从乙酸正丁酯制备实验的改进谈有机化学实验的绿色化.doc

从乙酸正丁酯制备实验的改进谈有机化学实验的绿色化全球人121的不断增加.现代工业的迅速发展,能源的过量需求,引起了一系列环境问题,如大家熟知的温室效应,白色污染,赤潮现象,土地退化,沙漠化等等,这些问题无不严重威胁着人类的生存.于是减少污染.保从乙酸正丁酯制备实验的改进谈有机化学实验的绿色化口天津科技大学理学院杨迎花韩聪黄骁南护环境被世界各国提二r议事日程.提出了预防和治理环境污染的绿色化学.一,绿色化学的定义绿色化学fGreenChemistry)又称环境无害化学nvironmentallyBenignChemistry),环境友好化学nvironmentallyFriendlyChemistry),清洁化学fCleanChemistry).它是人类与自然和谐的化学,是指从污染的预防基本思想出发,在化学品生产的始端就采用预防的手段,整个过程和终端均为零排放或零污染.1995年美国政府设立了总统绿色化学挑战奖,1999年英国皇家化学会创办了第一份国际性绿色化学杂志,日本也制定了以环境无害制造技术等绿色化学为内容的新阳光计划.绿色化学很快成为国际化学科学的前沿,成为当前研究的热点.二,乙酸正丁酯制备实验的改进1.传统的乙酸正丁酯制备方法化学实验是化学及化学丁程专业的必修基础课.是培养化学工作者的第一课,但在培养学生能力的同时.每次实验都或多或少地产生一些三废,特别是有机化学实验对人体及环境的污染更严重,凶此进行有机化学实验的绿色化研究更有意义.在有机化学实验教科书中,乙酸正丁酯制备实验中一直沿用最基本的液体浓硫酸作催化剂,制备方法为:在干燥的1o0mL圆底烧瓶巾装入11.5mL正丁醇和7.2mL冰醋酸,再加入34滴浓硫酸,混合均匀,投入一粒沸石.然后安装分水器和回流冷凝管.在石棉网上加热回流分水,待反应体系不再有水生成时.停止加热.待冷却后,将反应液和分水器中的酯层一起倒入分液漏斗,先用10mL水洗涤,分去水层,酯层用10mL10%碳酸钠溶液洗涤,试验是否仍有酸性,分去水层.将酯层再用10mL水洗涤一次,分去水层.将酯层倒人小锥形瓶中,加少量无水硫酸镁干燥,将干燥后的乙酸正丁酯滤人干燥的50mL蒸馏瓶中,加入沸石,安装好蒸馏装置,加热蒸馏.收集124%126%的馏分.产量约1Ollg,产率约70%,实验总共约需5h2.改进后的乙酸正丁酯制备方法反应步骤与上述步骤相同,只是采用固体催化剂一一水合硫酸氢钠做催化剂(1.将反应液冷却后与分水器上部的酯层一起直接倒人50mL圆底烧瓶中加热蒸馏收集124一126oC的馏分,固体催化剂留在原瓶中以备下次再用.产量约1213g,产率约9O%,实验总共约需3hI回生璺堑三墼查.曼:重型3.改进前后比较用浓硫酸作催化剂后处理工艺复杂,需水洗,中和,再水洗以及分离等多步操作,既浪费了时间又浪费了药品,而且易对产品造成不必要的损失,影响了收率.另外,液体浓硫酸作催化剂还存在着对生产设备腐蚀严重,使用不安全;反应温度难控制,易发生碳化,磺化,异构化等副反应:产生的废液污染环境等缺点.而采用一水合硫酸氢钠作催化剂制备乙酸正丁酯具备以下优势:省去了浓硫酸做催化剂的后处理步骤.既缩短了实验时间,叉节约了实验经费;催化剂留在反应瓶中.可重复使用3次左右,并可通过重结晶使催化剂再生:硫酸氢钠价廉易得,保存方便,对环境污染小,基本不产生三废.综上所述,用对环境友好的一水合硫酸氢钠代替对环境污染较大的浓硫酸催化剂,在乙酸正丁酯制备实验中既节约了实验经费,又减少了废的产生,实现了实验的绿色化.三,有机化学实验绿色化的必要性据医学研究证明80%90%的癌症是由环境因素诱发的,而且在已发现的致癌物中8O%为有机物,因此有机物污染问题已受到世界各国的普遍关注,但数以万计的高校开设的有机化学实验带来的有机污染却没有引起人们足够的重视.众所周知,有机化学实验总是伴随气体,液体或固体产物的生成,在这些产物,副产物及催化剂中,绝大多数是对人类和环境有害的物质,这对长时间在有机化学实验室工作的师生身体健康是一种威胁,导致部分学生怕做有机实验,从而不愿从事化学行业工作.同时实验室产生的三废对周围环境包括大气,水源,土壤等会造成一定的污染.在地球环境日益恶化,环境保护意识日益增强的今天+减少实验室三废.改善实验环境,是一个十分紧迫的问题.四,有机化学绿色化的途径绿色化学强调的是用化学的技术和方法去减少或杜绝那些对人类健康,生态环境有害的原料,催化剂,溶剂,产物,副产物等的使用和产生.