第四章原子经济性.ppt

第四章原子经济性、化学反应的原子经济性和环境影响提高化学反应的原子经济性的方法、原子利用率、最大化反应物的转化率和目标产物的选择性、4.1原子利用率。这一概念用于量化合成一定量的目标产物时产生的废物量。RogerA。谢尔顿1992，原子利用率为100%的化学反应的两个主要特征。反应物被充分利用，资源以最经济的形式使用，废物被最小化。原子利用率，实施例1:由乙烯制备环氧乙烷实施例2:制备环氧丙烷实施例3:合成丙烯酸甲酯，实施例1，环氧乙烷的制备，传统方法，CH2=CH2Cl2h2o，clch2ch2oh HCl，clch2ch2oh ca (oh) 2h2o，c2h4ocacl2 2h2o，CH2=CH2Cl2ca (oh) 2，c2h4ocacl2 H2O，28，71，74，44，111，18，44，111，18=129，44，14100%，=，44，28，71，74，100%，=，25%，=，传统方法的缺点，1。原子利用率只有25%，即每生产1公斤产品会产生3公斤废物。2.反应物Cl2是有害的，腐蚀设备并对人造成伤害。因此，需要采用特殊设备和相应的保护措施。3.需要分离和纯化所需的产品。如果每一步的选择性和收率都是100%，用银作催化剂直接合成目标分子，用氧作氧化剂，原子利用率可以达到100%。新方法，CH2=CH2 1/2 O2，44，C2H4O，28，16，44，0，44，28 16，=， 100%，100%，=，44，44，=，100%，高原子经济性(100%)在对人类和环境都安全的反应后，氧不需要分离和纯化。新方法的优点，如果反应的选择性达到100%，实施例2，环氧丙烷的制备，42，71，58，74，111，18、58，111 18=129，58，111 18 58，9587；100%，=，58，42 71 74， 100%，=，31%，CH3CH氯化钙H2O，CH3CH=CH2Cl2Ca (OH) 2，=，传统方法，传统方法的缺点，1。原子利用率仅为31%，即每生产1千克产品将产生2千克废物。2.使用的反应物Cl2是有害的，会腐蚀反应设备并对人造成伤害。因此，应设计专用设备并采取严格的保护措施。3.获得产物必须被分离和纯化。如果反应每一步的选择性和产率达到100%，钛硅催化剂直接催化氧化，一种新方法，42，34，58，18，C3H6OH2O，CH3CH=CH2H2O2，二氧化钛-硅分子筛，58，18，58，58，18，9587，100%，=，58，42，34， 100%，=，76%，=，生成的目标产物的量，高原子过氧化氢比氯更安全，这种新方法的优点是，如果反应的选择性是100%，问题何在？CH3CH=CH2 1/2 O2，C3H6O，实施例3，为了制备丙烯酸甲酯，反应过程中使用的原料包括丙酮和氢氰酸。H3CCOCH3HCN，传统方法，传统方法，CH3C (CN) (OH) CH3，CH3C OCH 3HCN，CH3OC(CH3)C=CH2NH 4 HSO 4，CH3OH，H2SO4，CH3C OCH 3HCN CH3OH H2SO4，CH3OC(CH3)C=CH2NH 4 HSO 4，AA，100 115，9587；100%，=，=，58，27，32，98，100，115，100，115，9587；100%，100，58 27 32 98，100，aa，aa，=，46%，传统方法的缺点，1。原子利用率仅为46%，即每生产1千克产品将产生1千克废物。2.所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，有必要设计专用设备并采取严格的保护措施。3.获得产物必须被分离和纯化。如果每个反应步骤的选择性和产率为100%，新方法使用石脑油丙炔和一氧化碳的分解(例如热解)产物。新方法使用钯(OAc)2作为催化剂，新方法钯(OAc)2具有极高的原子利用率(100%)。与氢氰酸相比，一氧化碳和甲醇对人员和设备是安全的。在反应过程中没有废物产生。新方法的优点是，如果反应的选择性达到100%，化学反应的原子经济性为4.2%，定义为：目标分子中出现的原子与反应物中所有原子的比例。原子利用率为100%的反应是理想的原子经济反应。，1991，BarryM。Trost，1996，presidentalgreenchemistrychallengeeawardofsa，如何设计原子经济反应，传统合成方法的缺点是，AB、C、D、废物、目标分子和目标分子都是C过程中不可避免的副产物，传统合成方法A、BC、D都需要在反应后处理，应视为废物。由于化学反应的特点，如果我们想采用这种反应，我们将无法避免这个缺点。原子经济反应，e f，c，目标产物，设计一个新的原子经济反应如下图所示E FC，优点：反应物E，f中的所有原子必须用来合成产物c，使原子利用率达到100%。没有副产品，没有废物处理，没有污染，没有问题，有机反应类型：哪种反应符合原子经济性？几种常见反应的原子经济性，(1)重排反应(原子经济性反应)a b，(2)加成反应(原子经济性反应)ABC丙烯催化加氢，原子经济性为100%，CH2=CH2H2O-CH3 CH2H2O oh CH2=CH3 chbr-CH3 ch2br，(3)取代反应(非原子经济性)A-B C-DA-C B-D丙酸乙酯和甲胺取代反应生成丙酰甲胺和乙醇，原子利用率仅为65.41%。