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1、ATOM EFFICIENCY：Synthetic Methods Should Be Designed To Maximise The Incorporation Of All Materials Used In The Process Into The Final Product 第二章 原子经济性设计使用能最大限度地将反应过程中所用到的所有物料全部转化为产物的合成方法原子经济性(Atom Economy)是由美国化学家Barry M Trost 于1991年提出, 是指在化学反应中，反应物中的原子应尽可能多地转化为产物中的原子；也就是要在提高化学反应转化率的同时，尽量减少副产物。Tros
2、t教授还提出了一个合成效率的概念，指出合成效率应当成为今后合成方法学研究中关注的焦点。并提出合成效率包括两方面，一方面是选择性，包括化学选择性、区域选择性、非对映和对映选择性等；另一个方面就是反应的原子经济性，即原料和试剂分子中究竟有多少的原子转化成了产物分子。目前合成化学的主要研究方向就是提高化学反应的选择性及提高化学反应的原子经济性。1反应转化率、反应收率、反应选择性和原子利用率之概念（1）原子利用率（atom efficiency，AE）:目标产物原子占所有产物原子中的百分数。即：其中，所有产物分子量的总和=目标产物的分子量+副产物的分子量。例1 试计算如下中和反应生成盐的原子利用率。解
3、：氯化钠的分子量为58.5，水的分子量为18，氢氧化钠的分子量为40，盐酸的分子量为36.5，所以，根据原子利用率的定义可得：该反应生成氯化钠的原子利用率 = 58.5（58.5+18）100% = 76.5% 该原子利用率也可根据质量作用定律，按反应物氢氧化钠和盐酸的分子量依下式计算：原子利用率 = 58.5（40+36.5）100% = 76.5%两种算法的答案完全一致。原子利用率实际上是比较化学反应中目标产物分子中的原子数与反应原料分子的原子数的相对比值大小的一个参数，在计算时，反应物和产物分子的原子数值都是以其原子量代入计算的。由于不少反应中副产物难以确定，副产物分子量很难求得，因而原
4、子利用率不易直接按各种产物的分子量计算求得。这时可以利用质量作用定律计算出一个与之相同的数，即原子经济百分数：原子利用率与原子经济百分数是同一个概念的两种不同表述。 如例1计算结果也完全相同。例2 试计算如下实验室制氢的置换反应的原子经济百分数。解：该制氢反应的原子经济百分数 = 2 (65 + 236.5)100% =1.45%该反应的原子经济性很低，说明浪费很严重，是一个非绿色的化学反应。但是，如果利用该反应制氯化锌的话，其原子经济百分数就很高（1-1.45% = 98.55%），就是一个比较绿色的化学反应（仅就原子经济性而言）。所以，同一个反应，对不同的产物而言，其原子经济性是大不同的。
5、例3 试计算如下电解水制氢的原子经济百分数.解：该制氢反应的原子利用率（原子经济百分数） = 2 2 (218)100% = 11.11%考虑到氢的原子质量很小，所以，这是一个较高的原子经济百分数，因而是一个较绿色的制氢反应。原子经济性反应就是指那些原子利用率高的化学反应。但是，某些物质因其本身的特点（如氢气单质的分子量很小、一般只能用还原的方法得到等），在合成它们时，很难找到一种既具有工业经济性又有原子经济性的方法，所以，对不同的化学品（或化学反应）而言，相同的原子经济百分数，所含有的实际意义也可能大不相同。所以，原子经济百分数也是一个相对的概念。在实际工作中，在制取某一相同的化学品时，才可
6、以比较不同反应的原子经济性，尽量使用原子经济性高的化学合成反应。（2）化学反应收率：实际得到的目标产物数量占理论目标产物数量的百分数。即：化学反应收率是描述反应效果最常用的参数，有时也用产率、得率等词替代， 是与反应产率、得率相同的一个概念。化学反应收率是衡量化学反应中所有的反应物起始物与实际所得产物之间比例的一个参数。例4 在下列溴化反应中投入1公斤的苯酚与足量的溴单质反应得到了1公斤的均三溴苯酚，试计算其溴化反应的收率是多少？解：1公斤的苯酚全部与溴反应，并且只生成三溴苯酚，理论可得三溴苯酚的质量是：理论收率（100%） = 1330.894 = 3.52 KG。但是实际上只得到1公斤的三
7、溴苯酚，所以：实际收率 = 13.52100% = 28.4%收率在实际工业生产中非常有用，是工厂进行产品成本核算时必须使用的一个参数，同时也是衡量化学反应是否进行完全和化学反应选择性好坏的一个参考指标。（3）化学反应选择性：实际得到的目标产物数量占所有已经转化的原料数量百分数。即：一个化学反应在同一反应条件下，可能有多个反应方向，也就是除了得到目标产物外，还要产生一些副产物。目标产物相对于包含其它产物的所有产物的量，就是该反应的选择性。化学反应选择性包括化学选择性、区域选择性、立体选择性及非对映异构选择性等。例5 如例4中的反应原料是1.2KG，反应结束后尚余0.2KG，所得的产物三溴苯酚仍
