综述：本科教学实验室中的机械化学

《RSC Sustainability》：Mechanochemistry in the undergraduate teaching laboratory

　　

机械化学（Mechanochemistry）是通过机械力促进化学反应的一种方法，近年来经历了复兴，主要是因为其作为替代可持续合成途径的潜力。然而，尽管机械化学支持溶剂的减少或消除，并且是以应用方式教授绿色化学原理的有用工具，但教育工作者的采用速度一直较慢。本文对当代教学文献进行了综述，重点介绍了其在本科化学实验室中的实施情况以及其在整合绿色化学原理方面的应用，主要集中在有机和无机实验中，但也涉及其他子学科。最后，对机械化学当前面临的挑战及其为化学教育带来的机遇提出了一些观点。

**引言（Introduction）**

机械化学通过冲击或剪切等机械力在无溶剂条件下完成化学反应，被“重新发现”为一种有前景的可持续合成工具，可最大程度减少溶剂使用。其应用涵盖所有化学领域，包括化学教育。2019年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）将其列为“化学领域十大技术”之一，以促进更可持续的未来。类似于微量化学在1970年代因资源保护法案（RCRA）而被引入教学实验室，当前美国环保署（EPA）对二氯甲烷等卤代溶剂的限制，为教育工作者探索机械化学提供了新动力。最基础的机械化学方法是研钵和研杵研磨，但商用设备如混合球磨机（mixer mill, MM）和行星式球磨机（planetary mill, PM）可提供更可控和更强的机械力。混合球磨机通过反应罐与研磨球的往复振荡产生冲击力；行星式球磨机则通过离心力产生冲击和摩擦。部分反应需要添加少量液体辅助研磨（liquid-assisted grinding, LAG），参数η定义为每毫克反应物总质量中添加液体的微升数（μL mg^-1）。机械化学在研究和教学中的应用与微波化学的历史类似，都因与绿色化学原则契合而逐渐被教育工作者采纳。

**机械化学教学活动（Mechanochemical teaching activities）**

共选取31篇教学文献，按子学科（有机、无机、其他）和时间顺序组织。教学实验主要通过手动研磨（研钵和研杵）或商用自动化研磨设备（混合磨或行星磨）进行。安全注意事项包括遵循设备制造商规范以避免压力积聚、高温和罐体破裂等危险。实验通常安排在3-4学时的课程中，室温下进行。部分“无溶剂”教学实验使用液体或低熔点固体试剂，其是否严格符合IUPAC的机械化学定义（需由机械能直接诱导反应）尚存争议，但教学上仍有助于引入概念。

