Выход (химия)

В химии выход , также известный как выход реакции или химический выход , относится к количеству продукта , полученного в химической реакции . ^[1] Выход является одним из основных факторов, которые ученые должны учитывать в процессах органического и неорганического химического синтеза . ^[2] В химической реакционной инженерии термины «выход», « конверсия » и «селективность» используются для описания соотношений того, сколько реагента было потреблено (конверсия), сколько желаемого продукта было образовано (выход) по отношению к нежелательному продукту (селективность), обозначаемых как X, Y и S.

Термин «выход» также играет важную роль в аналитической химии , поскольку отдельные соединения извлекаются в процессах очистки в диапазоне от количественного выхода (100 %) до низкого выхода (< 50 %).

Определения

В химической реакционной технике термины «выход», « конверсия » и «селективность» используются для описания соотношений между количеством прореагировавшего реагента (конверсия), количеством образовавшегося желаемого продукта (выход) и количеством образовавшегося желаемого продукта по отношению к нежелательному продукту (селективность), обозначаемых как X, S и Y.

Согласно руководству «Элементы химической реакционной инженерии» , выход относится к количеству определенного продукта, образованного на моль израсходованного реагента. ^[3] В химии моль используется для описания количеств реагентов и продуктов в химических реакциях.

В «Сборнике химической терминологии» выход определяется как « соотношение, выражающее эффективность процесса преобразования массы. Коэффициент выхода определяется как количество клеточной массы (кг) или образовавшегося продукта (кг, моль) ^{[Примечание 1]} по отношению к потребленному субстрату (источник углерода, азота или кислорода в кг или молях) или к внутриклеточной продукции АТФ (моль)». ^[4]^[5]^{: 168}

В разделе «Расчеты выходов при мониторинге реакций» в 4-м издании Vogel's Textbook of Practical Organic Chemistry (1978) 1996 года авторы пишут, что « теоретический выход в органической реакции — это вес продукта, который был бы получен, если бы реакция дошла до конца в соответствии с химическим уравнением. Выход — это вес чистого продукта, который выделяется из реакции». ^[1]^{: 33} ^{[Примечания 2]} В «издании Vogel's Textbook 1996 года процентный выход выражается как, ^[1]^{: 33}^{[Примечания 3]}

{\mbox{процентная доходность}}={\frac {\mbox{фактическая доходность}}{\mbox{теоретическая доходность}}}\times 100

Согласно изданию Vogel's Textbook 1996 года , выходы, близкие к 100%, называются количественными , выходы выше 90% называются отличными , выходы выше 80% называются очень хорошими , выходы выше 70% являются хорошими , выходы выше 50% являются удовлетворительными , а выходы ниже 40% называются плохими . ^[1]^{: 33} В своей публикации 2002 года Петруччи, Харвуд и Херринг написали, что названия в Vogel's Textbook были произвольными и не были общепринятыми, и в зависимости от характера рассматриваемой реакции эти ожидания могут быть нереалистично высокими. Выходы могут казаться 100% или выше, когда продукты являются нечистыми, поскольку измеренный вес продукта будет включать вес любых примесей. ^[6]^{: 125}

В своем лабораторном руководстве 2016 года « Экспериментальная органическая химия » авторы описали «выход реакции» или «абсолютный выход» химической реакции как «количество чистого и сухого продукта, полученного в реакции». ^[7] Они написали, что знание стехиометрии химической реакции — числа и типа атомов в реагентах и продуктах в сбалансированном уравнении — «позволяет сравнивать различные элементы через стехиометрические коэффициенты». ^[7] Соотношения, полученные с помощью этих количественных соотношений, полезны при анализе данных. ^[7]

Теоретическая, фактическая и процентная доходность

Процент выхода представляет собой сравнение фактического выхода, который представляет собой вес предполагаемого продукта химической реакции в лабораторных условиях, и теоретического выхода — измерения чистого предполагаемого изолированного продукта, основанного на химическом уравнении безупречной химической реакции ^[1] , и определяется как,

{\mbox{процентная доходность}}={\frac {\mbox{фактическая доходность}}{\mbox{теоретическая доходность}}}\times 100

Идеальное соотношение между продуктами и реагентами в химической реакции можно получить с помощью уравнения химической реакции. Стехиометрия используется для выполнения расчетов химических реакций, например, стехиометрического мольного соотношения между реагентами и продуктами. Стехиометрия химической реакции основана на химических формулах и уравнениях, которые обеспечивают количественное соотношение между числом молей различных продуктов и реагентов, включая выходы. ^[8] 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, образованного в химической реакции. Говорят, что другие реагенты присутствуют в избытке. Фактический выход — количество, физически полученное в результате химической реакции, проведенной в лаборатории, — часто меньше теоретического выхода. ^[8] Теоретический выход — это то, что было бы получено, если бы все ограничивающие реагенты прореагировали, чтобы дать рассматриваемый продукт. Более точный выход измеряется на основе того, сколько продукта было фактически произведено по сравнению с тем, сколько могло бы быть произведено. Соотношение теоретического выхода и фактического выхода дает процентный выход. ^[8]

