Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

6.3: Концепції дизайну реакції

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    21170

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

    Конструкція реакції та ефективність

    Зелена хімія - це все про підвищення загальної ефективності реакції з точки зору численних критеріїв. Загалом, ми намагаємося імітувати біологічні реакції, оскільки вони є одними з найбільш ефективних реакцій, що зберігають енергію та атоми, що знаходяться в нашому розпорядженні. У плані «ідеальної» хімічної реакції мова йде про:

    • Вибірковість: ми хочемо зробити одне і одне лише для того, щоб гарантувати, що у нас немає забруднення чи інших проблем, щоб задовольнитися необхідним очищенням, очищенням або багатоступінчастими шляхами.
    • Ефективність: Цей термін стосується загальної енергії, часу та матеріальних витрат щодо необхідного кінцевого продукту. Наскільки інтенсивним є процес, необхідний для отримання кінцевого продукту? Очевидно, що більш ефективний процес/реакція вимагатиме набагато менше входів. В ідеальному сценарії продукт відбувається спонтанно без дуже невеликого введення.
    • Безпека: Хоча ми не говоримо про це багато, критерій безпеки реакції чи процесу повинен бути першорядним і дуже надмірним, враховуючи «Закон Мерфі». Зелена хімія - це дійсно дисципліна, яка оформлена в загальній темі безпечної роботи та експлуатації для процесу, інакше вона наполягає на не-ходу точки переходу.
    • Безрозчинний: Знову ж таки, загальні входи мінімізуються в будь-якій реакції, і це лише один з багатьох критеріїв забезпечення ефективності та найнижчого впливу. Робити реакцію без розчинника означає, що дозволяє самореакції відбуватися з або бімолекулярної реакції з іншими реагентами при відсутності розчинника. Хоча багато біологічних реакцій відбуваються в розчиннику, в ідеалі, було б краще уникати, якщо це можливо через безліч проблем, що оточують розчинники: утилізація, очищення, реакції на основі концентрації (залежать від кінетики), а у випадку з водою, її дорогоцінна природа для їжі, пиття, миття тощо.
    • Низька енергетика або відсутність: Тут ми намагаємося наблизитися до ідеалу для енергозбереження, в якому ми зменшуємо потребу у високому теплоті, високому тиску, тривалому часі тощо В ідеалі, ми б використовували доступну нам енергію, не намагаючись спалити газ, вугілля, використовувати електроенергію (електромережі) тощо.
    • Хімічний вихід: У більшості стандартних описів хімічної реакції ми схильні підкреслювати «вихід» реакції як головний параметр для оцінки ефективності або корисності реакції. Реакція низького виходу була б небажаною через відсутність віддачі від процесу. Хімічний вихід визначається як молі бажаних продуктів, одержуваних у співвідношенні до можливих кротів (теоретичних) можливих, виражених у відсотках.

    Наведемо відмінний інтуїтивний приклад з Академії Хана (www.khanacademy.org/science/... -percent-yield): Припустимо, що у вас є п'ять хот-догів і чотири булочки для хот-догів. Очевидно, що у вас буде один хот-дог в надлишку.

    Рис 6-13.PNG

    Що стосується хімічних реакцій, то булочки для хот-догів є обмежуючим реагентом, а залишок одного хот-дога є надлишковим реагентом; таким чином, чотири повних хот-доги - це теоретичний вихід, припускаючи, що хот-доги та булочки поєднуються у співвідношенні один до одного (спочатку потрібно збалансувати реакцію). У будь-якій хімічній реакції граничним реагентом є реагент, який визначає, скільки продуктів можна зробити. Інший реагент (и) є/є в надлишку.

    Як ми оцінюємо врожайність ефективніше?

