الاقتصاد الذري

اقتصاد الذرات ( كفاءة الذرات/النسبة المئوية ) هو كفاءة تحويل عملية كيميائية من حيث جميع الذرات الداخلة في التفاعل والمنتجات المطلوبة. وقدّم باري تروست أبسط تعريف له عام ١٩٩١، وهو يساوي النسبة بين الكتلة المولية للمنتج المطلوب إلى إجمالي الكتلة المولية للمتفاعلات، معبراً عنها كنسبة مئوية. يُعد مفهوم اقتصاد الذرات، وفكرة جعله معياراً أساسياً لتحسين الكيمياء، جزءاً من حركة الكيمياء الخضراء التي دافع عنها بول أناستاس منذ أوائل التسعينيات. ^{[ ١ ]} يُعد اقتصاد الذرات مفهوماً هاماً في فلسفة الكيمياء الخضراء، ^{[ ٢ ] [ ٣ ] [ ٤ ]} وأحد أكثر المقاييس استخداماً لقياس مدى "خضرة" عملية أو عملية تصنيع.

يعني الاقتصاد الذري الجيد أن معظم ذرات المواد المتفاعلة يتم دمجها في المنتجات المطلوبة ولا تتشكل سوى كميات صغيرة من المنتجات الثانوية غير المرغوب فيها، مما يقلل من التأثير الاقتصادي والبيئي للتخلص من النفايات.

يمكن كتابة اقتصاد الذرة على النحو التالي: $${\displaystyle {\text{اقتصاد الذرات}}={\frac {\text{الوزن الجزيئي للمنتج المطلوب}}{\text{الوزن الجزيئي لجميع المتفاعلات}}}\times 100\%}$$

على سبيل المثال، إذا نظرنا إلى التفاعل $${\displaystyle A+B\rightarrow C+D,}$$ حيث C هو المنتج المطلوب، إذن $${\displaystyle {\text{اقتصاد الذرات}}={\frac {{\text{الوزن الجزيئي }}C}{{\text{الوزن الجزيئي لـ }}A+B}}\%}$$

إن الاقتصاد الذري الأمثل هو 100%.

يُعدّ اقتصاد الذرات هاجسًا مختلفًا عن المردود الكيميائي ، لأنّ العملية ذات المردود العالي قد تُنتج مع ذلك كميات كبيرة من النواتج الثانوية. ومن الأمثلة على ذلك تفاعل كانيزارو ، حيث يتحوّل ما يقارب 50% من الألدهيد المتفاعل إلى حالة الأكسدة الأخرى للهدف؛ وتفاعلات ويتيج وسوزوكي التي تستخدم كواشف ذات كتلة عالية تُصبح في نهاية المطاف نفايات؛ وتخليق غابرييل ، الذي يُنتج كمية مكافئة من أملاح حمض الفثاليك .

إذا كان للمنتج المطلوب نظير ضوئي، فيجب أن يكون التفاعل انتقائيًا فراغيًا بدرجة كافية حتى عندما تكون كفاءة استخدام الذرات 100%. يُعد تفاعل ديلز-ألدر مثالًا على تفاعل ذي كفاءة عالية جدًا في استخدام الذرات، ويمكن أن يكون أيضًا انتقائيًا كيميائيًا، وموضعيًا، وثنائيًا فراغيًا، وانتقائيًا ضوئيًا. وتُعد عملية الهدرجة التحفيزية أقرب ما يكون إلى التفاعل المثالي الذي يُمارس على نطاق واسع في المجالين الصناعي والأكاديمي. ^{[ 5 ]}

يمكن تعديل كفاءة استخدام الذرات إذا أمكن استعادة مجموعة جانبية، مثل مجموعات إيفانز المساعدة . مع ذلك، يُفضّل تجنّب ذلك إن أمكن، إذ لن تكون عمليات الاستعادة كاملةً أبدًا. ويمكن تحسين كفاءة استخدام الذرات من خلال اختيار دقيق للمواد الأولية ونظام التحفيز .

يُعدّ ضعف كفاءة استخدام الذرات شائعًا في تصنيع المواد الكيميائية الدقيقة والمستحضرات الصيدلانية ، وخاصةً في مجال البحث العلمي، حيث يؤدي السعي إلى إنتاج مجموعة واسعة من المركبات المعقدة بسهولة وموثوقية إلى استخدام تفاعلات متعددة الاستخدامات وموثوقة، ولكنها ذات كفاءة منخفضة في استخدام الذرات. على سبيل المثال، يُمكن تصنيع الكحول بسهولة عن طريق اختزال الإستر باستخدام هيدريد الليثيوم والألومنيوم ، ولكن هذا التفاعل يُنتج بالضرورة كمية كبيرة من أملاح الألومنيوم، والتي يجب فصلها عن الكحول الناتج والتخلص منها. وقد تكون تكلفة التخلص من هذه المواد الخطرة باهظة. يُعدّ التحلل الهيدروجيني التحفيزي للإستر تفاعلًا مشابهًا يتميز بكفاءة عالية في استخدام الذرات، ولكنه يتطلب تحسينًا للمحفز، وهو تفاعل أبطأ بكثير، ولا يُمكن تطبيقه على نطاق واسع.

من الأساسي في التفاعلات الكيميائية من الصيغة A+B→C+D أن ينتج ناتجان بالضرورة، حتى وإن كان الناتج C هو المطلوب. وبناءً على ذلك، يُعتبر الناتج D ناتجًا ثانويًا. ولأن من أهم أهداف الكيمياء الخضراء تعظيم كفاءة المواد المتفاعلة وتقليل النفايات، فلا بد من إيجاد استخدام للناتج D، أو التخلص منه، أو جعله ضئيلاً وغير ضار قدر الإمكان. مع المعادلة الجديدة A+B→C، تتمثل الخطوة الأولى نحو زيادة كفاءة التصنيع الكيميائي في استخدام تفاعلات تُشبه تفاعلات الإضافة البسيطة، حيث تقتصر الإضافات الأخرى على المواد الحفازة.