**有机实验（Organic experiments）**

有机教学实验室是机械化学的早期采用者。2015年Goldstein和Cross开发了还原胺化反应：液体苄胺与醛在研钵中研磨15分钟形成亚胺中间体，再加对甲苯磺酸（PTSA）和硼氢化钠研磨30分钟还原，乙酸乙酯萃取后盐酸盐产率8-32%。2018年Cunha等报道了用三氯异氰尿酸（TCCA）对乙酰苯胺的机械化学氯化：手动研磨1小时产率36-40%，行星磨（500 rpm，1.5小时）产率52%，学生计算E-因子并与硫酸溶剂法比较。2019年Colacino等合成了磺酰脲类化合物（包括甲苯磺丁脲）：使用CuCl催化对甲苯磺酰胺与四种异氰酸酯的偶联，采用混合磨(30 Hz)或行星磨(450 rpm)反应2小时，经EDTA络合和真空过滤后产率65-98%，并通过1H和13C NMR表征。同一年，Mancheno等实现了共价有机框架COF-1的液相辅助机械化学合成：1,3,5-三(4-氨基苯基)苯（TAPB）与1,3,5-苯三甲醛（BTCA）在PTSA存在下研磨5分钟，加水后继续LAG研磨15分钟，产率60-80%，通过IR、固态13C CP-MAS NMR、PXRD和TGA表征。2019年Bastin等通过熔融混合和手动研磨进行了无溶剂胺酰化：顺酐与取代苯胺在研钵中加热后研磨10分钟，乙酸乙酯提取后平均产率66%，学生评估了原子经济性和有效质量收率（EMY）及E-因子。2022年Jordan等合成了防晒活性成分阿伏苯宗：第一步采用无溶剂羟醛缩合，4-甲氧基苯乙酮与4-叔丁基苯甲醛在NaOH存在下研磨约10分钟，热水处理并乙醇重结晶后经1H NMR表征。2024年Neto等开发了2-苯基咪唑并[1,2-α]吡啶的连续机械化学制备：首先由苯乙酮与N-溴代丁二酰亚胺（NBS）在PTSA存在下手动研磨30分钟合成2-溴苯乙酮（产率96%），再与2-氨基吡啶研磨30分钟得到目标产物（产率77%），也可用自制球磨装置（涡旋混合器）将总研磨时间缩短至10分钟。2025年Ma等合成了噻唑啉杂环：1,4-二硫-2,5-二醇与2-氰基吡啶在1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯（TBD）催化下研磨10分钟，乙醇重结晶后产率65-78%。2025年Pokharel等合成了乙酰基二茂铁并进行机械化学/微波还原：NaBH₄和硅胶存在下，家用微波加热30秒后研磨5分钟，重复三次，乙酸乙酯和水提取后产率达87%。2025年Shunnar等以CuCl(NHC)催化Sonogashira交叉偶联（NHC为N,N'-双(2,6-二异丙基苯基)咪唑-2-亚基，即IPr）：4-乙炔基苯甲醛与4-碘苯乙酮在三乙胺存在下于混合磨中研磨1小时（25 Hz），水淬后二氯甲烷提取，平均产率78%，学生计算了多种绿色化学指标（AE, RME, OE, MI, E-因子）。

**无机实验（Inorganic experiments）**

多数无机教学实验出现在近五年内。1985年De Vos和Verdonk展示了研磨硝酸铅和碘化钾的复分解反应，颜色从白色变为黄色（碘化铅）。2010年Berry等用自制研磨装置（改良食品搅拌器驱动钢球在圆底烧瓶中滚动）合成了双齿膦配位的二聚体[PdCl₂{Ph₂P(CH₂)₅PPh₂}]₂，过夜研磨后DCM提取，产率20-45%，后续经脱质子得到钯钳形配合物。2020年F?rster和Heinze用研钵进行了CuI(PPh₃)₂L（L=吡啶或4-氰基吡啶）的LAG合成：CuI与吡啶和几滴DCM研磨1分钟，加入PPh₃再研磨数分钟，叔丁基甲基醚洗涤后通过ATR IR和紫外灯下观察表征。同一年，Yuan等制备了多酸（POM）封装于金属-有机框架（MOF）中的NENU-3：先由Cu(NO₃)₂·3H₂O和H₃PW₁₂O₄₀（HPW）蒸干得到前驱粉体，再与1,3,5-苯三甲酸（H₃BTC）及少量乙醇LAG研磨5-10分钟，离心洗涤后经PXRD、IR、UV-vis、N₂吸附和TGA表征。2023年Kraft通过研磨铁盐水合物（FeCl₃/K₄[Fe(CN)₆]或FeSO₄/K₃[Fe(CN)₆]）合成了普鲁士蓝（Prussian blue），研磨5分钟内完成。同一年，Nitka等将微波合成的四苯基卟啉（H₂TPP）与十倍过量金属(II)醋酸盐（M=Zn, Cu, Ni, Co）或AgNO₃在混合磨中研磨三个5分钟间隔（25 Hz）实现金属化，乙酸乙酯提取后UV-vis表征。2023年Jenkins等通过研磨CuCl₂与2当量NaOH数分钟转化为CuO，产率52.2%，并与溶液法（水、异丙醇、丙酮）比较。2023年Bru等合成了[Cu(Cl)(IPr)]：CuCl与咪唑盐IPr·HCl在K₂CO₃存在下行星磨（400 rpm）30分钟或手动研磨30分钟至1小时，DCM溶解后戊烷沉淀，产率约64%，学生评价了六项绿色化学指标。2025年Shunnar等也合成了[Cu(Cl)(IPr)]（混合磨，两轮30分钟/25 Hz），并通过转金属化制备了[Au(Cl)(IPr)]（类似条件，产率70%）。2024年Domínguez-Martín等用研钵进行了抗生素配位框架（Zn-ACF）的LAG合成：萘啶酸与硝酸锌在氨水存在下研磨5分钟，乙醇洗涤后产率10.8-92.4%。2024年Dong等合成了[Ni(Me₃en)(acac)][BPh₄]：等摩尔Ni(NO₃)₂·6H₂O、乙酰丙酮(Hacac)、NaBPh₄、N,N,N'-三甲基乙二胺（Me₃en）水溶液及半当量Na₂CO₃研磨10分钟，水洗干燥后通过UV-vis研究溶致变色和热致变色性质。

