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 технике химических реакций «выход», « конверсия » и «селективность» - это термины, используемые для описания соотношения того, сколько реагента было израсходовано (конверсия), сколько желаемого продукта образовалось (выход) по отношению к нежелательному продукту ( селективность), представленная 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 технологии химических реакций «выход», « конверсия » и «селективность» — это термины, используемые для описания соотношений того, сколько реагента прореагировало (конверсия), сколько желаемого продукта образовалось (выход) и сколько желаемого продукта было получено. формируется пропорционально нежелательному продукту — селективность, представленная как X, S и Y.

Согласно руководству «Элементы техники химических реакций» , выход относится к количеству определенного продукта, образующегося на моль израсходованного реагента. ^{[ 3 ]} В химии моль используется для описания количества реагентов и продуктов химических реакций.

В Сборнике химической терминологии выход определяется как отношение, выражающее эффективность процесса преобразования массы. Коэффициент выхода определяется как количество клеточной массы (кг) или образовавшегося продукта (кг, моль). ^{[ Примечания 1 ]} связанный с потребленным субстратом (источник углерода или азота или кислорода в кг или молях) или с внутриклеточным производством АТФ (моль)». ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^: 168

В разделе «Расчеты выходов при наблюдении за реакциями» в 4-м издании « Учебника практической органической химии Фогеля» (1978) 1996 г. авторы пишут, что « теоретический выход в органической реакции представляет собой массу продукта, который будет получен если реакция завершилась согласно химическому уравнению. Выход представляет собой массу чистого продукта, выделенного из реакции». ^{[ 1 ]}^: 33 ^{[ Примечания 2 ]} В «Учебнике Фогеля» 1996 года процентная доходность выражается как: ^{[ 1 ]}^: 33^{[ Примечания 3 ]}

{\mbox{percent yield}}={\frac {\mbox{actual yield}}{\mbox{theoretical yield}}}\times 100

Согласно изданию « Учебника Фогеля» 1996 года , урожайность, близкая к 100%, называется количественной , урожайность выше 90% называется отличной , урожайность выше 80% — очень хорошей , урожайность выше 70% — хорошей выше 70% — , урожайность выше 50% — удовлетворительной , а урожайность хорошей. ниже 40% называются бедными . ^{[ 1 ]}^: 33 В своей публикации 2002 года Петруччи, Харвуд и Херринг написали, что названия в Учебнике Фогеля были произвольными, а не общепринятыми, и в зависимости от характера рассматриваемой реакции эти ожидания могут быть нереально высокими. Выход может составлять 100% или выше, если продукты являются нечистыми, поскольку измеренный вес продукта будет включать вес любых примесей. ^{[ 6 ]}^: 125

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

Теоретическая, фактическая и процентная доходность

Процентный выход представляет собой сравнение фактического выхода (который представляет собой вес предполагаемого продукта химической реакции в лабораторных условиях) и теоретического выхода (измерение чистого предполагаемого изолированного продукта, основанного на химическом уравнении безупречного химического вещества). реакция, ^{[ 1 ]} и определяется как,

{\mbox{percent yield}}={\frac {\mbox{actual yield}}{\mbox{theoretical yield}}}\times 100

Идеальное соотношение между продуктами и реагентами в химической реакции можно получить, используя уравнение химической реакции. Стехиометрия используется для расчета химических реакций, например, стехиометрического мольного соотношения между реагентами и продуктами. Стехиометрия химической реакции основана на химических формулах и уравнениях, которые обеспечивают количественную связь между количеством молей различных продуктов и реагентов, включая выходы. ^{[ 8 ]} Стехиометрические уравнения используются для определения лимитирующего реагента или реагента - реагента, который полностью расходуется в реакции. Лимитирующий реагент определяет теоретический выход — относительное количество молей реагентов и продукта, образующегося в химической реакции. Говорят, 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 лимитирующий 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 выхода и фактического выхода дает процентный выход. ^{[ 8 ]}

Когда в реакции участвует более одного реагента, выход обычно рассчитывают на основе количества ограничивающего реагента , количество которого менее чем стехиометрически эквивалентно (или просто эквивалентно) количествам всех других присутствующих реагентов. Другие реагенты, присутствующие в количествах, превышающих необходимые для реакции со всем присутствующим ограничивающим реагентом, считаются избыточными. В результате выход не следует автоматически рассматривать как меру эффективности реакции. ^{[ нужна ссылка ]}

В своей публикации 1992 года «Общая химия» Уиттен, Гейли и Дэвис описали теоретический выход как сумму, предсказанную стехиометрическим расчетом, основанным на количестве молей всех присутствующих реагентов. В этом расчете предполагается, что происходит только одна реакция и что лимитирующий реагент реагирует полностью. ^{[ 9 ]}

По мнению Уиттена, фактическая доходность всегда меньше (процентная доходность составляет менее 100%), а зачастую и очень сильно, по нескольким причинам. ^{[ 9 ]}^: 95 В результате многие реакции протекают незавершенно и реагенты не полностью превращаются в продукты. Если происходит обратная реакция, конечное состояние содержит как реагенты, так и продукты в состоянии химического равновесия . Одновременно могут протекать две или более реакции, в результате чего часть реагентов превращается в нежелательные побочные продукты. Потери возникают при выделении и очистке целевого продукта из реакционной смеси. В исходном материале присутствуют примеси, которые не вступают в реакцию с образованием желаемого продукта. ^{[ 9 ]}

Пример

Это пример реакции этерификации , когда одна молекула уксусной кислоты (также называемой этановой кислотой) реагирует с одной молекулой этанола , образуя 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%.

Молярное количество реагентов рассчитывают по массе (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 мольный выход составляет 2,0 моль (молярное количество лимитирующего соединения - уксусной кислоты).
Молярный выход продукта рассчитывают по его массе (132 г ÷ 88 г/моль = 1,5 моль).
Выход в % рассчитывается на основе фактического молярного выхода и теоретического молярного выхода (1,5 моль ÷ 2,0 моль × 100% = 75%). ^{[ нужна ссылка ]}

Очистка продуктов

В своем «Справочнике по синтетической органической химии » за 2016 год Майкл Пиррунг написал, что выход является одним из основных факторов, которые химики-синтетики должны учитывать при оценке синтетического метода или конкретного преобразования в «многостадийном синтезе». ^{[ 10 ]}^: 163 Он писал, что выход, основанный на восстановленном исходном материале (БРСМ) или (БОРСМ), не обеспечивает теоретический выход или «100% рассчитанного количества продукта», который необходим для перехода к следующему шагу многостадийного синтеза. . ^: 163

Стадии очистки всегда снижают выход из-за потерь, возникающих при переносе материала между реакционными сосудами и аппаратом для очистки или несовершенного отделения продукта от примесей, что может вызвать необходимость отбраковки фракций, считающихся недостаточно чистыми. Выход продукта, измеренный после очистки (обычно до >95% спектроскопической чистоты или до чистоты, достаточной для прохождения анализа горения), называется изолированным выходом реакции. ^{[ нужна ссылка ]}

Внутренний стандарт выхода

Выходы также можно рассчитать путем измерения количества 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 хроматография. магнитно-резонансная спектроскопия (ЯМР-спектроскопия) или магнитно-резонансная спектроскопия (МРС). ^{[ нужна ссылка ]} Выход, определенный с использованием этого подхода, известен как выход внутреннего стандарта . Выходы обычно получают таким способом, чтобы точно определить количество продукта, полученного в результате реакции, независимо от потенциальных проблем с выделением. Кроме того, они могут быть полезны, когда выделение продукта является сложным или утомительным 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 можно получить в указанных условиях при повторении экспериментальной процедуры. ^{[ нужна ссылка ]}

Отчетность по урожайности

В своей статье Synlett 2010 года Мартина Вернерова и химик-органик Томаш Гудлицкий выразили обеспокоенность по поводу неточных отчетов об урожайности и предложили решения, включая правильную характеристику соединений. ^{[ 11 ]} После проведения тщательных контрольных экспериментов Вернерова и Худлицкий заявили, что каждая физическая манипуляция (включая экстракцию/промывку, сушку над влагопоглотителем, фильтрацию и колоночную хроматографию) приводит к потере выхода примерно на 2%. Таким образом, выходы выделенных веществ, измеренные после стандартной водной обработки и хроматографической очистки, редко должны превышать 94%. ^{[ 11 ]} Они назвали это явление «инфляцией доходности» и заявили, что в последние десятилетия в химической литературе инфляция доходности постепенно росла. Они объяснили инфляцию доходности небрежным измерением доходности на основе реакций, проведенных в небольших масштабах, принятием желаемого за действительное и желанием сообщить более высокие цифры для целей публикации. ^{[ 11 ]}

См. также

Примечания

^ Использование килограмм-моль (кг-моль или г-моль) - количество веществ в 12 кг 12C было заменено использованием киломоля (кмоль) в конце 20 века. Киломоль численно идентичен килограмм-моль. Название и символ соответствуют стандарту СИ для стандартных кратных метрических единиц: кмоль означает 1000 моль.
^ Химик Артур Ирвинг Фогель (1905–1966) был автором учебников, в том числе « Учебника качественного химического анализа» (1937 г.), « Учебника количественного химического анализа» (1939 г.) и « Практической органической химии» (1948 г.).
^ В разделе «Расчеты выходов при мониторинге реакций» Учебника Фогеля авторы пишут, что для большинства реакций, опубликованных в химической литературе, указаны молярные концентрации реагента в растворе, а также количества реагентов и массы в граммах или миллиграммах. (1996:33)

Дальнейшее чтение

Уиттен, Кеннет В.; Дэвис, Рэймонд Э; Пек, М. Ларри (2002). Общая химия . Форт-Уэрт: Thomson Learning. 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.; Тэтчелл, Остин Роберт (1978). Учебник практической органической химии Фогеля . Нью-Йорк: Лонгман. ISBN 978-0-582-44250-4 .

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Фогель, Артур Ирвинг (1996). Тэтчелл, Остин Роберт; Фернис, Б.С.; Ханнафорд, Эй Джей; Смит, PWG (ред.). Учебник практической органической химии Фогеля (PDF) (5-е изд.). Прентис Холл. ISBN 978-0-582-46236-6 . Проверено 25 июня 2020 г.
^ Корнфорт, JW (1 февраля 1993 г.). «Проблема с синтезом» . Австралийский химический журнал . 46 (2): 157–170. дои : 10.1071/ch9930157 .
^ Фоглер, Х. Скотт (23 августа 2005 г.). Элементы технологии химических реакций (4-е изд.). Прентис Холл. п. 1120.
^ Макнот, AD; Уилкинсон, А., ред. (1997). Словарь 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 . С. Дж. Чок. Онлайн-версия (2019-). Последняя редакция: 24 февраля 2014 г.
^ PAC, 1992, 64, 143. (Глоссарий терминов для химиков, используемых в биотехнологии (Рекомендации IUPAC 1992)) Сборник химической терминологии
^ Петруччи, Ральф Х.; Харвуд, Уильям С.; Херринг, Ф. Джеффри (2002). Общая химия: принципы и современные приложения (8-е изд.). Река Аппер-Седл, Нью-Джерси: Прентис-Холл. п. 125 . ISBN 978-0-13-014329-7 . LCCN 2001032331 . OCLC 46872308 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с 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 . Проверено 25 июня 2020 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Петруччи, Ральф Х.; Харвуд, Уильям С.; Херринг, Ф. Джеффри; Мадура, Джеффри Д. (2007). Общая химия (9-е изд.). Нью-Джерси: Пирсон Прентис Холл.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Уиттен, Кеннет В.; Гейли, К.Д.; Дэвис, Раймонд Э. (1992). Общая химия (4-е изд.). Издательство Колледжа Сондерса. ISBN 978-0-03-072373-5 .
^ Пиррунг, Майкл К. (30 августа 2016 г.). Справочник по синтетической органической химии . Академическая пресса. ISBN 978-0-12-809504-1 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Вернерова, Мартина; Гудлицки, Томас (ноябрь 2010 г.). «О практических пределах определения выходов изолированных продуктов и соотношений стереоизомеров: размышления, анализ и погашение». Синлетт . 2010 (18): 2701–2707. дои : 10.1055/s-0030-1259018 . ISSN 1437-2096 .

[4] Использование килограмм-моль (кг-моль или г-моль) - количество веществ в 12 кг 12C было заменено использованием киломоля (кмоль) в конце 20 века. Киломоль численно идентичен килограмм-моль. Название и символ соответствуют стандарту СИ для стандартных кратных метрических единиц: кмоль означает 1000 моль.

[7] Химик Артур Ирвинг Фогель (1905–1966) был автором учебников, в том числе « Учебника качественного химического анализа» (1937 г.), « Учебника количественного химического анализа» (1939 г.) и « Практической органической химии» (1948 г.).

[8] В разделе «Расчеты выходов при мониторинге реакций» Учебника Фогеля авторы пишут, что для большинства реакций, опубликованных в химической литературе, указаны молярные концентрации реагента в растворе, а также количества реагентов и массы в граммах или миллиграммах. (1996:33)

[Vogel_1978_1996-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Фогель, Артур Ирвинг (1996). Тэтчелл, Остин Роберт; Фернис, Б.С.; Ханнафорд, Эй Джей; Смит, PWG (ред.). Учебник практической органической химии Фогеля (PDF) (5-е изд.). Прентис Холл. ISBN 978-0-582-46236-6 . Проверено 25 июня 2020 г.

[Cornforth_19930201-2] Корнфорт, JW (1 февраля 1993 г.). «Проблема с синтезом» . Австралийский химический журнал . 46 (2): 157–170. дои : 10.1071/ch9930157 .

[Scott_ChemReac_2005-3] Фоглер, Х. Скотт (23 августа 2005 г.). Элементы технологии химических реакций (4-е изд.). Прентис Холл. п. 1120.

[5] Макнот, AD; Уилкинсон, А., ред. (1997). Словарь 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 . С. Дж. Чок. Онлайн-версия (2019-). Последняя редакция: 24 февраля 2014 г.

[6] PAC, 1992, 64, 143. (Глоссарий терминов для химиков, используемых в биотехнологии (Рекомендации IUPAC 1992)) Сборник химической терминологии

[Petrucci_GenChem_2002-9] Петруччи, Ральф Х.; Харвуд, Уильям С.; Херринг, Ф. Джеффри (2002). Общая химия: принципы и современные приложения (8-е изд.). Река Аппер-Седл, Нью-Джерси: Прентис-Холл. п. 125 . ISBN 978-0-13-014329-7 . LCCN 2001032331 . OCLC 46872308 .

[IsacGarcía_OrgChem_2016-10] Jump up to: ^а ^б ^с 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 . Проверено 25 июня 2020 г.

[Petrucci_2007-11] Jump up to: ^а ^б ^с Петруччи, Ральф Х.; Харвуд, Уильям С.; Херринг, Ф. Джеффри; Мадура, Джеффри Д. (2007). Общая химия (9-е изд.). Нью-Джерси: Пирсон Прентис Холл.

[Whitten_1992_Thomson-12] Jump up to: ^а ^б ^с Уиттен, Кеннет В.; Гейли, К.Д.; Дэвис, Раймонд Э. (1992). Общая химия (4-е изд.). Издательство Колледжа Сондерса. ISBN 978-0-03-072373-5 .

[Pirrung_20160830-13] Пиррунг, Майкл К. (30 августа 2016 г.). Справочник по синтетической органической химии . Академическая пресса. ISBN 978-0-12-809504-1 .

[Synlett_Wernerova_2010-14] Jump up to: ^а ^б ^с Вернерова, Мартина; Гудлицки, Томас (ноябрь 2010 г.). «О практических пределах определения выходов изолированных продуктов и соотношений стереоизомеров: размышления, анализ и погашение». Синлетт . 2010 (18): 2701–2707. дои : 10.1055/s-0030-1259018 . ISSN 1437-2096 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ Примечания 1 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ Примечания 2 ]

[ Примечания 3 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]