Атомная экономия ( атомная эффективность/процент ) — это эффективность преобразования химического процесса с точки зрения всех задействованных атомов и полученных желаемых продуктов. Самое простое определение было введено Барри Тростом в 1991 году и равно отношению между массой желаемого продукта к общей массе реагентов, выраженному в процентах. Концепция атомной экономии (АЭ) и идея сделать ее основным критерием улучшения в химии являются частью движения зеленой химии, которое отстаивал Пол Анастас с начала 1990-х годов. [1] Атомная экономия — это важная концепция философии зеленой химии , [2] [3] [4] и одна из наиболее широко используемых метрик для измерения «зелености» процесса или синтеза.
Хорошая атомная экономия означает, что большинство атомов реагентов включаются в желаемые продукты и образуется лишь небольшое количество нежелательных побочных продуктов, что снижает экономическое и экологическое воздействие утилизации отходов.
Атомную экономику можно записать как:
Например, если мы рассмотрим реакцию , где C — желаемый продукт, то
Оптимальная атомная экономичность составляет 100%.
Экономия атомов — это другая проблема, чем химический выход , поскольку высокопродуктивный процесс может все еще приводить к образованию существенных побочных продуктов. Примерами служат реакция Канниццаро , в которой приблизительно 50% реагента альдегида становится другой степенью окисления целевого продукта; реакции Виттига и Сузуки , в которых используются реагенты с большой массой, которые в конечном итоге становятся отходами; и синтез Габриэля , в котором производится стехиометрическое количество солей фталевой кислоты .
Если желаемый продукт имеет энантиомер, реакция должна быть достаточно стереоселективной, даже если экономия атомов составляет 100%. Реакция Дильса-Альдера является примером потенциально очень эффективной атомной реакции, которая также может быть хемо-, регио-, диастерео- и энантиоселективной. Каталитическое гидрирование ближе всего подходит к идеальной реакции, которая широко практикуется как в промышленности, так и в академических целях. [5]
Экономию атомов также можно скорректировать, если боковая группа восстанавливается, например, вспомогательные группы Эванса. Однако, если этого можно избежать, это более желательно, так как процессы восстановления никогда не будут 100%. Экономию атомов можно улучшить путем тщательного выбора исходных материалов и каталитической системы.
Плохая атомная экономия обычна в синтезе тонких химикатов или фармацевтических препаратов , и особенно в исследованиях, где цель легко и надежно производить широкий спектр сложных соединений приводит к использованию универсальных и надежных, но плохо атомно-экономичных реакций. Например, синтез спирта легко осуществляется путем восстановления эфира с помощью литийалюминийгидрида , но реакция обязательно производит объемный флок солей алюминия, которые необходимо отделить от полученного спирта и утилизировать. Стоимость утилизации такого опасного материала может быть значительной. Каталитический гидрогенолиз эфира является аналогичной реакцией с высокой атомной экономией, но она требует оптимизации катализатора, является гораздо более медленной реакцией и не применяется повсеместно.
В химических реакциях вида A+B→ C+D принципиально важно, что обязательно образуются два продукта, хотя продукт C мог бы быть желаемым. В этом случае D считается побочным продуктом. Поскольку важной целью зеленой химии является максимизация эффективности реагентов и минимизация образования отходов, D должен быть либо найден пригодным для использования, либо устранен, либо быть настолько незначительным и безвредным, насколько это возможно. С новым уравнением вида A+B→C первым шагом к повышению эффективности химического производства является использование реакций, которые напоминают простые реакции присоединения, где единственными другими дополнениями являются каталитические материалы.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )