绿色化学起源范文

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篇1

关键词：有机化学实验；绿色化学；绿色化实验

《有机化学》是高职环境治理、工业分析、石油化工、生物制药、医学类等专业的一门专业基础课，有机化学实验是不可缺少的重要组成部分。通过实验，学生能更好地理解理论教学的内容，学会在实验室里合成、分离、提纯有机物的方法和操作技术，培养自身良好的实验习惯，科学、严谨的工作态度以及观察问题、分析问题和解决问题的能力。而有机化学实验中所使用的试剂大多数会危害人体健康和污染环境，有些试剂甚至有剧毒。如何保证有机化学实验课程既能正常开设，又将其危害和污染降低到最低限度，是摆在广大化学教育工作者面前长期而又艰巨的任务。为此，在有机化学实验中，笔者对开展绿色化学实验和实施绿色化学教学进行了一些探索与尝试。

在实验教学中实施绿色化学教学绿色化学起源于有机化学，是有机合成化学家提出的，它的内容与有机化学学科密切相关。有机化学实验中客观存在着许多有害的废弃物，在实验室通风、排污等硬件设施较差的情况下，不仅威胁人体健康，而且直接排放会严重污染环境。特别是近年来学校办学规模不断扩大，实验排废量也同步增长，有机化学实验教学绿色化不得不提到议事日程上来。应采用适合实验室的废弃物处理措施，将有机化学实验对环境的污染降至最低限度。在实验教学的全过程中，应引导学生建立对环境保护和人类可持续发展的高度责任心，使绿色化学理念渗透到实验教学的过程中。例如，在实验过程中，学生不小心打碎了温度计，温度计里面的汞洒到实验台上。这时，应该用滴管收集大部分汞并回收到密闭的容器中，对于散落在地上及部分难以收集起来的汞应撒上适量的硫黄粉进行处理，使之生成毒性小的硫化汞然后清除。又如酚类、苯胺类物质，在验证其性质后，应将废液集中与漂白粉混合煮沸后再处理，这样可使酚类、苯胺类物质的毒性降低至几乎为零，大大减少对环境的污染。通过对有机化学实验废弃物的基本处理实践，可使学生掌握绿色化学知识，形成强烈的环保意识。

精选实验内容，体现绿色化学的教育思想选择有机化学实验教学内容时，应根据高职的教学目标，本着体现绿色化学教育的指导思想，精选实验项目，突出实验技能培养。根据现行教材保留符合或基本符合绿色化学要求的实验，如基本操作实验中熔点的测定、蒸馏和沸点的测定、重结晶提纯法；性质实验中的碳水化合物、氨基酸和蛋白质；制备实验中的从茶叶中提取咖啡因等。在一些重要的合成反应中选择污染少、废物易处理的制备项目开展实验教学，对有毒气排放的实验应予以删除。尽可能少用或不用有毒性的试剂。在实验教学内容的安排上不仅要满足培养学生实验技能的需要，同时也要体现绿色化学的教育思想。

改进实验方案，控制药品用量有机化学实验室承担的教学任务重，消耗化学试剂多。近几年，我们在逐步实施常量、微量与半微量相结合的实验方案，不仅体现绿色化学的教育思想，同时废弃物处理相对容易。例如，在性质实验中，醛、酮与2，4-二硝基苯肼试剂的反应，由于该试剂的毒性很大，实验就改为在点滴板上进行。于孔穴中滴入两滴试剂，再依次滴入醛、酮试样各1滴，现象与常量实验现象基本一致，而试剂用量大大减少，污染程度大大降低。类似的性质实验均可采用此法，不仅减少了废弃物的处理量，降低了对环境的污染，而且可使学生在化学实验中树立环保意识。又如在1-溴丁烷的制备实验中，试剂用量为常规用量的十分之一，实验时间缩短了五分之一，且可以得到较好的实验效果。再如，在乙酸乙酯的制备中，我们改进了催化剂。现用教材是用浓硫酸作催化剂，但浓硫酸具有强氧化性、强吸水性、低选择性，造成反应物氧化、碳化，产品质量不高、产率低，产生的废气、废水多，污染环境，且实际生产中对设备腐蚀严重。我们参照目前关于酯化反应的研究成果，用固体超强酸（SiO2／SO42-）代替浓硫酸，即用1.2gSiO2／SO42-代替教材中的3.0ml浓硫酸，其余步骤仍按教材进行，试剂回收率可由使用浓硫酸时的48％提高到93％，并且催化剂可循环使用6次。这样改进后的实验安全性好，对环境无污染。

