2009年12月7～18日在丹麦召开的哥本哈根世界气候大会,商讨了2012年至2020年的全球减排协议。气候变化大会召开后,如何降低碳排放成为人们关注的话题。简言之,哥本哈根大会落幕,低碳生活时代揭幕。高等教育作为培养国家高端专业人才的最主要方式,必然需要在培养人才过程中领会和贯彻低碳理念。只有将低碳理念与高等教育相结合,才能进一步促进环境保护、节能减排等相关观念深入人心,才能培养出新一代的、走新型工业化道路的综合性人才,最终促进社会、经济和环境的协调可持续发展。
有机实验是各高校化学及相关专业最重要的基础实验课之一。绝大多数有机化合物是以石油、天然气、煤等作为原料,通过人工合成等方法深加工制得。有机实验所涉及的知识内容决定了其与低碳理念有密不可分的联系。纵观有机化学的发展史,就是人类更好地利用各种有机碳物质,逐步从高污染、高耗能走向环境友好的、资源可持续利用的发展过程,甚至可以说,有机化学史就是一部低碳化学发展史。因此,在当前的有机化学实验教学中,如何更好地与时俱进地贯彻低碳理念,对社会、经济和环境的协调可持续发展具有不可估量的意义。
1实验规模的低碳化
目前,大多数高校进行有机化学实验时还是采用常规的实验仪器,所需药品量较多,耗费的溶剂与能源较多,产生的三废也较多,与低碳理念不相适应。微型有机化学实验仪器具有小巧便携、不易破碎、抗腐蚀等优点,开展微型有机化学实验能够节约实验成本、环境友好、三废少、培养学生谨慎操作习惯和提高学生创新能力。微型有机化学实验不是简单对常量有机化学实验的按比例缩小,应该是在基本理论不变的情况下对有机化学实验的创新和发展。在微型化的仪器装置中进行的有机化学实验,其试剂用量一般只为常规实验用量的1/10～1/1000。研究发现微型化学实验可以节约药品成本的90%。实验规模的微型化,是低碳理念指导下有机化学实验改革的重要手段与趋势。
2实验内容的低碳化
在实验题目以及实验内容的选择上,根据教学大纲要求,尽量选择低毒、低能耗、污染小、实验成本较低的实验。如可用肉桂酸实验代替喹啉实验,避开苯胺、硝基苯等有毒致癌试剂;用溴乙烷实验代替溴苯实验,避开了苯、溴、吡啶等有毒、污染大的试剂。在实验路线设计上,尽量选择简单、直接的合成路线,尽可能缩短反应步骤以减少副产物的产生。除此之外还可以进行节能减排的串联实验,如正溴丁烷的制备中醇与氢卤酸作用得到相应的卤代烃,40%氢溴酸代替溴化氢,制得的正溴丁烷作为制备2-甲基-2-己醇的原料。合成具有潜在抗增殖活性的类维生素A酸的重要中间体3,5-二烷基苯乙酮可由1,3-二硝基烷烃和共轭烯二酮一锅法合成。
3实验原料、溶剂和催化剂的低碳化
在有机化学实验中常常使用一些有害的原料,如甲醛、苯、氰化氢、丙烯氰、环氧乙烷和光气等,这些药品都会严重地污染环境,危害人类的健康和安全。在实验中尽可能地选择毒性低、无污染或者少污染的原料。如Wilson等在醇的酯化和醛、酮缩合反应中采用磺酸功能化的氧化硅作为同体酸催化剂代替浓硫酸。
在有机反应中,根据相似相溶原理,通常都是选择有机溶剂作为反应的介质。但是有机溶剂的毒性、易挥发、难回收处理使之造成了环境污染。近来不少研究报道了一系列绿色溶剂,如离子液体、超临界流体、水溶剂等。Vincenzo等在离子液体中用钯催化烯丙醇的芳基化Heck反应。Lozano等在超临界二氧化碳中l-丁醇与丁基乙烯酯反应生成丁基丁酸酯的选择性大于99%。Pirrung等研究发现水溶剂对一些多元反应具有极强的加速效应,而且产品易于分离。此外,无溶剂有机合成是低碳理念下合成的一个重要途径。Chen等将亚胺和丙二酸酯在无溶剂条件下用ZnCl2催化反应合成了-氨基酸酯,在室温下反应6min,产率高达90%。
催化剂的合理选择和应用是有机化学实验反应过程中至关重要的一点。目前不少文献报道了一类绿色催化剂,如固体酸催化剂、固体碱催化剂、金属催化剂和酶催化剂,它们具有无腐蚀性、选择性高、催化活性高、反应条件温和、产物易分离、可在高温甚至气相反应中使用等优点。除了选择绿色化催化剂外,还可以对催化剂进行绿色化后处理。通常在有加入Na2CO3或K2CO3作催化剂的反应结束后加入稀盐酸中和,同时放出CO2气体。为了减少CO2气体的排放,可以采取在反应停止后用过滤的方法把碳酸盐固体滤去,然后再进行反应的后处理,减少温室气体CO2的排放。这些都是低碳理念下有机实验改革的重要途径。
4实验技术的低碳化
