원자 경제성

원자 경제성(, 원자 효율/백분율(atom efficiency/percentage))는 관련된 모든 원자와 생산된 원하는 제품의 관점에서 화학 공정의 전환 효율성이다. 가장 간단한 정의는 1991년 배리 트로스트에 의해 소개되었으며, 원하는 제품의 질량 대 반응물의 총 질량의 비율을 백분율로 나타낸 것과 같다. 원자 경제(AE)의 개념과 이를 화학 개선의 주요 기준으로 삼으려는 아이디어는 1990년대 초 폴 애너스타스가 주창한 녹색 화학 운동의 일부이다. 원자 경제는 녹색 화학 철학의 중요한 개념이며,Atom Economy: A Green Chemistry Module. 공정 또는 합성의 "녹색성"을 측정하는 데 가장 널리 사용되는 지표 중 하나이다.

좋은 원자 경제는 반응물 원자의 대부분이 원하는 제품에 통합되고 소량의 원치 않는 부산물만 형성되어 폐기물 처리의 경제적 및 환경적 영향을 줄인다는 것을 의미한다.

원자 경제는 다음과 같이 쓸 수 있다.

예를 들어, 다음과 같은 반응을 고려하면

여기서 C가 원하는 제품이라면,

최적의 원자 경제는 100%이다.

원자 경제는 화학 수율과는 다른 관심사인데, 높은 수율을 보이는 공정에서도 상당한 부산물이 발생할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 카니차로 반응에서는 반응물 알데하이드의 약 50%가 목표물의 다른 산화 상태가 된다. 비티히 및 스즈키-미야우라 반응은 결국 폐기물이 되는 고질량 시약을 사용한다. 그리고 가브리엘 합성은 화학량론적 양의 프탈산 염을 생성한다.

원하는 제품이 광학 이성질체를 가지고 있다면 원자 경제가 100%일지라도 반응은 충분히 입체 선택성을 가져야 한다. 딜스-알더 반응은 잠재적으로 매우 원자 효율적인 반응의 예시로, 또한 화학선택적, 자리선택적, 부분입체선택적, 거울상선택적일 수 있다. 촉매 수소화는 산업적으로나 학술적으로나 광범위하게 실행되는 이상적인 반응에 가장 가깝다.

원자 경제는 에반스 보조제와 같이 매달린 그룹이 회수 가능한 경우에도 조정될 수 있다. 그러나 이것을 피할 수 있다면 더 바람직하다. 회수 과정은 결코 100%가 될 수 없기 때문이다. 원자 경제는 출발 물질과 촉매 시스템의 신중한 선택을 통해 개선될 수 있다.

낮은 원자 경제는 정밀 화학 또는 의약품 합성, 특히 연구에서 흔히 발생한다. 이는 다양한 복잡한 화합물을 쉽게, 그리고 신뢰성 있게 생산하려는 목표가 다재다능하고 신뢰할 수 있지만 원자 경제성이 낮은 반응의 사용으로 이어지기 때문이다. 예를 들어, 알코올 합성은 수소화 알루미늄 리튬으로 에스터를 환원함으로써 쉽게 달성되지만, 이 반응은 필연적으로 부피가 큰 알루미늄 염 침전물을 생성하며, 이는 제품 알코올에서 분리하여 처리해야 한다. 이러한 유해 물질 처리 비용은 상당할 수 있다. 에스터의 촉매 수소첨가분해는 높은 원자 경제성을 가진 유사한 반응이지만, 촉매 최적화가 필요하고 훨씬 느린 반응이며 보편적으로 적용될 수 없다.

 원자 경제를 활용한 반응 생성 
A+B→ C+D 형태의 화학 반응에서는 두 가지 제품이 필연적으로 생성되지만, C가 원하는 제품일 수 있다는 것이 기본이다. 이 경우 D는 부산물로 간주된다. 반응물의 효율성을 극대화하고 폐기물 생산을 최소화하는 것이 녹색 화학의 중요한 목표이므로, D는 사용처를 찾거나, 제거되거나, 가능한 한 중요하지 않고 무해해야 한다. A+B→C 형태의 새로운 방정식에서 화학 제조를 더 효율적으로 만드는 첫 번째 단계는 촉매 물질만을 추가하는 간단한 첨가 반응과 유사한 반응을 사용하는 것이다.

 각주 

분류:화학량론