Калкулатор за атомна икономика - Ефективност на химическа реакция

Какво представлява калкулаторът за атомна икономичност?

Калкулаторът за атомна икономичност изчислява каква част от масата на изходните вещества в химична реакция се превръща в желания продукт, а не в отпадъчни странични продукти. Това става чрез сравняване на молекулната маса на продукта с общата молекулна маса на реагентите, като се използва изравненото химично уравнение. Резултатът е процент — атомната икономичност.

Формула за атомна икономичност

Атомната икономичност се изчислява така:

$A = \frac{M_p}{M_r} \times 100$

където A е атомната икономичност в проценти, $M_p$ е молекулната маса на желания продукт, а $M_r$ е общата молекулна маса на всички реагенти.

Във формулата се използват коефициентите от изравненото уравнение. Молекулната маса на всеки реагент се умножава по неговия коефициент, преди масите да се съберат, а молекулната маса на продукта се умножава по собствения му коефициент.

Атомната икономичност е въведена от химика Бари М. Трост през 1991 г. като начин да се оцени доколко ефективно е проектирана дадена реакция, независимо от това колко добре протича на практика.

Как се изчислява атомната икономичност

1. Запишете изравненото химично уравнение на реакцията.
2. Намерете молекулната маса на желания продукт, като използвате неговия коефициент от уравнението.
3. Съберете молекулните маси на всички реагенти, като умножите всяка от тях по съответния коефициент.
4. Разделете масата на продукта на общата маса на реагентите, след което умножете по 100.

Коефициентите се записват пред формулата, както се появяват в уравнението: 2H2O означава две формулни единици вода. Формула, въведена без коефициента си, описва различно, неизравнено уравнение и дава различен резултат.

Катализаторите и разтворителите не се включват в това изчисление. Катализаторът подпомага протичането на реакцията, но не се изразходва, затова не се брои за реагент. Разтворителите обикновено също не стават част от продукта.

водород и кислород

Да разгледаме изравненото уравнение за получаване на вода:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

При атомни маси H = 1,008 и O = 15,999, като всички маси са в грамове на мол (g/mol):

• 2 H₂ = 2 × 2,016 = 4,032 g/mol
• O₂ = 31,998 g/mol
• обща маса на реагентите = 4,032 + 31,998 = 36,030 g/mol
• 2 H₂O = 2 × 18,015 = 36,030 g/mol

Атомна икономичност $= (36.030 \div 36.030) \times 100 = 100\%$

Всеки атом от реагентите се оказва в продукта, така че атомната икономичност е 100%. Това е очаквано за правилно изравнено уравнение само с един продукт: масата не може да се създава, затова масата на продукта никога не може да надвишава общата маса на реагентите, от които е получен. Ако при изчислението се получи стойност над 100%, въведеното уравнение не е правилно изравнено.

Записването на същата реакция без изравняване, като H₂ + O₂ → H₂O, не описва реална реакция и дава различно, безсмислено число: 18,015 ÷ (2,016 + 31,998) × 100 = 52,96%. Затова уравнението трябва първо да бъде изравнено.

синтез на аспирин

Аспиринът се получава от салицилова киселина и оцетен анхидрид:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

• салицилова киселина (C₇H₆O₃): 138,12 g/mol
• оцетен анхидрид (C₄H₆O₃): 102,09 g/mol
• обща маса на реагентите: 240,21 g/mol
• аспирин (C₉H₈O₄, желаният продукт): 180,16 g/mol

Атомна икономичност $= (180.16 \div 240.21) \times 100 \approx 75.0\%$

Останалите 25% от масата напускат реакцията като оцетна киселина — страничен продукт. При промишленото производство тази оцетна киселина обикновено се възстановява и използва повторно, което помага да се компенсира загубата.

Как се разчита резултатът

• 90–100%: повечето атоми от реагентите се оказват в продукта. Типично за реакции на присъединяване, при които не остава отпадък.
• 70–90%: добра ефективност, характерна за много каталитични реакции.
• 50–70%: средна ефективност. Реакциите на заместване, при които като отпадък се отделя напускаща група, често попадат в този диапазон.
• Под 50%: по-голямата част от масата на реагентите се превръща в отпадък, а не в продукт.

