MolDraw › เครื่องมือเคมี › เครื่องคำนวณตัวชี้วัดเคมีสีเขียว
เครื่องคำนวณตัวชี้วัดเคมีสีเขียว
สรุปสั้น ๆ: เครื่องคำนวณเคมีสีเขียวนี้หาการประหยัดอะตอมจากสมการที่ดุลแล้ว โดยใช้มวลโมลาร์จากสูตร จากนั้นหาร้อยละผลได้ E-factor ความเข้มมวลของกระบวนการ (PMI) ประสิทธิภาพมวลของปฏิกิริยา (RME) และประสิทธิภาพคาร์บอนจากมวลที่คุณใช้ มีตัวอย่างเส้นทางสังเคราะห์ไอบูโพรเฟนแบบ Boots และ BHC ปฏิกิริยาดีลส์-แอลเดอร์ และปฏิกิริยาวิททิก ใช้งานฟรีและทำงานในเว็บเบราว์เซอร์
พิมพ์สมการที่ดุลแล้วด้วยสูตร เช่น C5H6 + C4H2O3 → C9H8O3 แล้วเลือกผลิตภัณฑ์ที่ต้องการเพื่อหาการประหยัดอะตอม เพิ่มมวลของสารตั้งต้นแต่ละตัว มวลผลิตภัณฑ์ที่แยกได้ และตัวทำละลาย น้ำ รีเอเจนต์ หรือตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ เพื่อหาตัวชี้วัดของเสีย
วัสดุอื่นที่ใช้ (ตัวทำละลาย น้ำ รีเอเจนต์ ตัวเร่งปฏิกิริยา)
ตัวชี้วัดเคมีสีเขียวและสูตร
การประหยัดอะตอม (%) = ν × M(ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ) / Σ ν × M(สารตั้งต้น) × 100
ร้อยละผลได้ (%) = มวลจริง / มวลตามทฤษฎี × 100 RME (%) = มวลผลิตภัณฑ์ / Σ มวลสารตั้งต้น × 100
E-factor = (มวลที่ใส่ทั้งหมด − มวลผลิตภัณฑ์) / มวลผลิตภัณฑ์ PMI = มวลที่ใส่ทั้งหมด / มวลผลิตภัณฑ์ = E-factor + 1
ประสิทธิภาพคาร์บอน (%) = mol ของ C ในผลิตภัณฑ์ / mol ของ C ในสารตั้งต้น × 100
| ตัวชี้วัด | อิงจาก | ค่าอุดมคติ | สิ่งที่ไม่ได้นับ |
|---|---|---|---|
| การประหยัดอะตอม | สมการที่ดุลแล้ว | 100% | ผลได้ สารเกินพอ ตัวทำละลาย |
| ร้อยละผลได้ | ผลการทดลอง | 100% | ผลพลอยได้และของเสียอื่น |
| ประสิทธิภาพมวลของปฏิกิริยา | มวลของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ | 100% | ตัวทำละลายและขั้นตอนแยกผลิตภัณฑ์ |
| ประสิทธิภาพคาร์บอน | อะตอมคาร์บอนที่เข้าและออก | 100% | ของเสียที่ไม่ใช่คาร์บอน เช่น เกลือ |
| E-factor (แบบง่าย) | วัตถุดิบทั้งหมดยกเว้นตัวทำละลายและน้ำ | 0 | ของเสียจากตัวทำละลาย |
| E-factor (แบบสมบูรณ์) และ PMI | วัสดุทุกอย่างที่ใช้ | 0 และ 1 | อันตรายและการใช้พลังงาน |
ค่า E-factor ทั่วไปตามอุตสาหกรรม
| ภาคอุตสาหกรรม | ผลผลิตต่อปี (ตัน) | E-factor (kg ของเสีย/kg ผลิตภัณฑ์) |
|---|---|---|
| การกลั่นน้ำมัน | 10⁶ ถึง 10⁸ | ต่ำกว่า 0.1 |
| สารเคมีปริมาณมาก | 10⁴ ถึง 10⁶ | ต่ำกว่า 1 ถึง 5 |
| เคมีภัณฑ์ละเอียด | 10² ถึง 10⁴ | 5 ถึงมากกว่า 50 |
| ยา | 10 ถึง 10³ | 25 ถึงมากกว่า 100 |
หลักการ 12 ข้อของเคมีสีเขียว
- การป้องกัน: หลีกเลี่ยงการเกิดของเสียแทนการบำบัดภายหลัง
- การประหยัดอะตอม: ทำให้สารตั้งต้นกลายเป็นผลิตภัณฑ์ให้ได้มากที่สุด
- การสังเคราะห์ที่อันตรายน้อยลง: ใช้และสร้างสารที่มีความเป็นพิษต่ำ
- สารเคมีที่ปลอดภัยกว่า: ออกแบบผลิตภัณฑ์ที่ใช้งานได้แต่มีพิษน้อยลง
