《Journal of Chemical Education》：Small Changes, Big Impact: Integrating Green Chemistry into the Organic Chemistry Laboratory through Optimized Experimental Methods
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本研究描述了通过将优化后的合成实验引入有机化学教学实验室，实现绿色化学（Green Chemistry）十二原则融入教学的实践。在现有课程体系内嵌入可持续发展理念对未来化学人才及具备科学素养的公民培养至关重要，但实施此类改革常面临挑战。研究人员采用优化后的一锅
本研究描述了通过将优化后的合成实验引入有机化学教学实验室，实现绿色化学（Green Chemistry）十二原则融入教学的实践。在现有课程体系内嵌入可持续发展理念对未来化学人才及具备科学素养的公民培养至关重要，但实施此类改革常面临挑战。研究人员采用优化后的一锅法有机合成流程，与传统分步加料的多步法进行对比，以此作为案例向学生讲授绿色化学十二原则。结果显示，学生对溶剂消耗、废弃物产生及可持续实验设计的认知显著提升，并在学期内主动采用更绿色的实验操作。观察数据表明，修订后的实验在维持核心教学目标的同时，增强了学生对绿色化学原理的理解。该发现证明单一流程改进可作为高效案例，同步实现学生学习成效提升、环境影响降低，并支持本科教学中系统性嵌入可持续发展的课程改革。此外，该方法为其他实验课程提供了可迁移的实践模型，用于在不影响教学质量的前提下融入绿色化学理念。
论文解读
研究背景与意义
随着可持续发展成为科研核心导向，绿色化学（Green Chemistry）为设计更安全、环保的化学品与工艺提供了科学框架。然而美国一项覆盖160名本科有机化学教师的全国调查显示，88%的受访者指出课程时间有限是融入绿色化学的主要障碍，其余阻碍包括适配实验匮乏、与传统课程脱节及教师认知不足。佐治亚州立大学（Georgia State University）的本科化学课程同样存在整合不充分的问题。传统教学实验室因学生规模大、重复开课频次高，易产生大量化学废弃物，与绿色化学十二原则相悖。以该校CHEM 3110课程为例，年均开设11个班次，每班44名学生需从个性化苯甲醛与苯乙酮衍生物出发合成6种化合物，其中关键步骤——由查尔酮二溴化物（化合物1）合成3,5-二芳基异恶唑衍生物（化合物2）——的旧工艺摩尔产率仅为5.8%~39.9%，原料消耗大且废弃物产量高。针对这一现状，研究人员提出假设：在CHEM 3110中增设基于现有实验流程优化的案例教学，可提升绿色实验实践能力并增强学生的绿色化学意识。该研究发表于《Journal of Chemical Education》，为本科实验教学提供了兼顾教育目标与环境效益的可扩展模型。
关键技术方法
研究以佐治亚州立大学CHEM 3110课程的学生为对象，通过对比传统多步合成法与优化后的一锅法（One-pot synthesis）开展教学干预。研究人员首先完成3,5-二芳基异恶唑衍生物的合成条件优化，随后在两个班次共62名学生中实施教学改革：课前发放预评估问卷调研绿色化学认知基线，实验中引入25分钟的绿色化学十二原则讲解，布置对比两种合成路径的作业，期末通过同题后测问卷、实验报告反思及行为观察评估学习成效。所有涉及人类受试者的流程均经佐治亚州立大学机构审查委员会批准（IRB#: H26267），数据采集与分析严格遵循受试者保护规范。
研究结果
2.1 3,5-二芳基异恶唑的实验合成
