Resa (chimica) - Yield (chemistry)
In chimica , la resa , detta anche resa di reazione , è una misura della quantità di moli di un prodotto formato rispetto al reagente consumato, ottenuta in una reazione chimica , solitamente espressa in percentuale. La resa è uno dei fattori primari che gli scienziati devono considerare nei processi di sintesi chimica organica e inorganica . Nell'ingegneria delle reazioni chimiche, "resa", " conversione" e "selettività" sono termini usati per descrivere i rapporti di quanto di un reagente è stato consumato (conversione), quanto prodotto desiderato è stato formato (resa) in relazione al prodotto indesiderato (selettività), rappresentato come X, Y e S .
Definizioni
Nell'ingegneria delle reazioni chimiche, "resa", " conversione " e "selettività" sono termini usati per descrivere i rapporti di quanto di un reagente ha reagito - conversione, quanto di un prodotto desiderato si è formato - resa e quanto prodotto desiderato era formato in rapporto al prodotto indesiderato: selettività, rappresentata come X,S e Y.
Secondo il manuale Elements of Chemical Reaction Engineering , la resa si riferisce alla quantità di un prodotto specifico formato per mole di reagente consumato. In chimica, la mole è usata per descrivere quantità di reagenti e prodotti nelle reazioni chimiche.
Il Compendio di Terminologia Chimica definisce la resa come il " rapporto che esprime l'efficienza di un processo di conversione di massa. Il coefficiente di resa è definito come la quantità di massa cellulare (kg) o prodotto formato (kg,mol) in relazione al substrato consumato (carbonio o fonte di azoto o ossigeno in kg o moli) o alla produzione intracellulare di ATP (moli)."
Nella sezione "Calcoli delle rese nel monitoraggio delle reazioni" nella 4a edizione del 1996 di Vogel's Textbook of Practical Organic Chemistry (1978), gli autori scrivono che " la resa teorica in una reazione organica è il peso del prodotto che si otterrebbe se la reazione è giunta a completamento secondo l'equazione chimica. La resa è il peso del prodotto puro che viene isolato dalla reazione." Nell' edizione del 1996 del libro di testo di Vogel's , la resa percentuale è espressa come,
Secondo l'edizione del 1996 del libro di testo di Vogel , i rendimenti vicini al 100% sono chiamati quantitativi , i rendimenti superiori al 90% sono chiamati eccellenti , i rendimenti superiori all'80% sono molto buoni , i rendimenti superiori al 70% sono buoni , i rendimenti superiori al 50% sono discreti e i rendimenti al di sotto del 40% sono chiamati poveri . Nella loro pubblicazione del 2002, Petrucci, Harwood e Herring hanno scritto che i nomi dei libri di testo di Vogel's erano arbitrari e non universalmente accettati e, a seconda della natura della reazione in questione, queste aspettative potrebbero essere irrealisticamente alte. I rendimenti possono sembrare pari o superiori al 100% quando i prodotti sono impuri, poiché il peso misurato del prodotto includerà il peso di eventuali impurità.
Nel loro manuale di laboratorio del 2016, Experimental Organic Chemistry , gli autori hanno descritto la "resa di reazione" o "resa assoluta" di una reazione chimica come la "quantità di prodotto puro e secco resa in una reazione". Hanno scritto che conoscere la stechiometria di una reazione chimica - i numeri e i tipi di atomi nei reagenti e nei prodotti, in un'equazione bilanciata "rende possibile confrontare elementi diversi attraverso fattori stechiometrici". I rapporti ottenuti da queste relazioni quantitative sono utili nell'analisi dei dati.
