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5 mL的圆底烧瓶、微型装置、微型仪器,实验试剂用量范围控制在100~200 mg,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6.8 g的硝基苯甲放入250 mL的三口烧瓶中进行氧化反应,合成物为4~7 g,如果采用微量合成,把硝基苯甲的用量减少到2 g,再将其放入100 mL的三口烧瓶中氧化反应得出反应物为1~2 g,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FeCl3・6H2O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/H3PO4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
关键词 有机合成化学;回顾;展望
中图分类号:O312 文献标识码:A 文章编号:1671—7597(2013)042-005-01
跨入新世纪,随着社会经济发展和改革开放的不断深入,我国的有机化学已不再是限于少数领域,现在正在做大量有特色的工作,而且还有很多令人瞩目的新创造,尤其在金属参与的有机合成方法学、不对称催化与不对称合成以及生物活性天然产物的全合成等方面。但是作为一个发展中的有机化学大国,我们的有机化学也正在向其他的领域进军,从经典的物理有机化学到计算化学、分子识别、超分子化学、化学生物学、有机材料化学乃至更广受瞩目的绿色化学和化学生物学都可以领略到前进的步伐。基于这种状况,回顾与展望有机合成化学具有重大意义。
1 有机合成化学的回顾
自从有机化学成为一门学科以来,人们了解了分子的结构、性能,合成出各种各样有用的化工产品,这种根据一定的结构建立有机分子的手段,称为有机合成。有机合成化学是研究用化学、物理或生物方法合成有机化合物的科学。总体上看,有机合成涉及各种各样的单元反应,包括碳—碳键和碳—杂原子键的形成或断裂以及官能团的引入、转换和除去。据统计,有机化学反应目前已超过3000个,其中广泛应用于有机合成的有200多个,而且还不断有新的合成反应问世。这是有机合成方法学的问题,是有机合成的基础。另一方面是将这些反应和方法结合起来,以比较简单的分子为原料进行天然的或设计的目标分子的合成。迄今为止,已知的有机化合物已超过2000万个,其中绝大多数是通过有机合成获得的。进行有机合成时,合成路线及策略的合理而巧妙的设计以及合成方法的高效性、选择性、原子经济性、环境友好和经济实用的综合效益至关重要。
回顾有机合成化学的发展,首先应提及的是在1902-2005年共97次Nobel化学奖中,约有25项是固有机合成领域的杰出贡献而获奖,可见有机合成在化学和众多科学发展中占有极其重要的地位。它们涉及有机合成最重要的三个方面:一是天然产物的研究和复杂有机物的合成;二是重要类型反应或方法学的研究;三是有机合成的重要概念和理论。
最近三四十年有机合成得到了从未有过的飞速发展,呈现了多彩缤纷的新面貌,取得了许多令人瞩目的重大成就。此外还有几个方面值得特别指出:传统有机合成和有机化工正由资源能源耗费大、环境污染严重的状况逐步转变为绿色合成和洁净工艺;有机合成化学正渗透和深入于其他学科中,特别是对生命科学和材料科学的巨大促进;高选择性合成,特别是不对称催化合成取得很大的进展,许多有广泛应用价值的新反应和新方法相继问世;组合化学、多样性导向的合成(diversity-oricntcd synthesis,DOS)、正向合成分析(forward-synthetic analysis)、高通量自动化合成技术提供了迅速达到分子多样性的捷径,为新药、生物活性物质、精细化学品和特种功能材料的研发提供更有力的工具;利用微生物、天然酶和人工酶进行选择性催化合成日益受到重视;超声波、激光、微波等技术更加广泛地应用于化学合成反应,多种非共价键作用力,如氢键、静电力、疏水作用、π-π相互作用等,在构筑高级有序超分子新结构方面已取得许多重要成果;众多结构复杂的含多个手性中心的天然或设计的目标分子的成功合成,进一步展示了有机合成化学巨大的创造魅力以及科学-艺术的完美结合。