MolDraw › Công cụ hóa học › Tính chỉ số hóa học xanh

Tính chỉ số hóa học xanh

Tóm tắt: Công cụ hóa học xanh này tính hiệu suất nguyên tử từ phương trình đã cân bằng, với khối lượng mol lấy từ công thức, rồi tính hiệu suất phản ứng, E-factor, cường độ khối lượng quy trình (PMI), hiệu suất khối lượng phản ứng (RME) và hiệu suất carbon từ khối lượng bạn đã dùng. Công cụ có sẵn quy trình ibuprofen Boots và BHC, một phản ứng Diels-Alder và một phản ứng Wittig. Miễn phí và chạy trên trình duyệt web.

Nhập phương trình đã cân bằng với công thức như C5H6 + C4H2O3 → C9H8O3 và chọn sản phẩm mong muốn để có hiệu suất nguyên tử. Thêm khối lượng mỗi chất phản ứng, khối lượng sản phẩm thu được và các dung môi, nước, thuốc thử hoặc xúc tác để có các chỉ số chất thải.

Trả lời nhanh: Với CH₃COOH + C₂H₅OH → CH₃COOC₂H₅ + H₂O, hiệu suất nguyên tử = 88,11 / (60,05 + 46,07) × 100 = 83,0%. Phản ứng cộng Diels-Alder đạt 100%. Ibuprofen điều chế theo quy trình Boots đạt 40,1%; quy trình BHC đạt 77,5%.

Vật liệu khác đã dùng (dung môi, nước, thuốc thử, xúc tác)

Chỉ số hóa học xanh và công thức

Hiệu suất nguyên tử (%) = ν × M(sản phẩm mong muốn) / Σ ν × M(chất phản ứng) × 100 Hiệu suất (%) = khối lượng thực tế / khối lượng lý thuyết × 100 RME (%) = khối lượng sản phẩm / Σ khối lượng chất phản ứng × 100 E-factor = (tổng khối lượng vào − khối lượng sản phẩm) / khối lượng sản phẩm PMI = tổng khối lượng vào / khối lượng sản phẩm = E-factor + 1 Hiệu suất carbon (%) = số mol C trong sản phẩm / số mol C trong chất phản ứng × 100
Chỉ sốDựa trênLý tưởngĐiều bị bỏ qua
Hiệu suất nguyên tửPhương trình đã cân bằng100%Hiệu suất, thuốc thử dư, dung môi
Hiệu suất phản ứngKết quả thí nghiệm100%Sản phẩm phụ và chất thải khác
Hiệu suất khối lượng phản ứngKhối lượng chất phản ứng và sản phẩm100%Dung môi và xử lý sau phản ứng
Hiệu suất carbonNguyên tử carbon vào và ra100%Chất thải không chứa carbon như muối
E-factor (đơn giản)Mọi đầu vào trừ dung môi và nước0Dung môi thải
E-factor (đầy đủ) và PMIMọi vật liệu đã dùng0 và 1Mức độ nguy hại và năng lượng tiêu thụ

E-factor điển hình theo ngành

NgànhSản lượng hằng năm (tấn)E-factor (kg chất thải/kg sản phẩm)
Lọc dầu10⁶ đến 10⁸dưới 0,1
Hóa chất cơ bản10⁴ đến 10⁶dưới 1 đến 5
Hóa chất tinh khiết10² đến 10⁴5 đến trên 50
Dược phẩm10 đến 10³25 đến trên 100

12 nguyên tắc của hóa học xanh

  1. Phòng ngừa: tránh tạo ra chất thải thay vì xử lý nó.
  2. Hiệu suất nguyên tử: đưa càng nhiều chất phản ứng vào sản phẩm càng tốt.
  3. Tổng hợp ít nguy hại hơn: dùng và tạo ra các chất ít độc.
  4. Hóa chất an toàn hơn: thiết kế sản phẩm hiệu quả nhưng ít độc hơn.
  5. Dung môi và chất phụ trợ an toàn hơn: dùng ít dung môi hơn và an toàn hơn.
  6. Hiệu quả năng lượng: tiến hành phản ứng gần nhiệt độ và áp suất phòng.
  7. Nguyên liệu tái tạo: dùng nguyên liệu từ sinh khối khi khả thi.
  8. Giảm dẫn xuất: tránh nhóm bảo vệ và các bước tạm thời khác.
  9. Xúc tác: xúc tác tốt hơn thuốc thử tỉ lượng.
  10. Thiết kế để phân hủy: sản phẩm nên phân hủy vô hại sau khi dùng.
  11. Phân tích theo thời gian thực: theo dõi phản ứng để ngăn ô nhiễm trước khi hình thành.
  12. Phòng ngừa tai nạn: chọn chất và điều kiện giảm nguy cơ cháy, nổ và rò rỉ.

Ví dụ có lời giải

Ester hóa

CH₃COOH + C₂H₅OH → CH₃COOC₂H₅ + H₂O. Vào 60,05 + 46,07 = 106,12 g/mol, ra 88,11 g/mol ester.

12,0 g acid và 11,5 g ethanol cho 13,2 g ester (lý thuyết 17,6 g).

AE 83,0%, hiệu suất 75,0%, RME 56,2%

Diels-Alder

Cyclopentadiene + maleic anhydride → sản phẩm cộng: C₅H₆ + C₄H₂O₃ → C₉H₈O₃.

66,10 + 98,06 = 164,16 g/mol, bằng khối lượng mol của sản phẩm.

AE 100%

Phản ứng Wittig

Ph₃P=CH₂ + cyclohexanone → methylenecyclohexane + Ph₃PO.

