第四章原子经济性(课堂PPT)
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4
原子利用率
原子利用率 =
Baidu Nhomakorabea
目标产物的量
╳ 100%
按化学计量式所得所有产物的量之和
目标产物的量
=
各反应物的量之和
╳ 100%
原子利用率为100％化学反应的两个主要 特征：
✓ 反应物得到充分利用，资源以最经济的形式 得到使用
✓废物被减少到最少
5
Examples
Example 1 ：用乙烯制备环氧乙烷 Example 2：制备环氧丙烷 Example 3：合成丙烯酸甲酯
22
新方法 新方法使用石脑油的分解（如热解） 产物丙炔和和一氧化碳
23
新方法
使用的催化剂为 Pd(OAc)2
Pd(OAc)2
24
新方法的优点
如果反应的选择性达到 100% ☺ 原子利用率极高 (100 %) ☺ 相对于氢氰酸，一氧化碳和甲醇对人员以及
设备都要安全。 ☺ 反应过程没有产生废弃物。
6
Example 1
制备环氧乙烷
7
传统方法
CH2=CH2 + Cl2 +
CHl2COH2CH2OH + Ca(OH)2 + HCl
ClCH2CH2OH + HCl C2H4O + CaCl2 + 2H2O
CH2=CH2 + Cl2 + Ca(OH)2 28 71 74
C2H4O + CaCl2 + H2O
18
传统方法
反应过程中使用的原料包括丙酮与 氢氰酸。
H3CCOCH3 HCN
19
传统方法
O
HO
HC N +
(i)
N
O
HO
+ H2SO4
N
NH2.H2SO4
(ii)
O NH2.H2SO4 + CH3OH
O O
+ NH4HSO4 (iii)
20
传统方法
CH3COCH3 + HCN
CH3C(CN)(OH) CH3
反应。
? 如何设计 原子经济反应
27
传统合成方法的缺点
A+B
C ＋D
目
标 物废
分弃
子
28
目标分子为 C
传统的合成方法
A+B
C +D
这一过程不可避免地产生的副产物，反应 后需要处理，因而应被视为废物。
由于化学反应的特性，如果我们想采用这 种反应，我们将无法避免这种缺点。
29
原子经济反应
E+F
C
╳ 100% A=A 46A%A
21
传统方法的缺点
如果每步反应的选择性和产率都为100%：
1. 原子利用率仅为 46%, 也即, 每生产1kg 产品将产生 1kg的废弃物。
2. 使用的原料氢氰酸是有害的, 会腐蚀设备 并对人员造成伤害，因此因此需要设计特殊 的设备并采取严格的保护措施。
3.得到产物必须进行分离与纯化。
CH3OH, H2SO4
CH3OOC(CH3)C=CH2 + NH4HSO4
CH3COCH3+ HCN + CH3OH + H2SO4 AA CH3OOC(CH3)C=CH2 + NH4HSO4
58 27 32
98
100
115
100 115
=
100
╳ 100% =
100
100+115
58+27+32+98
44
111 18
44
111+ 18 = 129
44
44
=
╳ 100% =
╳ 100% = 25%8
111+ 18 + 44
28+ 71 + 74
传统方法的缺点
如果每步反应的选择性与产率都是100%
1. 原子利用率仅为 25%,也就是说, 每生产 1kg的产品将产生 3kg的废物。
2. 反应物 Cl2是有害的，会腐蚀设备也会对 人造成伤害，因此需要采用特殊的设备并采 取相应的保护措施。
58 ╳ 100% = 76%
58 + 18
42 + 34
15
新方法的优点
如果反应的选择性为 100%
☺ 原子利用率很高 (76 %) ☺ 反应的副产物为水对环境没有影响. ☺ 过氧化氢相比氯气要更安全
16
问题?
