Atomökonomie

Was ist Atomökonomie?

Die Atomökonomie (auch Atomeffizienz) ist der massemäßige prozentuale Anteil der Atome, die in einer chemischen Reaktion von den Ausgangsstoffen (Reaktanten) in das gewünschte Produkt überführt werden. Der Begriff wurde 1991 von Barry M. Trost definiert. Sie zählt zu den Metriken (Kennzahlen) der grünen Chemie und wird zur Beurteilung der Nachhaltigkeit eines chemischen Prozesses verwendet. Die Atomökonomie ist eng mit dem Massenerhaltungssatz verknüpft: Die Gesamtmasse der Reaktanten ist identisch mit der Gesamtmasse der Produkte. Atome, die nicht im gewünschten Produkt landen, stecken in Nebenprodukten und gelten damit als Abfall. Die wirtschaftlichen und ökologischen Kosten der Entsorgung dieser Abfälle machen eine Reaktion oder Synthese mit geringer Atomökonomie „weniger grün“. Eine Atomökonomie von 100 % bedeutet, dass alle Atome der Reaktanten im gewünschten Produkt zu finden sind – anschaulich gesagt: „kein Atom wird verschwendet“.

Berechnung der Atomökonomie

Die Atomökonomie AE(%) ist definiert als die gesamte Molmasse des gewünschten Produkts geteilt durch die Summe der gesamten Molmassen aller Reaktanten, ausgedrückt in Prozent: AE(%) = (Gesamte Molmasse des gewünschten Produkts · 100 %) / (Summe der gesamten Molmassen aller Reaktanten). Die Molmasse ist die Masse eines Mols einer Substanz, angegeben in g·mol⁻¹. Auch für mehrstufige Synthesen ist eine praktikable Berechnungsmethode beschrieben. Für eine generische mehrstufige Synthese zur Herstellung des Produkts R (ν sind die stöchiometrischen Zahlen der Reaktionsgleichungen): ν_A A + ν_B B → ν_P P + ν_X X; ν_P P + ν_C C → ν_Q Q + ν_Y Y; ν_Q Q + ν_D D → ν_R R + ν_Z Z. Hierfür gilt: AE(%) = (Molmasse von ν_R R · 100 %) / (Summe der Molmassen von ν_A A, ν_B B, ν_C C und ν_D D). Nach dem Massenerhaltungssatz entspricht im Beispiel die Summe der Molmassen von A, B, C und D der Summe der Molmassen von R, X, Y und Z (stöchiometrische Zahlen beachten). Da nur R das gewünschte Produkt ist, sind die Atome von X, Y und Z in Nebenprodukten verschwendet worden und dementsprechend Abfall.

Bedeutung in Industrie und Forschung

Die Atomökonomie spielt in der chemischen Industrie eine immer wichtigere Rolle. Moderne Synthesen werden so konzipiert, dass sie mit hoher Atomökonomie ablaufen – das ist meist zugleich das wirtschaftlichste Verfahren. Hohe Atomökonomie minimiert die Entsorgung unerwünschter Nebenprodukte, die oft in stöchiometrischen Mengen (also in Mengen entsprechend der Reaktionsgleichung) entstehen, oder macht sie ganz überflüssig. Große Chemieunternehmen wie die BASF AG praktizieren seit Jahrzehnten erfolgreich in großem Stil angewandte Atomökonomie (Stichwort: Verbundstandort). Dabei wird nicht nur die maximale Effizienz eines einzelnen Produktionsprozesses betrachtet, sondern die Effizienz eines komplexen Standorts als Einheit: Vermeintliche Abfallstoffe des Herstellungsprozesses A können wertvolle Ausgangsstoffe für den Produktionsprozess B sein. Das Konzept wird auch energetisch verfolgt: Die bei Kontiprozessen freiwerdende (exotherme, also Wärme abgebende) Reaktionsenergie kann in anderen Werksbereichen als Heizenergie genutzt werden. Über die Atomökonomie hinausgehende Ansätze zu einer „nachhaltigen“ Chemie umfassen die Verwendung nachwachsender Rohstoffe sowie die Einbeziehung von Ökobilanzen, Sozialbilanzen und Produktlebenscyclen. Gegenstand aktueller Forschung ist die Suche nach neuen lichtinduzierten Mehrkomponentenreaktionen, mit denen neue Methoden der organischen Synthesechemie für nachhaltige, atom- und energieeffiziente Reaktionen aufgezeigt werden sollen.

