绿色化学理念在有机化学教学中的实践

张伟

[摘 要] 近几十年来，绿色化学取得了巨大进步，为化学学科的发展注入了新活力，也对化学、特别是有机化学的教学提出了新要求。首先探讨了在传统“有机化学”课程中进行绿色化教学改革的必要性;其次从社会形势、教材选用、仪器保障及绿色化学基础研究的支撑等方面，论述了绿色化学教学的可行性;最后以《脑文格缩合》一节的教学为例详述了如何将绿色化学理念融入传统教学中，使学生在掌握必要基础知识的同时，了解学科发展动向，拓宽学术视野，并做到融会贯通。

[关键词] 绿色化学;有机化学;脑文格反应;化学教育

[基金项目] 2020年度复旦大学本科教学研究与改革实践项目“网络视频—线下混合课”（2020 A）

[作者简介] 张 伟（1980—），男，上海人，博士，复旦大学药学院副教授，硕士生导师，主要从事药物化学研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）11-0077-04 [收稿日期] 2021-09-03

有机化学理论课及配套的有机化学实验课是化学、材料、生命科学、医学（含药学）等专业本科生的必修课，对学生后续专业知识的学习、合理知识框架的构建起到非常重要的作用。在传统的有机化学理论课教学中，大多侧重知识点的讲授，而对涉及的相关经典反应的原子经济性、副产物处理等绿色因素关注不够;相应的实验课中也多考虑学生实验试剂及所用仪器设备的经济性、操作的安全性、可重复性等，而对实验过程中涉及药品的环保性及产生废弃物的量，以及是否容易处理的重视程度不够[1]。20世纪90年代绿色化学兴起，为化学学科发展和化学教育注入了新的活力。党的十九大报告明确了“绿色发展，建设人与自然和谐共生的现代化”。因此，新形势下对传统有机化学教学提出了新的要求。本文结合笔者多年来讲授本科生有机化学理论课与实验课的经历，对传统有机化学教学的“绿色化”改革和实践进行了思考。

一、绿色有机化学教学的必要性

对于有机合成反应来讲，涉及能量的输入与输出、起始物料、中间产物、所需主产物及不需要的废弃物等多方面的因素。在理论课教学中，教师更侧重于将相应的反应条件、反应机理等知识点传授给学生，可能忽视了知识点背后的绿色因素。如铁粉还原硝基苯生成苯胺是经典的有机反应之一。学生在学习有机化学后，设计合成路线时，常常选择此反应用以构建芳胺类化合物。从理论上来讲并无不妥，但做过铁粉还原实验的学生会发现，反应产生的铁泥处理起来非常麻烦。铁泥不仅包裹了大量产物加大了纯化的难度，还属于危险废弃物，回收处理的成本非常高，这一问题在工业生产中非常棘手。由此可知，对有机化学及配套的有机化学实验课进行绿色化革新势在必行，否则我们很可能教出考虑问题不全面、无法做到理论联系实际的学生。有专家在《合成化学的研究前沿和发展趋势》一文中指出：“未来的合成化学，将更加强调反应的高效性与选择性，提升原子的经济性和反应的专一性，同时使能量输入、溶剂使用、分离纯化成本等降到最低”[2]。因此，将绿色化学的理念渗入传统的有机化学教学中势在必行。

二、绿色有机化学教学的可行性

习近平总书记提出了“绿水青山就是金山银山”，反复强调生态文明建设和绿色发展的重要性。从社会形势和社会舆论来讲，绿色环保、绿色发展的理念已经深入人心。采取传统生产工艺的化工、化学制药等行业，由于高污染、高能耗而频频被社会媒体曝光，由此也引导这些企业向绿色化学、绿色生产方式转变。目前新建的与化学化工相关的企业（包括一些小型研发中心），首先要通过安全性和环保方面的评估，审批难度大大增加。过于追求利润而忽视环境保护的时代已经一去不复返。从这个角度来说，当今社会舆论和公众认知水平为传统有机化学的绿色化提供了良好的社会基础。

在教材方面，如今的基础有机化学教材在保证重要基本知识点不变的情况下，对绿色化学内容做了一定的介绍，甚至有专门编排绿色化学的相关章节。目前市面上也有多种关于绿色化学的专业性书籍可供教师在备课中参考，学有余力的学生也可以通过在课后阅读这些书籍了解学科发展动向，扩展自己的知识面。

在仪器支撑方面，实施绿色化学教学的条件已经完全成熟。比如在化学反应的能量输入方面，早期的方法是使用酒精灯或煤气灯等通过加热燃烧提供能量，这些化石燃料在由化学能转化为热能的过程中，不仅污染空气，还存在非常大的安全隐患。后来，人们又改用电热套或油浴、水浴加热，将相对清洁的电能转化为热能。虽然这种方法的安全隐患有所降低，但能耗仍然相对较高。如今，使用微波、超声波、光照等提供能量的化学反应越来越多，相应的教学仪器价格也多在可接受的范围之内，这为绿色有机化学实验提供了保障。

在基础研究方面，科研工作者自20世纪末开始着力发展绿色化学反应，迄今已取得了相当大的进展。以溶剂的使用为例。化学反应是分子间进行碰撞然后发生变化的过程，此过程一般伴随能量输入和能量输出，为使分子完成相互碰撞并使能量输入更均匀及能量输出更可控，化学反应一般在某种分散剂（溶剂）中进行。反应完成后，又需要设法去除这些溶剂。过去人们研究化学反应，选择溶剂时一般不做太多环境保护和人员防护方面的考虑，因此检索早期的文献经常可以见到一些使用高毒、易燃、致癌、致畸等溶剂的报道，现在已很少使用这些溶剂。随着对传统反应绿色化研究的深入，以离子液体、水等为溶剂的改良反应越来越多，甚至无溶剂的反应也多有报道。由此可见，绿色化学在基础研究方面取得了巨大进步，也为有机化学教学绿色化提供了有力保障。

三、绿色有机化学教学的实践

包括笔者在内的多名有机化学教育工作者[3-5]嘗试将绿色化学融入有机化学教学，并取得了一定效果。

精选教材、精心备课是实现有机化学教学绿色化的首要条件。我院药学专业本科生使用的教材为《基础有机化学》（邢其毅、裴伟伟、徐瑞秋、裴坚主编，第4版，北京大学出版社2016年第4版）。该书内容编排合理，对相应知识点的介绍也非常详细。由于本书无专门的绿色化学章节，故教师在备课时还需参考其他专业书籍，比如可以使用《绿色化学原理》一书（何良年，等编著，科学出版社出版，2018年第1版）作为教辅，将其中相应的绿色化学内容糅合到《基础有机化学》的备课中。通过教材内容的调整与更新，精选与基础有机化学授课内容密切相关且具有时代性的材料，在确保传统授课要点不减量的前提下，使学生了解学科发展的前沿动态，融会贯通绿色化学理念。

课堂教学的质量在很大程度上取决于教学方式。“灌输式”教学方式并不能使学生做到知识点的融会贯通，只会增加课业负担。将绿色化学渗入传统有机化学教学中，比较适宜的方式是启发式和诱导式教学。通過启发学生的思维，引导学生自主思考、自主探索，发现问题并解决问题，是传统有机化学绿色化学教学的重要任务。

下面笔者以基础有机化学《缩合反应》一章中脑文格（Knoevenagel）反应的教学为例，阐述绿色化学在有机化学理论课与实验课教学中的实践。

脑文格反应是一类重要的碳负离子型缩合反应。在理论课授课时，首先联系学生已经掌握的Perkin反应，指出脑文格反应是对Perkin反应的改进，是将反应原料中的酸酐换为活泼亚甲基化合物;其次引导学生回顾典型的含活泼亚甲基化合物都有哪些;随后指出与Perkin反应不同。由于有了足够的活泼氢，因此脑文格反应在弱碱催化下即可进行。引导学生通过比较得出结论：由于使用弱碱催化，脑文格反应避免了醛、酮的自身缩合，因此除芳香醛外，酮及脂肪醛均可以发生脑文格反应，这使得其底物范围有所扩大。再通过比较Perkin反应和脑文格反应的副产物，点出后者的副产物是无污染的水，相比而言更为绿色环保。在溶剂方面，传统的脑文格反应均需在有机溶剂中进行，反应结束后还要去除溶剂。这不仅加大了化学试剂的使用量，还增加了能耗。启发学生：能否在某些绿色环保的溶剂中进行此类反应，常用的绿色溶剂有哪些，接下来可向学生介绍绿色化学在脑文格反应研究中的一些最新进展[6]。如在反应能量输入方面，有文献报道可用微波或超声波代替传统的加热;在溶剂选择方面，使用离子液体或水等绿色溶剂作为反应介质，甚至无溶剂脑文格缩合也已有报道。这样，在脑文格反应的教学中，首先让学生联系已有知识点，在Perkin反应基础上引出新授内容，然后让学生从原料、催化剂、副产物等方面对二者进行对比。待学生基本掌握了这些知识点后，再引导学生做更为深入的思考：这个反应能不能用更环保的绿色方式实现。通过介绍该领域的一些最新进展，让学生在掌握前沿科技的同时，将绿色化学理念融入自己的知识体系。

