现阶段我国高等院校实验教学目标多数注重要求学生掌握基本原理、基本知识和基本操作，并通过规范操作得到准确的数据和结论，实验内容缺乏一定的创新性^[1]。实现废弃物资源化利用是应用化学等专业的本科生人才培养计划的内容之一，目前大学综合化学、精细化学品化学、精细化工实验等有关废弃物资源化综合利用方面的实验教学存在实验连贯性不强，特别是实验项目不足等问题，实验教学内容的创新成为提高实验教学意义的关键所在。笔者希望通过此次创新，可以让学生在熟悉基础有机化学实验^[2]、物理化学实验^[3]、分析化学实验^[4]操作的同时体会到实验之间的内在联系，并锻炼其综合实验能力。废弃植物油包括食用油脂在食品加工生产过程中产生的废油、家庭厨余使用过的不可再使用的油脂、餐饮企业废弃的油脂，及经过隔油处理过的废弃油脂^[5]。废弃植物油资源化方案包括：(1) 集中燃烧，用于发电，变废为宝；(2) 制备无磷洗衣粉；(3) 制备生物破乳剂；(4) 制备脂肪酸；(5) 制备生物柴油^[6]，这是目前研究最集中的一个领域，但也是争议最大的领域。为了解决实验项目不足、缺乏创新性的问题，我们首次以溶剂浸泡菜籽粕得到的不可食用的废弃菜籽油为原料^{[7, 8]}，氯化胆碱、氢氧化钠为催化剂，成本低廉，反应条件温和，对设备腐蚀性小。特别是生成的副产物甘油与氯化胆碱原位形成低共熔体系，与产品形成液-液两相，不仅可以促进反应正向进行，而且可以实现催化剂与产品的快速分离，简化后处理工艺流程，也消除了碱催化下常见的乳化现象等^[9]。让学生体会到原有的基础实验之间的关联，激发学生科研兴趣及创新潜力。

(1) 掌握一种制备生物柴油的方法，巩固有机化学、物理化学、分析化学中相关的实验操作，了解GC-MS的测试及分析方法；

(2) 能结合所学酯交换的相关知识推断反应原理和产物，利用实验强化对酯交换反应的理解，进一步了解季铵盐和季铵碱；

(3) 通过实验了解催化剂工作原理，了解固体催化剂和液体催化剂的区别，感受低共熔体系的原位形成以及高效催化和简化后处理工艺的作用；

(4) 通过废弃植物油资源化利用和催化剂循环使用，树立绿色环保的意识，增强社会责任感。

本实验是氢氧化钠和氯化胆碱共催化的酯交换反应，一方面避免了酸性催化剂反应速率较慢且容易腐蚀实验设备的问题，另一方面与生成的副产物甘油原位形成低共熔体系，促进反应正向进行，且有效降低皂化反应，减少乳化现象，有利于产品的分离，保障分离产率。该反应对于菜籽油、大豆油、葵花籽油及蓖麻油等植物油均适用。选择甲醇作为原料是因为甲醇在常见低碳醇中成本最低，且甲酯的粘度相较于其他的酯类也最小。

酯交换反应机理见图 1，具体可以分成4步。第1步：氯化胆碱和氢氧化钠反应生成胆碱；第2步：相比于氢氧化钠，胆碱可以更好地溶解在油相中；第3步：胆碱催化酯交换反应得到脂肪酸甲酯和甘油；第4步：由于氢键作用，生成的甘油与氯化胆碱互相作用形成低共熔体系，且可以持续分离生成的甘油。

实验仪器见表 1。

实验试剂或材料见表 2。

整体的实验流程见图 2，包含废弃植物油的预处理，酯交换反应和产品的分离提纯以及催化体系的循环再利用。

将废弃植物油倒入烧杯中80 ℃鼓风干燥0.5 h，浑浊的废弃植物油发生分层，得到澄清的两相。取上层油相直接作为原料。此外实验过程中发现，废弃植物油静置一个星期后也会分层得到两相，此时取上层的油相80 ℃加热0.5 h没有明显分层，且反应的产率与加热干燥后的废弃植物制备的生物柴油产率一致。

市面上的可食用植物油则不需要预处理，可以直接使用，且产率比废弃植物油略高。但是我国农业部在《农业生物质能产业发展规划(2007–2015年)》中明确提出“不与人争粮，不与粮争地”的原则。且国家发改委、农业部、国家税务总局、国家财政部四部委联合在《关于发展生物能源和生物化工财税扶持政策的实施意见》中也同样提到“不与人争粮，不与粮争地”的原则、促进粮食与能源“双赢”。为了响应国家政策，我们提出用废弃植物油替代可食用的植物油，一方面符合我国的国策，另一方面降低了环境污染，体现了本实验的资源化、绿色化的理念。

