Калькулятор атомної економії - Ефективність хімічної реакції

Що таке калькулятор атомної економії?

Калькулятор атомної економії визначає, яка частина маси вихідних речовин хімічної реакції опиняється в бажаному продукті, а не в побічних продуктах, що є відходами. Для цього він порівнює молекулярну масу продукту із сумарною молекулярною масою реагентів за урівняним хімічним рівнянням. Результат — відсоток атомної економії.

Формула атомної економії

Атомну економію обчислюють так:

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

де A — атомна економія у відсотках, $M_p$ — молекулярна маса бажаного продукту, а $M_r$ — сумарна молекулярна маса всіх реагентів.

У формулі використовують коефіцієнти з урівняного рівняння. Молекулярну масу кожного реагенту спочатку множать на його коефіцієнт, а потім маси додають; молекулярну масу продукту множать на його власний коефіцієнт.

Атомну економію запровадив хімік Баррі М. Трост у 1991 році як спосіб оцінювати ефективність задуму реакції незалежно від того, наскільки добре вона відбувається на практиці.

Як обчислити атомну економію

1. Запишіть урівняне хімічне рівняння реакції.
2. Визначте молекулярну масу бажаного продукту, використовуючи його коефіцієнт у рівнянні.
3. Додайте молекулярні маси всіх реагентів, помноживши кожну на її коефіцієнт.
4. Поділіть масу продукту на сумарну масу реагентів, а потім помножте на 100.

Коефіцієнти записують перед формулою, як вони стоять у рівнянні: 2H2O — це дві формульні одиниці води. Формула, введена без коефіцієнта, описує інше, неурівняне рівняння й дає іншу відповідь.

Каталізатори та розчинники в цьому обчисленні не враховують. Каталізатор сприяє перебігу реакції, але не витрачається, тому його не вважають реагентом. Розчинники зазвичай також не стають частиною продукту.

Приклад розрахунку: водень і кисень

Розгляньмо урівняне рівняння утворення води:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Використовуючи атомні маси H = 1,008 і O = 15,999, причому всі маси наведено в грамах на моль (г/моль):

• 2 H₂ = 2 × 2,016 = 4,032 г/моль
• O₂ = 31,998 г/моль
• сумарна маса реагентів = 4,032 + 31,998 = 36,030 г/моль
• 2 H₂O = 2 × 18,015 = 36,030 г/моль

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

Усі атоми реагентів переходять у продукт, тому атомна економія становить 100%. Це очікувано для правильно урівняного рівняння лише з одним продуктом: маса не може виникнути з нічого, тому маса продукту ніколи не перевищить сумарну масу реагентів, з яких його утворено. Якщо в результаті обчислення отримано значення понад 100%, введене рівняння урівняно неправильно.

Запис тієї самої реакції без урівнювання, як H₂ + O₂ → H₂O, не описує реальну реакцію й дає інше, позбавлене змісту число: 18,015 ÷ (2,016 + 31,998) × 100 = 52,96%. Саме тому спочатку рівняння потрібно урівняти.

Приклад розрахунку: синтез аспірину

Аспірин отримують із саліцилової кислоти та оцтового ангідриду:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

• саліцилова кислота (C₇H₆O₃): 138,12 г/моль
• оцтовий ангідрид (C₄H₆O₃): 102,09 г/моль
• сумарна маса реагентів: 240,21 г/моль
• аспірин (C₉H₈O₄, бажаний продукт): 180,16 г/моль

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

Решта 25% маси виходить із реакції у вигляді оцтової кислоти — побічного продукту. У промисловому виробництві цю оцтову кислоту зазвичай виділяють і повторно використовують, що зменшує втрати.

Інтерпретація результату

• 90–100%: більшість атомів реагентів переходить у продукт. Типово для реакцій приєднання, у яких нічого не залишається.
• 70–90%: добра ефективність, поширена в багатьох каталітичних реакціях.
• 50–70%: середній показник. Реакції заміщення, у яких відхідна група відокремлюється й стає відходом, часто потрапляють у цей діапазон.
• Нижче 50%: більша частина маси реагентів перетворюється на відходи, а не на продукт.

Ці діапазони є лише приблизним орієнтиром. Складний фармацевтичний проміжний продукт, для якого немає чистішого доступного способу отримання, може вважатися прийнятним за 65%, тоді як простий великотоннажний хімічний продукт із дешевшими альтернативами — ні.