Rendimenti teorici, effettivi e percentuali
La resa percentuale è un confronto tra la resa effettiva, che è il peso del prodotto previsto di una reazione chimica in un ambiente di laboratorio, e la resa teorica, la misurazione del prodotto isolato puro previsto, basata sull'equazione chimica di una sostanza chimica impeccabile reazione, ed è definito come,
La relazione ideale tra prodotti e reagenti in una reazione chimica può essere ottenuta utilizzando un'equazione di reazione chimica. La stechiometria viene utilizzata per eseguire calcoli sulle reazioni chimiche, ad esempio il rapporto molare stechiometrico tra reagenti e prodotti. La stechiometria di una reazione chimica si basa su formule ed equazioni chimiche che forniscono la relazione quantitativa tra il numero di moli di vari prodotti e reagenti, comprese le rese. Le equazioni stechiometriche vengono utilizzate per determinare il reagente o reagente limitante , il reagente che viene completamente consumato in una reazione. Il reagente limitante determina la resa teorica, la quantità relativa di moli di reagenti e il prodotto formato in una reazione chimica. Si dice che altri reagenti siano presenti in eccesso. La resa effettiva, la quantità ottenuta fisicamente da una reazione chimica condotta in laboratorio, è spesso inferiore alla resa teorica. La resa teorica è quella che si otterrebbe se tutto il reagente limitante reagisse per dare il prodotto in questione. Una resa più accurata viene misurata in base a quanto prodotto è stato effettivamente prodotto rispetto a quanto potrebbe essere prodotto. Il rapporto tra la resa teorica e la resa effettiva risulta in una resa percentuale.
Quando più di un reagente partecipa a una reazione, la resa viene solitamente calcolata in base alla quantità del reagente limitante , la cui quantità è inferiore a quella stechiometricamente equivalente (o solo equivalente) alle quantità di tutti gli altri reagenti presenti. Altri reagenti presenti in quantità maggiori di quanto richiesto per reagire con tutto il reagente limitante presente sono considerati in eccesso. Di conseguenza, la resa non dovrebbe essere presa automaticamente come misura dell'efficienza della reazione.
Nella loro pubblicazione del 1992 General Chemistry , Whitten, Gailey e Davis hanno descritto la resa teorica come la quantità prevista da un calcolo stechiometrico basato sul numero di moli di tutti i reagenti presenti. Questo calcolo presuppone che si verifichi una sola reazione e che il reagente limitante reagisca completamente.
Secondo Whitten, la resa effettiva è sempre inferiore (la resa percentuale è inferiore al 100%), spesso molto, per diversi motivi. Di conseguenza, molte reazioni sono incomplete e i reagenti non sono completamente convertiti in prodotti. Se si verifica una reazione inversa, lo stato finale contiene sia reagenti che prodotti in uno stato di equilibrio chimico . Possono verificarsi due o più reazioni contemporaneamente, così che alcuni reagenti vengono convertiti in prodotti collaterali indesiderati. Si verificano perdite nella separazione e purificazione del prodotto desiderato dalla miscela di reazione. Nel materiale di partenza sono presenti impurezze che non reagiscono per dare il prodotto desiderato.
Esempio
Questo è un esempio di una reazione di esterificazione in cui una molecola di acido acetico (chiamato anche acido etanoico) reagisce con una molecola di etanolo , producendo una molecola di acetato di etile (una reazione bimolecolare di secondo ordine del tipo A + B → C):
- 120 g di acido acetico (60 g/mol, 2,0 mol) sono stati fatti reagire con 230 g di etanolo (46 g/mol, 5,0 mol), ottenendo 132 g di acetato di etile (88 g/mol, 1,5 mol). La resa è stata del 75%.
- La quantità molare dei reagenti è calcolata dai pesi (acido acetico: 120 g ÷ 60 g/mol = 2,0 mol; etanolo: 230 g ÷ 46 g/mol = 5,0 mol).
- L'etanolo viene utilizzato in un eccesso di 2,5 volte (5,0 mol ÷ 2,0 mol).
- La resa molare teorica è 2,0 moli (la quantità molare del composto limitante, acido acetico).
- La resa molare del prodotto si calcola dal suo peso (132 g ÷ 88 g/mol = 1,5 mol).
- La resa % è calcolata dalla resa molare effettiva e dalla resa molare teorica (1,5 mol ÷ 2,0 mol × 100% = 75%).
Purificazione dei prodotti
Nel suo Manuale di chimica organica sintetica del 2016 , Michael Pirrung ha scritto che la resa è uno dei fattori primari che i chimici sintetici devono considerare nella valutazione di un metodo sintetico o di una particolare trasformazione in "sintesi multistep". Scriveva che una resa basata su materiale di partenza recuperato (BRSM) o (BORSM) non fornisce la resa teorica o il "100% della quantità di prodotto calcolato", che è necessario per fare il passo successivo nella sistema multistep .
Le fasi di purificazione abbassano sempre la resa, per perdite subite durante il trasferimento di materiale tra recipienti di reazione e apparati di purificazione o per imperfetta separazione del prodotto dalle impurezze, che può richiedere lo scarto di frazioni ritenute non sufficientemente pure. La resa del prodotto misurata dopo la purificazione (tipicamente a una purezza spettroscopica >95% oa una purezza sufficiente per superare l'analisi di combustione) è chiamata resa isolata della reazione.
Rendimento standard interno
I rendimenti possono anche essere calcolati misurando la quantità di prodotto formato (tipicamente nella miscela di reazione grezza e non purificata) rispetto a una quantità nota di uno standard interno aggiunto, utilizzando tecniche come la gascromatografia (GC), la cromatografia liquida ad alte prestazioni o la nucleare spettroscopia di risonanza magnetica ( spettroscopia NMR) o spettroscopia di risonanza magnetica (MRS). Un rendimento determinato utilizzando questo approccio è noto come rendimento standard interno . I rendimenti sono tipicamente ottenuti in questo modo per determinare con precisione la quantità di prodotto prodotto da una reazione, indipendentemente da potenziali problemi di isolamento. Inoltre, possono essere utili quando l'isolamento del prodotto è impegnativo o noioso, o quando si desidera la rapida determinazione di una resa approssimativa. Se non diversamente indicato, le rese riportate nella letteratura di chimica organica e inorganica di sintesi si riferiscono a rese isolate, che meglio rispecchiano la quantità di prodotto puro che si può ottenere nelle condizioni riportate, ripetendo la procedura sperimentale.
Rendicontazione dei rendimenti
Nel loro articolo su Synlett del 2010 , Martina Wernerova e il chimico organico, Tomáš Hudlický, hanno sollevato preoccupazioni sulla segnalazione imprecisa delle rese e hanno offerto soluzioni, inclusa la corretta caratterizzazione dei composti. Dopo aver eseguito accurati esperimenti di controllo, Wernerova e Hudlický hanno affermato che ogni manipolazione fisica (inclusa estrazione/lavaggio, essiccazione su essiccante, filtrazione e cromatografia su colonna) determina una perdita di resa di circa il 2%. Pertanto, le rese isolate misurate dopo l'elaborazione acquosa standard e la purificazione cromatografica raramente dovrebbero superare il 94%. Hanno chiamato questo fenomeno "inflazione dei rendimenti" e hanno affermato che l'inflazione dei rendimenti era gradualmente aumentata negli ultimi decenni nella letteratura chimica. Hanno attribuito l'inflazione del rendimento alla misurazione negligente del rendimento sulle reazioni condotte su piccola scala, a un pio desiderio e al desiderio di riportare numeri più alti a scopo di pubblicazione. L'articolo di Hudlický del 2020 pubblicato su Angewandte Chemie , da allora ritirato, onorava e faceva eco alla revisione trentennale della sintesi organica del 1990, spesso citata, di Dieter Seebach , che era stata pubblicata anche su Angewandte Chemie . Nella sua recensione di 30 anni di Angewandte Chemie del 2020 , Hudlický ha affermato che i suggerimenti che lui e Wernerova avevano fatto nel loro articolo Synlett del 2020 , sono stati "ignorati dai comitati editoriali delle riviste organiche e dalla maggior parte dei revisori".
Guarda anche
Appunti
Ulteriori letture
- Whitten, Kenneth W.; Davis, Raymond E; Peck, M. Larry (2002). Chimica generale . Fort Worth: Thomson Learning. ISBN 978-0-03-021017-4.
- Whitten, Kenneth W; Gailey, Kenneth D (1981). Chimica generale . Filadelfia: Saunders College Pub. ISBN 978-0-03-057866-3.
- Petrucci, Ralph H.; Aringa, F. Geoffrey; Madura, Jeffry; Bissonnette, Carey; Pearson (2017). Chimica generale: principi e applicazioni moderne . Toronto: Pearson. ISBN 978-0-13-293128-1.
- Vogel, Arthur Israel; Furniss, B. S; Tatchell, Austin Robert (1978). Libro di testo di Vogel's di chimica organica pratica . New York: Longman. ISBN 978-0-582-44250-4.