Когда в реакции участвует более одного реагента, выход обычно рассчитывается на основе количества ограничивающего реагента , количество которого меньше стехиометрически эквивалентного (или просто эквивалентного) количествам всех других присутствующих реагентов. Другие реагенты, присутствующие в количествах, больших, чем требуется для реакции со всем присутствующим ограничивающим реагентом, считаются избыточными. В результате выход не следует автоматически принимать в качестве меры эффективности реакции. ^{[ необходима цитата ]}

В своей публикации 1992 года «Общая химия» Уиттен, Гейли и Дэвис описали теоретический выход как количество, предсказанное стехиометрическим расчетом на основе числа молей всех присутствующих реагентов. Этот расчет предполагает, что происходит только одна реакция и что ограничивающий реагент реагирует полностью. ^[9]

Согласно Уиттену, фактический выход всегда меньше (процент выхода меньше 100%), часто очень меньше, по нескольким причинам. ^[9]^{: 95} В результате многие реакции не завершены, и реагенты не полностью преобразуются в продукты. Если происходит обратная реакция, конечное состояние содержит как реагенты, так и продукты в состоянии химического равновесия . Две или более реакций могут происходить одновременно, так что некоторые реагенты преобразуются в нежелательные побочные продукты. Потери происходят при разделении и очистке желаемого продукта из реакционной смеси. В исходном материале присутствуют примеси, которые не реагируют с образованием желаемого продукта. ^[9]

Пример

Это пример реакции этерификации , где 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) прореагировали с 230 г этанола (46 г/моль, 5,0 моль), получив 132 г этилацетата (88 г/моль, 1,5 моль). Выход составил 75%.

Молярное количество реагентов рассчитывается из весов (уксусная кислота: 120 г ÷ 60 г/моль = 2,0 моль; этанол: 230 г ÷ 46 г/моль = 5,0 моль).
Этанол используют в 2,5-кратном избытке (5,0 моль ÷ 2,0 моль).
Теоретический молярный выход составляет 2,0 моль (молярное количество предельного соединения — уксусной кислоты).
Молярный выход продукта рассчитывается по его массе (132 г ÷ 88 г/моль = 1,5 моль).
Процент выхода рассчитывается из фактического молярного выхода и теоретического молярного выхода (1,5 моль ÷ 2,0 моль × 100% = 75%). ^{[ необходима цитата ]}

Очистка продукции

В своем Справочнике по синтетической органической химии 2016 года Михаэль Пиррунг написал, что выход является одним из основных факторов, которые химики-синтетики должны учитывать при оценке метода синтеза или конкретного преобразования в «многоэтапных синтезах». ^[10]^{: 163} Он написал, что выход, основанный на восстановленном исходном материале (BRSM) или (BORSM), не обеспечивает теоретического выхода или «100% от количества рассчитанного продукта», что необходимо для того, чтобы сделать следующий шаг в многоэтапном синтезе. ^{: 163}

Этапы очистки всегда снижают выход из-за потерь, возникающих при переносе материала между реакционными сосудами и очистным оборудованием, или из-за несовершенного отделения продукта от примесей, что может потребовать отбрасывания фракций, считающихся недостаточно чистыми. Выход продукта, измеренный после очистки (обычно до >95% спектроскопической чистоты или до достаточной чистоты для прохождения анализа сжигания), называется изолированным выходом реакции. ^{[ необходима цитата ]}

Внутренний стандарт доходности

Выходы также можно рассчитать, измерив количество образовавшегося продукта (обычно в сырой, неочищенной реакционной смеси) относительно известного количества добавленного внутреннего стандарта, используя такие методы, как газовая хроматография (ГХ), высокоэффективная жидкостная хроматография или ядерная магнитно-резонансная спектроскопия (ЯМР-спектроскопия) или магнитно-резонансная спектроскопия (МРС). ^{[ требуется ссылка ]} Выход, определенный с использованием этого подхода, известен как выход внутреннего стандарта . Выходы обычно получают таким образом, чтобы точно определить количество продукта, полученного в результате реакции, независимо от потенциальных проблем с изоляцией. Кроме того, они могут быть полезны, когда выделение продукта является сложным или утомительным, или когда требуется быстрое определение приблизительного выхода. Если не указано иное, выходы, указанные в литературе по синтетической органической и неорганической химии, относятся к изолированным выходам, которые лучше отражают количество чистого продукта, которое, вероятно, будет получено в указанных условиях при повторении экспериментальной процедуры. ^{[ требуется ссылка ]}

Отчетность по урожайности

В своей статье в Synlett 2010 года Мартина Вернерова и химик-органик Томаш Худлицкий выразили обеспокоенность по поводу неточного сообщения выходов и предложили решения, включая надлежащую характеристику соединений. ^[11] После проведения тщательных контрольных экспериментов Вернерова и Худлицкий заявили, 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%. ^[11] Они назвали это явление «инфляцией выхода» и заявили, что инфляция выхода постепенно росла в последние десятилетия в химической литературе. Они приписали инфляцию выхода небрежному измерению выхода в реакциях, проводимых в малых масштабах, желаемому за действительное и желанию сообщать более высокие цифры для целей публикации. ^[11]

Смотрите также

Примечания

^ Использование килограмм-моля (кг-моль или г-моль) — числа частиц в 12 кг 12C — было заменено на использование киломоля (кмоль) в конце 20-го века. Киломоль численно идентичен килограмм-молю. Название и символ принимают соглашение СИ для стандартных кратных метрических единиц — кмоль означает 1000 моль.
^ Химик Артур Ирвинг Фогель (1905 – 1966) был автором учебников, включая « Учебник качественного химического анализа» (1937), « Учебник количественного химического анализа» (1939) и « Практическую органическую химию» (1948).
^ В разделе «Расчеты выходов при мониторинге реакций» учебника Фогеля авторы пишут, что большинство реакций, опубликованных в химической литературе, содержат молярные концентрации реагента в растворе, а также количества реагентов и веса в граммах или миллиграммах (1996:33)

Дальнейшее чтение

Whitten, Kenneth W.; Davis, Raymond E; Peck, M. Larry (2002). Общая химия . Fort Worth: Thomson Learning. ISBN 978-0-03-021017-4.
Whitten, Kenneth W; Gailey, Kenneth D (1981). Общая химия . Филадельфия: Saunders College Pub. 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 Израэль; Фернисс, Б. С.; Тэтчелл, Остин Роберт (1978). Учебник Фогеля по практической органической химии . Нью-Йорк: Longman. ISBN 978-0-582-44250-4.

Ссылки

^ abcde Vogel, Arthur Irving (1996). Tatchell, Austin Robert; Furnis, BS; Hannaford, AJ; Smith, PWG (ред.). Учебник Vogel's Textbook of Practical Organic Chemistry (PDF) (5-е изд.). Prentice Hall. ISBN 978-0-582-46236-6. Получено 25 июня 2020 г. .
^ Cornforth, JW (1 февраля 1993 г.). «Проблемы с синтезом». Australian Journal of Chemistry . 46 (2): 157–170. doi : 10.1071/ch9930157 .
^ Фоглер, Х. Скотт (23 августа 2005 г.). Элементы химической реакционной инженерии (4-е изд.). Prentice Hall. стр. 1120.
^ Макнот, А.Д.; Уилкинсон, А., ред. (1997). Глоссарий для химиков терминов, используемых в биотехнологии. Компендиум химической терминологии «Золотая книга» (2-е изд.). Оксфорд: Blackwell Scientific Publications. doi :10.1351/goldbook. ISBN 0-9678550-9-8.SJ Chalk. Онлайн-версия (2019-). Последняя редакция 24 февраля 2014 г.
^ PAC, 1992, 64, 143. (Глоссарий для химиков терминов, используемых в биотехнологии (Рекомендации ИЮПАК 1992 г.)) Компендиум химической терминологии
^ Петруччи, Ральф Х.; Харвуд, Уильям С.; Херринг, Ф. Джеффри (2002). Общая химия: принципы и современные приложения (8-е изд.). Верхняя Сэддл-Ривер, Нью-Джерси: Prentice Hall. стр. 125. ISBN 978-0-13-014329-7. LCCN 2001032331. OCLC 46872308.
^ abc Исак-Гарсия, Хоакин; Добадо, Хосе А.; Кальво-Флорес, Франсиско Г.; Мартинес-Гарси, Хенар (2016). Экспериментальная органическая химия (1-е изд.). Академическая пресса. п. 500. ИСБН 9780128038932. Получено 25 июня 2020 г. .
^ abc Петруччи, Ральф Х.; Харвуд, Уильям С.; Херринг, Ф. Джеффри; Мадура, Джеффри Д. (2007). Общая химия (9-е изд.). Нью-Джерси: Pearson Prentice Hall.
^ abc Whitten, Kenneth W.; Gailey, KD; Davis, Raymond E. (1992). Общая химия (4-е изд.). Saunders College Publishing. ISBN 978-0-03-072373-5.
^ Пиррунг, Майкл С. (30 августа 2016 г.). Справочник по синтетической органической химии . Academic Press. ISBN 978-0-12-809504-1.
^ abc Wernerova, Martina; Hudlicky, Tomas (ноябрь 2010 г.). «О практических пределах определения выходов изолированных продуктов и соотношений стереоизомеров: размышления, анализ и искупление». Synlett . 2010 (18): 2701–2707. doi :10.1055/s-0030-1259018. ISSN 1437-2096.