4.6: Ковалентні зв'язки та зелена хімія

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18682

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Природа ковалентних зв'язків сильно пов'язана з зеленою хімією. Деякі причини, чому це так, включають наступне:

• Високоенергетичні зв'язки в сировині вимагають великої кількості енергії та важких умов, таких як температура та тиск, щоб розібрати при синтезі

• Особливо стійкі зв'язки можуть зробити речовини надмірно стійкими в навколишньому середовищі.

• Відносно слабкі зв'язки можуть дозволити молекулам занадто легко розійтися, сприяючи реактивним формам в атмосфері або в біологічних системах.

• Нестабільні зв'язки або домовленості зв'язків можуть призвести до надмірної реактивності хімічних речовин, що робить їх схильними до вибухів та інших небезпек.

• Деякі механізми зв'язків сприяють хімічній токсичності.

Прикладом речовини, яка має дуже високу стабільність зв'язку, що робить його енергоємним джерелом сировини, є N ₂. Як згадувалося раніше, велика кількість енергії та важкі умови необхідні для того, щоб розібрати цю молекулу в синтезі аміаку, NH ₃, сполуки, яка є основою для більшості синтетичних сполук азоту. Як обговорювалося з азотом у розділі 2.5, бактерії Rhizobium, що ростуть на коренях бобових рослин, таких як соя, перетворюють N ₂ на хімічно закріплений азот. Кількість азоту, зафіксована цим абсолютно зеленим маршрутом, безумовно, є бажаним доповненням до басейну азоту добрив.

Приклад сполуки, в якому особливо стійкі зв'язки сприяють стійкості і кінцевої шкоди навколишньому середовищу, надається дихлордифторметан, Cl ₂ CF ₂, хлорфторуглерод, який бере участь у руйнуванні стратосферного озону (див. Розділ 3, розділ 3.5, і главу 10). Хімічні зв'язки в цій сполуці настільки міцні, що нічого не атакує їх, поки молекула не проникла на багато кілометрів висотою в стратосферу, де надзвичайно енергійне ультрафіолетове випромінювання розриває зв'язок C-Cl в молекулі. Це виробляє Clatoms, які призводять до руйнування захисного стратосферного озону.

Дещо протилежний стан виникає у випадку атмосферного діоксиду азоту, NO ₂, поблизу рівня землі в атмосфері. Тут зв'язок NO є відносно слабким, так що відносно низькоенергетичне ультрафіолетове випромінювання (\(h \nu\)), близьке до довжини хвилі видимого світла і проникає в атмосферу на рівні землі або поблизу нього, може розірвати молекули NO ₂:

\[NO_{2} + h \nu \rightarrow NO + O\]

Вивільнені атоми O дуже реактивні і взаємодіють із забруднюючими вуглеводнями, такими як з бензину, в атмосфері, що призводить до неприємного стану фотохімічного смогу.

Деякі механізми склеювання відрізняються нестабільністю. До них відносяться зв'язки, в яких два атома N сусідні або дуже близькі в молекулі і пов'язані подвійними зв'язками. Також включають сміливі домовленості, в яких атоми N і O є суміжними, а також присутні подвійні зв'язки.

Наявність деяких видів зв'язків у молекулах може сприяти їх біохімічній реактивності і, отже, їх токсичності. Органічна сполука з однією або декількома подвійними зв'язками C = C в молекулі часто більш токсична, ніж аналогічна молекула без таких зв'язків.

Уникаючи генерації, використання або викиду в навколишнє середовище сполук з видами зв'язків, описаних вище в рамках програми зеленої хімії, практика хімії та хімічної промисловості може бути набагато безпечнішою. Зелена хімія також розглядає зв'язки, які, можливо, доведеться захищати при хімічному синтезі. Часто потрібно додавати кроки, щоб прикріпити захисні групи до груп зв'язку, щоб запобігти їх реакції під час етапу синтезу. Після виконання потрібного етапу захисні групи необхідно видалити, щоб надати кінцевий продукт. Матеріали витрачаються, а побічні продукти генеруються цими кроками, тому практика зеленої хімії намагається уникнути їх, коли це можливо.