Rendimento (química)

Em química , o rendimento , também conhecido como rendimento da reação , é uma medida da quantidade de moles de um produto formado em relação ao reagente consumido, obtido em uma reação química , geralmente expresso em porcentagem. [1] O rendimento é um dos principais fatores que os cientistas devem considerar nos processos de síntese química orgânica e inorgânica . [2] Em engenharia de reação química, "rendimento", " conversão" e "seletividade" são termos usados ​​para descrever proporções de quanto de um reagente foi consumido (conversão), quanto produto desejado foi formado (rendimento) em relação ao produto indesejado (seletividade), representado como X, Y e S .

Definições

Relação entre seletividade de conversão de reação química e rendimento

Na engenharia de reação química, "rendimento", " conversão " e "seletividade" são termos usados ​​para descrever proporções de quanto de um reagente reagiu - conversão, quanto de um produto desejado foi formado - rendimento e quanto produto desejado foi formado em relação ao produto indesejado - seletividade, representada como X, S e Y.

De acordo com o manual Elements of Chemical Reaction Engineering , o rendimento refere-se à quantidade de um produto específico formado por mol de reagente consumido. [3] Em química, mol é usado para descrever quantidades de reagentes e produtos em reações químicas.

O Compendium of Chemical Terminology definiu o rendimento como a " razão que expressa a eficiência de um processo de conversão de massa. O coeficiente de rendimento é definido como a quantidade de massa celular (kg) ou produto formado (kg,mol) [Notas 1] em relação ao consumido substrato (fonte de carbono ou nitrogênio ou oxigênio em kg ou moles) ou para a produção de ATP intracelular (moles)." [4] [5] : 168 

Na seção "Cálculos de rendimentos no monitoramento de reações" na 4ª edição de Vogel's Textbook of Practical Organic Chemistry (1978), os autores escrevem que " o rendimento teórico em uma reação orgânica é o peso do produto que seria obtido se a reação foi completada de acordo com a equação química. O rendimento é o peso do produto puro que é isolado da reação." [1] : 33  [Notas 2] Na edição de 1996 do Vogel's Textbook , o rendimento percentual é expresso como, [1] : 33  [Notas 3]

De acordo com a edição de 1996 do Vogel's Textbook , rendimentos próximos a 100% são chamados quantitativos , rendimentos acima de 90% são chamados excelentes , rendimentos acima de 80% são muito bons , rendimentos acima de 70% são bons , rendimentos acima de 50% são razoáveis ​​e rendimentos abaixo de 40% são chamados de pobres . [1] : 33  Em sua publicação de 2002, Petrucci, Harwood e Herring escreveram que Vogel's Textbookos nomes eram arbitrários e não universalmente aceitos e, dependendo da natureza da reação em questão, essas expectativas podem ser irrealisticamente altas. Os rendimentos podem parecer 100% ou mais quando os produtos são impuros, pois o peso medido do produto incluirá o peso de quaisquer impurezas. [6] : 125 

Em seu manual de laboratório de 2016, Química Orgânica Experimental , os autores descreveram o "rendimento da reação" ou "rendimento absoluto" de uma reação química como a "quantidade de produto puro e seco produzido em uma reação". [7] Eles escreveram que conhecer a estequiometria de uma reação química - os números e tipos de átomos nos reagentes e produtos, em uma equação balanceada "torna possível comparar diferentes elementos por meio de fatores estequiométricos". [7] As proporções obtidas por essas relações quantitativas são úteis na análise de dados. [7]

Rendimentos teóricos, reais e percentuais

O rendimento percentual é uma comparação entre o rendimento real - que é o peso do produto pretendido de uma reação química em um ambiente de laboratório - e o rendimento teórico - a medição do produto isolado pretendido puro, com base na equação química de um produto químico impecável reação, [1] e é definido como,

A relação ideal entre produtos e reagentes em uma reação química pode ser obtida usando uma equação de reação química. A estequiometria é usada para executar cálculos sobre reações químicas, por exemplo, a razão molar estequiométrica entre reagentes e produtos. A estequiometria de uma reação química é baseada em fórmulas e equações químicas que fornecem a relação quantitativa entre o número de moles de vários produtos e reagentes, incluindo rendimentos. [8] Equações estequiométricas são usadas para determinar o reagente limitanteou reagente - o reagente que é completamente consumido em uma reação. O reagente limitante determina o rendimento teórico - a quantidade relativa de moles de reagentes e o produto formado em uma reação química. Diz-se que outros reagentes estão presentes em excesso. O rendimento real – a quantidade fisicamente obtida a partir de uma reação química realizada em laboratório – costuma ser menor que o rendimento teórico. [8] O rendimento teórico é o que seria obtido se todo o reagente limitante reagisse para dar o produto em questão. Um rendimento mais preciso é medido com base em quanto produto foi realmente produzido versus quanto poderia ser produzido. A razão entre o rendimento teórico e o rendimento real resulta em um rendimento percentual. [8]

Quando mais de um reagente participa de uma reação, o rendimento é geralmente calculado com base na quantidade do reagente limitante , cuja quantidade é menor do que estequiometricamente equivalente (ou apenas equivalente) às quantidades de todos os outros reagentes presentes. Outros reagentes presentes em quantidades superiores às necessárias para reagir com todo o reagente limitante presente são considerados excesso. Como resultado, o rendimento não deve ser considerado automaticamente como uma medida da eficiência da reação. [ citação necessária ]

Em sua publicação de 1992, General Chemistry , Whitten, Gailey e Davis descreveram o rendimento teórico como a quantidade prevista por um cálculo estequiométrico baseado no número de moles de todos os reagentes presentes. Este cálculo assume que apenas uma reação ocorre e que o reagente limitante reage completamente. [9]

De acordo com Whitten, o rendimento real é sempre menor (o rendimento percentual é inferior a 100%), muitas vezes muito, por vários motivos. [9] : 95  Como resultado, muitas reações são incompletas e os reagentes não são completamente convertidos em produtos. Se ocorrer uma reação inversa, o estado final contém reagentes e produtos em um estado de equilíbrio químico . Duas ou mais reações podem ocorrer simultaneamente, de modo que algum reagente seja convertido em produtos secundários indesejados. Perdas ocorrem na separação e purificação do produto desejado da mistura de reação. Estão presentes impurezas no material de partida que não reagem para dar o produto desejado. [9]

Exemplo

Este é um exemplo de uma reação de esterificação onde uma molécula de ácido acético (também chamado de ácido etanóico) reage com uma molécula de etanol , produzindo uma molécula de acetato de etila (uma reação bimolecular de segunda ordem do tipo A + B → C):

120 g de ácido acético (60 g/mol, 2,0 mol) foram feitos reagir com 230 g de etanol (46 g/mol, 5,0 mol), rendendo 132 g de acetato de etila (88 g/mol, 1,5 mol). O rendimento foi de 75%.
  1. A quantidade molar dos reagentes é calculada a partir dos pesos (ácido acético: 120 g ÷ 60 g/mol = 2,0 mol; etanol: 230 g ÷ 46 g/mol = 5,0 mol).
  2. O etanol é usado em excesso de 2,5 vezes (5,0 mol ÷ 2,0 mol).
  3. O rendimento molar teórico é de 2,0 mol (a quantidade molar do composto limitante, ácido acético).
  4. O rendimento molar do produto é calculado a partir do seu peso (132 g ÷ 88 g/mol = 1,5 mol).
  5. O rendimento percentual é calculado a partir do rendimento molar real e do rendimento molar teórico (1,5 mol ÷ 2,0 mol × 100% = 75%). [ citação necessária ]

Purificação de produtos

Em seu Manual de Química Orgânica Sintética de 2016, Michael Pirrung escreveu que o rendimento é um dos principais fatores que os químicos sintéticos devem considerar ao avaliar um método sintético ou uma transformação específica em "sínteses de várias etapas". [10] : 163  Ele escreveu que um rendimento baseado em material de partida recuperado (BRSM) ou (BORSM) não fornece o rendimento teórico ou "100% da quantidade de produto calculado", que é necessário para tomar o próximo passo na systhesis multistep. : 163 

