Показатели оценки химических реакций

Показатели оценки химических реакций
http://www.oc-praktikum.de
Простые показатели
В синтетической органической химии обычно используют для оценки химических реакций
следующие показатели: выход и чистота продукта, они характеризуют качество проведенного
химического превращения. Выход Y определяют как частное от деления реального
количества полученного продукта (практический выход) на количество продукта, которое
теоретически можно было бы получить в реакции, если общее количество лимитирующего
реагента R превратилось в соответствии со стехиометрическим уравнением (теоретический,
или стехиометрический выход), в предположении, что все реагенты обладают 100%-ной
чистотой.
Если количество имеющегося в недостатке реагента (лимитирующий реагент) до реакции
обозначить nR, а aP и аR - стехиометрические коэффициенты продукта P и лимитирующего
реагента R, выход можно определить по формуле
(1)
Если nP – количество продукта после очистки, то полученный по уравнению (1) выход
называют конечным выходом. Обычно выход, рассчитанный по данному уравнению,
выражают в процентах (выход в процентах, или процентный выход). Перед тем, как
проводить реакцию, на основании стехиометрического уравнения можно определить так
называемую атомную экономию. Атомную экономию выражают как ту часть от суммы
атомных масс в левой части уравнения, которая вошла в продукты. Смысл этой оценки
состоит в том, что на ее основании можно сравнивать экономичность синтеза. Концепция
атомной экономии введена B.M. Trost в 1995 [1].
Чистоту продукта определяют методами тонкослойной хроматографии (ТСХ), газовой
хроматографии (ГХ) или высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), и обычно
выражают также в процентах. Однако следует учитывать, что каждый из аналитических
способов имеет свои ограничения. Например, методом газовой хроматографии можно
определить только те вещества, которые испаряются при температурах до 250°С без
разложения.
Массовую эффективность реакции определяют как отношение массы полученного
продукта к массе очищенного продукта, деленное на сумму масс всех веществ, введенных в
реакционную смесь в процессе проведения эксперимента:
(2)
в которой индекс i относится ко всем использованным веществам. Охладители, например,
охлаждающая вода или лед, которые не входят в контакт с реакционной смесью, принять в
расчет не принимать.
Учет таких вспомогательных веществ является задачей более подробного способа
анализа. Массовая эффективность es в соответствии с этой методикой определяют аналогично
обратной величине Е фактора (фактор экологичности), как это было предложено Р.Шелдоном
в 1994 [2]. Мы в нашем практикуме используем показатель эффективности, поскольку в этом
случае, в отличие от Е фактора, увеличение показателя характеризует улучшение реакции.
Энергетическую эффективность реакции еЕ определяют аналогично, как отношение
масс полученного и очищенного продукта, mP, деленное на сумму энергии, затраченной во
время эксперимента:
(3)
в которой индекс к относится ко всем измеряемым отдельно затратам энергии, т.е. к
затраченной электрической энергии. В этом способе измерения энергии в затраты включают
количество энергии, затраченное для получения льда, используемого для охлаждения.
Важные подсказки для измерения таких разделов потребления энергии содержатся в статье
НОП «Измерение энергии»
Атомная экономия, массовая эффективность и энергетическая эффективность
автоматически рассчитываются для экспериментов НОП, расчеты можно найти по ссылке в
меню «Оценка», подраздел «Индексы», на странице каждого эксперимента (ссылка на
Пример)
Способ экологической оценки органических синтезов
(Environmental Assessment Tool for Organic
Syntheses, EATOS)
Оценку химических реакций (включая многостадийные реакции), основанную на
веществах, можно осуществить с использованием способа экологичской оценки
органических синтезов (ЕАТОS, веб-сайт EATOS) [3]. Этот подход основан на
использовании величины Е-фактора (см. выше), т.е. общего количества веществ, введенных в
реакцию, деленного на количество полученных продуктов.
Для каждого из использованных веществ определяют фактор нагрузки на природу Q,
который определяют на основании величин предельных допустимых концентраций для
рабочих мест, в Германии MAK), символов опасности, R фраз (см. статью НОП «R&S
фразы»), величин LD50, и величин LC50, и необязательно также с учетом стоимости, в
зависимости от того, какая конкретно оценка требуется потребителю. Индекс экологичности
EI, который обычно используют для сравнительной оценки различных направлений и
способов синтеза, рассчитывают как сумму масс всех веществ, умноженную на их
соответствующий Q фактор.
Концепция такой оценки введена в имеющееся в бесплатном доступе программном
обеспечении, которое можно использовать независимо от характеристик компьютера. Эта
программа рассчитывает также атомную экономию и Е-фактор Шелдона для заданных
реакций.
Краткое описание способа оценки в соответствии с EATOS, а также применение для
сравнения эксперимента 4010 с альтернативным методом, можно найти в статье НОП
«Оценка экологической совместимости химических реакций». Мы также предлагаем
инструкцию по применению EATOS на немецком языке.
Литература
[1] B. M Trost. Angew. Chem. Int. Ed. Engl, 34:259 – 281, 1995.
[2] R. Sheldon. Chemtech, 24(3):38 – 47, 1994.
[3] M. Eissen and J. O. Metzger. Environmental performance metrics for daily use in synthetic
chemistry. Chem. Eur. J., 8(16):3580 – 3585, 2002.