海葵毒素就是迄今人工合成获得的具有最大相对分子质量和最多手性中心的次生代谢产物。我们今天的生活,几乎离不开有机物了。
2 有机合成化学的展望
有机合成化学发展至今,可以说已达到了十分成熟、精致、高超的学术境界。但是,它在许多方面还不能很好地满足不断提高的科技发展和人类需求。有机合成离绿色合成或理想合成(理想合成的定义是斯坦福大学P.A.Wender教授于1996年提出的,它是指用简单、安全、环境友好、资源有效的操作,快速、定量地把价廉、易得的起始原料转化为天然或设计的目标分子)还有很大的差距,不少合成方法就高效性、选择性、原于经济性、环境友好、简便实用的综合效益还较低;如何更有效利用N2、O2、H20、C02、SO2、CH4以及农副产业废弃的大量生物质,使之转化为更有用的有机物,还有大量工作要做;就合成反应的原子经济性考虑,许多有机合成反应,包括获得Nobel奖的Grignard反应、Wittig反应,原子利用率都很低;再举一个简单产品为例,由苯或苯酚制备邻苯二酚,至今还没有合成效率高,特别是选择性局的较好的一种生产方法。
回顾有机合成化学,不难发现从实验方法到基础理论都有了巨大的进展,显示出蓬勃发展的强劲势头和活力。世界上每年合成的近百万个新化合物中约70%以上是有机化合物。其中有些因具有特殊功能而用于材料、能源、医药、生命科学、农业、营养、石油化工、交通、环境科学等与人类生活密切相关的行业中,直接或间接地为人类提供了大量的必需品。与此同时,人们也面对着天然的和合成的大量有机物对生态、环境、人体的影响问题。展望未来,有机合成化学将使人类优化使用有机物和有机反应过程,有机化学将会得到更迅速的发展。
当前,和谐社会发展的需求致使现代有机合成的发展趋势产生了变化,从传统的方式向高选择性、原子经济性和保护环境的方向发展。这些发展方向都需要先进的合成工艺,即不能使用繁琐的反应步骤,控制污染物的排放量,选择高效的催化剂和洁净的反应介质,如离子液为介质的有机反应等。
。
综上所述,自尿素合成以来,有机合成化学经历了巨大发展,产生了许多新反应、新概念、新方法和新技术,推动了有机化学迅速发展,构筑了丰富多彩分子世界,推动了与之相关的众多基础学科,交叉学科和应用行业的产生与发展,为人类进步和生活质量提高做出了巨大贡献,我们要相信通过不懈努力,有机合成化学将会不断完善与发展。
参考文献
[1]周淑晶.有机化学合成实验的绿色化[J].黑龙江医药科学,2009(06).
[2]杨宝华.有机化学实验教学改革与创新[J].检验医学教育,2009(01).
[3]王园园.微波促进有机合成化学的应用进展[J].天津化工,2008(05).
1注重学生兴趣的培养
俗话说:兴趣是最好的老师,兴趣是学生积极主动做实验的源动力,是使学生由“要我做实验”转变为“我要做实验”的关键所在。。首先,唤起学生的学习兴趣。学生知道世界上有机化合物最多,很多日常用品是从实验室里合成出来的,但学生自己感觉不到,告诉学生,到有机实验室,可以合成出日常生活中的物质,例如:洗涤用品肥皂、阿司匹林药物,从茶叶中提取出烟碱等。这样学生对有机化学实验有种强烈的好奇,想去实验室里试试。其次,加深学生的学习兴趣。在有机合成实验中尽量不要把实验步骤讲解过细、要求过死,给学生留下独立思考的空间,发挥学生的想象力[2]。