为了提高有机化学反应产率(原子利用率)、节约能源、最大程度消除有机化学反应给环境带来的不利影响,在常规合成技术的基础上,采用新实验技术可以达到低碳化的目的。新的实验技术包括微波、超声波、光、等离子体、超临界流体等。
微波辐射下的有机反应速率较传统的加热方式快10～1000倍,且操作方便、产率高及产品易纯化。微波合成技术历史不长,但发展迅速。目前的研究表明,Diels-Alder反应、酯化反应、重排反应、Knoevenagel缩合反应、Perkin反应、苯偶姻缩合、Reformatsky反应、Deckmann反应、缩醛(酮)反应、Wittig反应、羟醛缩合反应、烷基化反应、Friedel-Crafts反应、Michael加成反应、偶联反应、氧化反应、消除反应、酯交换反应及糖类和某些有机金属反应等在微波条件下都有明显加速过程,几乎涉及了有机合成反应的各个主要领域。
超声波与传统的有机合成方法相比,具有实验仪器比较简单、易于操作与控制等优点,近十多年来发展非常迅速。在超声波辐射下许多传统的有机反应可以在比较温和的条件下进行,同时可显著提高产率和缩短反应时间,甚至还可以使某些在传统条件下难以发生或不能发生的反应得以进行。如修饰在K10粘土上的硝酸铈铵在超声波的强化下,可有效地氧化对苯二酚生成相应的苯醌。
作为光驱动的化学反应,紫外光和可见光是研究的最多光源。紫外光和可见光由于其一定范围的波长,对于某些材料,如二氧化钛、半导体等,具有激发这些材料价电子的某些能带的作用,这些光源本身及受光源激发的材料具有良好的氧化性能,广泛地用于氧化反应、污染物处理等,具有极大的研究和开发价值。一种将[Ru(bipy)3]2+嵌入Nafion膜,以氧气为氧化剂,在光的激发下,可将硫醚氧化生成相应的亚砜。
在自然界中,有一些反应所需条件非常苛刻,如温室气体的化学转化、空气中有害气体的净化等。采用等离子体技术可较好解决这些问题。等离子体与催化剂相互作用,等离子体击穿电压和反应温度,提高反应活性。Stephanie等利用扇形电弧辉光等离子体分解二氧化碳,在反应器内涂上金、铜、钯、铑等金属,反应气体为用氦气稀释的二氧化碳,二氧化碳转化率达到30.5%。等离子体的利用可使得惰性较大的物质,如二氧化碳,很容易活化,这给予二氧化碳的开发使用提供了一条途径。
5低碳化的新手段开展计算机辅助化学实验教学
采用计算机模拟化学仿真实验是低碳理念下有机化学实验改革的一个重要组成部分。当遇到药品价格昂贵、危险性较大、伴随有毒、有害物质生成的实验或者实验室难以实现的一些高温、高压、低温、低压等过程,可以借助三维立体画面、多媒体技术模拟实验的真实情景。另一方面,化学实验软件能对实验原理、实验过程及实验现象等作出详细的描述,让学生有身临其境的感觉,不仅可以轻松地学会化学原理和实验方法,还可以达到节约药品与能源、减少环境污染的目的。
6有机实验低碳化对教师提出的新挑战
首先,教师思想上要重视实验课,而不能认为它只是理论课的附庸。化学是一门以实验为主的科学,实验是该学科的重要组成部分,是培养学生的基本技能和综合能力,也是学生获取化学知识的主要手段之一。化学实验可以使学生获得更多的感性认识,是课堂理论教学不可比拟的。因此教师应重新审视实验课的重要性,把低碳理念整合到有机化学实验中,引起学生的共鸣。其次,教师的知识体系与教学能力要不断更新,教学理念、教学内容、教学手段等要与时俱进。新时代的教师应站在学科前沿,了解和掌握有机实验方面的最新研究进展和成果,时刻以最新颖的知识教育学生,吸引学生。再次,教师不能一味地依赖教材,教材内容一般较难及时根据学科最新研究发展及时更新,有一定的滞后性。教师应当有创新精神,广泛查阅资料,了解学科研究最新进展,编写最新的符合低碳理念的实验教材,特别是注意将教材中经典的有机实验进行低碳化改进,将其融入到化学实验教学中。最后,各高校教师间要加强交流与合作,互相学习,取长补短,共同提高。
7结语
低碳理念是社会经济发展的必然趋势,有机化学实验的低碳化改革势在必行,但是目前大部分有机合成方法未实现低碳化,这还需要化学家从理念、原理、方法等方面进行改革和创新。有机化学实验教学不仅要训练学生的实验操作能力,更是要培养学生的科学实验方法。教师在平时的备课、上课、实验教学中,要有强的低碳化意识,将其渗透到化学实验教育中,使学生牢固树立低碳理念。只有低碳理念真正地得到贯彻和实施,我们才能更好揭幕低碳时代,以较少的碳消耗换取高质量的生活,才能真正持续发展。