Выход (химия) - Yield (chemistry)

В химии , выход , называемый также выхода продукта реакции , является мерой количества молей одного продукта , образованного по отношению к реагенту, потребленный полученного в результате химической реакции , как правило , выражается в процентах. Урожайность - один из основных факторов, которые ученые должны учитывать в процессах органического и неорганического химического синтеза . В инженерии химических реакций "выход", " преобразование""и" селективность "- это термины, используемые для описания соотношений того, сколько реагента было израсходовано (конверсия), сколько желаемого продукта было образовано (выход) по отношению к нежелательному продукту (селективность), представленных как X, Y и S .

Определения

В химической реакционной технике термины «выход», « конверсия » и «селективность» используются для описания соотношений того, сколько реагента прореагировало - конверсия, сколько желаемого продукта образовалось - выход и сколько желаемого продукта было получено. образованный по отношению к нежелательному продукту - селективность, представленная как X, S и Y.

Согласно руководству « Элементы инженерии химических реакций» , выход означает количество образовавшегося конкретного продукта на моль потребленного реагента. В химии моль используется для описания количества реагентов и продуктов в химических реакциях.

Сборник химической терминологии определен выход как " отношение , выражающего эффективность процесса преобразования масс. Коэффициент текучести определяются как количество клеточной массы (кг) или образующееся продукт (кг, мол) , связанное с потребленным субстратом (углерод или источник азота или кислород в кг или молях) или на внутриклеточную продукцию АТФ (моль) ».

В разделе «Расчет выходов при мониторинге реакций» в 4-м издании Учебника практической органической химии Фогеля 1996 г. (1978) авторы пишут, что « теоретический выход в органической реакции - это вес продукта, который может быть получен. если реакция завершилась в соответствии с химическим уравнением. Выход представляет собой массу чистого продукта, выделенного из реакции ». В «Учебнике Фогеля» издания 1996 г. процентная доходность выражается как:

${\ displaystyle {\ mbox {процент доходности}} = {\ frac {\ mbox {вес продукта}} {\ mbox {теоретический доход}}} \ times 100}$

Согласно изданию Vogel's Textbook 1996 г. , урожайность, близкая к 100%, называется количественной , урожайность выше 90% - отличной , урожайность выше 80% - очень хороша , урожайность выше 70% - хороша , урожайность выше 50% - удовлетворительна , а урожайность ниже 40% называются бедными . В своей публикации 2002 года Петруччи, Харвуд и Херринг написали, что названия в Учебнике Фогеля были произвольными и не общепринятыми, и в зависимости от характера рассматриваемой реакции эти ожидания могут быть нереалистично завышенными. Если продукты нечистые, выход может составлять 100% или выше, так как измеренный вес продукта будет включать вес любых примесей.

В своем лабораторном руководстве « Экспериментальная органическая химия» от 2016 года авторы описали «выход реакции» или «абсолютный выход» химической реакции как «количество чистого и сухого продукта, полученного в результате реакции». Они писали, что знание стехиометрии химической реакции - количества и типов атомов в реагентах и ​​продуктах в сбалансированном уравнении «позволяет сравнивать различные элементы с помощью стехиометрических факторов». Коэффициенты, полученные с помощью этих количественных соотношений, полезны при анализе данных.

Теоретическая, фактическая и процентная доходность

Процентный выход представляет собой сравнение между фактическим выходом, который представляет собой вес предполагаемого продукта химической реакции в лабораторных условиях, и теоретическим выходом, измеренным чистым заданным изолированным продуктом, основанным на химическом уравнении безупречного химического вещества. реакция, и определяется как,

${\ displaystyle {\ mbox {процентная доходность}} = {\ frac {\ mbox {фактическая доходность}} {\ mbox {теоретическая доходность}}} \ раз 100}$

Идеальное соотношение между продуктами и реагентами в химической реакции может быть получено с помощью уравнения химической реакции. Стехиометрия используется для проведения расчетов химических реакций, например, стехиометрического мольного отношения между реагентами и продуктами. Стехиометрия химической реакции основана на химических формулах и уравнениях, которые обеспечивают количественное соотношение между количеством молей различных продуктов и реагентов, включая выходы. Стехиометрические уравнения используются для определения ограничивающего реагента или реагента - реагента, который полностью расходуется в реакции. Ограничивающий реагент определяет теоретический выход - относительное количество молей реагентов и продукта, образующегося в химической реакции. Сообщается, что другие реагенты присутствуют в избытке. Фактический выход - количество, физически полученное в результате химической реакции, проводимой в лаборатории, - часто меньше теоретического выхода. Теоретический выход - это то, что было бы получено, если бы весь ограничивающий реагент прореагировал с образованием рассматриваемого продукта. Более точный выход измеряется на основе того, сколько продукта было фактически произведено по сравнению с тем, сколько могло быть произведено. Соотношение теоретического и фактического урожая дает процентный доход.

Когда в реакции участвует более одного реагента, выход обычно рассчитывается на основе количества ограничивающего реагента , количество которого меньше стехиометрического эквивалента (или просто эквивалента) количеству всех других присутствующих реагентов. Другие реагенты, присутствующие в количествах, превышающих необходимые для взаимодействия со всем присутствующим ограничивающим реагентом, считаются избыточными. В результате выход не следует автоматически принимать в качестве меры эффективности реакции.

В своей публикации 1992 г. General Chemistry , Whitten, Gailey и Davis описали теоретический выход как количество, предсказанное стехиометрическим расчетом на основе числа молей всех присутствующих реагентов. Этот расчет предполагает, что происходит только одна реакция и ограничивающий реагент реагирует полностью.

По словам Уиттена, фактическая доходность всегда меньше (процентная доходность меньше 100%), часто даже очень, по нескольким причинам. В результате многие реакции не завершаются, и реагенты не полностью превращаются в продукты. Если происходит обратная реакция, конечное состояние содержит как реагенты, так и продукты в состоянии химического равновесия . Две или более реакции могут происходить одновременно, так что некоторые реагенты превращаются в нежелательные побочные продукты. Потери происходят при отделении и очистке желаемого продукта от реакционной смеси. В исходном материале присутствуют примеси, которые не реагируют с образованием желаемого продукта.

Пример

Это пример реакции этерификации, когда одна молекула уксусной кислоты (также называемой этановой кислотой) реагирует с одной молекулой этанола , давая одну молекулу этилацетата (бимолекулярная реакция второго порядка типа A + B → C):

120 г уксусной кислоты (60 г / моль, 2,0 моль) подвергали взаимодействию с 230 г этанола (46 г / моль, 5,0 моль), получая 132 г этилацетата (88 г / моль, 1,5 моль). Выход составил 75%.

1. Молярное количество реагентов рассчитывается исходя из веса (уксусная кислота: 120 г ÷ 60 г / моль = 2,0 моль; этанол: 230 г ÷ 46 г / моль = 5,0 моль).
2. Этанол используют в 2,5-кратном избытке (5,0 моль ÷ 2,0 моль).
3. Теоретический молярный выход составляет 2,0 молей (молярное количество предельного соединения, уксусная кислоты).
4. Молярный выход продукта рассчитывается исходя из его веса (132 г ÷ 88 г / моль = 1,5 моль).
5. % Выход рассчитываются исходя из фактического молярного выхода и теоретического выхода молярного (1,5 моль ÷ 2,0 моль × 100% = 75%).

Очистка продуктов

В своем Руководстве по синтетической органической химии 2016 года Майкл Пиррунг написал, что выход является одним из основных факторов, которые химики-синтетики должны учитывать при оценке синтетического метода или конкретного преобразования в «многоступенчатом синтезе». Он написал, что выход, основанный на восстановленном исходном материале (BRSM) или (BORSM), не обеспечивает теоретический выход или «100% рассчитанного количества продукта», который необходим для того, чтобы сделать следующий шаг в многоступенчатом синтезе. .