**其他子学科实验（Other subdiscipline experiments）**

2014年Wixtrom等通过LAG（少量丙酮或水）手动研磨20分钟合成了电荷转移盐四硫富瓦烯-氯醌（TTF-CA）的两种多晶型，分别呈绿色和黑色，用IR表征并计算原子经济性和E-因子。2017年Brown等展示了通过螺吡喃（SP）共价交联的聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体的机械致变色：拉、敲或划擦使SP开环为有色部花青（MC），颜色从无色变为亮紫色，可见光或静置可逆。2021年Winum等合成玛雅蓝颜料：靛蓝衍生物与黏土经微波反应，干燥后呈灰绿色，研磨后恢复蓝色，归因于应变诱导结构变化和水分吸收。2022年Bychkov和Matveeva用行星磨研究α-纤维素的机械化学降解（0-960秒），通过粒度、聚合度和结晶度表征，并用瓦特计测量能耗。2023年Silva等用混合磨（30 Hz，60分钟）共研磨萘普生和西咪替丁（1:1）制备双药共无定形体系，通过DSC、PXRD和ATR-IR表征，无需溶剂后处理。2023年Hu等用行星磨（580 rpm，24小时）制备MoS₂纳米片（MoO₃与硫粉1:6摩尔比），退火后经还原气氛快速球磨制造硫缺陷，用于催化氧化3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）和检测抗坏血酸。2024年Wang和Wang用COGEF（constrained geometries simulate external force）方法对乙醇模型分子进行量子化学计算，学生探究了机械力对系统能量、键长、键级和自旋密度的影响。

**展望、挑战与机遇（Perspectives, challenges, and opportunities）**

机械化学为教育工作者提供了一种融入绿色化学原则的途径，特别是原则1（预防废物）和原则5（使用更安全的溶剂）。但几乎所有教学案例在后处理中仍需使用溶剂，多数为水、乙酸乙酯、乙醇等“优选”溶剂，且极少有实验引导学生使用溶剂选择指南。原则9（催化）也在多个案例中体现。然而，许多教学实验仅停留在“展示”层面，未能充分利用学生主动学习和应用绿色化学原理的机会。较好的实践包括让学生计算绿色指标并与传统方法比较。手动研磨成本低但人力疲劳明显，可借助涡旋混合器和离心管等自制装置减轻。商用设备（混合磨、行星磨）成本高且同时运行样品数有限，可能造成教学时间瓶颈，但通过可堆叠样品罐或适配器可提高通量。书中提出的实验选择标准包括：试剂价格合理、反应时间适中、产率高选择性好、后处理简单、研磨材料灵活、环境友好。机械化学还能提供传统方法难以实现的独特反应路径和更安全的替代合成，如从萤石直接制备氟化学品、在空气中制备有机锂试剂、无需惰性气氛合成敏感有机金属化合物等。最重要的是，机械化学挑战了溶剂总是必要的传统观念，为学生提供了重新思考反应过程的教学时机。教育工作者应合理规划何时、何处以及如何将机械化学纳入课程，使其与教学目标一致，而非仅为添加而添加。