Калькулятор атомной экономики - Эффективность химической реакции

Что такое калькулятор атомной экономичности?

Калькулятор атомной экономичности определяет, какая доля массы исходных веществ химической реакции переходит в целевой продукт, а не в побочные продукты — отходы. Для этого он сравнивает молекулярную массу продукта с суммарной молекулярной массой реагентов согласно сбалансированному уравнению химической реакции. Результат выражается в процентах: атомная экономичность.

Формула атомной экономичности

Атомную экономичность рассчитывают следующим образом:

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

где A — атомная экономичность в процентах, $M_p$ — относительная молекулярная масса целевого продукта, а $M_r$ — суммарная относительная молекулярная масса всех реагентов.

В формуле используются коэффициенты из уравнения реакции. Молекулярную массу каждого реагента умножают на его коэффициент, после чего полученные значения складывают; молекулярную массу продукта умножают на его собственный коэффициент.

Понятие атомной экономичности ввёл химик Барри М. Трост в 1991 году, чтобы оценивать эффективность схемы реакции отдельно от того, насколько успешно она протекает на практике.

Как рассчитать атомную экономичность

1. Запишите сбалансированное уравнение химической реакции.
2. Определите молярную массу целевого продукта с учётом его коэффициента в уравнении.
3. Сложите молярные массы всех реагентов, умножив каждую на её коэффициент.
4. Разделите массу продукта на суммарную массу реагентов, затем умножьте на 100.

Коэффициенты записывают перед формулой, как они указаны в уравнении: 2H2O — это две формульные единицы воды. Формула без коэффициента описывает другое, неуравненное уравнение и даёт другой результат.

Катализаторы и растворители в этот расчёт не включают. Катализатор способствует протеканию реакции, но не расходуется, поэтому его не считают реагентом. Растворители обычно также не входят в состав продукта.

Пример расчёта: водород и кислород

Рассмотрим уравнение реакции образования воды:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Если принять атомные массы H = 1,008 и O = 15,999, а все массы выражать в граммах на моль (г/моль):

• 2 H₂ = 2 × 2,016 = 4,032 г/моль
• O₂ = 31,998 г/моль
• суммарная масса реагентов = 4,032 + 31,998 = 36,030 г/моль
• 2 H₂O = 2 × 18,015 = 36,030 г/моль

Атомная экономичность $= (36.030 \div 36.030) \times 100 = 100\%$

Каждый атом реагентов оказывается в составе продукта, поэтому атомная экономичность равна 100 %. Это закономерно для корректно составленного уравнения с единственным продуктом: масса не может возникать из ничего, поэтому масса продукта не может превышать суммарную массу реагентов, из которых он образовался. Если в результате расчёта получается значение выше 100 %, введённое уравнение уравнено неправильно.

Запись той же реакции без уравнивания, H₂ + O₂ → H₂O, не описывает реальную реакцию и даёт другое, лишённое смысла число: 18,015 ÷ (2,016 + 31,998) × 100 = 52,96 %. Поэтому сначала уравнение необходимо уравнять.

Пример расчёта: синтез аспирина

Аспирин получают из салициловой кислоты и уксусного ангидрида:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

• салициловая кислота (C₇H₆O₃): 138,12 г/моль
• уксусный ангидрид (C₄H₆O₃): 102,09 г/моль
• суммарная масса реагентов: 240,21 г/моль
• аспирин (C₉H₈O₄, целевой продукт): 180,16 г/моль

Атомная экономичность $= (180.16 \div 240.21) \times 100 \approx 75.0\%$

Оставшиеся 25 % массы выделяются в виде уксусной кислоты — побочного продукта. В промышленном производстве эту уксусную кислоту обычно извлекают и используют повторно, что помогает компенсировать потери.

Как интерпретировать результат

• 90–100%: большая часть атомов реагентов оказывается в продукте. Это типично для реакций присоединения, в которых ничего не остаётся.
• 70–90%: хорошая эффективность, характерная для многих каталитических реакций.
• 50–70%: средняя эффективность. Реакции замещения, при которых отщепляется уходящая группа в виде отхода, часто попадают в этот диапазон.
• Ниже 50 %: большая часть массы реагентов превращается в отходы, а не в продукт.