96,17 / (276,32 + 98,14) × 100. Triphenylphosphine oxide (278,29 g/mol) là chất thải.

AE 25,7%

Ibuprofen: quy trình Boots (6 bước)

Thuốc thử qua mọi bước: C₁₀H₁₄, C₄H₆O₃, C₄H₇ClO₂, C₂H₅ONa, H₃O⁺, NH₂OH và 2H₂O = 515,0 g cho 206,3 g ibuprofen.

AE 40,1%

Ibuprofen: quy trình BHC (3 bước)

C₁₀H₁₄ + C₄H₆O₃ + H₂ + CO → C₁₃H₁₈O₂ + CH₃COOH. Vào 266,3 g cho 206,3 g ra.

AE 77,5% (thường ghi là 77%; khoảng 99% khi thu hồi acetic acid)

E-factor và PMI

Phản ứng ester hóa ở trên với 1,0 g H₂SO₄, 20 g dung dịch carbonate và 50 g nước rửa: vào 94,5 g, ra 13,2 g.

E-factor đầy đủ 6,16, PMI 7,16

Lỗi thường gặp

Đang so sánh các con đường tổng hợp? Vẽ từng con đường, với thuốc thử trên mũi tên, trong MolDraw, trình soạn thảo cấu trúc hóa học trực tuyến miễn phí.

Mở trình soạn thảo MolDraw

Câu hỏi thường gặp

Hiệu suất nguyên tử là gì và tính như thế nào?

Hiệu suất nguyên tử (atom economy) là phần trăm khối lượng của tất cả chất phản ứng đi vào sản phẩm mong muốn, giả sử hiệu suất 100%. Hiệu suất nguyên tử = (hệ số × khối lượng mol của sản phẩm mong muốn) / (tổng hệ số × khối lượng mol của mọi chất phản ứng) × 100. Với CH3COOH + C2H5OH → CH3COOC2H5 + H2O, giá trị là 88,11 / 106,12 × 100 = 83,0%.

Hiệu suất nguyên tử và hiệu suất phản ứng khác nhau thế nào?

Hiệu suất nguyên tử chỉ dựa vào phương trình đã cân bằng và cho biết bao nhiêu khối lượng chất phản ứng có thể đi vào sản phẩm. Hiệu suất phản ứng được đo trong phòng thí nghiệm và cho biết lượng sản phẩm thực tế thu được so với lượng lý thuyết. Một phản ứng có thể đạt hiệu suất 100% mà vẫn có hiệu suất nguyên tử thấp, như phản ứng Wittig.

E-factor bao nhiêu là tốt?

Càng thấp càng tốt và lý tưởng là 0. Giá trị điển hình dưới 0,1 cho lọc dầu, dưới 1 đến 5 cho hóa chất cơ bản, 5 đến trên 50 cho hóa chất tinh khiết và 25 đến trên 100 cho dược phẩm. Phần lớn chất thải trong hóa chất tinh khiết và thuốc là dung môi.

Cường độ khối lượng quy trình liên hệ với E-factor thế nào?

PMI là tổng khối lượng mọi thứ được dùng chia cho khối lượng sản phẩm. E-factor đầy đủ là khối lượng chất thải chia cho khối lượng sản phẩm. Vì chất thải = tổng đầu vào − sản phẩm, PMI = E-factor + 1.

Vì sao phản ứng Diels-Alder có hiệu suất nguyên tử 100%?

Đó là phản ứng cộng: diene và dienophile kết hợp thành một sản phẩm và không có gì bị mất. Với cyclopentadiene + maleic anhydride, 66,10 + 98,06 = 164,16 g/mol, đúng bằng khối lượng mol của sản phẩm cộng. Các phản ứng chuyển vị và hầu hết phản ứng cộng cũng đạt 100%.

Vì sao quy trình tổng hợp ibuprofen BHC xanh hơn quy trình Boots?

Quy trình Boots gồm sáu bước và có hiệu suất nguyên tử khoảng 40%. Quy trình BHC gồm ba bước có xúc tác và đạt 77,5%, và khoảng 99% khi thu hồi sản phẩm phụ acetic acid. Nó cũng tạo ra ít muối thải hơn nhiều và dùng xúc tác tái sử dụng được.

Hiệu suất khối lượng phản ứng là gì?

RME là khối lượng sản phẩm thu được chia cho tổng khối lượng chất phản ứng đã dùng, nhân 100. Nó gộp hiệu suất nguyên tử, hiệu suất phản ứng và việc dùng dư thuốc thử vào một con số: RME = hiệu suất nguyên tử × hiệu suất ÷ hệ số dư.

Công cụ hóa học liên quan

Tính hiệu suất phản ứngHiệu suất thực tế so với lý thuyếtTính hiệu suất lý thuyếtTừ chất phản ứng giới hạn đến số gam sản phẩmTìm chất phản ứng giới hạnChất phản ứng nào hết trướcTính khối lượng molTính khối lượng mol từng bướcCân bằng phương trình hóa họcCân bằng phản ứng và ion oxi hóa – khửTính toán theo phương trình hóa họcTỉ lệ mol và khối lượngBảng ICE và giải cân bằng hóa họcx chính xác, Q so với K, Kp và KcMô phỏng đường cong chuẩn độĐường cong pH, điểm tương đương, chất chỉ thịTính chữ số có nghĩaĐếm, làm tròn, tính toán chữ số có nghĩa và đơn vị

Muốn xem toàn bộ phương pháp với nhiều ví dụ hơn? Đọc hướng dẫn chỉ số hóa học xanh. Cần phác họa phân tử cho báo cáo? Vẽ cấu trúc hóa học trực tuyến với MolDraw.

Cập nhật lần cuối: