En química , el rendimiento , también denominado rendimiento de la reacción , es una medida de la cantidad de moles de un producto formado en relación al reactivo consumido, obtenida en una reacción química , generalmente expresada como porcentaje. [1] El rendimiento es uno de los factores principales que los científicos deben considerar en los procesos de síntesis química orgánica e inorgánica . [2] En ingeniería de reacciones químicas, "rendimiento", " conversión " y "selectividad" son términos utilizados para describir proporciones de cuánto reactivo se consumió (conversión), cuánto producto deseado se formó (rendimiento) en relación con el producto no deseado (selectividad), representado como X, Y y S.
El término rendimiento también juega un papel importante en la química analítica , ya que los compuestos individuales se recuperan en procesos de purificación en un rango que va desde un rendimiento cuantitativo (100 %) hasta un rendimiento bajo (< 50 %).
En ingeniería de reacciones químicas, "rendimiento", " conversión " y "selectividad" son términos utilizados para describir proporciones de cuánto de un reactivo ha reaccionado (conversión, qué cantidad de un producto deseado se formó), rendimiento y cuánto producto deseado se formó. formado en proporción al producto no deseado: la selectividad, representada como X, S e Y.
Según el manual Elementos de ingeniería de reacciones químicas , el rendimiento se refiere a la cantidad de un producto específico formado por mol de reactivo consumido. [3] En química, el mol se utiliza para describir cantidades de reactivos y productos en reacciones químicas.
El Compendio de Terminología Química definió el rendimiento como la " relación que expresa la eficiencia de un proceso de conversión de masa. El coeficiente de rendimiento se define como la cantidad de masa celular (kg) o producto formado (kg,mol) [Notas 1] en relación con el consumo sustrato (fuente de carbono o nitrógeno u oxígeno en kg o moles) o a la producción intracelular de ATP (moles)." [4] [5] : 168
En la sección "Cálculos de rendimientos en el seguimiento de reacciones" de la cuarta edición de 1996 del Libro de texto de química orgánica práctica de Vogel (1978), los autores escriben que " el rendimiento teórico en una reacción orgánica es el peso del producto que se obtendría". si la reacción se ha completado de acuerdo con la ecuación química. El rendimiento es el peso del producto puro que se aísla de la reacción." [1] : 33 [Notas 2] En la edición de 1996 del Libro de texto de Vogel , el rendimiento porcentual se expresa como, [1] : 33 [Notas 3]
Según la edición de 1996 del Libro de Texto de Vogel , los rendimientos cercanos al 100% se denominan cuantitativos , los rendimientos superiores al 90% se denominan excelentes , los rendimientos superiores al 80% son muy buenos , los rendimientos superiores al 70% son buenos , los rendimientos superiores al 50% son justos y los rendimientos por debajo del 40% se les llama pobres . [1] : 33 En su publicación de 2002, Petrucci, Harwood y Herring escribieron que los nombres de los libros de texto de Vogel eran arbitrarios y no universalmente aceptados y, dependiendo de la naturaleza de la reacción en cuestión, estas expectativas pueden ser irrealmente altas. Los rendimientos pueden parecer del 100 % o más cuando los productos son impuros, ya que el peso medido del producto incluirá el peso de cualquier impureza. [6] : 125
En su manual de laboratorio de 2016, Química Orgánica Experimental , los autores describieron el "rendimiento de la reacción" o "rendimiento absoluto" de una reacción química como la "cantidad de producto puro y seco obtenido en una reacción". [7] Escribieron que conocer la estequiometría de una reacción química (los números y tipos de átomos en los reactivos y productos, en una ecuación balanceada "hace posible comparar diferentes elementos a través de factores estequiométricos"). [7] Los ratios obtenidos mediante estas relaciones cuantitativas son útiles en el análisis de datos. [7]
El rendimiento porcentual es una comparación entre el rendimiento real, que es el peso del producto previsto de una reacción química en un laboratorio, y el rendimiento teórico, la medición del producto aislado puro previsto, basado en la ecuación química de un producto químico impecable. reacción, [1] y se define como,
La relación ideal entre productos y reactivos en una reacción química se puede obtener utilizando una ecuación de reacción química. La estequiometría se utiliza para realizar cálculos sobre reacciones químicas, por ejemplo, la relación molar estequiométrica entre reactivos y productos. La estequiometría de una reacción química se basa en fórmulas y ecuaciones químicas que proporcionan la relación cuantitativa entre el número de moles de diversos productos y reactivos, incluidos los rendimientos. [8] Las ecuaciones estequiométricas se utilizan para determinar el reactivo o reactivo limitante: el reactivo que se consume por completo en una reacción. El reactivo limitante determina el rendimiento teórico: la cantidad relativa de moles de reactivos y el producto formado en una reacción química. Se dice que otros reactivos están presentes en exceso. El rendimiento real (la cantidad obtenida físicamente de una reacción química realizada en un laboratorio) suele ser menor que el rendimiento teórico. [8] El rendimiento teórico es el que se obtendría si todo el reactivo limitante reaccionara para dar el producto en cuestión. Un rendimiento más preciso se mide en función de la cantidad de producto que realmente se produjo frente a la cantidad que se podría producir. La relación entre el rendimiento teórico y el rendimiento real da como resultado un rendimiento porcentual. [8]