它不是借助于环境控制,(例如利用手套或通风橱来减少在化学物质中暴露以及由排放导致的环境污染),而是通过用无危险或危险性小的物质去替代高危险性物质的方法来寻求减少或消除危险.如图I所示.化学实验绿色化设计主要遵循3R原则.即减量(Reduce),重复使用Reuse),回收(Recycling).根据绿色化止,年,兜制-fIJ_资化荆的绿化I.二化删l!If催化剂化,反应的绿化f门绿f化J经济应j|.境好J:抛.曲j选抒一It.IU降化学图1绿色化学的含义学的含义和绿色化学设计的3R原则.有机化学实验的绿色化主要通过以下几个途径来实现:1.引入天然植物为原料,替换毒性大的有机实验.减少有毒试剂的使用天然植物无毒无害,对人和环境无任何危害,是天然的绿色化学.例如,我们以柑桔皮为原料代替苯胺完成水蒸气蒸馏的基本操作:从茶叶中提取咖啡因的实验既练习了天然产物的索式提取技术义练习了升华的基本操作.这些实验既减少了有毒试剂的使用,叉不会埘环境产生任何有污染的产物,副产物.另外,有些有机制备实验的毒性较大,如南苯和液溴制备溴苯,乙酸酐对苯进行亲电取代制苯乙酮等,可用其它一些实验目的相近的无毒实验代替,对于无合适实验来代替的呵借助录像,多媒体等形式将实验过程展示在屏幕上,让学生直舰地观看实验全过程,这样既达到教学目的,叉避免学生直接接触毒性大的实验,造成不必要的伤害.2改进实验内容,采用安全的,环境友好的材料,催化剂现有的大学有机化学实验教材尽管版本很多,其种类也在增加,但发生变化的无非是实验个数的增减和实验仪器设备的换代,而对于单个实验,涉及技术,方法更新的则很少.前面提到的乙酸正丁酯的制备实验就是一个典型的例子,众所周知,传统的酯合成采用液体浓硫酸作催化剂存在许多弊端,因此化学T作者进行了大量的研究,发现了许多优良的町以替代浓硫酸的催化剂:如对环境无污染的硫酸氢钠,氯化锡,三氯化铁,氨基磺酸,杂多酸等,但是现行的教材仍没有把这些新成果吸收进来,这势必影响教学效果.高校教师应是绿色化学的先行者,应时刻关汴绿色化学研究的进展.关注科技发展的前沿,在化学实验教学巾应充分利用最新科研成果,将绿色化学教育与化学专业知识教育有机融合起来,在不影响实验结果的前提下,改进实验内容,选用对人类环境友好的材料,催化剂,溶剂.使科研成果及时转化为课堂教学的实例.3.发展小量一半微量一微型实验,节约资源,减少污染在微型化的仪器装置中进行的化学实验称为微型化学实验.是20世纪8O年代由美国几所大学首先发起的化学实验改革.被誉为化学实验的革命.常规实验的小量化足指在不改变史验方法,操作技术的前提下,采用常规的小容量仪器,药品用量减量.小量一半微量及微型化学实验试剂川量町节约80%90%以上,同时减少了相关辅助材料,水电的消耗,从而大大降低了实验成本.最重要的是,小量一半微量一微型实验产生的三废量很小,减少了对环境的污染,体现了有机化学实验的绿色化.4.妥善处理实验产生的t废,保护环境,增强学生绿色意识在有机化学实验中,不可避免地会产生一废气,废水,废渣.虽然一个宴验的排放量不大.不足以造成严重的环境污染,但全有数千个高校科研院所化学实验室,每天都有数以千万计的人在做实验,日积月累产生的三废之量相当惊人.给环境造成的污染更是不可想象.因此.及时妥善地处理每个实验室的三废是非常必要的.预防化学污染,最关键的问题是增强人们的环境保护意识.我们在有机化学实验教学中强化实验操作规范.增强学生良好的实验室卫生习惯,教育学生实验药品不可随意排放,实验后的产品集中收集,每次实验废液集中回收,对一些有机废物如反应残渣,重结晶母液,实验中产牛的少量有毒物质如二硝基苯,卤化物,胺类,酚类等,以及多种废酸,废碱,均不允许学生直接排入水槽,而是有专门的废液缸回收,再由实验老师集中处理.对于一些能回收分离提纯的常用试剂,如乙醇,乙醚,环乙烷,丙酮等集中回收后经精馏塔提纯后重复使用,既减少r对环境的污染,又节约了实验经费.通过实验室废液的回收套用和对三废的妥善处理,增强了学生的环境保护意识和责任感,使他们在接受化学知识的同时逐渐加深对绿色化学的认识和理解,以便在今后的工作实践中逐渐树立绿色化学理念.绿色化学是面向新世纪提出的化学新概念,为治理和预防环境污染指明了方向.全面实现有机化学实验的绿色化还是一个漫长的过程,广大高校教师要增强绿色化学意识,及时跟踪科研成果的新进展,从点滴人手不断研究,发现和探索绿色反应条件,把绿色化学逐渐融人到有机化学实验教学和课程体系改革中.参考文献:11梁文平.1999年美