Atomekonomikalkylatorn - Kemisk Reaktionseffektivitet

Vad är en kalkylator för atomutbyte?

En kalkylator för atomutbyte beräknar hur stor del av massan hos en kemisk reaktions utgångsämnen som hamnar i den önskade produkten, i stället för i avfallsbiprodukter. Det gör den genom att jämföra produktens molekylvikt med reaktanternas sammanlagda molekylvikt med hjälp av den balanserade kemiska reaktionsformeln. Resultatet anges i procent: atomutbyte.

Formel för atomutbyte

Atomutbytet beräknas som:

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

där A är atomutbytet i procent, $M_p$ den önskade produktens molekylvikt och $M_r$ den sammanlagda molekylvikten för alla reaktanter.

Formeln använder koefficienterna från den balanserade reaktionsformeln. Varje reaktants molekylvikt multipliceras med dess koefficient innan vikterna adderas, och produktens molekylvikt multipliceras med sin egen koefficient.

Atomutbyte introducerades av kemisten Barry M. Trost 1991 som ett sätt att bedöma hur effektiv en reaktions utformning är, oberoende av hur väl reaktionen fungerar i praktiken.

Så beräknas atomutbyte

1. Skriv ut den balanserade kemiska reaktionsformeln för reaktionen.
2. Bestäm den önskade produktens molekylvikt med hjälp av dess koefficient i reaktionsformeln.
3. Addera molekylvikterna för alla reaktanter efter att var och en har multiplicerats med sin koefficient.
4. Dividera produktens vikt med reaktanternas sammanlagda vikt och multiplicera sedan med 100.

Koefficienter skrivs framför formeln, så som de förekommer i reaktionsformeln: 2H2O är två formelenheter vatten. En formel som skrivs in utan sin koefficient beskriver en annan, obalanserad reaktion och ger ett annat svar.

Katalysatorer och lösningsmedel tas inte med i denna beräkning. En katalysator hjälper reaktionen att äga rum men förbrukas inte, och räknas därför inte som en reaktant. Lösningsmedel blir vanligtvis inte heller en del av produkten.

väte och syre

Betrakta den balanserade reaktionsformeln för framställning av vatten:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Med atomvikterna H = 1,008 och O = 15,999, där alla vikter anges i gram per mol (g/mol):

• 2 H₂ = 2 × 2,016 = 4,032 g/mol
• O₂ = 31,998 g/mol
• reaktanternas sammanlagda vikt = 4,032 + 31,998 = 36,030 g/mol
• 2 H₂O = 2 × 18,015 = 36,030 g/mol

Atomutbyte $= (36.030 \div 36.030) \times 100 = 100\%$

Alla atomer i reaktanterna hamnar i produkten, så atomutbytet är 100 %. Detta förväntas för en korrekt balanserad reaktionsformel med endast en produkt: massa kan inte skapas, så produktens massa kan aldrig överstiga den sammanlagda massan hos de reaktanter som bildade den. Om ett värde över 100 % kommer ut av en beräkning är den inmatade reaktionsformeln inte korrekt balanserad.

Att skriva samma reaktion utan balansering, som H₂ + O₂ → H₂O, beskriver inte en verklig reaktion och ger ett annat, meningslöst tal: 18,015 ÷ (2,016 + 31,998) × 100 = 52,96 %. Därför måste reaktionsformeln balanseras först.

syntes av aspirin

Aspirin framställs av salicylsyra och ättiksyraanhydrid:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

• salicylsyra (C₇H₆O₃): 138,12 g/mol
• ättiksyraanhydrid (C₄H₆O₃): 102,09 g/mol
• reaktanternas sammanlagda vikt: 240,21 g/mol
• aspirin (C₉H₈O₄, den önskade produkten): 180,16 g/mol

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

De återstående 25 % av massan lämnar reaktionen som ättiksyra, en biprodukt. Vid industriell produktion återvinns och återanvänds denna ättiksyra ofta, vilket bidrar till att kompensera förlusten.

Så tolkas resultatet

• 90–100%: de flesta av reaktanternas atomer hamnar i produkten. Typiskt för additionsreaktioner, där inget blir över.
• 70–90%: god effektivitet, vanligt i många katalytiska reaktioner.
• 50–70%: måttlig. Substitutionsreaktioner, som avger en lämnande grupp som avfall, hamnar ofta i detta intervall.
• Under 50 %: det mesta av reaktanternas massa blir avfall i stället för produkt.

