La economía atómica ( eficiencia atómica/porcentaje ) es la eficiencia de conversión de un proceso químico en términos de todos los átomos involucrados y los productos deseados producidos. La definición más simple fue introducida por Barry Trost en 1991 y es igual a la relación entre la masa del producto deseado y la masa total de reactivos, expresada como porcentaje. El concepto de economía atómica (EA) y la idea de convertirla en un criterio principal para la mejora en química, es parte del movimiento de química verde que fue defendido por Paul Anastas desde principios de la década de 1990. [1] La economía atómica es un concepto importante de la filosofía de la química verde , [2] [3] [4] y una de las métricas más utilizadas para medir el "carácter verde" de un proceso o síntesis.
Una buena economía de átomos significa que la mayoría de los átomos de los reactivos se incorporan a los productos deseados y sólo se forman pequeñas cantidades de subproductos no deseados, lo que reduce el impacto económico y ambiental de la eliminación de desechos.
La economía atómica se puede escribir como:
Por ejemplo, si consideramos la reacción donde C es el producto deseado, entonces
La economía atómica óptima es del 100%.
La economía atómica es una preocupación diferente al rendimiento químico , porque un proceso de alto rendimiento puede dar como resultado subproductos sustanciales. Algunos ejemplos incluyen la reacción de Cannizzaro , en la que aproximadamente el 50% del aldehído reactivo se convierte en el otro estado de oxidación del objetivo; las reacciones de Wittig y Suzuki , que utilizan reactivos de alta masa que finalmente se convierten en desechos; y la síntesis de Gabriel , que produce una cantidad estequiométrica de sales de ácido ftálico .
Si el producto deseado tiene un enantiómero, la reacción debe ser lo suficientemente estereoselectiva incluso cuando la economía atómica es del 100 %. Una reacción de Diels-Alder es un ejemplo de una reacción potencialmente muy eficiente en términos atómicos que también puede ser quimio-, regio-, diastereo- y enantioselectiva. La hidrogenación catalítica es la que más se acerca a ser una reacción ideal que se practica ampliamente tanto a nivel industrial como académico. [5]
La economía atómica también se puede ajustar si se puede recuperar un grupo pendiente, por ejemplo, los grupos auxiliares de Evans . Sin embargo, es más conveniente evitarlo, ya que los procesos de recuperación nunca serán del 100 %. La economía atómica se puede mejorar mediante una selección cuidadosa de los materiales de partida y un sistema catalizador .
La mala economía de átomos es común en la síntesis de productos químicos finos o farmacéuticos , y especialmente en la investigación, donde el objetivo de producir de manera fácil y confiable una amplia gama de compuestos complejos conduce al uso de reacciones versátiles y confiables, pero poco económicas en cuanto a átomos. Por ejemplo, la síntesis de un alcohol se logra fácilmente mediante la reducción de un éster con hidruro de litio y aluminio , pero la reacción produce necesariamente un flóculo voluminoso de sales de aluminio, que deben separarse del alcohol producto y eliminarse. El costo de tal eliminación de materiales peligrosos puede ser considerable. La hidrogenólisis catalítica de un éster es la reacción análoga con una alta economía de átomos, pero requiere la optimización del catalizador, es una reacción mucho más lenta y no es aplicable universalmente.
En las reacciones químicas de la forma A+B→ C+D es fundamental que se generen necesariamente dos productos, aunque el producto C pueda haber sido el deseado. En ese caso, D se considera un subproducto. Como un objetivo importante de la química verde es maximizar la eficiencia de los reactivos y minimizar la producción de desechos, D debe ser útil, eliminarse o ser lo más insignificante e inocuo posible. Con la nueva ecuación de la forma A+B→C, el primer paso para hacer más eficiente la fabricación de productos químicos es el uso de reacciones que se asemejen a reacciones de adición simples, en las que las únicas otras adiciones sean materiales catalíticos.
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