学生遇到问题时,不要急于告诉答案,在指导教师的引导下,尽量让学生自己解决问题,培养学生独立思考、分析问题解决问题的能力。总是都按教师规定的或教材上的实验步骤做,学生感觉是给老师做实验或者是重复书上的内容,就不会投入精力做实验,敷衍了事,学生会对实验失去了兴趣。最后,延续学生的学习兴趣,及时地评价非常重要。学生在实验操作中有所创新,比如好的想法和更好的解决问题的方法,指导教师要在第一时间给予充分的肯定,鼓励学生科学合理地思考问题,不对的地方,说明原因。学生很在意指导教师对他们的想法和行动的看法,如果我们不准学生想或是忽略学生的想法,慢慢地学生不敢想,也不愿想,做实验就是敷衍了事。更重要的一点,就是实验报告的批改,一定要及时认真,对于做的好的,特别是有创意的地方,一定要肯定,给予好的成绩,做的不好的,要跟学生说明清楚。总之,在安全可行的前提下,鼓励学生动手动脑,让学生在实践中摸索才能培养出兴趣。
2不同类型的实验要求
2.1基本操作性实验
在当前强调培养创新人才、加强综合性实验的同时,不要忘记和淡化基础性实验。基础性实验在过去、现在和将来都是实验教学的根本,是必须扎扎实实做好的一件事情,没有基础或基础不牢,就谈不上综合,更谈不上创新[3]。基础性实验要求学生熟练掌握化学实验的基本操作、常规仪器操作方法及基本理论等[4]。有机化学实验涉及基础性实验有熔点的测定、蒸馏和沸点的测定、减压蒸馏、水蒸气蒸馏、简单分馏、薄层色谱和柱色谱、重结晶和萃取等。其中有些实验在无机实验中学习过,比如重结晶,对这个实验指导教师要说明清楚不同点:是操作方法使用范围扩大,不是简单地重复以前的实验。无论是第一次接触到的还是在以前基础上进一步学习的基础性实验,一定要求严谨规范,不能有丝毫的怠慢,常规仪器的操作方法一定要规范正确,否则容易造成实验事故,损坏仪器设备。基础性实验是培养学生良好实验行为的关键所在,也为后面的综合性实验和设计性实验打下坚实的基础。
2.2综合性实验
有机化学实验的综合性实验主要是有机合成实验,是本课程内容最丰富的地方,也是培养学生兴趣最好的地方,能初步培养学生的创新意识和创新能力。第一,有机合成实验内容丰富,可以选择教材上经典的有机合成实验,如1-溴丁烷的制备、正丁醚的制备、乙酸乙酰乙酯的制备、生物碱的提取等。训练学生正确地组装仪器和使用仪器,规范实验操作,这些合成实验时间较长,引导学生仔细观察实验现象和正确记录实验数据,简单高效地分离出产物,要求步骤正确、操作规范,如果学生实验顺利,能合成出来的产物分离较纯净,产率高,学生的成就感很高,兴趣也就来了。也可以让学生合成出日常生活中的物质,如肥皂等,学生亲手合成出和商场买回来一样的东西,很兴奋,感觉到实验有用武之地,不是书上那些空洞的知识。还可以选择教师的科研课题,只要实验条件要求不是很高,又不危险,让学生合成出新物质,学生们的成就感就更强。第二,有机合成实验的路线多样性,如果说有机合成的理论课是一门艺术,那么有机合成实验就是艺术品。给定具体的产物,可以从不同的原料经过不同的合成步骤合成出产物,指导教师先给出不同的合成路线,让学生选择其中一条路线,自己连接仪器装置,人的大脑喜欢多样性,有些学生就会想出更多的合成路线,方案可行的话,让学生现场实验。如果学生的想法合理可行,会非常高兴,甚至不敢相信他们自己能设计实验步骤;如果不具备操作可行性的话,和学生一起分析原因,学生还是乐意接受的。第三,随着科技的进步,出现了新技术、新方法和新手段,要及时引入到基础实验室中[5]。让学生有与时俱进的感觉,新方法比传统的方法简单容易操作,比如合成产物的分离和检测,有很多新的方法。如果实验条件允许,就采用新的方法,书上的旧的方法就不要使用,要让学生跟上时代的脚步;如果一些旧的方法迟早要淘汰,指导教师要尽力更换,即使不能购买新仪器,也要向学生说明新仪器的用法及优点,学生有印象,以后继续深造或工作中遇到时,不至于茫然不知。