CH3CH=CH2 + 1/2 O2
C3H6O
17
Example 3 制备丙烯酸甲酯
Target product
30
设计新的原子经济反应如下图
E+F
C
优点: 反应物E、F中的所有原子都要被用于合成 产物 C, 使得原子利用率达到100%。
不产生副产物
无需处理废弃物
无污染
31
问题
❖ 有机反应的类型: ❖ 哪种反应符合原子经济性？
25
4. 2 化学反应的原子经济性
1991，Barry M. Trost
1996, The Presidential Green Chemistry Challenge Award of USA
定义：
出现在目标分子中的原子占反应物所有原子的 的比例。 原子利用率为100%的反应是理想的原子经济性
26
☺ 高的原子经济性 (100%) ☺ 氧气对人以及环境都是安全的 ☺ 反应后不需要分离以及纯化
11
Example 2
制备环氧丙烷
12
传统方法
CH3CH=CH2 + Cl2 + Ca(OH)2
42 71
74
C3H6O + CaCl2 + H2O
58
111 18
58
111+ 18 = 129
58
58
3. 得到需要的产物需要分离于纯化。
9
新方法
CH2=CH2 + 1/2O2
28
16
C2H4O 44
44 0
=
44
╳ 100% =
44
╳ 100% = 100%
28+16
44
使用银作为催化剂，直接合成目标分子，用氧气作为氧化 剂，原子利用率达到100%。
10
新方法的优点
如果反应的选择性能达到 100%
3. 得到产物必须进行分离与纯化。
14
新方法
钛硅催化剂直接催化氧化
CH3CH=CH2 + H2O2 42 34
The amount of target product formed
Titania- sillica molecular sieve
C3H6O + H2O
58
18
58
18
=
58
╳ 100% =
第四章 原子经济性
1
❖原子利用率 ❖化学反应的原子经济性 ❖原子经济与环境的影响 ❖提高化学反应原子经济性的途径
2
原子利用率
化学反应的 原子经济
尽量提高反应物转化率 和目标产物选择性
3
4.1原子利用率
Roger A.Sheldon 1992
这个概念是用来量化合成一定量目标产品 时所产生废物的量。
=
╳ 100% =
╳ 100% = 31%
111+ 18 + 58
42+ 71 + 74
13
传统方法的缺点
如果每步反应的选择性和产率都达到100%
1. 原子利用率仅为31%, 也即, 每生产1kg产 品将产生2kg废弃物。
2. 所用的反应物 Cl2 是有害的, 会腐蚀反应 设备并对人造成伤害，因此需要设计特殊的 设备并采取严格的保护措施。
原子利用率
原子利用率 =
Baidu Nhomakorabea
目标产物的量
╳ 100%
按化学计量式所得所有产物的量之和
目标产物的量
=
各反应物的量之和
╳ 100%
原子利用率为100％化学反应的两个主要 特征：
✓ 反应物得到充分利用，资源以最经济的形式 得到使用
✓废物被减少到最少
5
Examples
Example 1 ：用乙烯制备环氧乙烷 Example 2：制备环氧丙烷 Example 3：合成丙烯酸甲酯
22
新方法 新方法使用石脑油的分解（如热解） 产物丙炔和和一氧化碳
23
新方法
使用的催化剂为 Pd(OAc)2
Pd(OAc)2
24
新方法的优点
如果反应的选择性达到 100% ☺ 原子利用率极高 (100 %) ☺ 相对于氢氰酸，一氧化碳和甲醇对人员以及
设备都要安全。 ☺ 反应过程没有产生废弃物。
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Example 1
制备环氧乙烷
7
传统方法
CH2=CH2 + Cl2 +
CHl2COH2CH2OH + Ca(OH)2 + HCl
ClCH2CH2OH + HCl C2H4O + CaCl2 + 2H2O
CH2=CH2 + Cl2 + Ca(OH)2 28 71 74
C2H4O + CaCl2 + H2O
18
传统方法
反应过程中使用的原料包括丙酮与 氢氰酸。
H3CCOCH3 HCN
19
传统方法
O
HO
HC N +
(i)
N
O
HO
+ H2SO4
N
NH2.H2SO4
(ii)
O NH2.H2SO4 + CH3OH
O O
+ NH4HSO4 (iii)
20
传统方法
CH3COCH3 + HCN
CH3C(CN)(OH) CH3
反应。
? 如何设计 原子经济反应
27
传统合成方法的缺点
A+B
C ＋D
目
标 物废
分弃
子
28
目标分子为 C
传统的合成方法
A+B
C +D
这一过程不可避免地产生的副产物，反应 后需要处理，因而应被视为废物。
