Выход (химия) - Yield (chemistry)

В химия, Уступать, также называемый выход реакции, является мерой количества родинки из товар образуется по отношению к израсходованному реагенту, полученному в химическая реакция, обычно выражается в процентах. [1] Урожайность - один из основных факторов, который необходимо учитывать ученым. органический и неорганические химический синтез процессы.[2] В инженерии химических реакций "yield", "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

Связь между селективностью химической реакции конверсии и выходом

В инженерии химических реакций "yield", "преобразование "и" селективность "- это термины, используемые для описания соотношений того, сколько реагента прореагировало - конверсия, сколько желаемого продукта было образовано - выход и сколько желаемого продукта было образовано по отношению к нежелательному продукту - селективность, представленная как X, S и Y.

Согласно Элементы инженерии химических реакций ручного, выход относится к количеству определенного продукта, образованного за моль израсходованного реагента.[3] В химии моль используется для описания количества реагентов и продуктов в химических реакциях.

В Сборник химической терминологии определил доход как "соотношение выражая эффективность процесса массового преобразования. Коэффициент текучести определяется как количество клеточной массы (кг) или образовавшегося продукта (кг, моль).[Примечания 1] связанные с потребленным субстратом (источник углерода или азота или кислород в кг или молях) или с внутриклеточной продукцией АТФ (моль) »[4][5]:168

В разделе «Расчеты выходов при мониторинге реакций» в 4-м издании 1996 г. Учебник практической органической химии Фогеля (1978) авторы пишут, что "теоретический выход в органической реакции - это вес продукта, который был бы получен, если бы реакция протекала до завершения в соответствии с химическим уравнением. Выход представляет собой массу чистого продукта, выделенного из реакции ».[1]:33 [Примечания 2] В издании 1996 г. Учебник Фогеля , процентная доходность выражается как,[1]:33[Примечания 3]

Согласно изданию 1996 г. Учебник Фогеля , доходность близкая к 100% называется количественный, доходность выше 90% называется отлично, доходность выше 80% очень хорошо, доходность выше 70% хорошо, доходность выше 50% ярмарка, а доходность ниже 40% называется бедный.[1]:33 В своей публикации 2002 года Петруччи, Харвуд и Херринг написали, что Учебник Фогеля названия были произвольными и не общепринятыми, и в зависимости от характера рассматриваемой реакции эти ожидания могут быть нереально завышенными. Если продукты нечистые, выход может составлять 100% или выше, так как измеренный вес продукта будет включать вес любых примесей.[6]:125

В своем лабораторном руководстве 2016 г. Экспериментальная органическая химияавторы описали «выход реакции» или «абсолютный выход» химической реакции как «количество чистого и сухого продукта, полученного в результате реакции».[7] Они писали, что знание стехиометрии химической реакции - числа и типов атомов в реагентах и ​​продуктах в сбалансированном уравнении «позволяет сравнивать различные элементы с помощью стехиометрических факторов».[7] Коэффициенты, полученные с помощью этих количественных соотношений, полезны при анализе данных.[7]

Теоретическая, фактическая и процентная доходность

Процентный выход - это сравнение между фактическим выходом, который представляет собой вес предполагаемого продукта химической реакции в лабораторных условиях, и теоретическим выходом, измеренным чистым заданным изолированным продуктом, на основе химического уравнения безупречного химического вещества. реакция[1] и определяется как,

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.[8] Стехиометрические уравнения используются для определения ограничивающий реагент или реагент - реагент, 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.[8] 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.[8]

Когда в реакции участвует более одного реагента, выход обычно рассчитывается на основе количества ограничивающий реагент, количество которых меньше стехиометрически эквивалент (или просто эквивалент) 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.[нужна цитата ]

В своей публикации 1992 г. Общая химия, Уиттен, Гейли и Дэвис описали теоретический выход как количество, предсказанное стехиометрический расчет основан на количестве молей всех присутствующих реагентов. Этот расчет предполагает, что происходит только одна реакция и что ограничивающий реагент реагирует полностью. [9]