8、然是1KG, 试计算该溴化反应在以上条件下的生产三溴苯酚的产率和选择性。解：反应1.2KG的原料理论上可得三溴苯酚为1.2330.894=4.22 KG， 实际得1KG产物。所以，该反应产率 = 14.22 100% = 23.7% 该反应实际参加反应的原料为1.2 - 0.2 = 1KG, 理论收率 = 1330.894 = 3.52 KG实际得到1KG的产物, 所以，（4）化学反应转化率：参加化学反应原料的数量占所有投入原料的数量百分数。即：化学反应转化率也是描述反应效果最常用的参数之一。例6 试计算例5中的转化率。解: 该反应投料1.2KG， 实际反应1KG, 剩余0.2KG, 所以，转
9、化率 = 1 1.2 100% = 83.33%转化率与产率之间有明显的差距，说明该反应要么进行得不完全，要么反应的选择性不好，或有较多的副产物生成。传统的化学合成方法只考虑反应物的转化率、产物的收率，较少考虑反应的选择性，而忽略考虑原子利用率。 只有原子利用率高的反应, 才能降低浪费, 减少副产物, 减少废物的排放。2反应转化率、收率与反应选择性、原子利用率之间的关系如何？ 例7 有如下烷基化反应：对甲基苯酚(19.61g, 0.22 mol), 叔丁基甲基醚(24.31g, 0.22mol)，硅锆催化剂(3.5 wt %)于100下保温3h，冷却后以GC确定反应产物成分。其主要产物是2-叔
10、丁基-4-甲基苯酚(13.0g)，有10.78g未反应的对甲基苯酚。计算该反应的反应转化率、收率、反应选择性、原子利用率各是多少？（改编自Yadav，Green Chem 1999, 1, 269）解：催化剂在反应前后没有变化，不予考虑其损耗。理论收率（100%） = 19.61x164/108 = 29.77g 收率% = 100x13/29.77 = 43.7% 转化率%=100x（19.61-10.78）/19.61 = 45.03%选择性% = 100x13 / 29.77(19.61-10.78)/19.61= 13/13.4 = 98%原子利用率 % = 100x164/(164+
11、32) = 83.6%试判断以下说法是否正确1原子利用率是100%的反应，其反应转化率等于100%。反应转化率等于100%的反应，其原子利用率是100%。2原子利用率是100%的反应，其反应收率等于100%。反应收率是100%的反应，其原子利用率等于100%。3选择性是100%的反应，其反应收率等于100%。反应收率是100%的反应，其选择性等于100%。4选择性是100%的反应，其原子利用率是100%。原子利用率是100%的反应，其选择性是100%例8 以下是合成氢醌的反应，试计算其在100%收率的情况下的原子利用率。解：这是一个多步合成反应，计算原子利用率时应先将两步反应写成一个反应： 所
12、以：原子利用率= 110 110 + 72 + 0.5(132) + 2(151) + 18= 110 / 568=19.37% 如果分步计算各步反应的原子利用率，再相乘得最后的原子利用率，则：第一步的原子利用率=216（216+132+604+72）100% =21.1%第二步的原子利用率=110（110+72）100% = 60.44%两步相乘为21.1%60.44%=12.8%可见并不与总反应的原子利用率一致，为什么？不难得出, 在数值大小上存在有如下关系：1对不同的反应类型而言，收率与原子利用率并不一致。有的反应收率很高时，原子利用率很小。有的反应收率高，原子利用率也高。所以原子利用率
13、与收率的关系与化学反应的类型有关系。一般而言，它们之间没有一个固定的关系式：选择性X原子利用率=收率1收率转化率. 一般情况下会有副反应发生，所以收率总是不会大于转化率。2选择性X转化率=收率，或选择性=收率转化率，所以，选择性和转化率是成反比的。收率与选择性成正比, 收率与转化率成正比。3收率与原子利用率成正比。选择性和利用率成正比。并没有关系式：选择性X原子利用率=收率3常见化学反应类型及其原子经济性常见化学反应类型有：（1） 加成反应(addition reaction)：不饱和分子与其它简单小分子在反应中相互加合生成新分子的反应为加成反应。加成反应根据反应的机理可分为亲电加成，亲核加成
14、，催化加氢和环加成等。如：例8 试计算如下亲核加成反应的原子利用率。解：原子利用率=147 (120 + 27)100% =100% 在该加成反应中，所有的反应物原子全部转化成为产物中的原子，没有其它产物生成，所以其原子利用率为100%。 加成反应有时会遇到选择性的问题，如烯烃的马式和反马式加成。所以并不是所有的加成反应的原子利用率都是100%。加成反应是一种原子经济性很高的反应。根据加成反应的定义，在加成反应中一个基团或原子被加合在双键或三键上，所以在没有选择性问题时，反应中没有被浪费掉的原子，原子利用率为100%，是绿色化学提倡的化学反应类型。（2）重排反应（rearrangement r