由于化学反应的特性，如果我们想采用这 种反应，我们将无法避免这种缺点。
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原子经济反应
E+F
C
╳ 100% A=A 46A%A
21
传统方法的缺点
如果每步反应的选择性和产率都为100%：
1. 原子利用率仅为 46%, 也即, 每生产1kg 产品将产生 1kg的废弃物。
2. 使用的原料氢氰酸是有害的, 会腐蚀设备 并对人员造成伤害，因此因此需要设计特殊 的设备并采取严格的保护措施。
3.得到产物必须进行分离与纯化。
CH3OH, H2SO4
CH3OOC(CH3)C=CH2 + NH4HSO4
CH3COCH3+ HCN + CH3OH + H2SO4 AA CH3OOC(CH3)C=CH2 + NH4HSO4
58 27 32
98
100
115
100 115
=
100
╳ 100% =
100
100+115
58+27+32+98
44
111 18
44
111+ 18 = 129
44
44
=
╳ 100% =
╳ 100% = 25%8
111+ 18 + 44
28+ 71 + 74
传统方法的缺点
如果每步反应的选择性与产率都是100%
1. 原子利用率仅为 25%,也就是说, 每生产 1kg的产品将产生 3kg的废物。
2. 反应物 Cl2是有害的，会腐蚀设备也会对 人造成伤害，因此需要采用特殊的设备并采 取相应的保护措施。
58 ╳ 100% = 76%
58 + 18
42 + 34
15
新方法的优点
如果反应的选择性为 100%
☺ 原子利用率很高 (76 %) ☺ 反应的副产物为水对环境没有影响. ☺ 过氧化氢相比氯气要更安全
16
问题?
CH3CH=CH2 + 1/2 O2
C3H6O
17
Example 3 制备丙烯酸甲酯
Target product
30
设计新的原子经济反应如下图
E+F
C
优点: 反应物E、F中的所有原子都要被用于合成 产物 C, 使得原子利用率达到100%。
不产生副产物
无需处理废弃物
无污染
31
问题
❖ 有机反应的类型: ❖ 哪种反应符合原子经济性？
25
4. 2 化学反应的原子经济性
1991，Barry M. Trost
1996, The Presidential Green Chemistry Challenge Award of USA
定义：
出现在目标分子中的原子占反应物所有原子的 的比例。 原子利用率为100%的反应是理想的原子经济性
26
☺ 高的原子经济性 (100%) ☺ 氧气对人以及环境都是安全的 ☺ 反应后不需要分离以及纯化
11
Example 2
制备环氧丙烷
12
传统方法
CH3CH=CH2 + Cl2 + Ca(OH)2
42 71
74
C3H6O + CaCl2 + H2O
58
111 18
58
111+ 18 = 129
58
58
3. 得到需要的产物需要分离于纯化。
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新方法
CH2=CH2 + 1/2O2
28
16
C2H4O 44
44 0
=
44
╳ 100% =
44
╳ 100% = 100%
28+16
44
使用银作为催化剂，直接合成目标分子，用氧气作为氧化 剂，原子利用率达到100%。
10
新方法的优点
如果反应的选择性能达到 100%
3. 得到产物必须进行分离与纯化。
14
新方法
钛硅催化剂直接催化氧化
CH3CH=CH2 + H2O2 42 34
The amount of target product formed
Titania- sillica molecular sieve
C3H6O + H2O
58
18
58
18
=
58
╳ 100% =
第四章 原子经济性
1
❖原子利用率 ❖化学反应的原子经济性 ❖原子经济与环境的影响 ❖提高化学反应原子经济性的途径
2
原子利用率
化学反应的 原子经济
尽量提高反应物转化率 和目标产物选择性
3
4.1原子利用率
Roger A.Sheldon 1992
这个概念是用来量化合成一定量目标产品 时所产生废物的量。
=
╳ 100% =
╳ 100% = 31%
111+ 18 + 58
42+ 71 + 74
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传统方法的缺点
如果每步反应的选择性和产率都达到100%
1. 原子利用率仅为31%, 也即, 每生产1kg产 品将产生2kg废弃物。
2. 所用的反应物 Cl2 是有害的, 会腐蚀反应 设备并对人造成伤害，因此需要设计特殊的 设备并采取严格的保护措施。