分别称取氯化胆碱1.3 g (9.3 mmol)、氢氧化钠0.3 g (7.5 mmol)，量取浸出菜籽油33.4 mL (0.034 mol)、甲醇8.2 mL (0.204 mol)，依次加入到100 mL圆底烧瓶中，组装回流装置，升温至70 ℃，搅拌回流2 h。注：氯化胆碱、氢氧化钠、甲醇的安全评估及应急处理方法见3.4小节。

反应结束后，趁热转移产物至分液漏斗中，静置分层，得到液-液两相体系。上层为生物柴油粗产品，下层为低共熔体系(含氢氧化钠)。将下层液体分出放入干净的100 mL烧瓶中备用(催化剂循环使用)。生物柴油粗产品用80 ℃热水洗涤3次，置于烘箱中90 ℃干燥1 h得到生物柴油纯品。产量约为24 g，产率85%。

在装有催化体系的100 mL烧瓶中，按第一次的物料比加入浸出菜籽油和甲醇，其余反应条件不变，重复上述实验。产量约为22 g，产率约为80%。

气质联用(GC-MS)测试约0.5 h。

型号：Thermo TRACE1310/ISQ-LT；柱子：DB-5 (中等极性柱子)。

工作条件：进样器温度280 ℃；柱温150 ℃，以20 ℃∙min⁻¹升至220 ℃，保持1 min，以1 ℃∙min⁻¹升至230 ℃，以10 ℃∙min⁻¹升至270 ℃，保持2 min。

燃烧热测试约3.5 h。

用苯甲酸定标；将生物柴油装入胶囊中进行燃烧热测试；单独测试胶囊的热值。即可计算生物柴油的热值。(注意：镍丝质量需要扣除未燃烧部分)

本实验中生物柴油的合成约需4 h，催化剂循环使用约需4 h，表征4 h，共计12 h。本院综合化学实验教学大纲、授课计划表每个实验项目12 h，其他院校如采用该实验可自行划分课堂教学内容和课外拓展内容。

[a]  安全评估：氯化胆碱，GHS危险类别H303，急性毒性，经口。

应急处理：如吸入，将人移至新鲜空气处。如果呼吸暂停，进行人工呼吸；如果接触皮肤，用肥皂和大量的水清洗；如果接触眼睛，用大量水冲洗；如果吞咽，用大量水淋洗口腔；如果没有意识，求医。

[b]  安全评估：氢氧化钠，GHS危险类别H290，金属腐蚀物；H314，皮肤腐蚀/刺激；H318，严重眼睛损伤/眼睛刺激性；H402；H402，极性(短期)水生危害。防止吸入粉尘；穿戴合适的防护设备。

应急处理：如果吞入，用大量水冲洗口腔，不要催吐；如果接触皮肤或者毛发，脱掉所有被污染的衣物并用大量水冲洗；如果接触眼睛，用水小心的冲洗几分钟。如果佩戴了隐形眼镜且容易取下，应先取下隐形眼镜再进行冲洗。

[c]  安全评估：甲醇，GHS危险类别H225，易燃液体；H301，急性毒性，经口；H331，急性毒性，吸入；H311，急性毒性，经皮；H370，特异性靶器官系统毒性，眼睛，中枢神经系统。远离热、高温表面、火花、火焰及其他火种；禁止抽烟；保持瓶子密封；穿戴合适的防护设备。

应急处理：如果吞入，立刻求医；如果接触皮肤或者毛发，脱掉所有被污染的衣物，用大量水冲洗；如果吸入，将人移至新鲜空气处，保持呼吸并求医。

本次实验所用的油来自于盐城某厂提供的溶剂浸出油，含有水分以及残留的溶剂油等，需要进行加热预处理，使体系破乳，除去水层。

碱在该反应中不仅可以催化酯交换反应，而且会与游离的脂肪酸反应生成脂肪酸钠，碱过量还可能发生皂化反应，所以需要合适的碱量。废弃油通常含有较多的游离脂肪酸(即酸值较高)，其酸值需要用邻苯二甲酸氢钾进行标定。

反应的醇油摩尔比为3 : 1，但是由于该反应是可逆反应，为了促进反应正向进行，将一种反应物过量。其中甲醇成本更低，所以提高甲醇的用量至油的6倍，以提升油的转化率。

