Кіріспе
Реакция тиімділігінің өлшемі Атомдық тиімділік (атомдық тиімділік/пайыздық) – химиялық процестің барлық атомдар мен алынған қажетті өнімдер бойынша түрлендіру тиімділігі. Ең қарапайым анықтаманы 1991 жылы Барри Трост енгізді және ол пайыздық мәнде көрсетілген қажетті өнім массасының өнімдердің жалпы массасына қатынасына тең. Атомдық экономика (АЭ) тұжырымдамасы және оны химияны жетілдірудің негізгі өлшемі ету идеясы – 1990 жылдардың басында Пол Анастас қолдаған жасыл химия қозғалысының бір бөлігі. Атомдық экономика – жасыл химия философиясының маңызды тұжырымдамасы және процесс немесе синтездің «жасылдығын» өлшеу үшін ең көп қолданылатын көрсеткіштердің бірі. Жақсы атомдық экономика дегеніміз реактивтердің атомдарының көпшілігі қажетті өнімдерге қосылады және тек аз мөлшерде қажетсіз қосалқы өнімдер пайда болады, бұл қалдықтарды жоюдың экономикалық және экологиялық әсерін азайтады. Атомдық экономика былай жазылуы мүмкін:
Atom economy (atom efficiency/percentage) is the conversion efficiency of a chemical process in terms of all atoms involved and the desired products produced. The simplest definition was introduced by Barry Trost in 1991 and is equal to the ratio between the mass of desired product to the total mass of products, expressed as a percentage. The concept of atom economy (AE) and the idea of making it a primary criterion for improvement in chemistry, is a part of the green chemistry movement that was championed by Paul Anastas from the early 1990s. Atom economy is an important concept of green chemistry philosophy, and one of the most widely used metrics for measuring the "greenness" of a process or synthesis. Good atom economy means most of the atoms of the reactants are incorporated in the desired products and only small amounts of unwanted byproducts are formed, reducing the economic and environmental impact of waste disposal. Atom economy can be written as:
For example, if we consider the reaction
where C is the desired product, then
Optimal atom economy is 100%. Atom economy is a different concern than chemical yield, because a high yielding process can still result in substantial byproducts. Examples include the Cannizzaro reaction, in which approximately 50% of the reactant aldehyde becomes the other oxidation state of the target; the Wittig and Suzuki reactions which use high mass reagents that ultimately become waste; and the Gabriel synthesis, which produces a stoichiometric quantity of phthalic acid salts. If the desired product has an enantiomer the reaction needs to be sufficiently stereoselective even when atom economy is 100%. A Diels Alder reaction is an example of a potentially very atom efficient reaction that also can be chemo , regio , diastereo and enantioselective. Catalytic hydrogenation comes the closest to being an ideal reaction that is extensively practiced both industrially and academically. Atom economy can also be adjusted if a pendant group is recoverable, for example Evans auxiliary groups. However, if this can be avoided it is more desirable, as recovery processes will never be 100%. Atom economy can be improved upon by careful selection of starting materials and a catalyst system. Poor atom economy is common in fine chemicals or pharmaceuticals synthesis, and especially in research, where the aim to readily and reliably produce a wide range of complex compounds leads to the use of versatile and dependable, but poorly atom economical reactions. For example, synthesis of an alcohol is readily accomplished by reduction of an ester with lithium aluminium hydride, but the reaction necessarily produces a voluminous floc of aluminum salts, which have to be separated from the product alcohol and disposed of. The cost of such hazardous material disposal can be considerable. Catalytic hydrogenolysis of an ester is the analogous reaction with a high atom economy, but it requires catalyst optimization, is a much slower reaction and is not applicable universally.
