原子经济性反应

原子经济性反应 ATOM EFFICIENCY:Synthetic Methods Should Be Designed To Maximise The Incorporation Of All Materials Used In The Process Into The Final Product 第二章 原子经济性 使用能最大限度地将反应过程中所用到的所有物料全部转化为产物的合成 方法 原子经济性(Atom Economy)是由美国化学家 Barry M Trost 于 1991 年提出, 是指在化学 反应中， 反应物中的原子应尽可能多地转化为产物中的原子; 也就是要在提高化学反应转化 率的同时，尽量减少副产物。Trost 教授还提出了一个合成效率的概念，指出合成效率应当 成为今后合成方法学研究中关注的焦点。并提出合成效率包括两方面，一方面是选择性，包 括化学选择性、区域选择性、非对映和对映选择性等;另一个方面就是反应的原子经济性， 即原料和试剂分子中究竟有多少的原子转化成了产物分子。 目前合成化学的主要研究方向就是提高化学反应的选择性及提高化学反应的原子经济 性。 1 反应转化率、反应收率、反应选择性和原子利用率之概念 反应转化率、反应收率、 (1)原子利用率(atom efficiency，AE):目标产物原子占所有产物原子中的百分数。即: 目标产物分子量 所有产物分子量 X100% 原子利用率% = 其中，所有产物分子量的总和=目标产物的分子量+副产物的分子量。 例 1 试计算如下中和反应生成盐的原子利用率。 NaOH + HCl NaCl + H2O 解:氯化钠的分子量为 58.5，水的分子量为 18，氢氧化钠的分子量为 40，盐酸的分子量为 36.5，所以，根据原子利用率的定义可得: 该反应生成氯化钠的原子利用率 = 58.5?(58.5+18)×100% = 76.5% 该原子利用率也可根据质量作用定律，按反应物氢氧化钠和盐酸的分子量依下式计算: 原子利用率 = 58.5?(40+36.5)×100% = 76.5% 两种算法的答案完全一致。 原子利用率实际上是比较化学反应中目标产物分子中的原子数与反应原料分子的原子 数的相对比值大小的一个参数， 在计算时， 反应物和产物分子的原子数值都是以其原子量代 入计算的。 由于不少反应中副产物难以确定， 副产物分子量很难求得， 因而原子利用率不易直接按 各种产物的分子量计算求得。 这时可以利用质量作用定律计算出一个与之相同的数， 即原子 经济百分数: 生成产物的原子 所有反应物原子 原子经济百分数% = X100% 原子利用率与原子经济百分数是同一个概念的两种不同表述。 如例 1 计算结果也完全 相同。 例 2 试计算如下实验室制氢的置换反应的原子经济百分数。 Zn + 2HCl ZnCl2 + H2 解:该制氢反应的原子经济百分数 = 2 ? (65 + 2×36.5)×100% =1.45% 该反应的原子经济性很低，浪费很严重，是一个非绿色的化学反应。但是，如果利 用该反应制氯化锌的话，其原子经济百分数就很高(1-1.45% = 98.55%) ，就是一个比较绿 色的化学反应(仅就原子经济性而言) 。所以，同一个反应，对不同的产物而言，其原子经 济性是大不同的。 例 3 试计算如下电解水制氢的原子经济百分数. 2 H2 O 电解 2 H2 + O2 解:该制氢反应的原子利用率(原子经济百分数) = 2 ×2? (2×18)×100% = 11.11% 考虑到氢的原子质量很小，所以，这是一个较高的原子经济百分数，因而是一个较绿色 的制氢反应。 原子经济性反应就是指那些原子利用率高的化学反应。 但是， 某些物质因其本身的特点 (如氢气单质的分子量很小、一般只能用还原的方法得到等) ，在合成它们时，很难找到一 种既具有工业经济性又有原子经济性的方法，所以，对不同的化学品(或化学反应)而言， 相同的原子经济百分数，所含有的实际意义也可能大不相同。所以，原子经济百分数也是一 个相对的概念。在实际工作中，在制取某一相同的化学品时，才可以比较不同反应的原子经 济性，尽量使用原子经济性高的化学合成反应。 (2)化学反应收率:实际得到的目标产物数量占理论目标产物数量的百分数。即: 化学反应收率% = 实际得到的目标产物数量 理论目标产物数量 X100% 化学反应收率是描述反应效果最常用的参数，有时也用产率、得率等词替代， 是与反 应产率、 得率相同的一个概念。 化学反应收率是衡量化学反应中所有的反应物起始物与实际 所得产物之间比例的一个参数。 例 4 在下列溴化反应中投入 1 公斤的苯酚与足量的溴单质反应得到了 1 公斤的均三溴苯酚， 试计算其溴化反应的收率是多少, OH Br + OH Br + OH Br + OH Br + OH Br2 Br C6 H6 O 94.04 Br Br C6H3Br3O 330.80 解:1 公斤的苯酚全部与溴反应，并且只生成三溴苯酚，理论可得三溴苯酚的质量是: 理论收率(100%) = 1×330.8?94 = 3.52 KG。 但是实际上只得到 1 公斤的三溴苯酚，所以: 实际收率 = 1?3.52×100% = 28.4% 收率在实际工业生产中非常有用， 是工厂进行产品成本核算时必须使用的一个参数， 同 时也是衡量化学反应是否进行完全和化学反应选择性好坏的一个参考指标。 (3)化学反应选择性:实际得到的目标产物数量占所有已经转化的原料数量百分数。 即: 实际得到的目标产物数量 X100% 所有已经转化的原料数量 化学反应选择性% = 一个化学反应在同一反应条件下，可能有多个反应方向，也就是除了得到目标产物外， 还要产生一些副产物。 目标产物相对于包含其它产物的所有产物的量， 就是该反应的选择性。 化学反应选择性包括化学选择性、区域选择性、立体选择性及非对映异构选择性等。 例 5 如例 4 中的反应原料是 1.2KG，反应结束后尚余 0.2KG，所得的产物三溴苯酚仍然是 1KG, 试计算该溴化反应在以上条件下的生产三溴苯酚的产率和选择性。 解: 反应 1.2KG 的原料理论上可得三溴苯酚为 1.2×330.8?94=4.22 KG， 实际得 1KG 产物。 所以，该反应产率 = 1?4.22 ×100% = 23.7% 该反应实际参加反应的原料为 1.2 - 0.2 = 1KG, 理论收率 = 1×330.8?94 = 3.52 KG 实际得到 1KG 的产物, 所以， 1 该反应的选择性 = 3.52 × 1.2 ×100% = 34.1% (1.2-0.2) (4)化学反应转化率:参加化学反应原料的数量占所有投入原料的数量百分数。即: 参加化学反应原料的数量 所有投入原料的数量 化学反应转化率% = X100% 化学反应转化率也是描述反应效果最常用的参数之一。 例 6 试计算例 5 中的转化率。 解: 该反应投料 1.2KG， 实际反应 1KG, 剩余 0.2KG, 所以， 转化率 = 1 ?1.2 ×100% = 83.33% 转化率与产率之间有明显的差距， 说明该反应要么进行得不完全， 要么反应的选择性不 好，或有较多的副产物生成。 传统的化学合成方法只