绿色化学指导下药学实验教育改革

发布时间：2020-12-07

　　摘要：“绿色化学”是属于新时代的化学，而药学是化学的衍生学科，所以“绿色化学”概念对于药学教育的改革有着重要的指导意义。“绿色化学”十二原则是其基本特征与主要的指导原则。本文将从四个方面循序渐进地阐述进行药学实验教育改革的必要性以及“绿色化学”十二原则对药学教育改革的指导意义，并对药学实验教育改革提出一些切实可行的建议。

　　关键词：药学实验;教育改革;绿色化学

　　1药学与化学

　　药学是化学的衍生学科，而化学也是药学的基础与灵魂。药学高等教育离不开基础的化学教育，无机化学、有机化学、分析化学、仪器分析、物理化学这五大化学为药学的后续教学奠定了必要的理论和实验基础，因此众多医药高校无一例外都将它们作为药学基础主干课程。可以说，化学贯穿着药学生的学习和未来的职业生涯。药学高等教育的重要组成部分之一是实验教学，部分实验设计都直接来源于化学教育实验设计，对培养学生的实验操作能力、科研思维、创新能力都有重要的作用。值得注意的一点是，化学中存在的一些问题也在药学实验中不可避免的显现出来，甚至因药学领域的特点而放大加剧，例如有机溶剂在药学实验中用量远大于普通化学实验，所造成的环境问题也更加严重。近年来化学的概念朝着环境友好的方向不断的发展，而药学似乎没能紧跟上步伐，因为观念滞后带来的问题日趋严重，追随时代潮流的药学教育改革刻不容缓。

　　2绿色化学

　　2.1绿色化学的定义

　　随着国家以及世界对人类生存环境问题的愈加重视，“绿色化学”概念的提出符合人类与环境友好共处的发展方向。绿色化学是环境友好的化学，是指在化学品的设计、开发、制备和应用过程中利用化学原理来减少或消弭对人类健康和环境有害的物质的使用和产生。其中心思想是把化学和化工生产的现有技术路线从“先污染、后治理”改变为“从源头上根除污染”，它与分析化学、有机合成、催化生物化学等学科都密不可分，身处当今国际化学研究的前沿[1]。绿色化学是对环境问题的重新审视，要求我们在获得新物质的过程中，不只是在化学反应末端控制废物的产生，而是要在化学过程中尽量减少产生废物，提高反应过程的原子经济性，充分利用每一个原子，使反应物分子中的原子全部转化为目标产物，从而实现对环境的治理由治标转变为治本[2]。

　　2.2绿色化学的十二条原则

　　美国的总统科技顾问P.T.Anastas博士和马萨诸塞大学的J.C.Waner教授通过大量的研究工作，提出了绿色化学的十二条原则。这些原则目前是获得世界公认的指导绿色化学发展的基本原则：(1)防止污染优于治理污染;(2)提高原子经济性;(3)尽量在化学合成中减少使用有毒原料和产生有毒物质;(4)设计安全的化学品;(5)使用无害无毒的助剂及溶剂;(6)合理使用和节省能源;(7)利用可再生资源来代替消耗性资源合成化学品;(8)尽量减少非必须的衍生步骤;(9)采用高选择性催化剂来代替化学计量助剂;(10)产物的易降解性;(11)发展分析方法，对污染物实施在线监测和控制;(12)减少易燃易爆物质的使用，最大程度地降低事故隐患[3]。

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　　3绿色化学对药学实验教学的启示

　　实验过程中会产生一定的环境污染是不争的事实。但药学高等教育领域似乎视而不见、仍在按步就班的继续这种陋习，以及因观念滞后、改革不力而放任、加剧对环境不利影响的做法，与现实中大家对治理这些污染的认识仍然停留在“先污染、再治理”的落后思维一脉相承。虽然实验室所制造的单次污染量相对于工业污染来说不大，但是因为同一院校、不同专业的学生也有可能会重复同样的实验，若不加以控制，不容忽视的累积效应堆积在排放区附近必定会造成一定的排放污染[4]。因此，减少药学实验污染的工作刻不容缓、势在必行;药学实验教育改革也应顺应历史、与时俱进。本文将从绿色化学12原则中选取对药学实验教学改革有积极实际意义且急迫、可行的五条，并举出具体实例加以论述。

　　3.1防止污染优于治理污染

　　绿色化学摒弃了传统的先污染后治理的化学思维，倡导从源头上防止污染，这是其与传统化学的最主要区别。从这个意义出发，在实验教育之前，应该在理论课上向学生传达绿色化学精神，培养环保的理念。在保证教学质量的情况下，优化教学项目，慎重选择实验内容，遵循环境友好、低能耗、经济性等原则，重新设计污染更小、更环保的教学实验。同时，还有一个现象值得注意。除了不合理的实验设计带来的污染外，有些污染往往来自人为的不恰当操作[5]。通常而言，学生对于实验室的基本规定并不熟悉，对三废(废气、废液、废渣)的处理十分草率。例如，将废液直接倒入下水道等行为比比皆是，从而导致的环境污染可谓是无妄之灾。这些情况都是可以通过提前教育得到改善的。在进入实验室之前，应督促学生预习，最好让学生手写纸面材料，以便学生能够熟悉实验流程，再对学生进行理论指导，规范实验操作，将绿色化学的概念贯彻在教学过程中，培养学生的良好实验习惯，不仅能够提高实验效率，还能减少试剂损失。此外，要引导正确的三废处理方式。实验中制备的固体和液体产物可以用套用法，不能套用的固体进行统一回收;可以提纯再利用含有有机溶剂的液体，针对一些酸、碱度过高以及重金属离子的废水进行统一处理;废气用吸收装置回收，并且要在实验台上安装排风装置，这样能对防止污染作出一些裨益[6]。