该反应产率与温度相关，在反应时间2 h内，随着反应温度升高，酯交换反应的产率也随之增加，但是超过70 ℃后反应产率呈现出下降趋势。这是由于温度越高，反应速率增加，产率增加。但是当温度过高，甲醇难以被完全冷凝从而部分逸出反应体系，导致产率降低，所以70 ℃为该酯交换反应的最佳温度。

(1) 反应后需要趁热过滤分离出下层。因为甘油的粘度随着温度降低而增大，当体系冷却后分液会导致下层低共熔体系固化无法分出。

(2) 洗涤时采用热水。因为甘油是表面活性剂，在强烈的搅拌下，油会分散到水中形成乳状液。若直接冷水洗涤，会导致整个体系发生乳化，所以我们用70–80 ℃的热水进行洗涤，洗去残留的甘油，防止体系发生乳化。

分液时将下层的催化体系分出到干净的烧瓶中，继续加入浸出菜籽油和甲醇反应，重复实验。通过对比发现，循环时产率下降。原因有以下两点：(1) 酯交换反应是可逆反应，每次反应结束后的甘油都会和氢氧化钠、氯化胆碱形成低共熔体系而进入下一次反应体系中，积累的过量甘油会导致反应向逆反应方向进行，产率降低；(2) 每次浸出菜籽油里的酸都会中和掉一部分的碱——氢氧化钠，多次损耗后，氢氧化钠量不足，催化效果下降，产率降低。

我们将第一次制备的生物柴油纯品进行GC-MS测试，结果如图 3所示，制备的生物柴油纯品中含有9种脂肪酸甲酯，其中含量较多的有3种化合物，质量分数之和大于96%，其名称、结构、含量、出峰时间见表 3。第二次生物柴油纯品的GC-MS结果与第一次类似，主要的3种化合物质量分数之和接近96%。

已知：

$ q_{V, 苯甲酸} = −26460\,\rm{J}\cdot \rm{g}^{−1}\text{；}q_{V, 镍丝} = −6695\,\rm{J}\cdot \rm{g}^{−1} $

$ -{m}_{苯甲酸}\times {q}_{V, 苯甲酸}-{m}_{镍丝}\times {q}_{V, 镍丝}=\overline{W}\times \Delta {T}_{1}\text{ }(\overline{W}为量热计的水当量) $

$ -{m}_{胶囊}\times {q}_{V, 胶囊}-{m}_{镍丝}\times {q}_{V, 镍丝}=\overline{W}\times \Delta {T}_{2} $

$ -{m}_{胶囊}\times {q}_{V, 胶囊}-{m}_{镍丝}\times {q}_{V, 镍丝}-{m}_{生物柴油}\times {q}_{V, 生物柴油}=\overline{W}\ast \Delta {T}_{3} $

$\Rightarrow q_{V \text {,生物柴油 }}=-39.0 \mathrm{kJ} \cdot \mathrm{g}^{-1}$

利用雷诺校正图得到准确的温差算得生物柴油的热值为39.0 kJ∙g⁻¹，而石油中提取的柴油热值为42.6 kJ∙g⁻¹，生物柴油燃烧热为石油柴油的91.5%, 表明生物柴油在热值方面完全有替代石油柴油的潜力。

在本实验的具体实施过程中，每个教学时段参与的学生人数为18–20人。其中生物柴油的合成以及催化剂的循环使用，建议两个学生一组，进行实验。随后同组学生带着制备得到的生物柴油进行燃烧热的测试，以苯甲酸为标样进行雷诺曲线校正，记录数据，课后完成数据处理工作。最后在教师的指导下操作气相色谱-质谱联用仪，分别对第一次合成和催化剂循环使用得到的生物柴油样品的组成进行测定。

1) 以废弃植物油为原料，实现废弃物资源化。

2) 原位形成的低共熔体系与产品形成液-液两相，提高产率和纯度。

3) 分离的低共熔催化体系可以不经处理直接循环使用。

本实验采用酯交换法制备生物柴油，以甘油三酯在低共熔体系催化的条件下，反应生成脂肪酸甲酯及副产物甘油。让学生更好地体会有机合成中反应之间的内在联系。本实验反应生成的甘油与氯化胆碱原位形成低共熔体系，与产品形成液-液两相，从而迅速脱离反应体系，简化了后处理过程，同时促进反应正向进行，提高了反应的产率和产品的纯度；还因为引入了低共熔体系，有效降低皂化副反应的发生，减少乳化现象的产生，提高酯交换反应的效率；催化体系可重复使用。总体而言，该方法为生物柴油的制备提供了一条可行的思路。另外本实验的原料安全低毒，涉及有机化学、分析化学实验中多个基本操作，适合本科综合化学实验教学，有利于提升学生的综合能力。