Rendimiento (química) - Yield (chemistry)

En química , el rendimiento , también conocido como rendimiento de reacción , es una medida de la cantidad de moles de un producto formado en relación con el reactivo consumido, obtenido en una reacción química , generalmente expresado como porcentaje. El rendimiento es uno de los principales factores que los científicos deben considerar en los procesos de síntesis química orgánica e inorgánica . En ingeniería de reacciones químicas, "rendimiento", " conversión"y" selectividad "son términos utilizados para describir las proporciones de la cantidad de reactivo que se consumió (conversión), la cantidad de producto deseado que se formó (rendimiento) en relación con el producto no deseado (selectividad), representado como X, Y y S .

Definiciones

En la ingeniería de reacciones químicas, "rendimiento", " conversión " y "selectividad" son términos que se utilizan para describir las proporciones de la cantidad de reactivo que ha reaccionado (conversión, cuánto del producto deseado se formó, rendimiento y cuánto producto deseado se obtuvo). formado en proporción al producto no deseado: selectividad, representada como X, S e Y.

Según el manual Elements of Chemical Reaction Engineering , el rendimiento se refiere a la cantidad de un producto específico formado por mol de reactivo consumido. En química, mol se utiliza para describir cantidades de reactivos y productos en reacciones químicas.

El Compendio de Terminología Química definió el rendimiento como la " relación que expresa la eficiencia de un proceso de conversión de masa. El coeficiente de rendimiento se define como la cantidad de masa celular (kg) o producto formado (kg, mol) relacionado con el sustrato consumido (carbono o fuente de nitrógeno u oxígeno en kg o moles) oa la producción de ATP intracelular (moles) ".

En la sección "Cálculos de rendimientos en el seguimiento de reacciones" de la 4a edición de Vogel's Textbook of Practical Organic Chemistry (1978) de 1996 , los autores escriben que " el rendimiento teórico en una reacción orgánica es el peso del producto que se obtendría si la reacción se ha completado de acuerdo con la ecuación química. El rendimiento es el peso del producto puro que se aísla de la reacción ". En la edición de 1996 del libro de texto de Vogel's , el rendimiento porcentual se expresa como,

${\ displaystyle {\ mbox {rendimiento porcentual}} = {\ frac {\ mbox {peso del producto}} {\ mbox {rendimiento teórico}}} \ veces 100}$

Según la edición de 1996 de Vogel's Textbook , los rendimientos cercanos al 100% se denominan cuantitativos , los rendimientos superiores al 90% se denominan excelentes , los rendimientos superiores al 80% son muy buenos , los rendimientos superiores al 70% son buenos , los rendimientos superiores al 50% son justos y los rendimientos por debajo del 40% se denominan pobres . En su publicación de 2002, Petrucci, Harwood y Herring escribieron que los nombres de los libros de texto de Vogel's eran arbitrarios y no universalmente aceptados, y dependiendo de la naturaleza de la reacción en cuestión, estas expectativas pueden ser irrealmente altas. Los rendimientos pueden parecer del 100% o más cuando los productos son impuros, ya que el peso medido del producto incluirá el peso de cualquier impureza.

En su manual de laboratorio de 2016, Experimental Organic Chemistry , los autores describieron el "rendimiento de reacción" o "rendimiento absoluto" de una reacción química como la "cantidad de producto puro y seco producido en una reacción". Escribieron que conocer la estequiometría de una reacción química, los números y tipos de átomos en los reactivos y productos, en una ecuación balanceada, "hace posible comparar diferentes elementos a través de factores estequiométricos". Las razones obtenidas por estas relaciones cuantitativas son útiles en el análisis de datos.

Rendimientos teóricos, reales y porcentuales

El porcentaje de rendimiento es una comparación entre el rendimiento real, que es el peso del producto previsto de una reacción química en un entorno de laboratorio, y el rendimiento teórico, la medición del producto aislado pretendido puro, basado en la ecuación química de un producto químico impecable. reacción, y se define como,

${\ displaystyle {\ mbox {rendimiento porcentual}} = {\ frac {\ mbox {rendimiento real}} {\ mbox {rendimiento teórico}}} \ times 100}$

La relación ideal entre productos y reactivos en una reacción química se puede obtener utilizando una ecuación de reacción química. La estequiometría se utiliza para realizar cálculos sobre reacciones químicas, por ejemplo, la relación molar estequiométrica entre reactivos y productos. La estequiometría de una reacción química se basa en fórmulas y ecuaciones químicas que proporcionan la relación cuantitativa entre el número de moles de varios productos y reactivos, incluidos los rendimientos. Las ecuaciones estequiométricas se utilizan para determinar el reactivo o reactivo limitante : el reactivo que se consume por completo en una reacción. El reactivo limitante determina el rendimiento teórico: la cantidad relativa de moles de reactivos y el producto formado en una reacción química. Se dice que hay otros reactivos presentes en exceso. El rendimiento real, la cantidad que se obtiene físicamente de una reacción química realizada en un laboratorio, es a menudo menor que el rendimiento teórico. El rendimiento teórico es el que se obtendría si todo el reactivo limitante reaccionara para dar el producto en cuestión. Un rendimiento más preciso se mide en función de la cantidad de producto que se produjo realmente frente a la cantidad que se podría producir. La relación entre el rendimiento teórico y el rendimiento real da como resultado un rendimiento porcentual.

Cuando más de un reactivo participa en una reacción, el rendimiento generalmente se calcula en base a la cantidad del reactivo limitante , cuya cantidad es menor que estequiométricamente equivalente (o simplemente equivalente) a las cantidades de todos los demás reactivos presentes. Otros reactivos presentes en cantidades mayores que las requeridas para reaccionar con todo el reactivo limitante presente se consideran en exceso. Como resultado, el rendimiento no debe tomarse automáticamente como una medida de la eficacia de la reacción.

En su publicación de 1992 General Chemistry , Whitten, Gailey y Davis describieron el rendimiento teórico como la cantidad predicha por un cálculo estequiométrico basado en el número de moles de todos los reactivos presentes. Este cálculo supone que ocurre una sola reacción y que el reactivo limitante reacciona completamente.

Según Whitten, el rendimiento real es siempre menor (el porcentaje de rendimiento es inferior al 100%), a menudo mucho, por varias razones. Como resultado, muchas reacciones son incompletas y los reactivos no se convierten completamente en productos. Si ocurre una reacción inversa, el estado final contiene tanto reactivos como productos en un estado de equilibrio químico . Pueden ocurrir dos o más reacciones simultáneamente, de modo que algún reactivo se convierta en productos secundarios no deseados. Se producen pérdidas en la separación y purificación del producto deseado de la mezcla de reacción. Están presentes impurezas en el material de partida que no reaccionan para dar el producto deseado.

Ejemplo

Este es un ejemplo de una reacción de esterificación donde una molécula de ácido acético (también llamado ácido etanoico) reacciona con una molécula de etanol , produciendo una molécula de acetato de etilo (una reacción bimolecular de segundo orden del tipo A + B → C):

Se hicieron reaccionar 120 g de ácido acético (60 g / mol, 2,0 mol) con 230 g de etanol (46 g / mol, 5,0 mol), dando 132 g de acetato de etilo (88 g / mol, 1,5 mol). El rendimiento fue del 75%.

1. La cantidad molar de los reactivos se calcula a partir de los pesos (ácido acético: 120 g ÷ 60 g / mol = 2,0 mol; etanol: 230 g ÷ 46 g / mol = 5,0 mol).
2. Se usa etanol en un exceso de 2,5 veces (5,0 mol ÷ 2,0 mol).
3. El rendimiento molar teórico es 2,0 moles (la cantidad molar del compuesto limitante, ácido acético).
4. El rendimiento molar del producto se calcula a partir de su peso (132 g ÷ 88 g / mol = 1,5 mol).
5. El % de rendimiento se calcula a partir del rendimiento molar real y el rendimiento molar teórico (1,5 mol ÷ 2,0 mol x 100% = 75%).

Purificación de productos

En su Manual de Química Orgánica Sintética de 2016 , Michael Pirrung escribió que el rendimiento es uno de los factores principales que los químicos sintéticos deben considerar al evaluar un método sintético o una transformación particular en "síntesis de varios pasos". Escribió que un rendimiento basado en material de partida recuperado (BRSM) o (BORSM) no proporciona el rendimiento teórico o el "100% de la cantidad de producto calculado", que es necesario para dar el siguiente paso en la síntesis de múltiples pasos. .