- ตัวทำละลายและสารช่วยที่ปลอดภัยกว่า: ใช้ตัวทำละลายน้อยลงและปลอดภัยกว่า
- ประสิทธิภาพด้านพลังงาน: ทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิและความดันใกล้เคียงห้อง
- วัตถุดิบหมุนเวียน: ใช้วัตถุดิบจากชีวมวลเมื่อทำได้จริง
- ลดอนุพันธ์: หลีกเลี่ยงหมู่ปกป้องและขั้นตอนชั่วคราวอื่น ๆ
- การเร่งปฏิกิริยา: ตัวเร่งปฏิกิริยาดีกว่ารีเอเจนต์ที่ใช้ตามปริมาณสัมพันธ์
- ออกแบบให้ย่อยสลายได้: ผลิตภัณฑ์ควรสลายตัวโดยไม่เป็นอันตรายหลังใช้งาน
- การวิเคราะห์แบบเรียลไทม์: ติดตามปฏิกิริยาเพื่อหยุดมลพิษก่อนที่จะเกิด
- การป้องกันอุบัติเหตุ: เลือกสารและภาวะที่ลดความเสี่ยงจากไฟไหม้ การระเบิด และการรั่วไหล
ตัวอย่างโจทย์
เอสเทอริฟิเคชัน
CH₃COOH + C₂H₅OH → CH₃COOC₂H₅ + H₂O ใส่ 60.05 + 46.07 = 106.12 g/mol ได้เอสเทอร์ 88.11 g/mol
กรด 12.0 g และเอทานอล 11.5 g ให้เอสเทอร์ 13.2 g (ตามทฤษฎี 17.6 g)
AE 83.0%, ผลได้ 75.0%, RME 56.2%
ดีลส์-แอลเดอร์
ไซโคลเพนทาไดอีน + มาเลอิกแอนไฮไดรด์ → แอดดักต์: C₅H₆ + C₄H₂O₃ → C₉H₈O₃
66.10 + 98.06 = 164.16 g/mol เท่ากับผลิตภัณฑ์
AE 100%
ปฏิกิริยา Wittig
Ph₃P=CH₂ + ไซโคลเฮกซาโนน → เมทิลีนไซโคลเฮกเซน + Ph₃PO
96.17 / (276.32 + 98.14) × 100 ไตรฟีนิลฟอสฟีนออกไซด์ (278.29 g/mol) เป็นของเสีย
AE 25.7%
ไอบูโพรเฟน: เส้นทาง Boots (6 ขั้นตอน)
รีเอเจนต์จากทุกขั้นตอน: C₁₀H₁₄, C₄H₆O₃, C₄H₇ClO₂, C₂H₅ONa, H₃O⁺, NH₂OH และ 2H₂O = 515.0 g ต่อไอบูโพรเฟน 206.3 g
AE 40.1%
ไอบูโพรเฟน: เส้นทาง BHC (3 ขั้นตอน)
C₁₀H₁₄ + C₄H₆O₃ + H₂ + CO → C₁₃H₁₈O₂ + CH₃COOH ใส่ 266.3 g ได้ออก 206.3 g
AE 77.5% (มักอ้างเป็น 77% และประมาณ 99% เมื่อนำกรดแอซีติกกลับมาใช้)
E-factor และ PMI
เอสเทอริฟิเคชันข้างต้นโดยใช้ H₂SO₄ 1.0 g สารละลายคาร์บอเนต 20 g และน้ำล้าง 50 g: ใส่ 94.5 g ได้ออก 13.2 g
E-factor แบบสมบูรณ์ 6.16, PMI 7.16
ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย
- ใช้สมการที่ยังไม่ดุล สัมประสิทธิ์เปลี่ยนมวลของสารตั้งต้น ต้องดุลสมการก่อน
- สับสนการประหยัดอะตอมกับผลได้ ปฏิกิริยาวิททิกที่ได้ผลได้ 95% ยังคงสูญเสียมวลสารตั้งต้นไปราวสามในสี่
- นับตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวทำละลายในการประหยัดอะตอม สิ่งเหล่านี้ไม่นับใน AE แต่ต้องนับใน E-factor และ PMI
- ลืมสัมประสิทธิ์ของผลิตภัณฑ์ หากสมการให้ผลิตภัณฑ์ 2 mol ให้ใช้ 2 × M ในตัวเศษ
- ปน E-factor แบบง่ายกับแบบสมบูรณ์ ระบุให้ชัดว่ารวมตัวทำละลายและน้ำหรือไม่ เพราะมักเป็นส่วนใหญ่ของทั้งหมด
- ใช้สารเกินพอหาผลได้ตามทฤษฎี ผลได้ตามทฤษฎีคำนวณจากสารกำหนดปริมาณ
กำลังเปรียบเทียบเส้นทางสังเคราะห์? วาดแต่ละเส้นทางพร้อมรีเอเจนต์เหนือลูกศรใน MolDraw ตัวแก้ไขโครงสร้างเคมีออนไลน์ฟรี
เปิดตัวแก้ไข MolDrawคำถามที่พบบ่อย
การประหยัดอะตอม (atom economy) คืออะไรและคำนวณอย่างไร?
