Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В химии , выход , называемый также выхода продукта реакции , является мерой количества молей одного продукта , образованного по отношению к реагенту, потребленный полученного в результате химической реакции , как правило , выражается в процентах. [1] Урожайность - один из основных факторов, которые ученые должны учитывать в процессах органического и неорганического химического синтеза . [2] В инженерии химических реакций, «выход», « конверсия»."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 [ править ]

Связь между селективностью превращения химической реакции и выходом

В химической реакционной технике термины «выход», « конверсия » и «селективность» используются для описания соотношений того, сколько реагента прореагировало - конверсия, сколько желаемого продукта образовалось - выход и сколько желаемого продукта было получено. образованный по отношению к нежелательному продукту - селективность, представленная как X, S и Y.

Согласно руководству « Элементы инженерии химических реакций» , под выходом понимается количество образовавшегося конкретного продукта на моль израсходованного реагента. [3] В химии моль используется для описания количества реагентов и продуктов в химических реакциях.

Сборник химической терминологии определен выход как " отношение , выражающей эффективность процесса преобразования масс. Коэффициент текучести определяется как количество клеточной массы (кг) или образующегося продукта (кг, моль) [Примечания 1] , связанные с потребляемой субстрат (источник углерода или азота или кислород в кг или молях) или для продукции внутриклеточного АТФ (моль) ». [4] [5] : 168

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

Согласно изданию Vogel's Textbook 1996 г. , урожайность, близкая к 100%, называется количественной , урожайность выше 90% - отличной , урожайность выше 80% - очень хорошей , урожайность выше 70% - хороша , урожайность выше 50% - удовлетворительна , ниже 40% называются бедными . [1] : 33 В своей публикации 2002 года Петруччи, Харвуд и Херринг написали, что Учебник Фогеляназвания были произвольными и не общепринятыми, и в зависимости от характера рассматриваемой реакции эти ожидания могут быть нереалистично 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 « Экспериментальная органическая химия» от 2016 года авторы 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 - количества 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 [ править ]

Процентный выход представляет собой сравнение между фактическим выходом, который представляет собой вес предполагаемого продукта химической реакции в лабораторных условиях, и теоретическим выходом, измеренным чистым заданным изолированным продуктом, основанным на химическом уравнении 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 ограничивающего реагента.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 теоретической и фактической урожайности дает процентную доходность. [8]

Когда в реакции участвует более одного реагента, выход обычно рассчитывается на основе количества ограничивающего реагента , количество которого меньше стехиометрического эквивалента (или просто эквивалента) 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. [ необходима цитата ]

В своей публикации 1992 г. General Chemistry , Whitten, Gailey и Davis описали теоретический выход как количество, предсказанное стехиометрическим расчетом на основе числа молей всех присутствующих реагентов. Этот расчет предполагает, что происходит только одна реакция и ограничивающий реагент реагирует полностью. [9]

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

Это пример реакции этерификации, когда 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) 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%.
  1. Молярное количество реагентов рассчитывается исходя из веса (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. Теоретический молярный выход составляет 2,0 молей (молярное количество предельного соединения, уксусная кислоты).
  4. Молярный выход продукта рассчитывается исходя из его веса (132 г ÷ 88 г / моль = 1,5 моль).
  5. % Выход рассчитываются исходя из фактического молярного выхода и теоретического выхода молярного (1,5 моль ÷ 2,0 моль × 100% = 75%). [ необходима цитата ]

Очистка продуктов [ править ]

В своем Руководстве по синтетической органической химии 2016 года Майкл Пиррунг написал, 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 получения следующего 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 изолированным выходом реакции. [ необходима цитата ]

Внутренний стандарт доходности [ править ]

Выходы также можно рассчитать путем измерения количества образовавшегося продукта (обычно в неочищенной 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 (MRS). [ необходима цитата ] 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 выделением. Кроме того, они могут быть полезны, когда выделение продукта затруднительно 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 выделенным выходам, которые лучше отражают количество чистого продукта, которое может быть получено в указанных условиях при повторении экспериментальной процедуры. [ необходима цитата ]

Отчетность по урожайности [ править ]

В своей статье Synlett 2010 года 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 постепенно увеличивалась инфляция. Они объяснили инфляцию урожайности небрежным измерением урожайности по реакции, проводимой в небольшом масштабе, принятием желаемого за действительное и желанием сообщить более высокие цифры для целей публикации. [11] В статье Худлицки, опубликованной в 2020 году в Angewandte Chemie (после отозванной), дано уважение и отражение часто цитируемого тридцатилетнего обзора органического синтеза Дитера Зеебаха за 1990 год, который также был опубликован в Angewandte Chemie . [12] В его Angewandte Chemie 2020 года. В 30-летнем обзоре Худлицкий сказал, что предложения, которые он и Вернерова сделали в своей статье Synlett 2020 года , «были проигнорированы редакционными советами органических журналов и большинством рецензентов». [13]

См. Также [ править ]

  • Конверсия (химия)
  • Квантовый выход

Заметки [ править ]

  1. ^ Использование килограмм-моль (кг-моль или г-моль) - количество сущностей в 12 кг 12C было заменено использованием киломоля (кмоль) в конце 20-го 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 Учебника качественного химического анализа (1937), Учебника количественного химического анализа (1939) и Практической органической химии (1948).
  3. ^ В разделе «Расчеты выходов при мониторинге реакций» Учебник Фогеля авторы пишут, что большинство реакций, опубликованных в химической литературе, предоставляют молярные концентрации реагента в растворе, а также количества реагентов и веса в граммах или миллиграммах. (1996: 33)

Дальнейшее чтение [ править ]

  • 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.
  • 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; Татчелл, Остин Роберт (1978). Учебник практической органической химии Фогеля . Нью-Йорк: Лонгман. ISBN 978-0-582-44250-4.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e Фогель, Артур Ирвинг (1996). Татчелл, Остин Роберт; Фернис, BS; Ханнафорд, AJ; Смит, PWG (ред.). Учебник практической органической химии Фогеля (PDF) (5-е изд.). Прентис Холл. ISBN  978-0-582-46236-6. Проверено 25 июня 2020 года .
  2. ^ Корнфорт, JW (1 февраля 1993). «Проблема с синтезом» . Австралийский химический журнал . 46 (2): 157–170. DOI : 10,1071 / ch9930157 .
  3. ^ Фоглер, Г. Скотт (23 августа 2005). Элементы инженерии химических реакций (4-е изд.). Прентис Холл. п. 1120.
  4. ^ McNaught, AD; Уилкинсон, А., ред. (1997). Глоссарий для химиков терминов, используемых в биотехнологии . Сборник химической терминологии "Золотая книга" (2-е изд.). Оксфорд: Научные публикации Блэквелла. DOI : 10.1351 / goldbook . ISBN 0-9678550-9-8.SJ 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. ^ Петруччи, Ральф Х .; 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. ^ a b 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. Проверено 25 июня 2020 года .
  8. ^ a b c Петруччи, Ральф Х .; Харвуд, Уильям S .; Херринг, Ф. Джеффри; Мадура, Джеффри Д. (2007). Общая химия (9 изд.). Нью-Джерси: Пирсон Прентис Холл.
  9. ^ a b c Whitten, Kenneth W .; Гейли, KD; Дэвис, Раймонд Э. (1992). Общая химия (4-е изд.). Издательство колледжа Сондерс. ISBN 978-0-03-072373-5.
  10. ^ Pirrung, Майкл С. (30 августа 2016). Справочник по синтетической органической химии . Академическая пресса. ISBN 978-0-12-809504-1.
  11. ^ a b 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. DOI : 10,1055 / с-0030-1259018 . ISSN 1437-2096 . 
  12. ^ Зеебах, Дитер (1990). «Органический синтез - где теперь?». Angewandte Chemie . 29 (11): 1320–1367. DOI : 10.1002 / anie.199013201 . ISSN 1521-3773 . 
  13. ^ Hudlicky, Томас (4 июня 2020). « » Органический синтез-Где сейчас? «Тридцать лет. Отражение от текущего состояния дел» . Angewandte Chemie . Мнение. 59 (31): 12576. DOI : 10.1002 / anie.202006717 . PMID 32497328 .  Убрана.