为契合绿色化学十二原则中减少试剂用量、降低废弃物与事故风险的要求，研究人员系统优化了反应条件，开发了高效一锅法（Route 2）。该方法将传统工艺（Route 1）中需分步制备并转移的三次加料简化为单反应器操作，产率提升至36.8%~71.0%。传统多步法中，学生需在三个锥形瓶中分别配制溶液并依次转移至反应瓶，操作繁琐导致约三分之一的学生因步骤累积损失无法获得终产物，且粗品杂质多需多次重结晶，额外消耗玻璃器皿与溶剂。一锅法则将反应时间从2~3小时缩短至60~75分钟，无需过量试剂与额外纯化步骤，学生可直接获得均匀晶体产物，并采集到高分辨率的13C核磁共振（NMR）与1H核磁共振谱图，提升了谱图解析能力。
2.2 流程优化的成效
对比数据显示，传统工艺产率常低于20.0%，而一锅法产率普遍超过50.0%，且学生间重现性显著提升。传统工艺需使用多件玻璃器皿，多次转移增加了污染与物料损失风险；一锅法消除了不必要的转移步骤，减少了试剂暴露与操作误差。此外，新方法将起始物料用量从10~15克降至5~7克，单人实验成本降低至少50.0%，同时减少了丙酮与水的洗涤用量，缩短了反应与清理时间。试剂用量的大幅下降直接契合绿色化学十二原则中的防止废弃物（原则1）、原子经济性（原则2）、更安全的溶剂与反应条件（原则5）及提升能源效率（原则6）。
2.3 绿色化学融入方法与学生学习产出设计
研究采用混合评估体系：课前预评估问卷显示，93.5%的学生（58人）自述对绿色化学认知有限，仅6.5%（4人）认为有中等程度了解，无人自述有广泛认知；多数学生将“绿色化学”误关联为植物、转基因或普通有机合成。课后同题后测显示，76%（47人）的学生达到中等认知水平，24%（15人）达到广泛认知，无人处于有限认知区间。学生在作业与反思报告中能明确列举两种方法的差异，并将其与绿色化学原则关联，证明教学干预有效建立了概念连接。
2.4 学生行为变化的观察
教学干预后，学生实验习惯出现可观测的改变：清洗玻璃器皿时丙酮与水的用量明显减少，通风橱整理更规范，试剂取用更谨慎，天平洒落事件减少，公共丙酮补给频率下降，双人共用废液瓶的清空频次显著降低。这些行为与一锅法减少玻璃器皿使用的设计相呼应，体现了绿色化学原则对实操习惯的直接影响。
2.5 学生学习成效
一锅法使学生首次尝试即成功获得产物的比例接近100%，避免了传统工艺因多步骤转移导致的物料损失与纯度下降，降低了挫败感并让学生更聚焦于化学原理本身。学生在期末反思中普遍提及“减少清洗溶剂用量”“覆盖沸腾溶液以减少挥发”“闲置设备断电”等具体行动，部分学生表示将把绿色理念带入未来学术与职业实验室工作。积极反馈还推动了佐治亚州立大学首个绿色化学学生社团于2026年春季正式成立，计划向非化学专业推广十二原则。
讨论与研究结论
研究证实，将3,5-二芳基异恶唑衍生物合成从多步法优化为一锅法，实现了更绿色、安全且高效的实验教学。对比两种流程使学生直观理解实验设计与绿色化学原则的关联：新方法通过更高产率、更少废弃物与更低溶剂用量，降低了实验失败率，同时不牺牲教学目标。反思作业显示，学生从最初将绿色化学误读为植物相关概念，转变为能识别日常实验操作中微小行动的长期环境价值，并提出可落地的改进方案。该研究不仅实现了化学层面的优化——更温和的条件、更高产率与更少废弃物，更产生了持久的教学收益：学生建立了可持续设计的清晰认知，意识到常规实验选择的环境后果，并承诺在未来科研工作中践行相关原则。新合成路径与绿色化学十二原则的契合，强化了其在本科实验教学中的教育与环保双重价值。目前该案例模型已适配有机化学实验室，未来需进一步开发其他实验课程的适配版本。研究人员计划继续评估课程内其他实验的修订潜力，初步观察显示原异恶唑实验曾贡献该课程近半的部门废弃物，后续更新有望进一步降低整体环境足迹。