有机化学是一门实验性学科，各种理论知识需要在实验中进行深化和验证。因此，我们除了在理论课教学中贯彻绿色化学的理念外，还应该把更多的精力用于有机化学实验的绿色化。有机化学教育工作者已经在这方面做了很多尝试，主要包括实验微型化、绿色化，设计选用原子经济性高的实验，等等[7]。

1.教学方式的转变。2020年新冠肺炎疫情期间，由于学生不能按时到校学习，实验课时被大大压缩。在这种情况下，我们在复旦大学A类教改项目“有机化学实验网络视频—线下混合课”的支持下，启动了实验教学的视频化。我们对实验课进行了重新梳理，去粗取精，然后针对重点实验重新录制了视频。首先对一般反应装置的搭建、加热、抽滤、萃取、洗涤、蒸馏、重结晶等基本单元操作步骤进行视频化。出镜人员需全程穿戴实验服、护目镜、手套进行操作，动作务必规范。对重点难点操作拉近镜头给予特写，以求让无任何实验基础的学生可以看清、看懂。通过在线上反复观看这些视频，学生对要进行的实验操作有了很好的了解，在解封返校后，可以很快地完成实验操作。实践证明，这种线上线下混合的教学模式取得了较理想的效果。

2.实验教学内容的更新。“缩合反应”是基础有机化学理论课上要学习的重点内容。作为相应的配套实验，我校在有机化学实验课上安排的是丙酮与苯甲醛反应制备双（二亚芐基丙酮）。该实验以丙酮和新蒸苯甲醛为原料，反应消耗1当量的丙酮、2当量的苯甲醛、5当量的氢氧化钠，反应在乙醇和水的混合溶剂中进行，反应时间为45～60分钟。反应结束后减压抽滤获得产物，滤液为含醇废水，应倒入有机废液桶以待集中处理。同时，由于氢氧化钠使用量大，在反应结束后需要用大量的清水洗涤产物至溶液呈中性，由此产生了较多碱性废水。

笔者遵循绿色化学的原则，并结合自己在相关领域的科研成果[8]，将绿色有机合成新技术应用于传统的有机化学实验教学。我们设计了水相脑文格缩合反应，该实验无须使用有机溶剂和强酸强碱，反应耗时短、后续处理简单、产生的废弃物少，可代替传统的双（二亚芐基丙酮）制备实验。该实验课的详细内容如下。（1）实验目的。学习和掌握醛（酮）与含有活泼亚甲基化合物的反应;掌握减压抽滤操作;掌握熔点仪的使用方法，能够熟练测量化合物的熔点。（2）实验原理。反应式见图1。（3）实验方案设计。一是仪器和试剂。仪器：100ml单口瓶、烧杯、量筒、带加热功能磁力搅拌器、玻璃棒、刮刀、布氏漏斗、循环水式多用真空泵、抽滤瓶。试剂：对甲氧基苯甲醛、丙二腈、水、脯氨酸锌。二是实验步骤。第一步，取100ml单口瓶，小心放入搅拌，然后架在磁力搅拌器上。第二步，加入30ml水，然后开始搅拌，保持适宜的转速。第三步，依次加入4.08g（30m/mol）对甲氧基苯甲醛和1.98g丙二腈（30m/mol）。第四步，将以上混合物加热到80℃，然后加入17.6mg脯氨酸锌，再搅拌10～15分钟。第五步，反应液自然冷却，有大量固体生成，注意适时加大搅拌力度。第六步，减压抽滤，然后以～30ml水洗涤产物。第七步，滤饼以红外灯烘干至恒重。第八步，称量并记录产物重量，计算收率。第九步，取少量样品研细，使用全自动熔点仪测定其熔点。三是实验结果与讨论。笔者在前期的科学研究中发现了一种在水中使用脯氨酸锌催化脑文格反应的新方法。我们研究了近20种醛（酮）与丙二腈的反应，发现反应大多可在10分钟左右完成，收率一般不低于85%。更重要的是，该方法后续处理非常简单，只需过滤即可将产物分离，且催化剂可以重复使用多次而不会对收率造成明显影响。根据这一研究结果，同时考虑到本科生有机化学实验课的实际情况，我们对其做了适当优化，并将之用于本科生的实验教学之中。