    Як правило, хімічний вихід фокусується на частині реакції, тобто, наш бажаний продукт заснований на повній реакції граничного реагенту. Однак у багатьох випадках загальна ефективність із зеленої хімічної точки зору порушена, незважаючи на високі хімічні врожаї. Розглянемо «Синтез Гавриїла»:

    Рис 6-14.PNG
    Малюнок\(\PageIndex{13}\): Представлення частини класичного синтезу Габріеля, продукт якого є первинним аміном. http://www.wikiwand.com/en/Gabriel_synthesis

    Реакція перетворює первинні алкілгалогеніди в первинні аміни. На\(\PageIndex{13}\) малюнку показана тільки остання половина реакції/синтезу! Традиційно реакція використовує фталімід калію (синт —NH 2) для омологування алкілу, який згодом з'єднується з аміном. У синтезі Габріеля фталімідний аніон використовується як сурогат H 2 N -. Вся реакція показана на малюнку\(\PageIndex{14}\):

    Рис 6-15.PNG
    Малюнок\(\PageIndex{14}\): Синтез Габріеля, який починається з синтезу аміну (перший реагент зліва), який після чотирьох кроків дає бажаний первинний амін. commons.wikimedia.org/wiki/file:Gabriel_synthesis_mechanism.png

    У методологіях хімічного виходу ми НЕ враховуємо потік побічних продуктів, які накопичуються під час реакції або набору реакцій. У наведеному вище випадку ми маємо такі продукти життєдіяльності: галогенід калію (K-X), хлорид калію (KCl) і фталгідразид (див. Малюнок\(\PageIndex{13}\) для структури — ароматична сполука, друга справа). Неймовірно, що цей масив (особливо гідразид) складають величезну частку даремно атомів, які ніяк не сприяють ефективності реакції. Через неймовірні «атомні» відходи ми маємо реакцію з дуже поганою «атомною економікою».

    Атомна економіка

    Це концепція, яка була вперше формалізована Тростом. 1 Економіка атомів (ефективність атомів) - це ефективність перетворення хімічного процесу з точки зору всіх атомів і бажаного продукту (ів). Це одне з найбільш сингулярно потужних визначень для розуміння «зеленості» реакції та її потенційної корисності.

    Атомну економіку можна записати так:

    Еквалайзер 6-1.PNG

    Як ми вже згадували, в ідеальному хімічному процесі кількість вихідних матеріалів дорівнює кількості всіх продуктів, що утворюються, і жоден атом не витрачається даремно. Якщо це не так, це справжня турбота про сировину, яка має високу вартість або через економічні та екологічні витрати на утилізацію відходів.

    На додаток до високопродуктивного процесу, такого як синтез Габріеля, який призводить до значних побічних продуктів, у нас також є реакція Cannizzaro 2, де 50% реактивного альдегіду стає іншим ступенем окислення мішені та Wittig 3, де високомасові фосфорні реагенти використовуються, але стають відходами.

    Реакція Дільса-Альдера є прикладом дуже ефективної реакції атомів, яка також може бути хіміо-, регіо-, діастерео- та енантіоселективною. Каталітичне гідрування наближається до ідеальної реакції, яка широко практикується як промислово, так і академічно. 4 Погана атомна економіка поширена як у синтезі лікарських засобів (фармацевтичних), так і в дослідженнях. Наприклад, під час синтезу спирту шляхом відновлення складного ефіру з гідридом алюмінію літію в реакції утворюється величезна кількість солей алюмінію. Вартість може бути чималою.

    Експериментальна атомна економіка

    У цьому похідному розрахунку атомної економіки враховуються фактичні кількості реагентів, що використовуються у співвідношенні теоретичного виходу продукту загальної маси реагентів, що використовуються у відсотках. Або еквівалентно, ми можемо обчислити масу реагентів, що використовуються в бажаному продукті, розділену на загальну масу всіх реагентів у відсотках

    Відсоток виходу x експериментальна атомна економіка

    Це вважається кінцевою мірою ефективності реакції. У цьому випадку ви помножуєте хімічний вихід продукту на експериментальну атомну економію, щоб отримати справжню міру атомної ефективності реакції