As etapas de purificação sempre diminuem o rendimento, por meio de perdas ocorridas durante a transferência de material entre os vasos de reação e o aparelho de purificação ou separação imperfeita do produto das impurezas, o que pode exigir o descarte de frações consideradas insuficientemente puras. O rendimento do produto medido após a purificação (normalmente até >95% de pureza espectroscópica, ou com pureza suficiente para passar na análise de combustão) é chamado de rendimento isolado da reação. [ citação necessária ]

Rendimento padrão interno

Os rendimentos também podem ser calculados medindo a quantidade de produto formado (normalmente na mistura de reação bruta e não purificada) em relação a uma quantidade conhecida de um padrão interno adicionado, usando técnicas como cromatografia gasosa (GC), cromatografia líquida de alta eficiência ou nuclear espectroscopia de ressonância magnética (espectroscopia de RMN) ou espectroscopia de ressonância magnética (MRS). [ citação necessária ] Um rendimento determinado usando esta abordagem é conhecido como um rendimento padrão interno. Os rendimentos são tipicamente obtidos desta maneira para determinar com precisão a quantidade de produto produzida por uma reação, independentemente dos problemas de isolamento potenciais. Além disso, eles podem ser úteis quando o isolamento do produto é desafiador ou tedioso, ou quando a determinação rápida de um rendimento aproximado é desejada. Salvo indicação em contrário, os rendimentos relatados na literatura de química orgânica e inorgânica sintética referem-se a rendimentos isolados, que refletem melhor a quantidade de produto puro que se pode obter nas condições relatadas, após a repetição do procedimento experimental. [ citação necessária ]

Relatórios de rendimentos

Em seu artigo Synlett de 2010 , Martina Wernerova e o químico orgânico, Tomáš Hudlický, levantaram preocupações sobre relatórios imprecisos de rendimentos e ofereceram soluções - incluindo a caracterização adequada de compostos. [11] Depois de realizar experimentos de controle cuidadosos, Wernerova e Hudlický disseram que cada manipulação física (incluindo extração/lavagem, secagem sobre dessecante, filtração e cromatografia em coluna) resulta em uma perda de rendimento de cerca de 2%. Assim, os rendimentos isolados medidos após processamento aquoso padrão e purificação cromatográfica raramente devem exceder 94%. [11]Eles chamaram esse fenômeno de "inflação de rendimento" e disseram que a inflação de rendimento havia subido gradualmente nas últimas décadas na literatura de química. Eles atribuíram a inflação do rendimento à medição descuidada do rendimento em reações conduzidas em pequena escala, ilusão e desejo de relatar números mais altos para fins de publicação. [11] O artigo de Hudlický de 2020 publicado na Angewandte Chemie - desde então retratado - homenageou e ecoou a frequentemente citada revisão de trinta anos de síntese orgânica de Dieter Seebach em 1990, que também foi publicada na Angewandte Chemie . [12] Em seu 2020 Angewandte ChemieRevisão de 30 anos, Hudlický disse que as sugestões que ele e Wernerova fizeram em seu artigo Synlett de 2010 foram "ignoradas pelos conselhos editoriais de periódicos orgânicos e pela maioria dos pareceristas". [13]

Veja também

Notas

  1. O uso de quilograma-mol (kg-mol ou g-mol)—o número de entidades em 12 kg de 12C foi substituído pelo uso do quilomole (kmol) no final do século XX. O quilomole é numericamente idêntico ao quilograma-mol. O nome e o símbolo adotam a convenção SI para múltiplos padrão de unidades métricas - kmol significa 1000 mol.
  2. O químico Arthur Irving Vogel (1905 – 1966) foi autor de livros didáticos, incluindo o Textbook of Qualitative Chemical Analysis (1937), o Textbook of Quantitative Chemical Analysis (1939) e o Practical Organic Chemistry (1948).
  3. ^ Na seção "Cálculos de rendimentos no monitoramento de reações" Vogel's Textbook , os autores escrevem que a maioria das reações publicadas na literatura química fornecem as concentrações molares de um reagente em solução, bem como as quantidades de reagentes e os pesos em gramas ou miligramas (1996:33)