Стадии очистки всегда снижают выход из-за потерь, возникающих при перемещении материала между реакционными сосудами и устройством очистки или несовершенного отделения продукта от примесей, что может потребовать удаления фракций, считающихся недостаточно чистыми. Выход продукта, измеренный после очистки (обычно до> 95% спектроскопической чистоты или до достаточной чистоты для прохождения анализа горения), называется изолированным выходом реакции.

Внутренний стандарт доходности

Выходы также можно рассчитать путем измерения количества образовавшегося продукта (обычно в неочищенной неочищенной реакционной смеси) относительно известного количества добавленного внутреннего стандарта, используя такие методы, как газовая хроматография (ГХ), высокоэффективная жидкостная хроматография или ядерная хроматография. магнитно-резонансная спектроскопия (ЯМР-спектроскопия) или магнитно-резонансная спектроскопия (MRS). Урожайность, определенная с использованием этого подхода, называется выходом внутреннего стандарта . Выходы обычно получают таким образом, чтобы точно определить количество продукта, полученного в результате реакции, независимо от потенциальных проблем с выделением. Кроме того, они могут быть полезны, когда выделение продукта затруднительно или утомительно, или когда желательно быстрое определение приблизительного выхода. Если не указано иное, выходы, указанные в литературе по синтетической органической и неорганической химии, относятся к выделенным выходам, которые лучше отражают количество чистого продукта, которое может быть получено в указанных условиях при повторении экспериментальной процедуры.

Отчетность по урожайности

В своей статье Synlett 2010 года Мартина Вернерова и химик-органик Томаш Гудлицки выразили обеспокоенность по поводу неточного представления данных об урожайности и предложили решения, включая надлежащую характеристику соединений. После проведения тщательных контрольных экспериментов Вернерова и Худлики сказали, что каждая физическая манипуляция (включая экстракцию / промывку, сушку над осушителем, фильтрацию и колоночную хроматографию) приводит к потере выхода примерно на 2%. Таким образом, изолированные выходы, измеренные после стандартной водной обработки и хроматографической очистки, редко должны превышать 94%. Они назвали это явление «инфляцией урожайности» и заявили, что в последние десятилетия в химической литературе рост урожайности постепенно увеличивался. Они объяснили инфляцию урожайности небрежным измерением урожайности по реакции, проводимой в небольшом масштабе, принятием желаемого за действительное и желанием сообщить более высокие цифры для целей публикации. В статье Худлики, опубликованной в 2020 году в Angewandte Chemie (после отозванной), дано уважение и вторит часто цитируемый тридцатилетний обзор органического синтеза Дитера Зеебаха за 1990 год, который также был опубликован в Angewandte Chemie . В своем 30-летнем обзоре Angewandte Chemie 2020 года Худлики сказал, что предложения, которые он и Вернерова сделали в своей статье Synlett 2020 года , «были проигнорированы редакционными советами органических журналов и большинством рецензентов».

Смотрите также

• Конверсия (химия)
• Квантовый выход

Примечания

дальнейшее чтение

• Whitten, Kenneth W .; Дэвис, Раймонд Э; Пек, М. Ларри (2002). Общая химия . Форт-Уэрт: обучение Томсона. ISBN 978-0-03-021017-4.
• Уиттен, Кеннет В. Гейли, Кеннет Д. (1981). Общая химия . Филадельфия: паб Saunders College. ISBN 978-0-03-057866-3.
• Петруччи, Ральф Х .; Херринг, Ф. Джеффри; Мадура, Джеффри; Биссоннетт, Кэри; Пирсон (2017). Общая химия: принципы и современные приложения . Торонто: Пирсон. ISBN 978-0-13-293128-1.
• Фогель, Артур Исраэль; Фернисс, Б. С; Татчелл, Остин Роберт (1978). Учебник практической органической химии Фогеля . Нью-Йорк: Лонгман. ISBN 978-0-582-44250-4.

использованная литература