Dessa intervall är endast en grov vägledning. En komplex farmaceutisk intermediär utan någon renare tillgänglig framställningsväg kan anses godtagbar vid 65 %, medan en enkel baskemikalie med billigare alternativ inte skulle göra det.

Vad atomutbyte inte mäter

Atomutbyte omfattar endast de reaktanter och den produkt som skrivs i den balanserade reaktionsformeln. Lösningsmedel, katalysatorer och den energi som krävs för att genomföra reaktionen lämnas utanför. En reaktion kan ha högt atomutbyte och ändå använda stora mängder lösningsmedel eller kräva extrem temperatur eller högt tryck. För en mer fullständig bild kombinerar kemister atomutbyte med andra mått, till exempel E-faktorn (avfallets massa dividerad med produktens massa) och processmassintensitet (den totala använda massan dividerad med produktens massa).

Atomutbytets historia

Barry M. Trost, då verksam som kemist vid University of Wisconsin och senare vid Stanford University, introducerade begreppet atomutbyte i en artikel från 1991 i tidskriften Science, ”The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency”. Före detta bedömde kemister främst en reaktion utifrån dess utbyte: hur nära den erhållna produktmängden kom det teoretiska maximumet. Trosts idé tillförde en annan fråga. Även vid högt utbyte, hur mycket av reaktanternas massa hamnar som biprodukter i stället för i produkten?

1998 blev atomutbyte den andra av den gröna kemins tolv principer, som formulerades av Paul Anastas och John Warner i deras bok Green Chemistry: Theory and Practice. Sedan dess har det blivit ett standardmått som lärs ut på kemikurser och rapporteras i många forskningsartiklar om nya syntesmetoder.

Vanliga frågor

Vad är atomutbyte?

Atomutbyte är den procentandel av reaktanternas massa i en kemisk reaktion som hamnar i den önskade produkten. Det bestäms genom att dividera produktens molekylvikt med reaktanternas sammanlagda molekylvikt och sedan multiplicera med 100.

Hur skiljer sig atomutbyte från utbyte?

Utbyte mäter hur mycket produkt en reaktion faktiskt framställer jämfört med det teoretiska maximumet, utifrån mängden använda utgångsämnen. Atomutbyte mäter något annat: hur stor del av reaktanternas massa som över huvud taget kan hamna i produkten, baserat enbart på reaktionens kemi. En reaktion kan samtidigt ha högt utbyte och lågt atomutbyte om den bildar mycket biproduktmassa utöver produkten.

Kan atomutbytet vara 100 %?

Ja. Additionsreaktioner, där reaktantmolekyler förenas utan att någon biprodukt avges, når ett atomutbyte på 100 %. Omlagringsreaktioner, som omorganiserar atomer inom en molekyl, kan också nå 100 %. En reaktion med ett atomutbyte på 100 % kan ändå vara ett dåligt val totalt sett om utbytet är lågt eller reaktanterna är farliga.

Inkluderar atomutbyte lösningsmedel och katalysatorer?

Nej. Katalysatorer förbrukas inte under reaktionen och räknas därför inte som reaktanter. Lösningsmedel räknas vanligtvis inte heller med, såvida inte en del av lösningsmedlet byggs in i produkten. Det innebär att en reaktion kan uppvisa högt atomutbyte och samtidigt använda stora volymer lösningsmedel.

Vad är ett bra atomutbyte?

Över 90 % anses utmärkt, 70–90% är bra, och under 50 % tyder på att det mesta av reaktanternas massa går till spillo. Vad som räknas som godtagbart beror på reaktionen: en komplex produkt utan någon bättre tillgänglig framställningsväg kan motivera ett lägre atomutbyte än en enkel kemikalie som framställs i stora volymer.

Hur används koefficienterna i en balanserad reaktionsformel i beräkningen?

Varje reaktant och produkten måste använda sina koefficienter från den balanserade reaktionsformeln. För 2H₂ + O₂ → 2H₂O beräknas reaktanternas vikt som 2 × (vikten av H₂) plus 1 × (vikten av O₂), och produktens vikt som 2 × (vikten av H₂O). Om koefficienterna utelämnas eller en obalanserad reaktionsformel används blir resultatet ett tal som inte beskriver den verkliga reaktionen.

Referenser

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.