2.3设计性实验
设计性实验是培养学生独立解决问题的能力和初步的创新能力,指导教师给出实验名称,让学生查阅与实验有关的知识内容和相关的文献,学生对已有的文献资料进行阅读、分析、评价之后,设计出具体的实验步骤,列举出实验所需要的药品和试剂。然后让学生上交设计的实验方案,经指导教师评阅后,总体上合理可行的方案,让学生进入实验室进行实验。实验是检测学生们设计出的实验方案的合理可行性最好的方法,同时也能纠正有些不合理的地方,最后让学生写实验报告。设计性实验没有具体的实验内容和预期的实验现象和实验结果,在指导教师的引导下,学生们独立解决问题,拟出的实验方案可以是借鉴文献上的,也可以在旧的实验方法上进行改进,初步地培养学生的创新能力,然后在实验室里检验方案的合理性和可行性。如果学生设计的实验方案能够在实验室执行,学生很有成就感,就会对实验充满好奇,并乐意探索实验。
3合理的考核体系
考核是实验教学不可忽视的环节,通过考核可以调动学生的积极性,促进有机化学实验课教学质量的提高[5]。以往的考核方式一般是平时成绩70%,期末成绩30%。。学生有如此的想法主要责任在指导教师,因为考核评定成绩的方法太狭隘,让学生有空可钻。最后一个实验指定为期末考核实验,学生认为只要做好最后一个实验就会有个好成绩,这样也无法提高学生的兴趣。针对以上的不足,经过不断地摸索,建立相对公正合理的评价体系:平时成绩70%和期末成绩30%。平时成绩包括实验成绩70%和实验报告成绩30%,基础性实验和综合性实验实验成绩包括实验预习报告20%、实验操作40%、实验结果30%、实验室卫生习惯10%,每次实验结束及时给出实验成绩。设计性实验的实验成绩包括文献查阅20%、实验设计30%、实验操作30%、实验结果10%、实验室卫生习惯10%,实验结束给出成绩,避免了只重实验结果轻视实验过程。期末成绩考核包括笔试40%和操作60%,笔试采取闭卷,考查实验室安全知识、仪器的操作方法、实验操作易错地方等,操作考核上学期基础操作性实验多,重在考核操作的规范方面。
4结束语
在当前教学改革的新形势和大背景下,基于化学科目“科学态度与社会责任”素养的高中课堂教学还存在诸多问题等待解决,今天我就以本人课堂教学中所经历的一些切身、具体的上课实例谈谈如何在高中化学课堂教学中更好得落实“科学态度与社会责任”素养。
浅谈如下3个方面:
1.坚持以学生为主体的教学思想。在课堂教学中针对课本上的重难点知识训练学生分组合作、交流研讨、归纳总结的能力以便加强对新知识的理解、掌握。例如:在学氧化硫化学性质的时候,可以让学生分4组交流、研讨、实验二氧化硫的酸性氧化物、还原性、漂白性和氧化性四大性质,根据具体的实验现象归纳总结二氧化硫可能具有的化学性质。如果此时还是以教师为主体,不让学生主动分析思考讨论,只是让学生被动接受理论知识而不加以思考讨论实验,则难以达到预期的教学效果。
2.创设崭新的教学情景,培养学生的科学素养和社会责任感。例如:在讲到利用乙烯、苯乙烯等单体使用加聚反应制备聚乙烯、聚苯乙烯等合成塑料时,可以给学生补充:虽然这些新型有机合成材料给生活带来了极大便利,但是同时也要知道这些塑料制品难以降解,很容易造成“白色污染”,给环境带来危害等。由此不仅使学生掌握了加聚、缩聚等聚合反应的规律,而且也很好得让理论与实践相结合,最终提升了学生的科学素养和社会责任感。
3.努力开展合作学习探究,提高学生的科学探究、创新精神。
一、反应原理及过程考查
;。考点包括实验条件的选择、原料的用量、副产物的生成等。
1. 反应条件的选择:有机合成实验多数需要加热,当温度低于100℃时应使用水浴加热的方式,便于控制温度且受热均匀。
2. 原料的用量:如制备乙酸异戊酯时乙酸过量,从而提高异戊醇的转化率。