采用连续性实验，实现资源利用的最大化有机化学实验中的合成实验，是纯粹的消耗性实验。一次实验下来，除原料和试剂的消耗外，生成的产物大部分都是废弃物，造成对环境的污染。在实验教学中，应把相关的单一实验联系起来，使其组成一个系列，使实验的产品为后一步需要合成的原料完成系列制备。这种教学方法不仅能渗透绿色化学教育的思想，而且也能较好地检验学生的操作技能和实验教学效果，培养和增强学生的环保意识。例如在基本操作中做“蒸馏”和“分馏”两个实验时回收的乙醇可用于“茶叶中提取咖啡因”，提取咖啡因回收的乙醇留待下一届学生做“蒸馏”实验用；“柱色谱”实验所用的洗提溶剂乙醇，由实验室统一回收，留待下一届学生做“分馏”实验用，从而提高了溶剂的利用率。几年来，在有机实验室承担的实验项目中，凡能循环利用的实验资源，我们都将粗品全部回收，经处理后继续留做他用。另外，应充分利用废料，如在简单的玻璃工操作实验项目中，学生按要求完成各种规格的弯管、滴管后，利用剩下的短管继续拉制熔点管，拉制的熔点管可以在合成实验中用作沸石。这样，充分利用实验材料，不仅可节约经费，而且可使绿色化学教学落到实处。

采用多媒体技术，将部分实验改为演示对人体危害大和对环境污染严重的实验，可做成课件给学生演示。如芳烃和卤代烃的性质实验，这两个实验所用药品均有很大的毒性，对环境污染严重，而且其中有的实验学生实际操作时实验现象不明显，实验效果不理想。改用计算机模拟教学，既没有污染，现象又明显。学生如亲临其境，感到很新颖，兴致很高，同时，调动了学生上网查找资料和自己做课件的积极性，培养了动手能力，取得了很好的教学效果。

近几年来的实践证明，将绿色化学教育思想渗透于高职有机化学实验教学中的做法有利于学生综合素质的提高，有利于学生实验技能的培养。通过绿色化学教育思想在有机化学实验教学中的渗透，不少学生尤其是环境治理专业的学生反映他们的知识面扩展了，感到基础课与专业课能有机融合，提升了对专业的认识，激发了学习化学的兴趣，实验技能得到了进一步提高。要在有机化学实验中完全实现绿色化，还需要化学工作者共同努力，做更加深入的研究工作。

参考文献

[1]宋桂苓.绿色有机化学实验的探索和实践[J].实验室研究与探索，2006，25（8）.

[2]方富禄，周荣才，周允明，尹玉英．有机化学实验[M]．北京：高等教育出版社，1999．

[3]俞善信，文瑞明．六水合三氯化铁在酯化合成中的应用[J]．精细石油化工进展，2000，（5）．

[4]田景芝，荆涛，赵光．固体酸催化合成羧酸酯研究的新进展[J]．高师理科学刊，1998，（2）．

篇2

关键字：超分子化学；发展；理论基础；超分子体系的功能

1 前言

经典理论认为：分了是保持物质性质的最小单位，然而分子一经形成，就处于分子间力的相互作用之中，这种力场不仅制约着分子的空间结构，也影响物质性质。近年来，逐渐发现一些传统分子理论难以解释的现象，如DNA合成等形成的有序组合、绿色植物的光合作用、酶的催化作用等，均有特异的物质识别、输送及能量传递和转换功能。随着冠醚化学的发展，分子间作用力协同作用的重要性逐渐为人们所认识，超分子化学应运而生。在超分子体系中，分子与分子间力的关系就如同在分子中原子和共价键的关系一样。150多年来，有机化学家的兴趣主要集中于有机分子的共价键方面，现在这一兴趣中心已开始向非共价键作用方向转移。

2 超分子化学的发展

1967年C. J. Pederson发表了关于冠醚的合成和选择性络合碱金属的报告，揭示了分子和分子聚集体的形态对化学反应的选择性起着重要的作用；D.J. Cram基于在大环配体与金属或有机分了的络合化学方面的研究，提出了以配体（受体）为主体，以络合物（底物）为客体的主客体化学；J. M . Lehn模拟蛋白质螺旋结构的白组装体的研究内容，在一定程度上超越了大环与主客体化学而进入了所谓“分子工程”领域，并进一步提出了超分子化学即“超越分子的化学”的概念。未来超分子体系化合物的特征应为：信息性和程序性的统一；流动性和可逆性的统一；组合性和结构的多样性的统一。超分子化学便成为一门研究集信息化、组织性、适应性和复合性于一体的物质的学科。

3 超分子化学的理论基础

超分子化合物是由主体分子和一个或多个客体分子之间通过非价键作用而形成的复杂而有组织的化学体系。主体通常是富电子的分子，可以作为电子给体（D），如碱、阴离子、亲核体等。而客体是缺电了的分子，可作为电子受体（A），如酸、阳离子、亲电体等。超分子化学和配位化学同属于授受体化学，超分子体系中主体和客体之问不是经典的配位键，而是分子间的弱相互作用，大约为共价键的5%-10%。因此可以认为，超分子化学是配位化学概念的扩展。超分子体系的微观单元是由若干乃至许许多多个不同化合物的分子或离子或其它可单独存在的具有一定化学性质的微粒聚集而成。聚集数可以确定或不确定，这与分子中原子个数严格确定具有本质区别。超分子的形成不必输入高的能量，不必破坏原来分子的结构及价健，主客体间没有强的化学键，这就要求主客体之问要有高度的匹配性和适应性，不仅要求分子在空间儿何构型和电荷，甚至亲疏水性的互相适应，还要求在对称性和能量上的匹配。

