化学工业不仅推动了许多技术进步，而且还导致了许多环境问题和灾难。通过所谓的绿色化学应用的原理旨在减少或消除化学产品设计，制造和使用中的有害物质。
这些原理现在被广泛宣传为使化学成为一个可持续发展领域的解决方案。当今的化学专业学生希望在接受教育时考虑到环境影响。俄勒冈大学(University of Oregon)化学教育研究人员朱莉•哈克(Julie Haack)指出，导致绿色结果的实验室方法对于化学教育家如何装备当今和未来的化学家至关重要。
作为温尼伯大学(University of Winnipeg)的化学系成员和绿色化学教育的研究人员，我和我的同事迈克尔·韦伯(Michael Weibe)发现开发结合绿色化学原理和指标的新实验有很多好处。
当学生练习绿色化学时，他们将学习批判性地思考其领域的全球影响力，并且幸运的是，他们也变得热衷于仔细研究化学转化涉及的原理和技术。
通过将绿色化学的原理和指标比较地介绍给大学生，教师可以将绿色化学的原理和指标的考虑牢记在准化学家的日常工作中。他们可以挑战训练有素的化学家，他们总是寻找替代途径，激发有意义和有目的的好奇心。
危险化学品
例如，在下一课中，学生将学习到化学家选择合成化学物质的方式看似很小的发展可能意味着在工业水平上将大量有害化学物质排除在废物流之外。
称为亲核芳香族取代的反应是实验室实验的一个示例，有机化学本科生通常可以在大约一个小时内完成。
下图是该反应的示意图。工业界的化学家可能会将该合成作为生产药品，塑料或纺织品的几个步骤之一。
在该步骤中，溴(Br)简单地被有机氮(N)化合物取代。
现在，此类反应所产生的环境影响通常不是目标化合物本身(2,4-二硝基-N，N-二乙基苯胺)本身，而相关的危害更可能是试剂，溶剂和能源是成功转型所必需的。传统上，该实验使用甲苯作为有毒的溶剂，需要使用称为四丁基溴化铵(TBAB)的催化剂。还有将甲苯煮沸一个小时至高沸点所需的能量。
考虑替代方案
在本科生化学实验室中，学生很快就会知道开发新工艺需要有条理和坚定的职业道德。学生逐渐了解到，从业化学家可能要花费数月或数年的时间才能开发出危害较小的途径到达相同的目标分子。
开发新的，危险性较小的路线似乎既不可行，也不可行，尤其是当学生考虑外部因素(例如学术主管或可能不致力于绿色化学的雇主)的期望时。
与其对传统危险方法的成功感到满意，不如对所有化学家进行培训以严密检查目标和实验并向自己提出以下问题：
亲核取代反应的示意图，可用于制药，塑料或纺织工业。图片来源：Devin Latimer
产量(获得的产品量)是否可以增加?
为什么要使用特定的试剂或溶剂?在上面的示例中，使用了有毒甲苯，因为它是适合这种热驱动转化所需要的高温的高沸点有机溶剂。所用的TBAB是一种相转移催化剂，它可使反应更快且产率更高。但是，是否可以使用更温和的溶剂系统，或采取其他步骤来影响实验的速度和产量?
形成最终产品需要多少材料-关联起来，有多少最终浪费?例如，化学家可以确定该反应的原子经济性(AE)。较高的AE表示化学过程更具可持续性，而较低的AE则意味着浪费更多的过程。此步骤称为确定绿色化学指标。
在以上示例中，Br原子和TBAB不在最终产物中。它们最终进入废物流，从而降低了该反应的实验AE。底线：可持续性较低。
绿色路线
与同事一起，我正在开发结合了绿色化学原理和度量标准的实验技术，还使学生对批判性地看一下他们的实验室工作和结果产生了更大的兴趣。
一个例子是一个实验，该实验训练学生将微波辅助合成与传统的沸腾技术(如上所述)进行比较。
学生发现，这种方法始终可以成功产生与更传统的实验相同的靶分子：它导致相同的合成，并且更绿色，更容易。
在其他优点中，与沸腾一小时相比，该方法的反应时间为五分钟，反应后处理速度更快。它使用乙醇/水的良性溶剂混合物(甲苯是一种神经毒素和胚胎毒素);它具有较高的收率和较高的AE，这意味着所需的合成所需的反应物较少。
原子经济
当我教这个替代实验时，我发现学生们立即理解了提高产量和良性溶剂混合物的好处。而且，微波辅助路线的自动曝光增加，引起了重要的讨论。
此实验说明了引导学生探索这种绿色化学指标略微增加的环境影响的机会。讲师可以讨论如何在应用工业化学中进行这种调整：例如，仅在，化学公司目前就生产100,000到500,000磅的TBAB作为中间体，以促进其他化合物的生产。
从合成途径中除去该一种化合物会自动除去生产和处置该化合物的所有试剂，溶剂和能量。
这位学徒的化学家得知，导致原子经济增长的研究发展可能会对工业环境产生深远的环境影响。
为了将化学工业的思维方式从经济驱动转变为可持续性驱动，科学家必须开发新的科学流程，优先考虑环境因素。