Ekonomia atomowa

Ekonomia atomowa

Ekonomia atomowa ( wydajność atomowa/procent ) to wydajność konwersji procesu chemicznego pod względem wszystkich zaangażowanych atomów i wytwarzanych pożądanych produktów. Najprostsza definicja została wprowadzona przez Barry'ego Trosta w 1991 roku i jest równa stosunkowi masy pożądanego produktu do całkowitej masy produktów, wyrażonej w procentach. Koncepcja ekonomii atomowej (AE) i pomysł uczynienia z niej podstawowego kryterium doskonalenia chemii jest częścią ruchu zielonej chemii, którego orędownikiem był Paul Anastas od wczesnych lat 90 . Gospodarka atomowa jest ważną koncepcją zielonej chemii i jedną z najczęściej używanych miar do pomiaru „zieloności” procesu lub syntezy.

Dobra ekonomia atomowa oznacza, że ​​większość atomów reagentów jest włączana do pożądanych produktów i powstają tylko niewielkie ilości niepożądanych produktów ubocznych, co zmniejsza ekonomiczny i środowiskowy wpływ usuwania odpadów.

Ekonomię atomową można zapisać jako:

$${\ Displaystyle {\ tekst {ekonomia atomowa}} = {\ Frac {\ tekst {masa cząsteczkowa pożądanego produktu}}} {\ tekst {masa cząsteczkowa wszystkich produkty}}}\razy 100\%}$$

Na przykład, jeśli weźmiemy pod uwagę reakcję

$${\ Displaystyle A + B \ rightarrow C + D,}$$

gdzie C jest zatem pożądanym produktem

$${\ Displaystyle {\ tekst {ekonomia atomowa}} = {\ Frac {{\ tekst {Masa}} C} {{\ tekst {Masa}} C + D }}\%}$$

Optymalna ekonomia atomowa to 100%.

Gospodarka atomowa to inny problem niż wydajność chemiczna , ponieważ wysokowydajny proces może nadal powodować znaczne produkty uboczne. Przykłady obejmują reakcję Cannizzaro , w której około 50% reagującego aldehydu staje się na innym stopniu utlenienia celu; reakcje Wittiga i Suzuki , w których stosuje się odczynniki o dużej masie, które ostatecznie stają się odpadami ; oraz synteza Gabriela , która wytwarza stechiometryczną ilość soli kwasu ftalowego .

Jeśli pożądany produkt ma enancjomer, reakcja musi być wystarczająco stereoselektywna , nawet gdy ekonomia atomowa wynosi 100%. Reakcja Dielsa -Aldera jest przykładem potencjalnie bardzo wydajnej reakcji atomowej, która może być również chemo-, regio-, diastereo- i enancjoselektywna. Katalityczne uwodornienie jest najbardziej zbliżone do idealnej reakcji, szeroko stosowanej zarówno w przemyśle, jak iw środowisku akademickim.

Gospodarkę atomową można również dostosować, jeśli można odzyskać grupę wiszącą, na przykład grupy pomocnicze Evansa . Jeśli jednak można tego uniknąć, jest to bardziej pożądane, ponieważ procesy odzyskiwania nigdy nie będą w 100%. Oszczędność atomów można poprawić poprzez staranny dobór materiałów wyjściowych i katalizatorów .

Słaba ekonomia atomowa jest powszechna w syntezie chemikaliów wysokowartościowych lub farmaceutycznych , a zwłaszcza w badaniach, gdzie dążenie do łatwego i niezawodnego wytwarzania szerokiej gamy złożonych związków prowadzi do stosowania wszechstronnych i niezawodnych, ale słabo ekonomicznych reakcji atomowych. Na przykład syntezę alkoholu można łatwo przeprowadzić przez redukcję estru wodorkiem litowo-glinowym , ale reakcja z konieczności prowadzi do powstania objętościowych kłaczków soli glinu, które należy oddzielić od produktu alkoholowego i usunąć. Koszt utylizacji takiego materiału niebezpiecznego może być znaczny. Katalityczna hydrogenoliza estru jest analogiczną reakcją o dużej ekonomii atomowej, ale wymaga optymalizacji katalizatora, jest reakcją znacznie wolniejszą i nie ma uniwersalnego zastosowania.

Tworzenie reakcji z wykorzystaniem ekonomii atomowej

Fundamentalne w reakcjach chemicznych postaci A+B→ C+D jest to, że koniecznie powstają dwa produkty, chociaż produkt C mógł być produktem pożądanym. W takim przypadku D jest uważane za produkt uboczny. Ponieważ ważnym celem zielonej chemii jest maksymalizacja wydajności reagentów i minimalizacja produkcji odpadów, D musi albo znaleźć zastosowanie, zostać wyeliminowany, albo być tak nieistotny i nieszkodliwy, jak to tylko możliwe. Dzięki nowemu równaniu postaci A+B→C pierwszym krokiem do zwiększenia wydajności produkcji chemicznej jest zastosowanie reakcji przypominających proste reakcje addycji, przy czym jedynymi dodatkami są materiały katalityczne.