Эти диапазоны служат лишь приблизительным ориентиром. Сложный фармацевтический полупродукт, для которого нет более экологичного доступного маршрута, может считаться приемлемым при 65 %, тогда как для простого крупнотоннажного химического продукта с более дешёвыми альтернативами такой показатель был бы неприемлем.

Что не измеряет атомная экономичность

Атомная экономичность учитывает только реагенты и продукт, записанные в уравненном уравнении реакции. Растворители, катализаторы и энергию, необходимую для проведения реакции, она не учитывает. Реакция может иметь высокую атомную экономичность и при этом требовать большого количества растворителя или экстремальных температуры и давления. Для более полной оценки химики используют атомную экономичность вместе с другими показателями, например E-фактором (массой отходов, делённой на массу продукта) и интенсивностью использования материальных ресурсов в процессе (общей использованной массой, делённой на массу продукта).

История атомной экономичности

Барри М. Трост, в то время работавший химиком в Висконсинском университете, а позднее — в Стэнфордском университете, ввёл понятие атомной экономичности в статье 1991 года в журнале Science под названием «The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency». До этого химики в основном оценивали реакцию по её выходу: насколько количество полученного продукта приближалось к теоретическому максимуму. Идея Троста добавила другой вопрос: даже при высоком выходе какая часть массы реагентов превращается в побочные продукты, а не в целевой продукт?

В 1998 году атомная экономичность стала вторым из двенадцати принципов зелёной химии, сформулированных Полом Анастасом и Джоном Уорнером в книге Green Chemistry: Theory and Practice. С тех пор этот показатель стал стандартной темой курсов химии и приводится во многих научных статьях о новых методах синтеза.

Часто задаваемые вопросы

Что такое атомная экономичность?

Атомная экономичность — это процентная доля массы реагентов химической реакции, которая оказывается в целевом продукте. Её определяют, разделив молярную массу продукта на суммарную молярную массу реагентов, а затем умножив на 100.

Чем атомная экономичность отличается от выхода?

Выход показывает, сколько продукта фактически образуется в реакции по сравнению с теоретическим максимумом при данном количестве использованного исходного вещества. Атомная экономичность измеряет другое: какая доля массы реагентов вообще может оказаться в продукте, исходя только из химии реакции. Реакция может одновременно иметь высокий выход и низкую атомную экономичность, если наряду с продуктом образуется большая масса побочных продуктов.

Может ли атомная экономичность быть равна 100 %?

Да. В реакциях присоединения молекулы реагентов объединяются без выделения побочного продукта, поэтому атомная экономичность достигает 100 %. В реакциях перегруппировки, при которых атомы перестраиваются внутри молекулы, также возможно значение 100 %. Реакция с атомной экономичностью 100 % всё же может оказаться в целом неудачным выбором, если её выход низок или реагенты опасны.

Учитывает ли атомная экономичность растворители и катализаторы?

Нет. Катализаторы не расходуются в ходе реакции, поэтому их не считают реагентами. Растворители обычно также не учитывают, если только часть растворителя не включается в состав продукта. Поэтому реакция может демонстрировать высокую атомную экономичность и при этом использовать большие объёмы растворителя.

Какова хорошая атомная экономичность?

Показатель выше 90 % считается отличным, 70–90% — хорошим, а значение ниже 50 % указывает, что большая часть массы реагентов превращается в отходы. Приемлемый уровень зависит от реакции: для сложного продукта, для которого нет лучшего доступного маршрута, более низкая атомная экономичность может быть оправдана по сравнению с простым химическим продуктом, выпускаемым в больших объёмах.

Как коэффициенты в уравненном уравнении используются при расчёте?

Для каждого реагента и продукта необходимо использовать его коэффициент из уравненного уравнения. В уравнении 2H₂ + O₂ → 2H₂O масса реагентов рассчитывается как 2 × (масса H₂) плюс 1 × (масса O₂), а масса продукта — как 2 × (масса H₂O). Пропуск коэффициентов или использование неуравненного уравнения даёт число, не описывающее реальную реакцию.

Источники

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.