　　3.2尽量在化学合成中减少使用有毒原料和产生有毒物质

　　有机化学的一个重要组成部分是化学合成，在药学中的合成概念更加广泛，合成实验也是实验教学中不可或缺的一部分。化学家将绿色化学的12条原则定为评定合成路线、生产过程及化合物是否为绿色的规范。因此，绿色有机化学实验在原料、合成方法和制备过程的选择以及产物的生成等方面都应该尽量减小对环境的污染。要坚持选择无公害的原料、反应条件，尽量控制生成环境友好型产物，并且减少甚至“零排放”副产物，即实现全过程绿色化[7]。实验时，要在保障基本操作训练的前提下，尽可能地选择少用毒性和具有腐蚀性的原料的实验。

　　3.3使用无害无毒的助剂及溶剂

　　在天然药物化学、中药化学等课程中，使用有机溶剂提取天然药物中的有机成分是其他所有实验的基础。有机溶剂用量大、回收困难等特点注定了污染的存在。水作为另一种常见溶剂，提取效率较低，但环保无污染，且经济节约，符合绿色化学要求。在实验效率影响比较小的情况下，应该尽可能地以水为溶剂提取，避免有毒有害和挥发性有机溶剂的使用，尤其是卤代烃类溶剂。除了更换溶剂之外，现代科学的发展还给我们提供了另一种思路。随着化学实验技术和仪器的发展，应积极将微波辅助萃取、超声波提取等方法广泛应用到实验教学中去。此类方法提取效率高，所需溶剂少，而且能够让学生学习到化学发展新趋势[8]。有机化学实验课程中催化剂被广泛使用，在不影响实验效果的情况下，应尽量选择无毒、无害、无腐蚀性的催化剂代替强腐蚀性的催化剂。例如在酯化反应中使用超强固体酸代替浓硫酸、在阳离子沉淀实验中使用硫代乙酰胺替代有毒的硫化氢。

　　3.4合理使用和节省能源

　　在必须开展的实验项目中，尽可能设计串联实验。传统化学实验是在理论课开设的同时配合展开的。每个实验基本都是孤立、单独展开的，实验完成后，产物不能进行合理利用的话就会成为废弃物，如果处理过程只是简单抛弃，则会极大地危害环境。而串联实验是指通过恰当地调整实验教学计划，打破学科和实验间的界限，将同一学科两个或两个以上不同的化学实验组合在一起，将前面实验的产物变成后面的实验原料，这种实验教学方法在检查学生操作技能的同时还提高了化合物的使用率，印证了绿色化学的观念。这增加了学科间的关联性，对培养学生的学科整体观和创新思维都是有所裨益的。例如，制备乙酸乙酯的实验完成后可以用其产物去制备乙酰乙酸乙酯[9]。而且每一个实验的产物以及纯度与下一个实验的进行都紧密相关，这使学生要认真对待实验，实验积极性得到了充分调动[10]。实验过程中很多学生因为没有形成节约的观念，在称量时操作不严谨，称量过后又忘记密封试剂，导致试剂浪费较多，这就需要在实验开始前说明，特别是在进行需要使用一些容易吸湿的药品的实验前老师要着重强调;量取有机试剂时，容易洒出较多试剂，这种情况下需要老师将大瓶试剂用小试剂瓶分装、小试剂瓶配置吸管以便于取用;在对照品和薄层展开剂的配制过程中，学生会配制过多造成浪费，针对这个问题，老师可以提前配好，或者学生合作配制展开剂;此外微型实验也是目前实验教学中节省能源的新思路，微型实验是指用微量的药品在微型的仪器中进行的实验方法与技术，通过少原料、少排放、少污染，体现绿色化学的理念。比如过去在试管中进行的化学现象验证实验改在点滴板上操作，使用试剂只需几滴，大大减少了试剂的用量，而达到了预期的教学效果[11]。

　　3.5尽量减少非必须的衍生步骤

　　绿色化学的要求之一是反应要具备“原子经济性”，也就是原料分子中到底有百分之几的原子转变成了产物。如果在反应中包含一些消除及降解等衍生步骤，则会由于生成与目标产物无关的分子，使得该反应的原子经济性变低。反应中的衍生步骤越少，原子的利用率越高，目标产物的产率越高，副产物或废物的排放量就越低[12]，也利于做到环境友好。实验室合成对溴苯胺常用的方法是用锡-盐酸还原法，其合成过程以苯胺为初始原料，通过形成乙酰苯胺、对溴乙酰苯胺等中间体的过程，保护了芳胺上的氨基，减小了芳胺发生衍生反应的可能性，进而提高了对溴苯胺的产率，提高了反应的“原子经济性”。

　　4结语

　　“绿水青山就是金山银山”。药学与其他的传统化学行业既有相似性又有其独特性，所以在药学实验的过程中如何落实“绿色化学”的目标值得所有药学人去理解、去思辨、去实践。现代大学生是新时期科技发展、优化环境、社会进步的主力军，将成为未来药学学科、制药行业、国民健康的顶梁柱，培养绿色积极的思维模式及实验习惯、引导学生树立科学正确的环保意识意义重大。为此，在“绿色化学”的指导下，坚持不懈地做好药学实验教育改革，对现在的药学教育及整个药学行业都将起到积极的意义。——论文作者：田婧鋆 孙倩倩 王鹏龙 邓巧虹 谭鹏 李强 刘永刚