Атомная экономика

Атомная экономия ( атомная эффективность/процент ) — это эффективность преобразования химического процесса с точки зрения всех задействованных атомов и произведенных желаемых продуктов. Самое простое определение было введено Барри Тростом в 1991 году и равно отношению массы желаемого продукта к общей массе реагентов, выраженному в процентах. Концепция атомной экономики (AE) и идея сделать ее основным критерием совершенствования химии являются частью движения «зеленой химии», которое отстаивал Пол Анастас с начала 1990-х годов. ^[1] Экономика атома — важная концепция философии зеленой химии . ^[2]^[3]^[4] и один из наиболее широко используемых показателей для измерения «зелености» процесса или синтеза.

Хорошая атомная экономия означает, что большая часть атомов реагентов включена в желаемые продукты и образуется лишь небольшое количество нежелательных побочных продуктов, что снижает экономические и экологические последствия утилизации отходов.

Экономику атома можно записать как: ${\text{atom economy}}={\frac {\text{molecular weight of desired product}}{\text{molecular weight of all reactants}}}\times 100\%$

Например, если рассмотреть реакцию $A+B\rightarrow C+D,$ где C – искомый продукт, то ${\text{atom economy}}={\frac {{\text{Molecular weight }}C}{{\text{Molecular weight of }}A+B}}\%$

Оптимальная экономия атома – 100%.

Экономика атома — это другая проблема, чем химическая продукция , потому что высокопроизводительный процесс все равно может привести к образованию значительных побочных продуктов. Примеры включают реакцию Канниццаро , в которой примерно 50% реагирующего альдегида переходит в другую степень окисления мишени; реакции Виттига и Сузуки , в которых используются реагенты с большой массой, которые в конечном итоге становятся отходами; и синтез Габриэля , который производит стехиометрическое количество солей фталевой кислоты .

Если желаемый продукт имеет энантиомер, реакция должна быть достаточно стереоселективной, даже если экономия атомов составляет 100%. Реакция Дильса -Альдера является примером потенциально очень эффективной реакции, которая также может быть хемо-, регио-, диастерео- и энантиоселективной. Каталитическое гидрирование наиболее близко к идеальной реакции, которая широко практикуется как в промышленности, так и в академических кругах. ^[5]

Экономию атома также можно регулировать, если подвесную группу можно восстановить, например вспомогательные группы Эванса . Однако, если этого можно избежать, то это более желательно, поскольку процессы восстановления никогда не будут 100%. Экономию атомов можно улучшить путем тщательного выбора исходных материалов и каталитической системы.

Плохая атомная экономия часто встречается в тонкой химии или синтезе фармацевтических препаратов , и особенно в исследованиях, где цель легко и надежно производить широкий спектр сложных соединений приводит к использованию универсальных и надежных, но плохо атомосберегающих реакций. Например, синтез спирта легко осуществить восстановлением сложного эфира алюмогидридом лития , но в результате реакции обязательно образуются объемные хлопья солей алюминия, которые необходимо отделить от полученного спирта и утилизировать. Стоимость утилизации таких опасных материалов может быть значительной. Каталитический гидрогенолиз сложного эфира — это аналогичная реакция с высокой экономией атомов, но она требует оптимизации катализатора, является гораздо более медленной реакцией и не применима повсеместно.

Создание реакций с использованием атомной экономики

В химических реакциях формы A+B→C+D принципиально важно, чтобы два продукта обязательно образовывались, хотя продукт C мог быть желаемым. В этом случае D считается побочным продуктом. Поскольку важной целью зеленой химии является максимизация эффективности реагентов и минимизация образования отходов, D должен либо найти применение, либо быть устранен, либо быть настолько незначительным и безвредным, насколько это возможно. Благодаря новому уравнению формы A+B→C первым шагом к повышению эффективности химического производства является использование реакций, напоминающих простые реакции присоединения, где единственными другими добавками являются каталитические материалы.

Ссылки

^ Дикс, Эндрю П. (2014). Метрики зеленой химии: руководство по определению и оценке экологичности процесса . Андрей Хент. Чам. ISBN 978-3-319-10500-0 . OCLC 892532797 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ Трост Б.М. (1995). «Атомная экономика. Вызов органическому синтезу». Энджью. хим. Межд. Эд. англ. 90 (3): 259–281. дои : 10.1002/anie.199502591 .
^ Шелдон Р.А. (2000). «Эффективность атома и катализ в органическом синтезе» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 72 (7): 1233–1246. дои : 10.1351/pac200072071233 . S2CID 16134714 .
^ Экономика атома: модуль зеленой химии . ^{[ мертвая ссылка ]}
^ Солаза, Б.; Юге, Ж.; Карпф М. и Дрейдинг А.С. (1987). «Синтез (+/-) изоптиханолида путем циклизации алькинона». Тетраэдр . 43 (21): 4875–4886. дои : 10.1016/S0040-4020(01)87670-5 .

[1] Дикс, Эндрю П. (2014). Метрики зеленой химии: руководство по определению и оценке экологичности процесса . Андрей Хент. Чам. ISBN 978-3-319-10500-0 . OCLC 892532797 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[2] Трост Б.М. (1995). «Атомная экономика. Вызов органическому синтезу». Энджью. хим. Межд. Эд. англ. 90 (3): 259–281. дои : 10.1002/anie.199502591 .

[3] Шелдон Р.А. (2000). «Эффективность атома и катализ в органическом синтезе» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 72 (7): 1233–1246. дои : 10.1351/pac200072071233 . S2CID 16134714 .

[4] Экономика атома: модуль зеленой химии . ^{[ мертвая ссылка ]}

[5] Солаза, Б.; Юге, Ж.; Карпф М. и Дрейдинг А.С. (1987). «Синтез (+/-) изоптиханолида путем циклизации алькинона». Тетраэдр . 43 (21): 4875–4886. дои : 10.1016/S0040-4020(01)87670-5 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]