1引言
有机化学是一门实验性很强的科学,在高校化学、应用化学、制药工程、化学工程与工艺、药学等专业的教学中,有机化学实验占有十分重要的地位。教育部化学专业指导委员会提出参考学时数为每门实验课的学时与相对应的理论课学时之比为(1.1～1.2)∶1,并要求化学实验课独立设课。著名化学教育家戴安邦教授生前曾指出:全面的化学教育要求化学教学不仅传授化学知识和技术,更训练科学方法和思维,还培养科学品德和精神。实验教学的目的是培养学生实践能力、分析问题与解决问题的能力和创新能力。然而,由于有机化学实验内容和教学形式的局限性,严重影响了学生对有机化学教育的认识和兴趣;同时,其自身的特殊性也一直被认为是校园的污染专业户。
在江苏省高等院校化学实验教学示范中心建设中,我院积极进行有机化学实验课程的教学内容和教学方式等方面的改革,坚持以教学大纲为基础,积极引导学生树立绿色化学的理念,从源头上、过程中减少或消除化学药品对环境的污染,为师生创造良好的学习氛围和环境。通过实验教学改革激发学生的学习兴趣、挖掘学生的潜能、注重培养新时期下学生必备的C3H3(CleanHabit,ClearHead,CleverHands)实验素质,取得了较好的效果。
2传统有机化学实验存在的问题
有机化学实验与其他化学实验相比,有其特殊性。从江苏等地高校实验教学情况来看,长期以来存在的主要问题有:①实验所用的化学原料、化学药品、溶剂毒性大、易挥发、腐蚀性强;②化学试剂的用量比较大、反应时间长,而且产生的废气、废水和废弃物三废较多;③反应得到的产物、副产物以及所用的有机溶剂没有循环利用,直接当做废弃物排放。这些问题不仅污染了环境,而且浪费了资源。可以说,从上世纪50年代以来,基础有机化学实验教学内容从课程体系到教学形式上变动不大,期间虽然也做了一些改革的尝试,但仍未从根本上解决问题。随着中国经济的不断发展,环境污染、生态安全等问题日益突出。高校基础有机化学实验教学过程中产生的少量污染排放日积月累,也将会危害到学校和周边地区的环境。因此,如何从源头上、过程中降低污染、节约资源、减少化学品对人体的危害是有机化学实验课教学中遇到的迫切问题。
3有机化学实验绿色化实施方案
3.1树立绿色化学理念
化学化工行业提供了人类所需要的90%左右的产品,但传统的化学反应和分离过程中大量使用易挥发的有机溶剂,同时也成为污染环境的主因。所以一提起化学,人们往往联想到化学反应过程可能会产生有毒有害的气体、液体、固体等物质危害环境和人类。为了满足可持续发展的要求,提出了绿色化学的概念。绿色化学(greenchemistry)又称为环境无害化学(environmentallybenignchemistry)、环境友好化学(environmentallyfriendlychemistry)、清洁化学(cleanchemistry),是一种能最大限度从资源合理利用、环境保护、生态平衡等方面满足人类长期可持续发展需要的化学,既充分利用资源,又不污染环境。有代表性的绿色化学技术包括:超临界流体CO2(Supercriticalcarbondioxide)作反应介质和产物的转移载体;以水为介质的水相反应;全氟溶剂(Perfluorocarbons)-有机溶剂组成的氟两相技术;离子液体(Ionicliquid)作溶剂/催化剂的非均相反应。其最大特点在于从源头上预防污染的发生,实现过程和终端均为零排放或零污染。世界上很多国家已把化学的绿色化作为新世纪化学发展的主要方向之一。随着环保意识的逐渐深入人心,我国的绿色化学研究蓬勃开展,很多绿色化学技术在化学、化工、医药等领域得到应用。
高校实验教学作为推行绿色化学概念的重要环节,承担着向大学生传输绿色化学理念和绿色化学技术的新任务。在基础有机化学实验教学中,应当积极采用适合于高等教育的新的科学研究成果,改革现行的有机化学实验教学模式,努力把绿色化学的思想引入到有机化学实验教学课堂上,成为化学教育家们的共识,是今后化学实验教学改革的方向。目前,我院从08级基础有机实验开始实施某些绿色化实验项目,并且已经取得了良好的效果。
3.2有机实验教学内容的绿色化
在国家级实验教学示范中心建设的带动下,江苏省于2006年成立了江苏省高等院校化学实验教学示范中心主任联席会,在2006～2008年期间召开示范中心建设研讨会,与会专家学者一致认为要提高江苏省高校的实验教学质量,关键之一是要有一个符合江苏省高校特点的实验教学体系以及与之相适应的先进的教材。其中21世纪高等院校化学实验教学改革系列教材有机化学实验由我院与东南大学共同负责。在教材的编写过程中,积极倡导绿色化学的理念,按照科学性、先进性、实用性、趣味性、绿色化的原则选编了一些试剂毒性较小、实验方法较为先进的实验。由于性质实验对操作技能的要求不如制备实验要求高,实践中有一定的局限性和被动性,而且这些性质实验学生可从课堂中获取相关知识,甚至有些知识已在中等教育过程中接触过,因此,在制定有机化学实验教学计划表时删除了性质实验,选取了基本操作实验+有机化合物的制备实验。