Тези диапазони са само ориентировъчни. Сложен фармацевтичен междинен продукт, за който няма по-чист достъпен маршрут, може да се смята за приемлив при 65%, докато това не би важало за прост химикал за производство в големи количества, ако съществуват по-евтини алтернативи.

Какво не измерва атомната икономичност

Атомната икономичност отчита само реагентите и продукта, записани в изравненото уравнение. Тя не включва разтворителите, катализаторите и енергията, необходима за протичане на реакцията. Реакцията може да има висока атомна икономичност и въпреки това да използва голямо количество разтворител или да изисква крайно висока температура или налягане. За по-пълна оценка химиците съчетават атомната икономичност с други показатели, например E-фактора (масата на отпадъка, разделена на масата на продукта) и интензивността на процеса по отношение на масата (общата използвана маса, разделена на масата на продукта).

История на атомната икономичност

Бари М. Трост, химик, работил тогава в Университета на Уисконсин, а по-късно в Станфордския университет, въвежда понятието атомна икономичност в статия от 1991 г. в списание Science, „The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency“. Преди това химиците оценявали реакцията предимно по нейния добив: доколко полученото количество продукт се доближава до теоретичния максимум. Идеята на Трост поставя друг въпрос. Дори при висок добив, каква част от масата на реагентите се превръща в странични продукти, а не в продукт?

През 1998 г. атомната икономичност става вторият от Дванадесетте принципа на зелената химия, формулирани от Пол Анастас и Джон Уорнър в книгата им Green Chemistry: Theory and Practice. Оттогава тя се превръща в стандартен показател, преподаван в курсовете по химия и посочван в множество научни статии за нови синтетични методи.

Често задавани въпроси

Какво представлява атомната икономичност?

Атомната икономичност е процентът от масата на реагентите в химична реакция, който се оказва в желания продукт. Тя се намира, като молекулната маса на продукта се раздели на общата молекулна маса на реагентите, след което резултатът се умножи по 100.

По какво атомната икономичност се различава от добива?

Добивът измерва какво количество продукт действително произвежда реакцията в сравнение с теоретичния максимум при използваното количество изходно вещество. Атомната икономичност измерва друго: каква част от масата на реагентите изобщо може да се окаже в продукта според самата химия на реакцията. Реакцията може едновременно да има висок добив и ниска атомна икономичност, ако заедно с продукта образува голямо количество странични продукти.

Може ли атомната икономичност да бъде 100%?

Да. Реакциите на присъединяване, при които молекулите на реагентите се съединяват без отделяне на страничен продукт, достигат атомна икономичност 100%. Реакциите на прегрупиране, които пренареждат атомите в молекулата, също могат да достигнат 100%. Реакция с атомна икономичност 100% все пак може да е неподходящ избор като цяло, ако добивът ѝ е нисък или реагентите са опасни.

Включва ли атомната икономичност разтворителите и катализаторите?

Не. Катализаторите не се изразходват по време на реакцията, затова не се броят за реагенти. Разтворителите обикновено също не се броят, освен ако част от разтворителя не се включи в продукта. Това означава, че реакцията може да покаже висока атомна икономичност и въпреки това да използва големи обеми разтворител.

Каква атомна икономичност е добра?

Над 90% се счита за отлична, 70–90% е добра, а под 50% показва, че по-голямата част от масата на реагентите се губи като отпадък. Какво е приемливо зависи от реакцията: сложен продукт, за който няма по-добър достъпен маршрут, може да оправдае по-ниска атомна икономичност от тази на прост химикал, произвеждан в големи количества.

Как се използват коефициентите в изравненото уравнение при изчислението?

Всеки реагент и продуктът трябва да използват коефициентите си от изравненото уравнение. За 2H₂ + O₂ → 2H₂O масата на реагентите се изчислява като 2 × (масата на H₂) плюс 1 × (масата на O₂), а масата на продукта — като 2 × (масата на H₂O). Пропускането на коефициентите или използването на неизравнено уравнение дава число, което не описва реалната реакция.

Източници

1. Trost, B. M. (1991). The atom economy—a search for synthetic efficiency. Science, 254(5037), 1471–1477.
2. Anastas, P. T., & Warner, J. C. (1998). Green Chemistry: Theory and Practice. Oxford University Press.
3. Sheldon, R. A. (2017). The E factor 25 years on: the rise of green chemistry and sustainability. Green Chemistry, 19(1), 18–43.