Las etapas de purificación siempre reducen el rendimiento, a través de pérdidas incurridas durante la transferencia de material entre los recipientes de reacción y el aparato de purificación o la separación imperfecta del producto de las impurezas, lo que puede requerir el descarte de fracciones consideradas insuficientemente puras. El rendimiento del producto medido después de la purificación (típicamente hasta> 95% de pureza espectroscópica, o hasta suficiente pureza para pasar el análisis de combustión) se denomina rendimiento aislado de la reacción.

Rendimiento estándar interno

Los rendimientos también se pueden calcular midiendo la cantidad de producto formado (típicamente en la mezcla de reacción cruda, sin purificar) en relación con una cantidad conocida de un estándar interno agregado, utilizando técnicas como cromatografía de gases (GC), cromatografía líquida de alto rendimiento o nuclear. espectroscopia de resonancia magnética ( espectroscopia de RMN) o espectroscopia de resonancia magnética (MRS). Un rendimiento determinado mediante este enfoque se conoce como rendimiento estándar interno . Los rendimientos se obtienen típicamente de esta manera para determinar con precisión la cantidad de producto producido por una reacción, independientemente de los posibles problemas de aislamiento. Además, pueden ser útiles cuando el aislamiento del producto es desafiante o tedioso, o cuando se desea la determinación rápida de un rendimiento aproximado. A menos que se indique lo contrario, los rendimientos informados en la literatura de química orgánica e inorgánica sintética se refieren a rendimientos aislados, que reflejan mejor la cantidad de producto puro que es probable que se obtenga en las condiciones informadas, al repetir el procedimiento experimental.

Informe de rendimientos

En su artículo de 2010 sobre Synlett , Martina Wernerova y el químico orgánico Tomáš Hudlický expresaron su preocupación por los informes inexactos de los rendimientos y ofrecieron soluciones, incluida la caracterización adecuada de los compuestos. Después de realizar experimentos de control cuidadosos, Wernerova y Hudlický dijeron que cada manipulación física (incluida la extracción / lavado, secado sobre desecante, filtración y cromatografía en columna) da como resultado una pérdida de rendimiento de aproximadamente el 2%. Por tanto, los rendimientos aislados medidos después del tratamiento acuoso estándar y la purificación cromatográfica rara vez deben exceder el 94%. Llamaron a este fenómeno "inflación de los rendimientos" y dijeron que la inflación de los rendimientos había aumentado gradualmente en las últimas décadas en la literatura química. Atribuyeron la inflación del rendimiento a una medición descuidada del rendimiento en reacciones realizadas a pequeña escala, ilusiones y el deseo de informar cifras más altas para fines de publicación. El artículo de 2020 de Hudlický publicado en Angewandte Chemie —desde que se retractó— honró y se hizo eco de la revisión de treinta años de 1990 de Dieter Seebach , a menudo citada, sobre síntesis orgánica, que también había sido publicada en Angewandte Chemie . En su revisión de 30 años de Angewandte Chemie de 2020 , Hudlický dijo que las sugerencias que él y Wernerova habían hecho en su artículo de Synlett de 2020 , fueron "ignoradas por los consejos editoriales de las revistas orgánicas y por la mayoría de los árbitros".

Ver también

• Conversión (química)
• Rendimiento cuántico

Notas

Otras lecturas

• Whitten, Kenneth W .; Davis, Raymond E; Peck, M. Larry (2002). Química general . Fort Worth: Thomson Learning. ISBN 978-0-03-021017-4.
• Whitten, Kenneth W; Gailey, Kenneth D (1981). Química general . Filadelfia: Saunders College Pub. ISBN 978-0-03-057866-3.
• Petrucci, Ralph H .; Herring, F. Geoffrey; Madura, Jeffry; Bissonnette, Carey; Pearson (2017). Química general: principios y aplicaciones modernas . Toronto: Pearson. ISBN 978-0-13-293128-1.
• Vogel, Arthur Israel; Furniss, B. S; Tatchell, Austin Robert (1978). Libro de texto de Vogel's de química orgánica práctica . Nueva York: Longman. ISBN 978-0-582-44250-4.

Referencias