3.副产物的生成:
(1)根据题干所给信息了解副产物的生成;
(2)根据教材所学官能团性质分析副产物的生成。
如2013课标Ⅰ实验室由环己醇合成环己烯,实验中最容易产生的副产物为环己醚。
二、实验仪器的考查
如仪器名称、作用、使用方法及注意事项等。
1.冷凝管:
(1)常见的有直形和球形两种(如图1)。直形冷凝管一般用于物质的冷凝,便于收集物质;球形冷凝管一般用于反应物的回流,减少挥发,提高反应物的转化率。
(2)加热前先通冷凝水,若忘记通冷凝水应停止加热,待装置冷却后重新通入冷凝水,并且下进上出。
2.滴液漏斗(如图2): 便于添加液体,并且在添加液体时不会有气体泄漏;可以通过控制滴液的速率来控制反应速率。
恒压滴液漏斗(如图3):可以保证内部压强不变,一是可以防止倒吸;二是可以使漏斗内液体顺利流下;三是减小增加的液体对气体压强的影响,从而在测量气体体积时更加准确。
3.三颈烧瓶(如图4):有三个口,可以同时加入多种反应物,或是加冷凝管、温度计、搅拌器等。一般情况下中口安装搅拌棒,边口安装分液漏斗、分馏管、冷凝管或温度计。
三、实验操作的考查
1. 分液操作注意问题:使用前应检查是否漏液;放液时,磨口塞上的凹槽与漏斗口颈上的小孔要对准(或者将上口玻璃塞取下),使漏斗内外的空气相通,压强相等,漏斗里的液体顺利流出;下层液体从下口放出,上层液体从上口倒出。
2. 蒸馏操作注意问题:温度计水银球位于蒸馏烧瓶支管口;加热前加碎瓷片防止暴沸,加热一段时间后发现忘记加瓷片,应停止加热,冷却后补加;冷凝水流向应下进上出,若忘记通冷凝水应停止加热,冷却后重新通冷凝水。
3.试剂混合:一般先固后液;密度大的液体加到密度小的液体中,如2013课标Ⅱ合成正丁醛中应将浓硫酸加到Na2Cr2O7溶液中。
四、分离除杂的考查
有机合成实验题包括合成反应和分离提纯两部分。多数以合成反应为基础重点考查分离提纯过程。解题时应根据实验原理和过程分析产品中可能混有的各种杂质,如无机物杂质和有机物杂质,再根据题中所给出的相关物质的物理性质,分析每一步所加入的除杂试剂的具体作用。
1.除去无机物杂质:多数见水洗(除去易溶于水的物质)、碱洗或盐洗(多数见氢氧化钠、碳酸钠或者碳酸氢钠,用于除去少量的酸性物质)、水洗(除去少量的无机盐)、无水盐干燥(除水,常见干燥剂有无水氯化钙、无水硫酸铜、无水硫酸镁等)
2.除去有机物杂质:根据有机物的物理性质如状态、溶解性、沸点,多见蒸馏、重结晶。
例1 (2014年课标卷)实验室制备乙酸异戊酯的反应如下:
OOH + OH 浓H2SO4 OO +H2O
装置图如图5所示,有关信息列于表1。
实验步骤:
在A中加入4.4 g的异戊醇、6.0 g的乙酸、数滴浓硫酸和2~3片碎瓷片。开始缓慢加热A,回流50 min。反应液冷至室温后倒入分液漏斗中,分别用少量水、饱和碳酸氢钠溶液和水洗涤;分出的产物加入少量无水MgSO4固体,静置片刻,过滤除去MgSO4固体,进行蒸馏纯化,收集140℃~143℃馏分,得乙酸异戊酯3.9 g。
解析 分析实验原理可知,产品中混有的无机杂质有浓硫酸、水;有机杂质有乙酸、异戊醇。因此,洗涤操作中第一次洗涤的主要目的是除去大部分催化剂硫酸和醋酸;用饱和碳酸氢钠溶液既可以除去未洗净的醋酸,也可以降低酯的溶解度;第二次水洗,主要目的是除去产品中残留的碳酸氢钠;无水MgSO4固体是除去产品中的水。
五、产率计算、误差分析
有机合成实验题重视将定性和定量实验结合在一起。在物质制备实验完成后,获得的样品既有定性分析,又有定量分析,且定量分析近年来出现的比例明显增大。学生要根据实验结果的数据计算产率、分析误差。产率=(实际产量/理论产量)×100%。一般实际产量题中直接给出,理论产量需要根据方程式进行计算。