Beispiele für hohe und geringe Atomeffizienz

• Vollständig atomeffizient (alle Atome der Ausgangsstoffe finden sich im Produkt wieder): die [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion), die verwandten Cope- und Claisen-Umlagerungen, die Fries-Verschiebung (keine niedermolekularen Abfallstoffe) und die Passerini-Reaktion als Mehrkomponentenreaktion ohne jegliche Bildung eines niedermolekularen Abfallstoffs. • Die Addition von Brom an ein Alken unter Bildung eines Dibromalkans ist atomeffizient; die katalytische Bromierung von Benzol ist dagegen weniger atomeffizient, da neben Brombenzol ein Äquivalent Bromwasserstoff entsteht – vom Verbleib des Katalysators ganz abgesehen. • Die Ugi-Reaktion ist eine atomeffiziente Mehrkomponentenreaktion, bei der lediglich ein Äquivalent Wasser abgespalten wird. • Die Hydroformylierung ist atomeffizient, wenn die Regioselektivität (Ortsauswahl der Reaktion) hoch ist. • Bei der industriellen Phenolsynthese nach dem Cumolhydroperoxid-Verfahren fällt Aceton als Kuppelprodukt (gleichwertig anfallendes Nebenprodukt) in stöchiometrischer Menge an. Die Atomeffizienz ist mäßig, wenn nur das Phenol betrachtet wird, und gut, wenn das anfallende Aceton als marktfähiges Nebenprodukt mitgezählt wird. • Wenig atomeffizient sind: die Grignard-Reaktion mit erheblichen Salzabfällen; die Herstellung von Thioamiden aus Amiden mit Lawessons Reagenz oder Phosphorpentasulfid, bei der die Abfallmengen in der Regel erheblich sind; und die Gabriel-Synthese mit ausgeprägt schlechter Atomökonomie – selbst bei hohen Ausbeuten entstehen wesentlich größere Mengen an Abfall als vom gewünschten Produkt, einem primären Amin. • Bei einer Racematspaltung (Trennung eines Gemischs spiegelbildlicher Moleküle in die Enantiomere) kann bestenfalls eine Atomökonomie von 50 % erreicht werden – es sei denn, das ungewünschte Enantiomer racemisiert fortwährend oder kann extern racemisiert und recycelt werden. • Die Cannizzaro-Reaktion liefert bestenfalls mit 50 % Atomökonomie das gewünschte Reduktionsprodukt, einen Alkohol; der restliche Aldehyd wird zur Carbonsäure oxidiert.

Rechenbeispiel: industrielle Phenolherstellung

Die Chemikalie Phenol wird im industriellen Maßstab durch das Cumolhydroperoxid-Verfahren hergestellt, das auch als Phenolsynthese nach Hock (Hock-Verfahren) bekannt ist. Reaktionsgleichung: C6H6 (Benzol) + C3H6 (Propen) + O2 (Sauerstoff) → C3H6O (Aceton) + C6H6O (Phenol). Molmassen (in g·mol⁻¹): Benzol 78,11; Propen 42,08; Sauerstoff 31,98; Aceton 58,08; Phenol 94,11. Einsetzen in die Formel (für die Berechnung wird eine Ausbeute von 100 % angenommen): AE(%) = (94,11 g·mol⁻¹ · 100 %) / ((78,11 + 42,08 + 31,98) g·mol⁻¹) = 61,85 %. Die industrielle Phenolsynthese nach dem Cumolhydroperoxid-Verfahren besitzt demnach eine Atomökonomie von rund 62 %. Daraus ist zu schließen, dass etwa 62 % der Atome der Reaktanten sich in dem gewünschten Produkt Phenol wiederfinden.

Grenzen der Atomökonomie

Die Atomökonomie ist eine Kenngröße für die Beurteilung der Nachhaltigkeit eines chemischen Prozesses. Wie alle Werte, die komplexe Prozesse nur in bestimmten Punkten beschreiben wollen, besitzt sie gewisse Grenzen: • Sie erfasst den im Prozess entstehenden Abfall nicht. • Es werden nur die Reaktanten berücksichtigt; Lösungsmittel und Hilfsstoffe (z. B. Filterhilfen) werden nicht erfasst. • Die ökologischen Auswirkungen des fertigen Produkts, etwa Toxizität oder biologische Abbaubarkeit, werden nicht beurteilt.