绿色可持续化学在化学化工教育中的渗透

esocufobifodo

摘要：绿色可持续化学是发展生态经济和工业的关键，是可持续发展的工具之一，是实现可持续发展战略的重要组成部分。在可持续发展大框架内的绿色化学化工，对经济、资源、环境的良性发展具有重要意义。在高校化学化工教育领域培养学生的绿色可持续化学观念，是化学工业发展的新要求。
关键词：绿色化学 可持续发展 化工
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2012）11（a）-0135-02
1 绿色可持续化学的内涵
20世纪90年代初，化学家提出了与传统“污染治理”观念不同的“绿色化学”观念。绿色化学，又称环境无害化学、环境友好化学或清洁化学，是当今国际化学科学研究的热点和前沿。绿色化学的目标在于不再使用有毒、有害的物质，不再产生废物，不再需要处理废物，最终实现零排放和零污染。绿色化学的基本原则可以归纳为12条：预防、原子经济性、无害化学合成、设计安全化学品、使用更安全的溶助剂、提高能源经济性、使用可再生原料、减少衍生物、开发新型催化剂、降解设计、预防污染实时分析、防止意外的安全工艺。依据这些原则可以开发和评估化学合成路线、生产流程、化合物是否符合绿色化学的指导方针和标准。
1987年世界环境与发展委员会发布了关于人类未来的报告—— 《我们共同的未来》，提出了“可持续发展”的概念，把这一概念定义为可持续发展是这样一种发展：它既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害。化学工作者对可持续发展观念应该有更深刻的体会，众所周知，化学化工事业在取得巨大成就的同时，也给环境等带来了不可忽视的负面影响。1998年国际经济合作与发展组织召开的研讨会上提出了“可持续化学”（Sustainable Chemistry）的概念，日本于2000年进一步提出了“绿色可持续化学（GSC）”的概念，以强调化学化工不仅涉及环境，而且直接与可持续发展的多个方面相关。后来日本提出了绿色可持续化学（GSC）的技术体系，包括四个目标：和谐环境；摆脱资源制约；脱离能源制约；提高生活质量。GSC技术体系还提出了若干开发课题和相应的关键技术。
可见，绿色可持续化学是可持续发展的工具之一，可持续发展观念是以经济、资源、环境、社会等要素的一体化为特征，很明显，在可持续发展大框架内的绿色化学化工，对经济、资源、环境的良性发展具有重要意义。
2 化学反应的新要求—— 原子经济性
绿色可持续化学关系到化学工业的可持续发展，而化学反应的“原子经济性”是绿色化学的核心内容之一，也是绿色化学技术中最关键的策略。“原子经济性”的概念目前被普遍承认，最早提出原子经济性概念的是美国斯坦福大学的B.M.Trost教授，传统上一般仅用经济性来衡量化学工艺是否可行，针对这一做法，他指出用选择性和原子经济性这种新的标准来评估化学工艺过程。也就是说，原子经济性关注的是在化学反应中原料的原子究竟有多少转化为人们所要的产物，这一标准既要求尽可能地节约不可再生资源，又要求最大限度地减少废弃物排放。理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转变成产物，不产生副产物或废物，实现废物的“零排放”。
原子经济性在有机化学中并不鲜见。例如，周环反应就是典型的A+B→C原子经济性反应，比如Diels-Alder反应和ene反应。在工业生产中涉及的大量氧化还原反应，比如将醇氧化为醛、酮或酸一般都使用一定量的氧化剂如铬等，一方面氧化剂的原子利用率非常低，生成大量副产物，既浪费资源又产生污染。如果用纯氧气或空气中的氧气或过氧化氢作为氧化剂，不仅原子利用率大大提高，而且副产物水对环境无害。再比如无论是1，2-加成反应还是1，4-共轭加成反应，传统方法都是使用等量或过量的碱先产生一个亲核试剂，该亲核试剂与受体发生反应后生成产物，这样反应中碱的原子没有得到利用，原子利用率低。而如果用催化剂代替碱，则使反应的原子利用率大幅度提高。其他的还有自由基反应中的部分反应也是原子经济性的，特别是通过原子转移实现的自由基加成反应和通过自由基引发的多组分反应。但需要注意的是自由基反应中反应产物选择性特别是包括对应选择性在内的立体选择性的调控仍将是一项艰巨的任务，新反应类型的建立也将是实现自由基引发的原子经济性反应的关键。
3 教学中绿色可持续化学理念的培养
在基础教育中已明确提出要培养学生绿色化学观念，比如高中化学课程标准对此就有明确的表述，比如新课标内容标准中指出：“必修课程的设计……体现绿色化学思想，突出化学对生活、社会发展和科技进步的重要作用”；“实验化学”模块明确提出“形成绿色化学的观念，强化实验安全意识”；“树立绿色化学思想，形成环境保护的意识”。
在大学化学化工领域的教学中，让学生树立绿色可持续化学观念更是社会、经济发展的需要。这种观念的形成可以通过多种途径：可以做绿色可持续化学的专题讲座；可以开设绿色化学选修课；也可以在教学中潜移默化地进行绿色可持续化学理念的熏陶，从化学反应原料、催化剂、溶剂三个方面介绍绿色化的措施。比如对于化学反应原料，让学生知道95%以上的有机化学品来自石油，但地球上的煤和石油毕竟有限而且不可再生。因此，如何利用生物质为原料生产人类需要的化学品就是当下绿色有机合成的主要任务。反应原料的绿色化有两条途径：采用无毒、无害的原料；用可再生资源为原料。研究高效催化剂对于避免副产物的产生提高原子利用率有非常重要的实际意义。传统的许多有机溶剂大多具有挥发性、毒性，对环境有危害，让学生知道可以设计或寻找安全的绿色有机溶剂。目前有很多为减少毒性和环境污染而设计的绿色溶剂，例如碳酸1，2-丙二醇酯可作为很多环氧化—— 氨基甲酸乙酯和其他聚合物和树脂的有效溶剂。热的N-甲基-2-吡咯酮（NMP）可以溶解多种油，低温时本身又可析出。乳酸酯包括乳酸乙酯是许多聚合物和树脂的极好溶剂。双丙酮醇作为丙酮的有效替代品，可溶解多种脂肪、油、蜡和树脂，同时保留了水混溶性。
在化学实验设计中也可以贯彻绿色化学理念，比如从绿色化学的十二原则和GSC技术体系出发，通过与一些传统实验方法相对比，让学生明白改进后实验中蕴含的绿色可持续化学理念。如1，2-二苯乙烯的绿色溴化，蕴含了使用安全溶剂和试剂、原子经济性等绿色化学信息；用环乙烯做原料，乙二酸的绿色合成和重结晶实验，体现了催化作用、反应介质的选择、试剂的再利用等绿色化学信息。
4 构建大学绿色可持续化学实验体系
基础教育中，在实验教学中渗透绿色化学思想、培养学生可持续发展的环保意识，是进行绿色可持续化学教育可操作性最强、效果最明显的途径。化学实验的绿色化是《化学课程标准》的要求，也是化学学科发展的要求。同样，在高等教育中，化学实验教学也是进行绿色可持续化学教育的主阵地。构建大学绿色可持续化学实验体系有多种途径。
4.1 化学实验设计的绿色化
大学化学实验，不能再是简单模仿、照葫芦画瓢，而应对学生的实验设计能力提出更高的要求，侧重实验设计的绿色化。化学实验的绿色化，要求原料绿色化，以可再生资源为原料，选取无毒、无害原料；要求化学反应的绿色化，采用“原子经济性”反应，比如催化剂的绿色化（选用无毒无害催化剂），溶剂的绿色化（无毒无害溶剂），提高反应的选择性，从而实现产物的绿色化。例如乙酸乙酯的制备实验，传统教学实验存在以下缺陷：浓硫酸作催化剂腐蚀性强，用量大，使用不安全；反应温度难控制、副反应多、反应速率慢、乙醇利用率低、分离提纯困难；产生的废液对环境有污染。对该实验进行绿色化设计改造：采用无机固体酸作酯化催化剂，特点是产率高，操作方便，后处理容易，对环境友好。
4.2 化学实验的微型化
化学实验微型化具有明显的绿色环保特点，既节约药品、减少污染，又具有安全、便捷、高效等优点。我国开展微型化学实验研究已近20年，化学教学中可以充分利用这些研究成果，将化学实验微型化作为化学实验绿色化的微型化一条重要途径。但是微型化学实验与常规实验相比也有它的不足之处，如收率相对偏低，有时实验现象不明显；较忽视基本操作的规范性；较少考虑实验中有关的安全因素等。因此，教学中应根据实验的特点，结合使用常规实验、微型实验或半微量试验，取长补短，以发挥更好的教学效果。
另外，还可以通过其他措施构建绿色可持续化学实验体系，比如，化学仿真实验或化学实验的清洁化。化学仿真实验不使用化学原料、无毒无污染、成本低，与绿色化学思想相吻合。对一些实验成本高、危险性大、污染较重的实验，可以考虑通过视频影像、flash动画等手段利用计算机多媒体系统加以呈现，但需要主要化学实验仿真化只能在特殊情况下作为辅助手段，绝对不能取代实际操作。所谓化学实验的清洁化，就是通过一些有效措施使化学实验对实验场所和环境的污染降到最低限度。
绿色可持续化学是化学化工发展的新阶段，它利用近代科学和技术，在继续生产人类社会所需要的大量新物质、新产品的同时，充分利用原料并确保生产过程和生产出的物质不污染环境。因此，绿色可持续化学是发展生态经济和工业的关键，是实现可持续发展战略的重要组成部分。
参考文献
[1] 闵恩泽，傅军.绿色化学的进展[J].化学通报，1999（1）：10-15.
[2] 朱清时.绿色化学[J].化学进展，2000，12（4）：410-414.
[3] 麻生明，魏晓芳.原子经济性反应[M].北京：中国石化出版社，2006.