По словам Уиттена, фактическая доходность всегда меньше (процентная доходность менее 100%), часто даже очень, по нескольким причинам.[9]:95 В результате многие реакции остаются незавершенными, и реагенты не полностью превращаются в продукты. Если происходит обратная реакция, конечное состояние содержит как реагенты, так и продукты в состоянии химическое равновесие. 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.[9]

пример

Это пример этерификация реакция, где одна молекула уксусная кислота (также называемая этановой кислотой) реагирует с одной молекулой этиловый спирт, давая одну молекулу этилацетат (бимолекулярный второго порядка реакция типа A + B → C):

120 г уксусная кислота (60 г / моль, 2,0 моль) реагировали с 230 г этиловый спирт (46 г / моль, 5,0 моль), выход 132 г этилацетат (88 г / моль, 1,5 моль). Выход составил 75%.
  1. В молярное количество реагентов рассчитывается по весу (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. В теоретический молярный выход составляет 2,0 моль (молярное количество ограничивающего соединения, уксусной кислоты).
  4. В молярный выход продукта рассчитывается от его веса (132 г ÷ 88 г / моль = 1,5 моль).
  5. В % Уступать рассчитывается исходя из фактических молярный выход и теоретический молярный выход (1,5 моль ÷ 2,0 моль × 100% = 75%).[нужна цитата ]

Очистка продуктов

В его 2016 Справочник по синтетической органической химииМайкл Пиррунг писал, что выход является одним из основных факторов, которые химики-синтетики должны учитывать при оценке синтетического метода или конкретного преобразования в «многоступенчатом синтезе». [10]:163 Он написал, что выход на основе регенерированного исходного материала (BRSM) или (BORSM) не обеспечивает теоретический выход или «100% рассчитанного количества продукта», которые необходимы для того, чтобы сделать следующий шаг в многоступенчатой ​​системе. .:163

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 изолированный выход реакции.[нужна цитата ]

Внутренний стандарт доходности

Выходы также можно рассчитать путем измерения количества образовавшегося продукта (обычно в неочищенной неочищенной реакционной смеси) относительно известного количества добавленного внутреннего стандарта с использованием таких методов, как Газовая хроматография (GC), Высокоэффективная жидкостная хроматография, или Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР-спектроскопия) или магнитно-резонансная спектроскопия (MRS).[нужна цитата ] Урожайность, определенная с использованием этого подхода, известна как внутренний стандарт доходности. 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 сложно 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 изолированным выходам, которые лучше отражают количество чистого продукта, которое, вероятно, будет получено в указанных условиях при повторении экспериментальной процедуры.[нужна цитата ]

Отчетность по урожайности

В их 2010 Synlett В статье Мартина Вернерова и химик-органик Томаш Гудлицки выразили озабоченность по поводу неточного представления данных об урожайности и предложили решения, включая надлежащую характеристику соединений.[11] 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%.[11] Они назвали это явление «инфляцией урожайности» и заявили, что в последние десятилетия в химической литературе рост урожайности постепенно увеличивался. Они объяснили рост урожайности небрежным измерением урожайности на реакциях, проводимых в небольшом масштабе. желаемое за действительное и желание сообщить более высокие цифры для целей публикации.[11] Статья Гудлицкого 2020 года опубликована в Angewandte Chemie - поскольку отозвался - удостоился и повторил Дитер Зеебах часто цитируемый тридцатилетний обзор органического синтеза за 1990 г., который также был опубликован в Angewandte Chemie.[12] В его 2020 Angewandte Chemie 30-летний обзор, Худлицкий сказал, что предложения, которые он и Вернерова внесли в их 2020 Synlett статьи, были «проигнорированы редакциями обычных журналов и большинством рецензентов».[13]

Смотрите также

Заметки

  1. ^ Использование килограмм-моль (кг-моль или г-моль) - количество сущностей в 12 кг 12C было заменено использованием киломоля (кмоль) в конце 20 века. Киломоль численно идентичен килограмм-моль. Название и символ соответствуют условию СИ для стандартных кратных метрических единиц - кмоль означает 1000 моль.
  2. ^ Химик, Артур Ирвинг Фогель FRIC (1905 - 1966) был автором учебников, в том числе Учебник качественного химического анализа (1937), Учебник количественного химического анализа (1939), а Практическая органическая химия (1948).
  3. ^ В разделе «Расчеты выходов при мониторинге реакций» Учебник Фогеля , авторы пишут, что большинство реакций, опубликованных в химической литературе, обеспечивают молярные концентрации реагента в растворе, а также количества реагентов и веса в граммах или миллиграммах (1996: 33)