Leitura adicional

  • Whitten, Kenneth W.; Davis, Raymond E; Peck, M. Larry (2002). Química geral . Fort Worth: Thomson Learning. ISBN 978-0-03-021017-4.
  • Whitten, Kenneth W; Gailey, Kenneth D (1981). Química geral . Filadélfia: Saunders College Pub. ISBN 978-0-03-057866-3.
  • Petrucci, Ralph H.; Arenque, F. Geoffrey; Madura, Jeffry; Bissonnette, Carey; Pearson (2017). Química geral: princípios e aplicações modernas . Toronto: Pearson. ISBN 978-0-13-293128-1.
  • Vogel, Arthur Israel; Furniss, B.S; Tatchell, Austin Robert (1978). Livro Vogel de química orgânica prática . Nova York: Longman. ISBN 978-0-582-44250-4.

Referências

  1. ^ abcde Vogel, Arthur Irving (1996). Tatchell, Austin Robert; Furnis, BS; Hannaford, AJ; Smith, PWG (eds.). Vogel's Textbook of Practical Organic Chemistry (PDF) (5 ed.). Prentice Hall. ISBN 978-0-582-46236-6. Acesso em 25 de junho de 2020 .
  2. ^ Cornforth, JW (1 de fevereiro de 1993). "O problema com a síntese". Jornal Australiano de Química . 46 (2): 157–170. doi : 10.1071/ch9930157 .
  3. ^ Fogler, H. Scott (23 de agosto de 2005). Elementos de Engenharia de Reação Química (4 ed.). Prentice Hall. pág. 1120.
  4. ^ McNaught, ANÚNCIO; Wilkinson, A., editores. (1997). Glossário para químicos de termos usados ​​em biotecnologia. Compêndio de Terminologia Química o "Gold Book" (2 ed.). Oxford: Publicações Científicas Blackwell. doi : 10.1351/goldbook. ISBN 0-9678550-9-8.SJ Giz. Versão online (2019-). Última revisão em 24 de fevereiro de 2014
  5. ^ PAC, 1992, 64, 143. (Glossário para químicos de termos usados ​​em biotecnologia (Recomendações IUPAC 1992)) Compendium of Chemical Terminology
  6. ^ Petrucci, Ralph H.; Harwood, William S.; Arenque, F. Geoffrey (2002). Química geral: princípios e aplicações modernas (8ª ed.). Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. pág. 125. ISBN 978-0-13-014329-7. LCCN  2001032331. OCLC  46872308.
  7. ^ abc Isac-García, Joaquín; Dobado, José A.; Calvo-Flores, Francisco G.; Martínez-Garcí, Henar (2016). Química Orgânica Experimental (1 ed.). Imprensa Acadêmica. pág. 500. ISBN 9780128038932. Acesso em 25 de junho de 2020 .
  8. ^ abc Petrucci, Ralph H.; Harwood, William S.; Arenque, F. Geoffrey; Madura, Jeffry D. (2007). Química Geral (9 ed.). Nova Jersey: Pearson Prentice Hall.
  9. ^ abc Whitten, Kenneth W.; Gailey, KD; Davis, Raymond E. (1992). Química geral (4 ed.). Editora do Colégio Saunders. ISBN 978-0-03-072373-5.
  10. ^ Pirrung, Michael C. (30 de agosto de 2016). Manual de Química Orgânica Sintética . Imprensa Acadêmica. ISBN 978-0-12-809504-1.
  11. ^ abc Wernerova, Martina; Hudlicky, Tomas (novembro de 2010). "Sobre os limites práticos da determinação de rendimentos de produtos isolados e proporções de estereoisômeros: reflexões, análise e redenção". Synlett . 2010 (18): 2701–2707. doi : 10.1055/s-0030-1259018. ISSN  1437-2096.
  12. ^ Seebach, Dieter (1990). "Síntese orgânica - onde agora?". Angewandte Chemie . 29 (11): 1320–1367. doi : 10.1002/anie.199013201. ISSN  1521-3773.
  13. ^ Hudlicky, Tomas (4 de junho de 2020). ""Síntese orgânica - Onde agora?" tem trinta anos. Uma reflexão sobre o estado atual das coisas". Angewandte Chemie . Opinião. 59 (31): 12576. doi : 10.1002/anie.202006717 . PMID  32497328.Retraído.