4 超分子体系的功能

冠醚、环糊精和杯芳烃等大环化合物都具有穴状结构，能通过非共价键与离了以及中性分子形成超分子，在化学物质的分离提纯，功能材料的研制及超分子催化方面已表现出了广阔的应用前景，引起了越来越多的化学家对它的重视和研究。

4.1 超分子体系的识别功能

分子与位点识别是超分子体系的基础，识别是指给定受体与作用物选择性结合并产生某些特定功能的过程。发生在分子间的识别过程为分子识别，发生在实体局部间的识别过程谓之位点识别，识别过程需要作用物与受体间空间匹配、力场互补，实质上是超分子信息的处理过程。分子识别是类似“锁和钥匙”的分子间专一性结合，可以理解为底物与给定受体间选择性键合，是形成超分子结构的基础。超分子作用对于某些化学反应过程如催化等具有重要的意义，特别是在生物体系中，相当多的生物化学过程离不开这种作用，如底物与蛋白质的作用，酶催化过程，遗传密码的复制、翻译、转录等以及抗体与抗原的作用等。因此，分子识别是白然界生物进行信息存贮、复制和传递的基础，以分子识别为基础，研究构筑具有特定生物学功能的超分子体系，对揭示生命现象和过程具有重要意义，并可能给化学研究带来新的突破。

4.2 超分子体系的催化功能

超分子催化即可由反应的阳离子受体分子实现，也可由反应阴离子受体来实现，还可通过作用物与辅助因子的结合产生共催化，实现合成反应。超分子体系对光化学反应的催化作用、酶催化和模拟酶催化均是利用了超分子体系的分子识别作用达到了高选择性、温和条件下的催化目的。通常意义上的催化（热）反应中，无论是多相催化还是均相催化，超分子现象都常常出现。在多相催化中，形形的界面现象必须存在。固体催化剂表面上各类吸附位、活性中心与反应物、中间物和产物间不可避免地存在着各种各样的弱的、具有一定选择性的相互作用，从而有可能形成多组分超分子系统。均相催化反应中，催化剂与介质、反应物、中问物和产物问也会存在弱的选择性相互作用力。这是有选择地活化、改组化学键的前提。基于生物体抵御外来抗原，形成与之识别的抗体的性质，产生了抗体催化研究。抗体催化具有酶催化的一些特性，专一性选择识别反应物、过渡态和反应，实现反应的低活化能、高选择性，实现一些普通催化化学难以实现的反应。其中关键是选择合成合适的半抗原，以便诱导筛选出特定要求的催化抗体。目前抗体催化已应用于酞基转移、β-消去、C-C键形成及断裂、水解、过氧化及氧化还原等反应中。

4.3 超分子体系信息传递功能

超分子体系受外界的刺激产生性能和结构的变化，继而将刺激信号转变成分了信息并在体系中传输。这种传输的本质是电子转移、能量转移、物质传输、化学转换。超分子体系的多样性也决定了载流子的多样性，以及超分子体系的元激发过程中的各种结构载流子。超分子体系的不均一性决定了信息传导过程的多通道与多种方式，包括跨膜传导道的传输、特征振荡与特征频率等。特别是纳米尺寸的量了限域效应、神经传导、离了通道与离了泵介电限域效应，体现了特殊介面效应下信息传导的新规律。信息传输与能量补偿相互匹配，保证信息传输稳定与有序的进行。严格来说有三个特点是最主要的：一是快速响应；二是非线性；三是放大作用。

5 结语

超分子化学是化学的一个崭新的分支学科，又与物理学、信息学、材料科学和生命科学等紧密相关，对超分子体系的深入研究，实际上已超出了化学范畴，形成了超分子科学。可以预见，作为超分子化学起源的主客体化学将与有机合成化学、配位化学和生物化学互相促进，为生命科学、材料科学、能源科学、环境科学等共同发展作出巨大贡献。

参考文献

[1] Jean Marie Lehn.超分子化学一概念和展望[M].北京：北京人学出版社，2002.

[2] 杜灿屏等.21世纪纪有机化学发展战略[M].北京：化学工业出版社，2001， 12： 217- 220.

[3] 王佛松等.展望21世纪的化学[M].北京：化学工业出版社，2001， 1： 189- 191.

[4] 邱立勤等.化学领域的前沿一超分子化学[J].化学世界，1997， 4： 171-177.

[5] 周成飞.超分子材料的发展[J].化工新型材料，2001，10： 30- 32

作者简介

张景慧（1990-），女，汉族，陕西省汉中市，本科在读，包装工程专业。