Мысалы, егер біз C реакциясын қажетті өнім ретінде қарастырсақ, онда оптималды атомдық экономика 100%-ға тең. Атомдық экономика химиялық шығымнан өзгеше мәселе, өйткені жоғары шығымды процесс әлі де көп мөлшерде қосалқы өнімдерге әкелуі мүмкін. Мысалдарға Канниццаро реакциясы кіреді, онда реакцияға түсетін альдегидтің шамамен 50%-ы нысананың басқа тотығу күйіне айналады; Виттиг және Сузуки реакциялары, олар соңында қалдыққа айналатын жоғары массалық реагенттерді қолданады; және Габриэль синтезі, ол стехиометриялық мөлшерде фталоқсабы тұздарын өндіреді. Егер қажетті өнімде энантиомер болса, реакция атомдық экономикасы 100% болған кезде де жеткілікті стереоселективті болуы керек. Дильс-Альдер реакциясы – химиялық, аймақтық, диастеро және энантиоселективті болуы мүмкін, ықтимал өте атомдық тиімді реакцияның мысалы. Каталитикалық гидрогенациялау ең жақын идеалдық реакция болып табылады, ол өнеркәсіптік және академиялық тұрғыда кеңінен қолданылады. Атомдық экономиканы егер ілеспе топтарды қалпына келтіруге болады, мысалы, Эванс көмекші топтары, реттеуге болады. Алайда, егер бұған жол бермеу мүмкін болса, бұл әлдеқайда қолайлы, өйткені қалпына келтіру процестері ешқашан 100% болмайды. Атомдық экономиканы бастапқы материалдарды және катализатор жүйесін мұқият таңдау арқылы жақсартуға болады. Төмен атомдық экономика әдетте жақсы химиялық заттар немесе фармацевтикалық синтезде кездеседі, әсіресе зерттеулерде, онда күрделі қосылыстардың кең ауқымын тез және сенімді түрде өндіру мақсаты көпжақты және сенімді, бірақ нашар атомдық экономикалық реакцияларды қолдануға әкеледі. Мысалы, спирт синтезі литий алюминий гидридімен эфирді тотықтыру арқылы оңай жүзеге асырылады, бірақ реакция міндетті түрде алюминий тұздарының көлемді шөгіндісін шығарады, оларды өнім спиртінен бөліп алып, жою керек. Мұндай қауіпті материалдарды жоюдың құны айтарлықтай болуы мүмкін. Эстердің каталитикалық гидрогенолизі – жоғары атомдық экономикаға ие аналогты реакция, бірақ ол катализаторды оңтайландыруды талап етеді, бұл әлдеқайда баяу реакция және жалпыға бірдей қолданылмайды.
Atom economy (atom efficiency/percentage) is the conversion efficiency of a chemical process in terms of all atoms involved and the desired products produced. The simplest definition was introduced by Barry Trost in 1991 and is equal to the ratio between the mass of desired product to the total mass of products, expressed as a percentage. The concept of atom economy (AE) and the idea of making it a primary criterion for improvement in chemistry, is a part of the green chemistry movement that was championed by Paul Anastas from the early 1990s. Atom economy is an important concept of green chemistry philosophy, and one of the most widely used metrics for measuring the "greenness" of a process or synthesis. Good atom economy means most of the atoms of the reactants are incorporated in the desired products and only small amounts of unwanted byproducts are formed, reducing the economic and environmental impact of waste disposal. Atom economy can be written as:
For example, if we consider the reaction
where C is the desired product, then
Optimal atom economy is 100%. Atom economy is a different concern than chemical yield, because a high yielding process can still result in substantial byproducts. Examples include the Cannizzaro reaction, in which approximately 50% of the reactant aldehyde becomes the other oxidation state of the target; the Wittig and Suzuki reactions which use high mass reagents that ultimately become waste; and the Gabriel synthesis, which produces a stoichiometric quantity of phthalic acid salts. If the desired product has an enantiomer the reaction needs to be sufficiently stereoselective even when atom economy is 100%. A Diels Alder reaction is an example of a potentially very atom efficient reaction that also can be chemo , regio , diastereo and enantioselective. Catalytic hydrogenation comes the closest to being an ideal reaction that is extensively practiced both industrially and academically. Atom economy can also be adjusted if a pendant group is recoverable, for example Evans auxiliary groups. However, if this can be avoided it is more desirable, as recovery processes will never be 100%. Atom economy can be improved upon by careful selection of starting materials and a catalyst system. Poor atom economy is common in fine chemicals or pharmaceuticals synthesis, and especially in research, where the aim to readily and reliably produce a wide range of complex compounds leads to the use of versatile and dependable, but poorly atom economical reactions. For example, synthesis of an alcohol is readily accomplished by reduction of an ester with lithium aluminium hydride, but the reaction necessarily produces a voluminous floc of aluminum salts, which have to be separated from the product alcohol and disposed of. The cost of such hazardous material disposal can be considerable. Catalytic hydrogenolysis of an ester is the analogous reaction with a high atom economy, but it requires catalyst optimization, is a much slower reaction and is not applicable universally.
Атом экономикасын пайдалана отырып реакциялар жасау
A+B→ С+D түріндегі химиялық реакцияларда екі өнім сөзсіз түзіледі, бірақ С өнімі қажетті болуы мүмкін. Осы ретте, D қосалқы өнім деп есептеледі. Жасыл химияның маңызды мақсаты – реактивтердің тиімділігін барынша арттыру және қалдықтарды азайту болғандықтан, D-нің қолданылуы табылуы, жойылмасы немесе мүмкіндігінше аз маңызды және зиянсыз болуы тиіс. A+B→C түріндегі жаңа теңдеумен химиялық өндірісті тиімді етудің бірінші қадамы – катализаторлармен қатар қосымша заттарды ғана қолданатын қарапайым қосылу реакцияларына ұқсас реакцияларды пайдалану болып табылады.