拓宽学生的知识面,增强学生的绿色化学意识。

离子液体是新型有机合成溶剂及催化剂,广泛应用于各种有机合成反应,由于具有不易挥发、无色、无嗅、稳定性高等优点,是一种理想的化学溶剂。离子液体虽然其制备成本较高,但是它还有一个优点就是可以回收再使用多次,因此,可以在保证反应绿色环保的同时,可以降低成本,是一种重要的绿色溶剂。近年来关于低共熔溶剂应用的研究较多。低共熔溶剂作为一种新型混合物溶剂,具有制备简单、价廉、易生物降解、可回收利用等优点,是绿色有机合成的一个新的研究方向。

5、绿色化催化剂

催化剂的作用是可以提高或降低有机反应,也是有机合成反应的重要影响因素之一,其种类及用量直接影响反应的产率。催化剂在有机反应中的作用就是参与反应中间体的结构合成而不参与产物的合成,从而达到催化反应的目的,因此很多催化剂是可以实现、提高原子经济性,加快反应速率和提高转化率,提高化学反应选择性,直接关系到反应的成败。目前,催化剂方面的研究比较多,因此,教师在讲授单元反应时,注重介绍各类催化剂的作用及其使用效果,催化剂的选择、选择依据特别是对环境的影响。也可以结合相关文献,介绍一些催化效果好、选择性高、绿色环保、廉价易得的催化剂,摒弃传统有机合成反应中所用的酸、碱或重金属盐等。比如在讲授酯化反应时,传统催化剂也是最常用的催化剂是浓硫酸,但其在使用中存在腐蚀性强、后处理时有废酸生成、副产物多等缺点,不符合绿色化学发展要求[8]。因此,酯化反应催化剂的探索研究一直以来是研究的热点,出现了离子液体、固体超强酸、分子筛、杂多酸、生物酶等催化剂,这些催化剂具有选择性高、易与产物分离、可回收再使用、不腐蚀设备、成本低等优点,可以替代浓硫酸来用于催化酯化反应,是酯化反应的必然趋势。

6、结语

本文通过对有机合成化学课程中有机单元反应的分析,在要求学生掌握反应机理的基础上,在教学的各个环节中渗透绿色化学理念,从源头上解决有机合成的绿色化,深化和探索绿色有机合成,引入相关的研究文献,改革有机合成化学课程的讲授方法和内容,结合专业培养方案的要求,将培养应用型人才作为最终目标,提高学生的创新意识、可持续发展意识,拓宽知识面,提高学生的学习兴趣和保护环境、保护自然的使命感和责任感。

参考文献：

[1]邓燕,李小龙,张立明.精细有机合成化学与工艺学课程教学的探索[J].湖南科技学院学报,2013,34(12):36-37.

[2]李克华,苏铁军,习伟,等.绿色化学在《精细有机合成》教学中的探讨[J].广东化工,2013,40(19):162.

[3]李红缨,杨海贵,植中强.启发思维,培养学生的综合能力《精细有机合成》课教学改革尝试[J].广州化工,1999,27(4):127-128.

[4]田淑珍.在化学教学中对学生进行绿色化学教育[J].高等继续教育学报,2002,15(4):36-38.

[5]高洪旺,高松.高等院校开展绿色化学实验的几点思考[J].实验室科学,2006,4(2):26-27.

[6]张萍.碳酸二甲酯对绿色化学的贡献[J].连云港职业技术学院学报,2000,13(1):36.

刘玉婷,尹大伟,何珍红.有机合成化学教学中绿色合成理念的渗透[J].广州化工,2020,48(16):192-193+223.

基金:陕西省教育厅专业综合改革试点项目(陕教高2014-15);陕西省高校“一流专业”培育专业项目(陕教2017-355).