Cuando en una reacción participa más de un reactivo, el rendimiento generalmente se calcula en función de la cantidad del reactivo limitante , cuya cantidad es menor que estequiométricamente equivalente (o justo equivalente) a las cantidades de todos los demás reactivos presentes. Otros reactivos presentes en cantidades mayores a las requeridas para reaccionar con todo el reactivo limitante presente se consideran exceso. Como resultado, el rendimiento no debe tomarse automáticamente como una medida de la eficiencia de la reacción. [ cita necesaria ]
En su publicación de 1992 General Chemistry , Whitten, Gailey y Davis describieron el rendimiento teórico como la cantidad predicha mediante un cálculo estequiométrico basado en el número de moles de todos los reactivos presentes. Este cálculo supone que sólo ocurre una reacción y que el reactivo limitante reacciona completamente. [9]
Según Whitten, el rendimiento real siempre es menor (el rendimiento porcentual es inferior al 100%), a menudo mucho, por varias razones. [9] : 95 Como resultado, muchas reacciones son incompletas y los reactivos no se convierten completamente en productos. Si ocurre una reacción inversa, el estado final contiene tanto reactivos como productos en estado de equilibrio químico . Pueden ocurrir dos o más reacciones simultáneamente, de modo que parte del reactivo se convierta en productos secundarios no deseados. Se producen pérdidas en la separación y purificación del producto deseado de la mezcla de reacción. Hay impurezas presentes en el material de partida que no reaccionan para dar el producto deseado. [9]
Este es un ejemplo de una reacción de esterificación donde una molécula de ácido acético (también llamado ácido etanoico) reacciona con una molécula de etanol , produciendo una molécula de acetato de etilo (una reacción bimolecular de segundo orden del tipo A + B → C):
En su Manual de química orgánica sintética de 2016 , Michael Pirrung escribió que el rendimiento es uno de los principales factores que los químicos sintéticos deben considerar al evaluar un método sintético o una transformación particular en "síntesis de varios pasos". [10] : 163 Escribió que un rendimiento basado en material de partida recuperado (BRSM) o (BORSM) no proporciona el rendimiento teórico o el "100% de la cantidad de producto calculado", que es necesario para tomar la siguiente paso en la sistematica multipaso. : 163
Las etapas de purificación siempre reducen el rendimiento, debido a las pérdidas incurridas durante la transferencia de material entre los recipientes de reacción y los aparatos de purificación o a la separación imperfecta del producto de las impurezas, lo que puede requerir el descarte de fracciones consideradas insuficientemente puras. El rendimiento del producto medido después de la purificación (normalmente hasta >95% de pureza espectroscópica, o hasta una pureza suficiente para pasar el análisis de combustión) se denomina rendimiento aislado de la reacción. [ cita necesaria ]
Los rendimientos también se pueden calcular midiendo la cantidad de producto formado (normalmente en la mezcla de reacción cruda y no purificada) en relación con una cantidad conocida de un estándar interno agregado, usando técnicas como cromatografía de gases (GC), cromatografía líquida de alto rendimiento o nuclear. espectroscopia de resonancia magnética (espectroscopia NMR) o espectroscopia de resonancia magnética (MRS). [ cita necesaria ] Un rendimiento determinado utilizando este enfoque se conoce como rendimiento estándar interno . Los rendimientos normalmente se obtienen de esta manera para determinar con precisión la cantidad de producto producido por una reacción, independientemente de los posibles problemas de aislamiento. Además, pueden ser útiles cuando el aislamiento del producto es desafiante o tedioso, o cuando se desea la determinación rápida de un rendimiento aproximado. A menos que se indique lo contrario, los rendimientos informados en la literatura de química orgánica e inorgánica sintética se refieren a rendimientos aislados, que reflejan mejor la cantidad de producto puro que es probable obtener en las condiciones informadas, al repetir el procedimiento experimental. [ cita necesaria ]
En su artículo de Synlett de 2010 , Martina Wernerova y el químico orgánico Tomáš Hudlický expresaron su preocupación por los informes inexactos de los rendimientos y ofrecieron soluciones, incluida la caracterización adecuada de los compuestos. [11] Después de realizar cuidadosos experimentos de control, Wernerova y Hudlický dijeron que cada manipulación física (incluida la extracción/lavado, el secado sobre desecante, la filtración y la cromatografía en columna) da como resultado una pérdida de rendimiento de aproximadamente el 2%. Por lo tanto, los rendimientos aislados medidos después del tratamiento acuoso estándar y la purificación cromatográfica rara vez deben exceder el 94%. [11] Llamaron a este fenómeno "inflación de rendimiento" y dijeron que la inflación de rendimiento había aumentado gradualmente en las últimas décadas en la literatura sobre química. Atribuyeron la inflación de los rendimientos a una medición descuidada del rendimiento en reacciones realizadas a pequeña escala, a ilusiones y al deseo de informar cifras más altas para fines de publicación. [11] El artículo de Hudlický de 2020 publicado en Angewandte Chemie —desde entonces retractado— honró y se hizo eco de la revisión de treinta años de síntesis orgánica de 1990 de Dieter Seebach , frecuentemente citada, que también se había publicado en Angewandte Chemie . [12] En su revisión de 30 años de Angewandte Chemie de 2020, Hudlický dijo que las sugerencias que él y Wernerova habían hecho en su artículo de Synlett de 2010 fueron "ignoradas por los consejos editoriales de las revistas orgánicas y por la mayoría de los árbitros". [13]