การประหยัดอะตอมคือร้อยละของมวลสารตั้งต้นทั้งหมดที่กลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ โดยสมมติว่าได้ผลได้ 100% การประหยัดอะตอม = (สัมประสิทธิ์ × มวลโมลาร์ของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ) / (ผลรวมของสัมประสิทธิ์ × มวลโมลาร์ของสารตั้งต้นทั้งหมด) × 100 สำหรับ CH3COOH + C2H5OH → CH3COOC2H5 + H2O จะได้ 88.11 / 106.12 × 100 = 83.0%
การประหยัดอะตอมกับร้อยละผลได้ต่างกันอย่างไร?
การประหยัดอะตอมได้จากสมการที่ดุลแล้วเพียงอย่างเดียว และบอกว่ามวลของสารตั้งต้นกลายเป็นผลิตภัณฑ์ได้มากเพียงใด ส่วนร้อยละผลได้วัดในห้องปฏิบัติการ และบอกว่าได้ผลิตภัณฑ์จริงเท่าใดเมื่อเทียบกับผลได้ตามทฤษฎี ปฏิกิริยาอาจมีผลได้ 100% แต่การประหยัดอะตอมยังต่ำได้ เช่น ปฏิกิริยาวิททิก (Wittig)
E-factor ที่ดีควรเป็นเท่าใด?
ยิ่งต่ำยิ่งดี และค่าในอุดมคติคือ 0 ค่าทั่วไปคือต่ำกว่า 0.1 สำหรับการกลั่นน้ำมัน ต่ำกว่า 1 ถึง 5 สำหรับสารเคมีปริมาณมาก 5 ถึงมากกว่า 50 สำหรับเคมีภัณฑ์ละเอียด และ 25 ถึงมากกว่า 100 สำหรับยา ของเสียส่วนใหญ่ในเคมีภัณฑ์ละเอียดและยาคือตัวทำละลาย
ความเข้มมวลของกระบวนการ (PMI) สัมพันธ์กับ E-factor อย่างไร?
PMI คือมวลรวมของทุกสิ่งที่ใช้หารด้วยมวลของผลิตภัณฑ์ E-factor แบบสมบูรณ์คือมวลของเสียหารด้วยมวลผลิตภัณฑ์ เนื่องจากของเสีย = มวลที่ใส่ทั้งหมด − ผลิตภัณฑ์ จึงได้ PMI = E-factor + 1
ทำไมปฏิกิริยาดีลส์-แอลเดอร์จึงมีการประหยัดอะตอม 100%?
เป็นปฏิกิริยาการเติม: ไดอีนและไดอีโนไฟล์รวมกันเป็นผลิตภัณฑ์เดียวโดยไม่มีสิ่งใดสูญเสีย สำหรับไซโคลเพนทาไดอีน + มาเลอิกแอนไฮไดรด์ 66.10 + 98.06 = 164.16 g/mol เท่ากับมวลโมลาร์ของแอดดักต์พอดี ปฏิกิริยาการจัดเรียงใหม่และปฏิกิริยาการเติมส่วนใหญ่ก็ได้ 100% เช่นกัน
ทำไมการสังเคราะห์ไอบูโพรเฟนแบบ BHC จึงเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าแบบ Boots?
เส้นทาง Boots มีหกขั้นตอนและมีการประหยัดอะตอมประมาณ 40% ส่วนเส้นทาง BHC มีสามขั้นตอนที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา และได้ 77.5% หรือประมาณ 99% เมื่อนำกรดแอซีติกที่เป็นผลพลอยได้กลับมาใช้ใหม่ อีกทั้งยังสร้างเกลือที่เป็นของเสียน้อยกว่ามากและใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้
ประสิทธิภาพมวลของปฏิกิริยา (RME) คืออะไร?
RME คือมวลผลิตภัณฑ์ที่แยกได้หารด้วยมวลรวมของสารตั้งต้นที่ใช้ คูณ 100 ซึ่งรวมการประหยัดอะตอม ผลได้ และการใช้สารเกินพอไว้ในตัวเลขเดียว: RME = การประหยัดอะตอม × ผลได้ ÷ ตัวประกอบสารเกินพอ
เครื่องมือเคมีที่เกี่ยวข้อง
ต้องการวิธีทำฉบับเต็มพร้อมตัวอย่างเพิ่มเติม? อ่านคู่มือตัวชี้วัดเคมีสีเขียว ต้องการร่างโมเลกุลสำหรับรายงาน? วาดโครงสร้างเคมีออนไลน์ด้วย MolDraw
อัปเดตล่าสุด: