Wydajność (chemia) - Yield (chemistry)

W chemii , wydajności , określany mianem wydajność reakcji jest miarą ilości moli danego produktu wytworzonego w stosunku do reagenta, zużytą, otrzymanego w wyniku reakcji chemicznej , zazwyczaj wyrażone jest w procentach. Wydajność jest jednym z podstawowych czynników, które naukowcy muszą wziąć pod uwagę w procesach organicznej i nieorganicznej syntezy chemicznej . W inżynierii reakcji chemicznych „wydajność”, „ konwersja„i „selektywność” są terminami używanymi do opisania proporcji zużycia substratu (konwersja), ilości wytworzonego pożądanego produktu (wydajność) w stosunku do produktu niepożądanego (selektywność), przedstawionego jako X, Y i S .

Definicje

W inżynierii reakcji chemicznej „wydajność”, „ konwersja ” i „selektywność” są terminami używanymi do opisania proporcji tego, jaka część reagenta przereagowała – konwersja, ile powstało pożądanego produktu – wydajność i ile pożądanego produktu zostało powstaje w stosunku do niepożądanego produktu - selektywności, reprezentowanej jako X, S i Y.

Zgodnie z podręcznikiem Elements of Chemical Reaction Engineering , wydajność odnosi się do ilości określonego produktu utworzonego na mol zużytego reagenta. W chemii mol jest używany do opisu ilości reagentów i produktów w reakcjach chemicznych.

Compendium of Chemical Terminology wyznaczonego uzysku jako " wskaźnik wyrażający wydajność procesu konwersji masowej. Współczynnik wydajność jest określona jako ilość masy komórek (kg) lub utworzonego produktu (kg mol) w odniesieniu do zużytego podłoża (węgla lub źródło azotu lub tlenu w kg lub molach) lub wewnątrzkomórkowej produkcji ATP (mole)."

W rozdziale „Obliczenia wydajności w monitorowaniu reakcji” w 4. wydaniu podręcznika Vogel's Textbook of Practical Organie Chemistry (1978) z 1996 r. autorzy piszą, że „ wydajność teoretyczna w reakcji organicznej jest wagą produktu, który zostałby uzyskany jeśli reakcja przebiegła do końca zgodnie z równaniem chemicznym. Wydajność jest wagą czystego produktu, który jest izolowany z reakcji." W wydaniu podręcznika Vogel's z 1996 r. wydajność procentowa jest wyrażona jako:

${\displaystyle {\mbox{procent wydajności}}={\frac {\mbox{masa produktu}}{\mbox{wydajność teoretyczna}}}\razy 100}$

Zgodnie z edycji 1996 Vogla Textbook rentowności blisko 100% nazywane są ilościowe , rentowności powyżej 90% nazywane są doskonałe , rentowności powyżej 80% są bardzo dobre , rentowności powyżej 70% są dobre , rentowności powyżej 50% są uczciwe , a rentowności poniżej 40% nazywa się biednymi . W swojej publikacji z 2002 roku Petrucci, Harwood i Herring napisali, że nazwy Vogel's Textbook są arbitralne i nie są powszechnie akceptowane, a w zależności od charakteru danej reakcji oczekiwania te mogą być nierealistycznie wysokie. Wydajność może wydawać się wynosić 100% lub więcej, gdy produkty są zanieczyszczone, ponieważ zmierzona waga produktu będzie obejmować wagę wszelkich zanieczyszczeń.

W podręczniku laboratoryjnym z 2016 roku, Experimental Organic Chemistry , autorzy opisali „wydajność reakcji” lub „wydajność bezwzględną” reakcji chemicznej jako „ilość czystego i suchego produktu uzyskanego w reakcji”. Napisali, że znajomość stechiometrii reakcji chemicznej – liczby i typów atomów w substratach i produktach w zrównoważonym równaniu „umożliwia porównywanie różnych pierwiastków za pomocą czynników stechiometrycznych”. Wskaźniki uzyskane dzięki tym zależnościom ilościowym są przydatne w analizie danych.

Wydajność teoretyczna, rzeczywista i procentowa

Wydajność procentowa to porównanie między rzeczywistą wydajnością — która jest wagą zamierzonego produktu reakcji chemicznej w warunkach laboratoryjnych — a wydajnością teoretyczną — pomiarem czystego zamierzonego izolowanego produktu, w oparciu o równanie chemiczne nieskazitelnej substancji chemicznej reakcja i jest zdefiniowany jako:

${\displaystyle {\mbox{procent wydajności}}={\frac {\mbox{rzeczywista wydajność}}{\mbox{wydajność teoretyczna}}}\razy 100}$

Idealną zależność między produktami i reagentami w reakcji chemicznej można uzyskać za pomocą równania reakcji chemicznej. Stechiometria służy do wykonywania obliczeń dotyczących reakcji chemicznych, na przykład stechiometrycznego stosunku molowego między reagentami a produktami. Stechiometria reakcji chemicznej opiera się na wzorach chemicznych i równaniach, które dostarczają ilościowego związku między liczbą moli różnych produktów i reagentów, w tym wydajności. Równania stechiometryczne służą do określenia odczynnika ograniczającego lub reagenta — reagenta, który jest całkowicie zużywany w reakcji. Odczynnik ograniczający określa wydajność teoretyczną — względną ilość moli reagentów i produktu powstałego w reakcji chemicznej. Mówi się, że inne reagenty są obecne w nadmiarze. Rzeczywista wydajność — ilość fizycznie uzyskana w wyniku reakcji chemicznej przeprowadzonej w laboratorium — jest często mniejsza niż wydajność teoretyczna. Wydajność teoretyczna jest taka, jaka zostałaby uzyskana, gdyby cały odczynnik ograniczający przereagował dając dany produkt. Bardziej dokładna wydajność jest mierzona na podstawie tego, ile produktu faktycznie wytworzono w porównaniu z tym, ile można było wyprodukować. Stosunek wydajności teoretycznej do wydajności rzeczywistej daje wydajność procentową.

Gdy w reakcji uczestniczy więcej niż jeden reagent, wydajność jest zwykle obliczana na podstawie ilości reagenta ograniczającego , którego ilość jest mniejsza niż stechiometrycznie równoważna (lub po prostu równoważna) ilości wszystkich innych obecnych reagentów. Inne odczynniki obecne w ilościach większych niż wymagane do przereagowania z całym obecnym odczynnikiem ograniczającym są uważane za nadmiar. W rezultacie wydajność nie powinna być automatycznie przyjmowana jako miara wydajności reakcji.

W swojej publikacji z 1992 roku General Chemistry , Whitten, Gailey i Davis opisali wydajność teoretyczną jako ilość przewidywaną przez obliczenia stechiometryczne oparte na liczbie moli wszystkich obecnych reagentów. Obliczenia te zakładają, że zachodzi tylko jedna reakcja i że reagent ograniczający reaguje całkowicie.

Według Whittena, rzeczywista wydajność jest zawsze mniejsza (procentowa wydajność jest mniejsza niż 100%), często bardzo, z kilku powodów. W rezultacie wiele reakcji jest niekompletnych, a reagenty nie są całkowicie przekształcane w produkty. Jeśli zachodzi reakcja odwrotna, stan końcowy zawiera zarówno reagenty, jak i produkty w stanie równowagi chemicznej . Dwie lub więcej reakcji może zachodzić jednocześnie, tak że część reagentów jest przekształcana w niepożądane produkty uboczne. Straty występują podczas oddzielania i oczyszczania pożądanego produktu z mieszaniny reakcyjnej. W materiale wyjściowym obecne są zanieczyszczenia, które nie reagują dając pożądany produkt.

Przykład

Jest to przykład reakcji estryfikacji , w której jedna cząsteczka kwasu octowego (nazywanego również kwasem etanowym) reaguje z jedną cząsteczką etanolu , dając jedną cząsteczkę octanu etylu (dwucząsteczkowa reakcja drugiego rzędu typu A + B → C):

120 g kwasu octowego (60 g/mol, 2,0 mol) poddano reakcji z 230 g etanolu (46 g/mol, 5,0 mol), uzyskując 132 g octanu etylu (88 g/mol, 1,5 mol). Wydajność wynosiła 75%.

1. Ilość molowa reagentów, jest obliczana z wagi (kwas octowy: 120 g ÷ 60 g / mol = 2,0 mola, etanol 230 g ÷ 46 g / mol = 5,0 mola).
2. Etanol stosuje się w 2,5-krotnym nadmiarze (5,0 mol ÷ 2,0 mol).
3. Teoretyczna wydajność molowa wynosi 2,0 mola (ilość molowa związku ograniczającego, kwas octowy).
4. Molowy Wydajność produktu oblicza się z jej masy (132 g ÷ 88 g / mol = 1,5 mola).
5. Wydajność% oblicza się na podstawie rzeczywistej wydajności molowej i teoretyczne wydajności molowej (1,5 mola ÷ 2,0 mol x 100% = 75%).

Oczyszczanie produktów

W swoim Podręczniku syntetycznej chemii organicznej z 2016 roku Michael Pirrung napisał, że wydajność jest jednym z głównych czynników, które chemicy zajmujący się syntezą muszą wziąć pod uwagę przy ocenie metody syntetycznej lub konkretnej transformacji w „syntezach wieloetapowych”. Pisał, że plon oparty na odzyskanym materiale wyjściowym (BRSM) lub (BORSM) nie zapewnia wydajności teoretycznej ani „100% obliczonej ilości produktu”, która jest niezbędna do podjęcia kolejnego kroku w wieloetapowej systemacie .

Etapy oczyszczania zawsze obniżają wydajność, poprzez straty poniesione podczas przenoszenia materiału między naczyniami reakcyjnymi a aparaturą do oczyszczania lub niedoskonałe oddzielenie produktu od zanieczyszczeń, co może wymagać odrzucenia frakcji uznanych za niewystarczająco czyste. Wydajność produktu mierzona po oczyszczeniu (zwykle do >95% czystości spektroskopowej lub czystości wystarczającej do przejścia analizy spalania) jest nazywana wyizolowaną wydajnością reakcji.

Wewnętrzna standardowa wydajność

Wydajność można również obliczyć, mierząc ilość utworzonego produktu (zwykle w surowej, nieoczyszczonej mieszaninie reakcyjnej) w stosunku do znanej ilości dodanego standardu wewnętrznego, stosując techniki takie jak chromatografia gazowa (GC), wysokosprawna chromatografia cieczowa lub jądrowa spektroskopia rezonansu magnetycznego ( spektroskopia NMR) lub spektroskopia rezonansu magnetycznego (MRS). Wydajność określona przy użyciu tego podejścia jest znana jako wydajność standardu wewnętrznego . Wydajność uzyskuje się zazwyczaj w ten sposób, aby dokładnie określić ilość produktu wytworzonego w reakcji, niezależnie od potencjalnych problemów z izolacją. Dodatkowo mogą być przydatne, gdy izolacja produktu jest trudna lub żmudna, lub gdy pożądane jest szybkie określenie przybliżonej wydajności. O ile nie wskazano inaczej, wydajności podane w literaturze syntetycznej chemii organicznej i nieorganicznej odnoszą się do wydajności wyizolowanych, które lepiej odzwierciedlają ilość czystego produktu, jaki można prawdopodobnie uzyskać w podanych warunkach, po powtórzeniu procedury doświadczalnej.

Raportowanie plonów

W artykule Synlett z 2010 r. Martina Wernerova i chemik organiczny Tomáš Hudlický wyrazili obawy dotyczące niedokładnego raportowania wydajności i zaproponowali rozwiązania — w tym właściwą charakterystykę związków. Po przeprowadzeniu dokładnych eksperymentów kontrolnych Wernerova i Hudlický powiedzieli, że każda fizyczna manipulacja (w tym ekstrakcja/mycie, suszenie nad środkiem osuszającym, filtracja i chromatografia kolumnowa) powoduje utratę wydajności o około 2%. Tak więc wyizolowane wydajności mierzone po standardowej obróbce wodnej i oczyszczaniu chromatograficznym rzadko powinny przekraczać 94%. Nazwali to zjawisko „inflacją plonów” i powiedzieli, że inflacja plonów stopniowo rosła w górę w ostatnich dziesięcioleciach w literaturze chemicznej. Inflację plonów przypisywali niestarannemu pomiarowi plonów na reakcjach przeprowadzonych na małą skalę, pobożnym życzeniom i chęci zgłaszania większych liczb do celów publikacji. Artykuł Hudlický'ego z 2020 roku opublikowany w Angewandte Chemie – od wycofania – uhonorował i powtórzył często cytowany trzydziestoletni przegląd syntezy organicznej Dietera Seebacha z 1990 roku, który również został opublikowany w Angewandte Chemie . W swojej 30-letniej recenzji Angewandte Chemie z 2020 r. Hudlický powiedział, że sugestie, które on i Wernerova poczynili w artykule Synlett z 2020 r., zostały „zignorowane przez redakcje czasopism organicznych i większość recenzentów”.

Zobacz też

• Konwersja (chemia)
• Wydajność kwantowa

Uwagi

Dalsza lektura

• Whitten, Kenneth W.; Davis, Raymond E; Peck, M. Larry (2002). Chemia ogólna . Fort Worth: Nauka Thomsona. Numer ISBN 978-0-03-021017-4.
• Whitten, Kenneth W; Gailey, Kenneth D (1981). Chemia ogólna . Filadelfia: Pub Saunders College. Numer ISBN 978-0-03-057866-3.
• Petrucci, Ralph H.; Śledź, F. Geoffrey; Madura, Jeffry; Bissonnette, Carey; Pearsona (2017). Chemia ogólna: zasady i współczesne zastosowania . Toronto: Pearson. Numer ISBN 978-0-13-293128-1.
• Vogel, Artur Izrael; Furniss, BS; Tatchell, Austin Robert (1978). Podręcznik praktycznej chemii organicznej Vogla . Nowy Jork: Longman. Numer ISBN 978-0-582-44250-4.

Bibliografia