Введение
Мера эффективности реакции
Атомная экономия (атомная эффективность/процент) – это эффективность преобразования химического процесса с точки зрения всех участвующих атомов и образующихся целевых продуктов. Наиболее простое определение было предложено Барри Тростом в 1991 году и представляет собой отношение массы целевого продукта к общей массе продуктов, выраженное в процентах. Концепция атомной экономии (АЭ) и идея сделать её основным критерием для улучшения в химии являются частью движения «зелёной химии», которое продвигалось Полом Анастасом с начала 1990-х годов. Атомная экономия – важная концепция философии «зелёной химии» и одна из наиболее широко используемых метрик для оценки «экологичности» процесса или синтеза. Высокая атомная экономия означает, что большая часть атомов исходных веществ включается в целевые продукты, а образуется лишь небольшое количество нежелательных побочных продуктов, что снижает экономическое и экологическое воздействие утилизации отходов. Атомная экономия может быть записана следующим образом:
Например, если мы рассматриваем реакцию
где C – целевой продукт, то
Оптимальная атомная экономия составляет 100%. Атомная экономия – это не то же самое, что химический выход, поскольку высокопродуктивный процесс всё равно может приводить к образованию значительного количества побочных продуктов. Примеры включают реакцию Канниццаро, в которой примерно 50% исходного альдегида превращается в другое состояние окисления целевого продукта; реакции Виттига и Сузуки, в которых используются реагенты с большой молекулярной массой, которые в конечном итоге становятся отходами; и синтез Габриэля, который производит стехиометрическое количество солей фталевой кислоты. Если целевой продукт имеет энантиомер, реакция должна быть достаточно стереоселективной, даже при 100% атомной экономии. Реакция Дильса-Альдера является примером потенциально очень атомно-экономичной реакции, которая также может быть хемо-, регио-, диастерео- и энантиоселективной. Каталитическое гидрирование наиболее близко к идеальной реакции, широко применяемой как в промышленности, так и в академических исследованиях. Атомную экономию можно повысить, если вспомогательная группа может быть восстановлена, например, вспомогательные группы Эванса. Однако, если этого можно избежать, это предпочтительнее, поскольку процессы восстановления никогда не будут на 100%. Атомную экономию можно улучшить путём тщательного выбора исходных материалов и каталитической системы. Низкая атомная экономия часто встречается при синтезе тонких химических веществ или фармацевтических препаратов, и особенно в исследованиях, где стремление к быстрому и надёжному получению широкого спектра сложных соединений приводит к использованию универсальных и надёжных, но атомно-неэкономичных реакций. Например, синтез спирта легко осуществить путём восстановления сложного эфира гидридом лития и алюминия, но реакция неизбежно приводит к образованию большого количества солей алюминия, которые необходимо отделить от целевого спирта и утилизировать. Стоимость утилизации таких опасных материалов может быть значительной. Каталитический гидрогенолиз сложного эфира – аналогичная реакция с высокой атомной экономией, но она требует оптимизации катализатора, протекает гораздо медленнее и не всегда применима.
Создание реакций с использованием атомной экономики
В химических реакциях вида A+B→ C+D принципиально важно, что образуются два продукта, хотя продукт C может быть целевым. В таком случае D рассматривается как побочный продукт. Поскольку одной из ключевых целей зеленой химии является максимальное использование реагентов и минимизация образования отходов, необходимо либо найти применение продукту D, либо исключить его образование, либо сделать его количество минимальным и безопасным. Переход к новому уравнению вида A+B→C предполагает, что первым шагом к повышению эффективности химического производства является использование реакций, напоминающих простые реакции присоединения, при этом единственными добавками служат каталитические материалы.