例2 上题制备乙酸异戊酯的产率是_____(填标号); 在进行蒸馏操作时,若从130℃便开始收集馏分,会使实验的产率偏_______(填“高”或“低”), 原因是_______。
a.30% b.40% c.60% d.90%
解析 乙酸的物质的量为:n=6.0 g÷60 g/mol=0.1 mol,异戊醇的物质的量为:n=4.4 g÷88 g/mol=0.05 mol,由于乙酸和异戊醇是按照1∶ 1进行反应,所以乙酸过量,生成乙酸异戊酯的量要按照异戊醇的物质的量计算,即理论上生成0.05 mol乙酸异戊酯;实际上生成的乙酸异戊酯的物质的量为:3.9 g÷130 g/mol=0.03 mol,所以实验中乙酸异戊酯的产率为:0.03 mol0.05 mol×100%=60%。在进行蒸馏操作时,若从130℃便开始收集馏分此时的蒸气中含有异戊醇,会收集少量的未反应的异戊醇,因此会导致产率偏高。
关键词:有机化学化工 绿色化学 应用探析
1. 引言
化学是现今人们生活中必不可少的重要学科,其产生的各项发明以及用品都为人们的生活作出了很大的贡献。而就在化学为人们带来便利的同时,其在生产过程中排放的有害物质以及化学废品也对我国自然环境以及人民健康都带来了严重的隐患。而就在这种严峻的形式中,绿色化学的概念出现在了人们的面前,其能够在正常发挥化学自身作用的同时将化学对于人身以及环境所造成的威胁降至最低。正是由于绿色化学的这种全新理念以及巨大潜力,也使得其成为了我国目前的热点之一。
2 .绿色化学的概念
绿色化学,也可以称为环境无害化学,其存在的意义就是在设计生产化学用品的过程中避免对环境造成危害,并保证设计出的化学产品无论是在经济上还是技术上都可以实施的一个过程,其具体分为对于化学物质的合成、催化、检测等等环节。近年来,世界各方对于绿色化学都作出了一定的研究,并以绿色化学原料、绿色溶剂、绿色催化剂等方面积极开展绿色化学的研究。
3. 绿色化学在有机化工中的应用
。在有机化学合成过程中,首先需要研究的就是所使用的化工原料是否能够更加绿色,而当对化学原料确定之后,则应当对以往的反应流程进行细致的观察分析,研究生产流程是否合理、是否还存在更为绿色、环保的生产流程。而在这个过程中,对于在化工反应中所必须用到的催化剂以及溶剂等方面因素也应当尽可能的保持其绿色化,从而保障化工反应的“全绿色”化进展。
图1 绿色化学的主要应用
3.1 绿色原料
在实现绿色化学的过程中,首先需要面对的问题就是原料的绿色化,其也正是我们实现绿色有机合成的基础。比如在我国的有机化工合成中,所使用的生产原料通常都是石油化工原料,而将其有效的替换为绿色生物原料,则是在绿色化学理念中的重要方式,也是对我国环境起到保护作用的重要途径。对于生物原料而言,其主要由纤维素以及淀粉两大部分所组成,其中,淀粉在化学反应中较为容易转变为葡萄糖,而纤维素则能够在木质素以及结晶的作用下,通过纤维素酶来将其以一种间接的方式转变为葡萄糖。而当我们获得葡萄糖之后,则能够以其作为原料,通过相应酶的作用获得己二酸,从而通过这种方式代替以往利用笨获得己二酸的方式。因为我们知道,笨是一种对人体有害的物质,有很大的致癌几率,所以在技术以及经济的保证下,在有机合成的过程中实现使用原料的去笨化,则能够起到起到很好的保护环境以及保护人类健康的作用,也正是我国开展绿色化学的一个重要目标。
3.2 绿色催化剂
在绿色化学中,要求在化学反应中应当具有高效的反应速度,并且当化学反应完毕后应当得到尽可能少的副产物,从而最终实现少排放甚至零排放,并以此作为现今社会提倡的原子经济特征。而同传统的化学反应相比,这种具有高效、多选择性的催化方式也能够很好的符合我国开展绿色化学的需求。而在其中,原子经济则是我国开展绿色化学的一个核心理念,其主要强调的是在化学反应过程中,应当将所有参与到反应中的原子都能够出现在反应物中,并在反应的过程中不会出现废弃物,而部分常见反应如加成反应、重排反应以及化合反应等都属于原子经济性反应。
图2 绿色催化剂应用
3.2.1 催化不对称
在有机合成反应中,催化不对称合成也是一种行之有效的合成方式,而这种催化不对称方式也在我国成为了一个人们广泛研究的特点。通过不对称催化方式的应用,不仅能够在反应的过程中获得一些在其它精细化工以及农药领域中所需求的中间物品,还能够在反应的过程中获得对环境、人类友好的绿色合成技术,例如我们经常开展的氢酯化反应、酶催化以及氢硅烷化反应等都属于催化不对称反应。
3.2.2 新型催化反应
目前,碱和液体酸是我国在进行有机合成过程中经常会使用到的催化剂类型,且这两者都具备高催化效率以及低成本的优点,受到了人们的广泛应用。而与此同时,这两者在具备高效、低廉优点的同时却存在着对设备高腐蚀性的缺点,使我们在对其使用过程中经常会出现较大的环境污染,且其在反应的过程中经常会伴随大量的副反应,使我们在完成工作后经常会出现问题难以处理、副反应繁杂等问题。而为了使这种缺点得到良好的克服,就需要我们应当加强绿色催化剂的研究力度。目前,我国在这方面已经具备了一定的成果,并获得了分子筛催化剂以及相转移催化剂等绿色催化剂,并且都具有高效、无害的特点,具有很高的实用价值。
3.3 绿色溶剂
图3 绿色溶剂的应用
3.3.1 水溶剂的应用
在自然界中,水是一种最为基本、也是非常丰富的一种溶剂,并且具有无污染、无毒、成本低廉的优点。当我们开展化学有机反应时,当实验环境保持在水中进行会更加安全简单,也不会存在像其它溶剂介质具有易燃、易爆的安全威胁。在普通类型的有机合成过程中,我们可以大胆的将其中的去保护合成以及官能团保护都适当省略,从而更加简化了合成的操作步骤,是一种非常理想的试验溶剂。同时,有机金属反应在有机合成中也是我国化学合成一个重要成果,有机铟试剂就是在这种情况中产生的一个较为成功的案例。这种试剂存在的最大特点就是当碳水化合物形成相应碳键时,其自身具备的官能团不需要对其采取保护,而在一般合成过程中都会使用保护基,也城市为了获得更好的选择性,而如果仅仅通过一种方式或者没有选择性的方式来进行,就只会平白的增加反应步骤,并且的消耗更多原料、能量的同时增加了废弃物的排放。
3.3.2 离子液体溶剂
所谓离子液体溶剂,就是指在温度适宜以及温度较低的情况下,处于液体的状态的盐可以由相关元素的无机阴离子以及有机阳离子这两大部分组成。通常来说,其能够适应的温度范围非常广,同时还具有制造成本地、溶解度强、能够循环利用、易于回收的优点,被化学界认为是一种非常理想的溶剂,并在世界范围的工业生产中获得了广泛的应用。比如在以往溶剂环境中,我们通过芳烃以及烯烃来进行烷基化反应是不可能完成的,而在例子液体溶剂中,则能够在适当催化剂的作用之下保证此反应在普通室温中就能够良好的发生,并且获得较好的生产率。目前,部分反应如氧化还原反应、烯烃氢化反应、偶联反应、 氢甲酰化反应以及酶促反应都能够在离子液体中顺利的完成。。
4. 结束语
总的来说,在我国目前号召可持续发展、绿色经济的背景下,开展绿色化学具有重要的意义。在上文中,我们对于绿色化学中重要的绿色材料、绿色溶剂以及绿色催化剂的应用进行了一定的分析与探讨,需要我们在实际生产中进一步掌握应用方式,从而有效的推动我国绿色化学发展的进程。
参考文献:
[1]朱金苗,童小伟,汪晓波.化学实验中的绿色化学[J].合肥师范学院学报.2010(03):104-105.
[2]黄月琴,徐迈,陈建平.淮南师范学院化学教学中绿色化学教育研究[J].滁州学院学报.2010(05):89-90.
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