15、eaction）：构成分子的原子通过改变相互的位置、连接、键合形式等产生一个新分子的反应为重排反应。也有叫异构化反应。例9 试通过计算说明如下丙烯醇异构化反应的原子经济性。解：该反应只有一个反应物，也只有一个产物。并且反应物和产物的分子量完全相同。所以，该反应的原子利用率 = 86.13 86.13 100% = 100%重排反应（或异构化反应）是改变原子之间的相连关系引起碳骨架变化的反应，由于这种反应途径只是简单地改变分子中原子之间的连接方式，不引起反应物原子的流失，反应中所有原子都被引入到产物当中，因此是一种原子经济性的反应。不难看出，如下Claisen重排反应的原子经济百分数也为100%
16、（3）取代反应（substitution reaction）： 反应物分子中的原子或基团被其它原子或基团所取代的反应称为取代反应。取代反应也可按其反应历程分为亲核取代，亲电取代和游离基取代等。例10 试计算如下亲核取代反应的原子利用率。解：原子利用率=108.97（108.97+18）= 85.83%注意：反应中的质子没有在方程式中体现出来，但在计算原子利用率时还是应该把它考虑进去。因为所有物料的电荷之和应该是电中性的，溴离子不可以单独被加入到反应体系中去，而应该是与质子一起被加入的，并且没有被转化成产物中的原子，所以在计算反应的原子经济百分数时是应该考虑到该质子的。因此，在计算反应的原子经济
17、性时，如果将反应方程式写成离子方程式时，因为平衡电荷的离子没有体现出来，所以有时还不易计算其原子经济百分数。在取代反应中，一个原子或基团被另一个原子或基团取代，由于被取代下来的原子或基团没有被引入到目标产物，所以正常情况下，取代反应的原子经济性要比加成反应和重排反应低，如丙酸乙酯与甲基胺的反应的原子利用率为： 在某些反应中，取代反应和重排反应在一起发生，如以下反应即是先发生重排反应（甲基迁移），后发生取代反应（最后结果是溴取代了羟基）：（4）消除反应（elimination reaction）：又称消去反应。在分子中去除一个小分子或基团生成新化合物的反应叫消除反应。-消除反应（1，2-消除）：
18、在相邻两个碳原子上消除两个原子或基团，并在此两原子间形成双键或三键。-消除（1，1-消除）：在同一碳原子上同时消除两个原子或基团的反应。-消除（1，3-消除）：在相隔一个碳原子的两个碳原子上同时消除两个原子或基团的反应。消除反应也是原子经济性较低的反应，如霍夫曼消除反应： （5）周环反应（pericyclic reaction）: 反应中无离子或自由基等中间体产生，键断裂与形成是通过单一协同和环过渡态同时发生的反应。有电环化反应，环加成反应，-迁移重排反应，螯移变反应等。（6）氧化/还原反应（oxidation/reduction reaction）：有电子转移的反应。有机中：得氧/失氢为氧化
19、反应，失氧/得氢为还原反应。（7）酰化反应（acylation reaction）： 将酰基引入有机分子的反应。（8）甲基化反应（methylation）： 金属或金属无机物转化为其甲基化合物的反应。（9）缩合反应（10）Diels Alder 反应（Diels Alder reaction）加成反应，重排反应，取代反应，消除反应，氧化还原反应，周环反应中，哪些是原子经济性反应？ 通常，化学工作者在做合成反应时关心的是要使反应具有较高的选择性和产率2。其中，；，产率以下式表示 ：其中理论产量指的是由反应物能产生的产物的最大产量。尽管有些反应具有较高的产率，但在反应中只有少数的反应物原子被引入目
20、标产物，相当一部分反应物被用来产生副产物。按传统的评价反应效果的观点看，此类反应是有效的。但是原子经济则认为，评价一个化学反应除了要考虑反应的选择性和产率外，还必须考虑在化学合成中反应物的原子是否都被有效利用 。原子经济指的是有多少反应物原子被引入目标产物的概念。其定量表示是原子利用率百分数，可由下式计算： 其中，所有产物分子量的总和=目标产物的分子量+副产物的分子量。 由于不少反应中副产物难以确定，副产物分子量很难求得，因而原子利用率不易求。庆幸的是，可以利用质量作用定律计算出一个与之相同的数，即原子经济百分数： 有些反应本身固有较高的原子经济性，如常见的有机反应中加成反应和重排反应；而有些
21、反应本身固有的原子经济性较低，如消除反应和取代反应。以下就这四种反应类型分别加以说明。 此外，反应中保护基团的使用也是影响原子经济的一个重要因素，如使用1,2- 乙二醇保护酮基使之不与格氏试剂发生反应就是一个典型例子，反应式为： 由于保护基团乙二醇没有被产物所利用，使得该反应具有较低的原子经济性。 原子经济是评价反应物原子是否被有效利用的一个极其有价值的工具，但若称一个反应是“绿色”的，还必须考虑以下因素： (1)副产物的是否有毒有害？ (2)反应所需能量是多少？是否需要过多的能量来完成反应？ (3)合成时是否需要溶剂或其它辅助原料来分离提纯产物？ (4)反应是化学选择性、区域选择性、立体选择性还是非立体选择性的？