Що не вимірює атомна економія

Атомна економія враховує лише реагенти та продукт, записані в урівняному рівнянні. Вона не враховує розчинники, каталізатори та енергію, потрібну для проведення реакції. Реакція може мати високу атомну економію й водночас потребувати великої кількості розчинника або надзвичайно високої температури чи тиску. Для повнішої оцінки хіміки поєднують атомну економію з іншими показниками, такими як E-фактор (маса відходів, поділена на масу продукту) та масова інтенсивність процесу (сумарна використана маса, поділена на масу продукту).

Історія атомної економії

Баррі М. Трост, хімік, який на той час працював у Вісконсинському університеті, а згодом — у Стенфордському університеті, запровадив поняття атомної економії у статті 1991 року в журналі Science під назвою «Атомна економія — пошук ефективності синтезу». До цього хіміки здебільшого оцінювали реакцію за її виходом: наскільки отримана кількість продукту наближалася до теоретичного максимуму. Ідея Троста додала інше запитання: навіть за високого виходу, яка частина маси реагентів перетворюється на побічні продукти, а не на основний продукт?

У 1998 році атомна економія стала другим із Дванадцяти принципів зеленої хімії, сформульованих Полом Анастасом і Джоном Ворнером у книжці Green Chemistry: Theory and Practice. Відтоді вона стала стандартним показником, який викладають на курсах хімії та наводять у багатьох наукових статтях про нові синтетичні методи.

Поширені запитання

Що таке атомна економія?

Атомна економія — це відсоток маси реагентів у хімічній реакції, який переходить у бажаний продукт. Її визначають, ділячи молекулярну масу продукту на сумарну молекулярну масу реагентів, а потім множачи на 100.

Чим атомна економія відрізняється від виходу реакції?

Вихід показує, яку кількість продукту фактично отримують у реакції порівняно з теоретичним максимумом за певної кількості використаного вихідного матеріалу. Атомна економія вимірює інше: яка частина маси реагентів взагалі може перейти в продукт, виходячи лише з хімії реакції. Реакція може одночасно мати високий вихід і низьку атомну економію, якщо разом із продуктом утворюється велика маса побічних продуктів.

Чи може атомна економія становити 100%?

Так. Реакції приєднання, у яких молекули реагентів сполучаються без утворення побічного продукту, досягають атомної економії 100%. Реакції перегрупування, у яких атоми перебудовуються всередині молекули, також можуть досягати 100%. Реакція зі 100% атомною економією все одно може бути загалом невдалим вибором, якщо її вихід низький або реагенти небезпечні.

Чи враховує атомна економія розчинники та каталізатори?

Ні. Каталізатори не витрачаються під час реакції, тому їх не вважають реагентами. Розчинники зазвичай також не враховують, якщо лише частина розчинника не вбудовується в продукт. Тому реакція може демонструвати високу атомну економію й водночас використовувати великі об’єми розчинника.

Яка атомна економія вважається доброю?

Показник понад 90% вважають відмінним, 70–90% — добрим, а значення нижче 50% свідчить, що більша частина маси реагентів витрачається марно. Прийнятний рівень залежить від реакції: складний продукт, для якого немає кращого способу отримання, може виправдати нижчу атомну економію, ніж простий великотоннажний хімічний продукт.

Як коефіцієнти в урівняному рівнянні використовують у розрахунку?

Для кожного реагенту й продукту потрібно використовувати його коефіцієнт з урівняного рівняння. Для 2H₂ + O₂ → 2H₂O маса реагентів дорівнює 2 × (маса H₂) плюс 1 × (маса O₂), а маса продукту — 2 × (маса H₂O). Пропуск коефіцієнтів або використання неурівняного рівняння дає число, яке не описує реальну реакцію.

Джерела

1. Трост, Б. М. (1991). Атомна економія — пошук ефективності синтезу. Science, 254(5037), 1471–1477.
2. Анастас, П. Т., і Ворнер, Дж. К. (1998). Зелена хімія: теорія і практика. Oxford University Press.
3. Шелдон, Р. А. (2017). E-фактор через 25 років: розвиток зеленої хімії та сталого розвитку. Green Chemistry, 19(1), 18–43.