基础有机化学实验基本操作实验部分主要包括回流、蒸馏、分馏、水蒸气蒸馏、减压蒸馏、重结晶、折光率测定、熔点测定等,所使用试剂一般为教材上指定的有机化合物,这些试剂都有不同程度的毒性,而且有的气味很难闻。因此,新教材编写时改进了试剂,以无毒试剂、毒性较小的试剂作为基本操作实验的原料,如水蒸气蒸馏采用橘皮或橙皮来代替过去常用的苯甲醛,蒸馏得到具有光学活性的柠檬烯可以作为旋光度测定的原料。经化学化工学院08级4个班级约200位学生实验,师生一致反映良好,整个实验操作简单、安全可靠,对周围环境及人体没有危害,实验所用的纯天然材料成本低廉。实验室中由过去的苦杏仁气味变成了柠檬的清香气味,学生从过去怕做到喜欢做水蒸气蒸馏,教学效果、环境效果均十分显著。
3.3有机实验实验方案的绿色化
(1)减少源头上污染。绿色化学技术的应用。四大典型的绿色技术,以水为介质的水相反应以及离子液体作溶剂/催化剂的非均相反应,目前最有可能应用于基础有机化学实验中。
现阶段在很多情况下都要用到溶剂作为反应介质,那么用水作溶剂具有环境、经济双重效益,由于水相有机反应具有普通有机反应无法替代的优点:反应条件温和,副反应少,对环境污染小,而且催化剂容易回收利用并保持其催化活性不变,所以水相有机反应值得引起人们的重视。
另外,溶剂并不是所有的有机反应所必需的,大量研究表明,在无溶剂的反应体系中,一些反应反而具有更高的效率和选择性。无溶剂反应条件不仅避免了溶剂的使用,而且使反应后的处理过程变得非常简单。如通过Biginelli反应合成二氢嘧啶酮就是一个无溶剂反应的很好的有机化学实验。
(2)减少过程中污染。基础有机化学实验课多年来一直实施常量实验教学,这种实验模式反应时间长、化学原材料消耗较多。但是,无论从培养应用型人材,还是提高学生观察推理能力,常量反应都是不可缺少的环节。根据新编教材的要求,在实验教学中,学生刚接触有机化学实验时,对于那些比较重要的基本操作实验,如蒸馏、分馏、重结晶、减压蒸馏、水蒸气蒸馏等仍以常量实验为主,而通过选用无毒、低毒的实验原材料来实现有机实验的绿色化,如分馏实验使用水-乙醇的混合物,还有前面提到的橘子皮作为水蒸气蒸馏的原材料等;待学生基本操作掌握了之后,所进行的有机合成类的实验便可以小量、半微量实验为主,以进一步提高学生有机合成训练的综合素质。1年来的教学实践证明,小量、半微量与常量实验有机结合不仅在提高学生素质教育、增强环保意识、培养创新型人才方面起到了积极的作用,而且减少了三废排放量,改善了师生的实验环境并减少事故的发生。这方面的研究工作正处于起步阶段,目前还在进一步探索中。如何进一步促进基础有机化学实验的绿色化、更好的利用绿色化学技术设计更多更好的绿色的有机化学实验,对高校化学教育工作者来说仍是一个崭新的课题,值得投入更多的精力进行研究与探索。
(3)减少实验后的污染。设计串联实验以促进试剂的回收利用,减小环境污染。如环己醇脱水制备环己烯的实验,得到的产品环己烯可以作为原料,用于相转移催化二氯卡宾加成实验中。此外,溶剂、萃取剂的循环再生利用也是减少三废排放的重要环节。基础有机实验中常用的一些溶剂乙醚、乙醇、丙酮、氯仿等,用完后如果随意倒掉,一方面会造成药品的浪费;另一方面还会造成对环境的污染。因此,我们在每个基础有机实验室中配备了4台旋转蒸发仪,实验中使用过的有机溶剂要求学生用旋转蒸发仪进行回收后加以利用。
3.4计算机辅助有机实验教学
示范中心研制了基础有机化学实验指导课件,对基础有机实验课的计算机辅助教学作了一些有益的尝试。以多媒体技术文字、图像、声音等多种表现手法对有机实验内容进行加工。对于有机化学实验基本操作部分的实验,利用PowerPoint和Photoshop等动画功能来模拟组装的仪器装置,逐条演示如回流、蒸馏、搅拌、加热等装置的搭建。对于制备部分的实验,学生不仅可以参考上述基本操作动画模拟搭建装置,而且还有真实的实验录像可供观摩,部分实验讲义以网页的形式将内容、要点、思考题在网上发布,供学生下载学习。担任基础有机教学任务的教师正积极编制有机化学实验教学网络课程,并且正在研究如何将这些网络资源更好地运用于实验教学。通过多媒体教学能有效地提高学生的学习经积极性和实验课的教学效果。特别是,网络实验无化学品消耗,没有时间地点的限制,具有环保、清洁、经济等特点,可以作为有机化学实验课堂教学的一种有益互补。
3.5加强实验废弃物的管理
经常对实验教学工作的人员进行安全教育和消防器材使用的训练,对参与实验的学生进行有关防火、防爆、防毒、防伤害的安全培训。示范中心各实验分室都配备了数量充足的消防设施,还配备了应急医药用品,以便在出现紧急情况时使用。基础有机实验室还制订了三废回收处理制度,实验教学楼外有专门的废液回收地点。对实验中产生的废酸、废碱、其它废弃物,能回收的回收,不能回收的则统一集中倾倒于指定地点。
4结语
通过有机化学实验的绿色化教学模式的实践,达到了夯实基础、旨在创新良好的预期效果:①较好地解决了环境污染和实验药品的纯消耗,取得环境、经济双重效益;②提高了学生的环保意识,树立了绿色化学的理念;③改进了有机实验教学手段,提高了有机实验效率;④激发了学生对有机化学实验的兴趣,历练了与时俱进的创新思维。