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.
  • Petrucci, Ralph H .; 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

  1. ^ а б c d е Фогель, Артур Ирвинг (1996). Татчелл, Остин Роберт; Furnis, B.S .; Hannaford, A.J .; Смит, П.У.Г. (ред.). Учебник практической органической химии Фогеля (PDF) (5-е изд.). Прентис Холл. ISBN  978-0-582-46236-6. Получено 25 июня, 2020.
  2. ^ Корнфорт, JW (1 февраля 1993 г.). "Проблема с синтезом". Австралийский химический журнал. 46 (2): 157–170. Дои:10.1071 / ч9930157.
  3. ^ Фоглер, Х. Скотт (23 августа 2005 г.). Элементы инженерии химических реакций (4-е изд.). Прентис Холл. п. 1120.
  4. ^ McNaught, A.D .; Уилкинсон, А., ред. (1997). Глоссарий для химиков терминов, используемых в биотехнологии. Сборник химической терминологии «Золотая книга» (2-е изд.). Оксфорд: Научные публикации Блэквелла. Дои:10.1351 / goldbook. ISBN  0-9678550-9-8. S. J. Chalk. Онлайн-версия (2019-). Последнее обновление: 24 февраля 2014 г.
  5. ^ PAC, 1992, 64, 143. (Глоссарий для химиков терминов, используемых в биотехнологии (Рекомендации IUPAC 1992)) Сборник химической терминологии
  6. ^ Petrucci, Ralph H .; Харвуд, Уильям S .; Херринг, Ф. Джеффри (2002). Общая химия: принципы и современные приложения (8-е изд.). Река Аппер Сэдл, штат Нью-Джерси: Prentice Hall. п.125. ISBN  978-0-13-014329-7. LCCN  2001032331. OCLC  46872308.
  7. ^ а б c Исак-Гарсия, Хоакин; Добадо, Хосе А .; Кальво-Флорес, Франсиско Дж .; Мартинес-Гарси, Хенар (2016). Экспериментальная органическая химия (1-е изд.). Академическая пресса. п. 500. ISBN  9780128038932. Получено 25 июня, 2020.
  8. ^ а б c Petrucci, Ralph H .; Харвуд, Уильям S .; Херринг, Ф. Джеффри; Мадура, Джеффри Д. (2007). Общая химия (9-е изд.). Нью-Джерси: Пирсон Прентис Холл.
  9. ^ а б c Whitten, Kenneth W .; Gailey, K.D .; Дэвис, Раймонд Э. (1992). Общая химия (4-е изд.). Издательство колледжа Сондерс. ISBN  978-0-03-072373-5.
  10. ^ Пиррунг, Майкл К. (30 августа 2016 г.). Справочник по синтетической органической химии. Академическая пресса. ISBN  978-0-12-809504-1.
  11. ^ а б c Вернерова, Мартина; Худлики, Томаш (ноябрь 2010 г.). «О практических пределах определения выходов изолированных продуктов и соотношений стереоизомеров: отражение, анализ и погашение». Synlett. 2010 (18): 2701–2707. Дои:10.1055 / с-0030-1259018. ISSN  1437-2096.
  12. ^ Зеебах, Дитер (1990). «Органический синтез - где теперь?». Angewandte Chemie. 29 (11): 1320–1367. Дои:10.1002 / anie.199013201. ISSN  1521-3773.
  13. ^ Худлики, Томаш (4 июня 2020 г.). ""Органический синтез - где сейчас? «Исполнилось тридцать лет. Размышление о текущем положении дел». Angewandte Chemie. Мнение. 59 (31): 12576. Дои:10.1002 / anie.202006717. PMID  32497328. Убрана.