应用化学实验中绿色合成方法的实践与改进

引言：应用化学实验作为化学教育的重要实践环节，其传统方法常涉及有毒试剂、危险条件及大量废弃物，与绿色化学理念存在显著差距。推动实验教学的绿色化转型，旨在将预防污染、节能降耗的原则贯穿于实验设计与操作全过程。这一转型不仅能极大提升实验的安全性，减少环境污染，更能引导学生树立可持续发展的科学价值观。探索绿色合成方法的实践与改进，对于深化实验教学改革、培养适应未来绿色化工需求的创新人才至关重要。

1 绿色合成方法的核心原则

1.1 源头预防污染

绿色合成的首要核心原则是从化学反应的源头杜绝污染物的产生，而非在末端进行治理。这一理念彻底颠覆了“ 先污染后处理” 的传统思维。它要求我们在设计合成路径之初，就进行全面评估，力求所有使用的原料都能最大限度地转化为最终产品，实现极高的原子经济性。同时，要优先选择无毒或低毒性的化学试剂，彻底避免使用那些对环境和人类健康有重大危害的物质。此外，还应积极探索和使用环境友好的替代品，如用水或超临界二氧化碳代替挥发性有机溶剂，从根本上消除有害副产物的生成，使废物产生量降至最低，实现污染预防的终极目标。

1.2 降低过程能耗与危害

绿色合成强调在实现化学转化的过程中，必须显著降低其对能源的需求及整个生命周期内的安全危害。这意味着要致力于开发在温和条件下就能高效进行的反应，例如采用常温常压，而非传统的高温高压，从而大幅减少能量消耗。通过使用高效、可回收的催化剂来加速反应速率和提升选择性，是达成此目标的关键策略。同时，必须将安全因素作为设计的一部分，使用不可燃、无毒且可再生的原料和溶剂，以保障操作人员的安全并降低环境风险。最终目标是创建一个能源效率高、本质上更安全的化学过程，实现可持续发展。

2 应用化学实验中绿色合成方法实践存在的不足

2.1 绿色替代技术的深度与广度不足

当前实验教学中的绿色化改进，很多时候仍停留在对单一有毒试剂的简单替换，未能从整个反应体系的高度进行系统性绿色重新设计。例如，可能仅仅将某种有机溶剂换成了水，但反应本身仍需高温、高压或长时间搅拌，其整体能耗和原子经济性并未得到根本性优化。许多真正前沿的绿色技术，如连续流化学、光化学合成、高效仿生催化等，因其所需设备昂贵、操作复杂或与现有教学大纲不匹配，难以大规模引入本科教学实验。

2.2 教学体系与评价标准的更新滞后

传统的实验教学评价体系严重偏向于产率和产物纯度这两个终极指标，而对实现这一结果所付出的环境代价、能源成本和安全风险缺乏有效的量化评估机制。课程设置和教学大纲相对固定，引入一个全新的绿色实验项目需要经过漫长的论证和审批，其安全性评估也更为复杂，这使得教学内容难以跟上绿色化学技术的快速发展。教师自身可能也更熟悉经典方法，对绿色合成技术的实践经验不足，缺乏动力和足够支持去开发、试错和推行新的实验方案。最终，绿色合成实验可能仅作为选修或演示内容，未能成为化学实验教学中不可或缺的核心组成部分。

2.3 成本与基础设施的现实制约

许多绿色合成方案所依赖的新型催化剂、溶剂或试剂，其采购成本远高于传统试剂，对于需要大规模开设的教学实验室而言，这是一笔难以承受的额外开支。同时，许多绿色技术需要配套的专业设备，如微波化学反应器、超声波萃取仪、连续流反应装置等，这些设备的初期投入巨大，且维护成本高，绝大多数教学实验室不具备全面配置的条件。基础设施的限制也显而易见，实验室的通风、水电布局都是为传统实验模式设计，可能无法满足新设备集群的安装和运行需求。这些现实的经济和物质条件约束，极大地限制了绿色合成方法从理想方案转化为普遍教学实践的进程。

3 应用化学实验中绿色合成方法的改进策略

3.1 系统化重构实验方案，推动源头绿色化

要突破当前仅对单一试剂进行替换的局限，必须从根本出发，对实验方案进行顶层设计与系统重构。这要求我们超越简单的试剂替换，转而以绿色化学的十二项原则为指导，对整个反应路线的原子经济性、环境因子和能源效率进行全局性优化，致力于在源头消除污染。

例如，在经典的“ 己二酸合成” 实验中，传统工艺使用硝酸氧化环己醇，会产生大量氮氧化物温室气体和有毒废水。一种彻底的绿色改进策略是采用过氧化氢作为绿色氧化剂，在钨酸钠和相转移催化剂的温和催化下进行氧化。该反应条件温和，过氧化氢的还原产物是水，原子经济性极高，从源头上杜绝了有毒气体的排放，实现了整个过程的清洁化。

3.2 引入并融合先进绿色技术，降低过程能耗与危害

为了克服教学实验内容与技术前沿脱节的问题，应有计划地引入适合教学化的先进绿色合成技术与装备。重点聚焦那些能显著降低反应能耗、缩短反应时间、提升操作安全性的技术，并通过教学化的改造，降低其操作门槛和成本，使其能够融入常规实验教学。这不仅能让学生掌握前沿技术，更能深刻理解绿色化学降低过程危害的内涵。

例如，在“ 阿司匹林的合成” 中，传统方法需在高温下使用腐蚀性的浓硫酸催化长达半小时。我们可以引入微波反应技术，利用微波对极性分子的高效内加热特性，使反应在数分钟内完成，且产率更高。同时，可以用固体超强酸、离子液体等可回收的绿色催化剂替代浓硫酸，从而避免了大量酸性废水的产生，极大地降低了过程的腐蚀性危害和后续处理难度。

3.3 建立全生命周期评价体系，引导绿色实验理念

要改变唯产率论的传统评价模式，就必须建立一套全新的、量化环境效益的实验评价体系。这套体系应涵盖从原料获取、反应过程到废物处理的整个生命周期，引入诸如环境因子、原子经济性、碳足迹、过程质量强度等绿色量化指标作为核心考核标准。通过这种导向，引导学生不再只关心最终得到了多少产品，更要关注为得到产品消耗了多少资源和能源，并向环境排放了多少废物。

例如，在评估一个“ 香豆素衍生物的无溶剂合成” 新实验时，除了测定产率和纯度，应要求学生计算并对比传统溶剂法与新型无溶剂法的 E 因子。学生需要称量所有使用的原料、催化剂质量，并精确测量最终产品的质量，通过计算废弃物与产品的质量比，直观地看到无溶剂法如何通过避免溶剂的使用，显著降低了 E 因子，从而定量地认识到其在减少废物方面的巨大优势。这种评估方式将绿色理念从口号转化为可测量的科学实践。

结束语

将绿色合成方法系统融入应用化学实验是教学现代化改革的必然方向。它不仅培养了学生的环保意识与创新能力，更将绿色化学从理论转化为可实践的科学素养，为培养新时代具有社会责任感的化学人才奠定了坚实基础。

参考文献

[1]沈耀滨,王雁宁,王后臣.前沿科研成果融入有机合成化学实验教学——水相中吲哚-3,4-稠氮杂卓的绿色合成[J].广东化工,2025,52(15):162-164.

[2]刘培均.绿色合成融入化学实验教学—光催化制备呋喃[J].广州化工,2024,52(04):181-183.

[3]蒋达洪,范芳,周建敏.化学综合实验设计与实践—绿色合成高烯丙基酮[J].实验室科学,2023,26(05):44-47.

[4]吴彦东,郑晔,王崔颖,等.将绿色化学理念引入基础化学实验的设计与实践[J].广州化工,2022,50(11):158-160.