为考察该实验的重现性，笔者前后共安排了5名一年级本科生进行了实际操作。每人实验2次，共进行10次实验。结果发现，按上述投料量及操作要点，反应均在15分钟内完成，收率从90～99%不等，平均收率95%。

本反应将传统高毒易燃的有机溶剂换成了水。反应的产物在水里溶解度很低，反应结束后过滤即可，大大提高了分离效率，降低了纯化成本。此反应的副产物是水。反應完成后，经过减压抽滤获取所需产物后，滤液（溶有催化剂）另收集。将此母液反复套用8次，反应收率未见明显下降。不过，考虑到多次套用后母液颜色加深不利于对反应现象的观察，笔者建议如需套用，母液套用5次即可。由于反应的溶剂可多次套用，大大降低了实验成本和废弃物的量，因而此反应具有良好的经济性和环境友好性。

随着科学技术的发展，对传统有机化学教学进行绿色化改革是必要的，在客观条件上也是完全可行的。笔者尝试了将绿色化学的相关内容融入有机化学理论课教学，通过启发式与诱导式教学，使学生了解学科发展前沿，形成了绿色化学的思维。在有机化学实验课上，通过线上线下混合模式的教学，提高了学生的学习效率;借助最新科研成果对实验内容进行了更新，使绿色化学的理念贯穿理论教学与实验教学中，并取得了较好的效果。

参考文献

[1]杨占会，许家喜.有机化学课程中的绿色发展理念[J].大学化学，2020，35（7）：99-103.

[2]康强，曹晓宇，刘磊，等.合成化学的研究前沿和发展趋势[J].中国科学基金，2020，34（3）：358-366.

[3]周新.绿色发展理念融入有机化学课程中的途径[J].化工设计通讯，2020，46（9）：113-114.

[4]赵海所.有机化学教学中进行绿色化学教育的研究[J].教育现代化，2017，4（20）：101-102.

[5]谢龙勇，彭莎，刘芳.绿色化学理念在有机化学及其实验教学的探讨[J].山东化工，2018，47（14）：174-175.

[6]边延江，秦英，肖立伟，等.Knoevenagel缩合反应研究的新进展[J].有机化学，2006（9）：1165-1172.

[7]李厚金，赖瑢，朱可佳，等.基础有机化学实验教学内容的改革探索[J].大学化学，2017，32（4）：21-24.

[8]颜世强，郭伟，王文笙，等.锌——脯氨酸复合物催化的水相Knoevenagel缩合[J].有机化学，2019，39（5）：1469-1474.

Practice of Green Chemistry Concept in Organic Chemistry Teaching： Taking Knoevenagel

Condensation Reaction as an Example

ZHANG Wei

（School of Pharmacy， Fudan University， Shanghai 201203， China）

Abstract： In the past decades， remarkable progress has been made in the field of green chemistry， which gives new vitality to the development of chemistry. At the same time， the development of green chemistry also makes new requirements for chemistry education， especially organic chemistry. This paper discusses the necessity and feasibility of green chemistry teaching. The author takes Knoevenagel condensation reaction as an example to describe how to integrate the concept of green chemistry into traditional organic chemistry teaching. This strategy enables students to understand the new trend of chemistry， broaden their academic horizons， and achieve a thorough understanding.

Key words： green chemistry; organic chemistry; Knoevenagel condensation reaction; chemistry education