(4)消除或降解反应(非原子经济反应)、甲基丙基氢氧化铵的热分解反应(霍夫曼消除反应)产生丙烯、三甲胺和水等丙烯作为目标产物，其原子利用率仅为35.30%。在反应中使用保护基团也是影响原子经济性的一个重要因素，而使用1，2-二醇来保护酮基不与格氏试剂反应，来评价绿色反应中考虑的因素：副产物是有毒的还是有害的？反应所需的能量是多少？你需要太多的能量来完成反应吗？合成过程中是否需要溶剂或其他辅助材料来分离和纯化产物？反应是化学选择性的、区域选择性的、立体选择性的还是非立体选择性的？例如，合成卤代烃，3ROH PX33RX H3PO4，RX Na XRX NAX ，R CH=CH2 HXRX，更有效地利用自然资源，延长寿命，研究原子经济反应，手性技术，反应物的所有原子都转化为产物，反应物的所有原子都进入产物分子，并具有特定的三维结构。面对自然资源的枯竭问题，反应的转化率和选择性得到了尽可能彻底的提高。原子经济对于反应不产生废物是必要的，但这还不够。低平衡转化平行反应，4.3。原子经济和环境影响，环境因素：E因素，罗杰拉。Sheldonin1992，用于量化生产过程的环境影响。除目标产品Idea:外的所有其他产品都被视为废物。0403809绿色化学第2:章原子经济。翁，E因子：E=，废物质量，目标产品质量，原子利用率=100%E=0，反应过程中形成的废物越多，对环境的污染越严重，不同化工及相关生产部门的E因子，每吨煤油的工业产量为1061080.1基础化工10410615精细化工102104550制药1010325100。废物造成的环境污染与其毒性密切相关，毒性不能反映在因子e中。环境商(eq)和因子e仅给出废物与产品的比率。环境商，e-e因子q-根据废物对环境的不友好程度给出的废物在环境中的行为，eq=EQ=EQ，4.4提高化学反应的原子经济性的方法，提高化学反应的原子经济性的方法，(1)开发新的催化材料以提高反应的原子经济性的方法，Trost等开发的原子经济性反应。采用不同的过渡金属作为催化剂，丙烯氧化生产环氧丙烷，氯醇法，次氯酸，石灰，废渣和废水，原子经济性=44%，皂化，钛硅分子筛(TS-1)催化氧化法，新工艺的特点：反应条件温和。常压，40-50。氧源安全易得(30%H2O2)，转化率高(93%以H2O2计算)。选择性大于97%，原子利用率为76.3%。副产品只有水，是一种低能耗、无污染的绿色化工过程。灾难a，TS-1分子筛的选择性氧化反应，(2)提高反应原子经济性的新反应处理方法(简化合成步骤)，实施例1:布洛芬，第一步，第二步，第三步，第四步，第五步，第六步，布洛芬，BOOTS法，原子经济性40%，布洛芬-镇静，止痛生产，BOOTS公司的布洛芬生产方法的原子经济性，原子利用率=(206/514.5) 100%=40%，第一步，第二步，第三步，绿色方法，获得1997年美国总统“绿色化学挑战奖”BHC公司合成布洛芬的原子经济性，原子利用率=(206/266) 100%=77%，(1)从2-甲基-5-乙基吡啶开始，(2)从2，5-二氯吡啶开始，原子利用率为100%，侯教授是钯催化羰基化反应的先驱，在推广和实施原子经济性方面， 侯的制碱法也叫联合制碱法(1)NH3CO2=NH4HCO 3(2)NH4HCO 3氯化钠=NH4Cl碳酸氢钠(3)2碳酸氢钠(加热)=Na2CO 3H2OCO2=即氯化钠(饱和)NH3CO2=NH4CL碳酸氢钠碳酸氢钠(加热)=Na2CO 3H2OCO2总反应2NH3H2OCO2氯化钠=2NH4CLNa2CO 3副产物可中国绿色化学的先驱冯亦生建造了世界上第一座化工厂，将一种产品的废料回收用作另一种产品的原料。他成功地启动了一个装置，每年生产3万吨磷酸铵和4万吨磷石膏来生产硫酸和6万吨水泥。其重要的经济效益在于：利用工业废料为原料，大大降低了生产成本；根据不同产品内部的生产环节，对不同产品进行科学的排列组合成一套新工艺，减少了原材料运输等工序，大大节约了成本。被中国组委会给闵恩泽的获奖感言所感动，他在国家需要的时候挺身而出！燃烧自己照亮能源行业。他把创新视为幸福，并把混乱说得很清楚。他已经成为中国的催化剂。他是中国科学的催化剂。中国催化剂研究领域的领军科学家闵恩泽院士荣获2007年国家最高科技奖，包括层状粘土、非晶态合金、负载型杂多酸、纳米分子筛等。新的化学反应项目包括：磁稳定床、悬浮催化蒸馏、原子经济反应的发展和未来，合成效率应是未来合成方法学研究的重点。合成效率包括两个方面，一是选择性(化学、区域、非对映体和对映体选择性)；另一个是原子经济，即原料或试剂分子中有多少百分比的原子被转化为产品。计算机将发挥重要作用。思考问题，1。简要回答了温室效应及其与化学、光化学烟雾及其化学本质的关系、生物多样性绿色化学的目标、化学工业造成的危害、风险试剂、生物质类型、可再生资源、原子利用率、环境商和环境因素。为什么化学是一门中心的、实用的和创造性的学科？3.人类面临的主要环境问题是什么？这些困难的原因是什么？4.面对人类面临的健