Rendimiento (química)

En química , el rendimiento , también conocido como rendimiento de reacción o rendimiento químico , se refiere a la cantidad de producto obtenido en una reacción química . ^{[ 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 que se utilizan para describir las proporciones de cuánto reactivo se consumió (conversión), cuánto producto deseado se formó (rendimiento) en relación con el producto no deseado (selectividad), representados 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 los procesos de purificación en un rango que va desde el rendimiento cuantitativo (100  %) hasta el bajo rendimiento (< 50  %).

En ingeniería de reacciones químicas, "rendimiento", " conversión " y "selectividad" son términos que se utilizan para describir las proporciones de la cantidad de reactivo que ha reaccionado (conversión), la cantidad de producto deseado que se ha formado (rendimiento) y la cantidad de producto deseado que se ha formado en proporción al producto no deseado (selectividad), representadas 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 las cantidades de reactivos y productos en las 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 sustrato consumido (fuente de carbono o nitrógeno u oxígeno en kg o moles) o con 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 Vogel de Química Orgánica Práctica (1978), los autores escriben que " el rendimiento teórico en una reacción orgánica es el peso del producto que se obtendría si la reacción se hubiera completado según 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 ]}

${\displaystyle {\mbox{rendimiento porcentual}}={\frac {\mbox{rendimiento real}}{\mbox{rendimiento teórico}}}\times 100}$

Según la edición de 1996 del libro de texto de Vogel , los rendimientos cercanos al 100 % se denominan cuantitativos , los superiores al 90 % se denominan excelentes , los superiores al 80 % son muy buenos , los superiores al 70 % son buenos , los superiores al 50 % son aceptables y los inferiores al 40 % se denominan deficientes . ^{[ 1 ] : 33} En su publicación de 2002, Petrucci, Harwood y Herring escribieron que los nombres del libro de texto de Vogel eran arbitrarios y no universalmente aceptados, y que, dependiendo de la naturaleza de la reacción en cuestión, estas expectativas podrían ser irrealmente altas. Los rendimientos pueden parecer del 100 % o superiores 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 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 —el número y tipo de átomos en los reactivos y productos, en una ecuación balanceada— "permite comparar diferentes elementos mediante factores estequiométricos". ^{[ 7 ]} Las proporciones obtenidas 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 deseado de una reacción química en un entorno de laboratorio, y el rendimiento teórico, la medición del producto puro aislado deseado, basada en la ecuación química de una reacción química perfecta, ^{[ 1 ]} y se define como:

${\displaystyle {\mbox{rendimiento porcentual}}={\frac {\mbox{rendimiento real}}{\mbox{rendimiento teórico}}}\times 100}$

La relación ideal entre productos y reactivos en una reacción química se puede obtener mediante una ecuación 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, incluyendo los rendimientos. ^{[ 8 ]} Las ecuaciones estequiométricas se utilizan para determinar el reactivo limitante , es decir, el reactivo que se consume completamente en una reacción. El reactivo limitante determina el rendimiento teórico, que es la cantidad relativa de moles de reactivos y producto formado en una reacción química. Se dice que los demás reactivos están presentes en exceso. El rendimiento real, es decir, la cantidad obtenida físicamente de una reacción química realizada en un laboratorio, suele ser menor que el rendimiento teórico. ^{[ 8 ]} El rendimiento teórico es lo 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 se produjo realmente frente a la cantidad que podría haberse producido. La relación entre el rendimiento teórico y el rendimiento real da como resultado un porcentaje de rendimiento. ^{[ 8 ]}

Cuando intervienen varios reactivos en una reacción, el rendimiento se calcula generalmente en función de la cantidad del reactivo limitante , cuya cantidad es inferior a la estequiométricamente equivalente (o simplemente equivalente) a la de los demás reactivos presentes. Los demás reactivos presentes en cantidades superiores a las necesarias para reaccionar con todo el reactivo limitante se consideran en exceso. Por consiguiente, el rendimiento no debe tomarse automáticamente como medida de la eficiencia de la reacción.

En su publicación de 1992 , Química General , Whitten, Gailey y Davis describieron el rendimiento teórico como la cantidad predicha por un cálculo estequiométrico basado en el número de moles de todos los reactivos presentes. Este cálculo supone que solo 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 menor, 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 un estado de equilibrio químico . Dos o más reacciones pueden ocurrir simultáneamente, de modo que algún reactivo se convierte en subproductos 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):

Se hicieron reaccionar 120  g de ácido acético (60  g/mol, 2,0  mol) con 230  g de etanol (46  g/mol, 5,0  mol), obteniéndose 132  g de acetato de etilo (88  g/mol, 1,5  mol). El rendimiento fue del 75 %.

1. La cantidad molar de los reactivos se calcula a partir de sus pesos (ácido acético: 120  g ÷ 60  g/mol = 2,0  mol; etanol: 230  g ÷ 46  g/mol = 5,0  mol).
2. El etanol se utiliza en un exceso de 2,5 veces (5,0  mol ÷ 2,0  mol).
3. El rendimiento molar teórico es de 2,0  mol (la cantidad molar del compuesto limitante, el ácido acético).
4. El rendimiento molar del producto se calcula a partir de su peso (132  g ÷ 88  g/mol = 1,5  mol).
5. El rendimiento porcentual se calcula a partir del rendimiento molar real y el rendimiento molar teórico (1,5  mol ÷ 2,0  mol × 100% = 75%).

En su Manual de Química Orgánica Sintética de 2016 , Michael Pirrung escribió que el rendimiento es uno de los factores principales que los químicos sintéticos deben considerar al evaluar un método sintético o una transformación particular en "síntesis de múltiples pasos". ^{[ 10 ] : 163} Escribió que un rendimiento basado en el material de partida recuperado (BRSM) o (BORSM) no proporciona el rendimiento teórico o el "100% de la cantidad de producto calculada", que es necesario para dar el siguiente paso en la síntesis de múltiples pasos. ^{: 163}

Los pasos de purificación siempre reducen el rendimiento, debido a las pérdidas que se producen 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 obligar a descartar fracciones consideradas insuficientemente puras. El rendimiento del producto medido después de la purificación (normalmente con una pureza espectroscópica superior al 95%, o con la pureza suficiente para superar el análisis de combustión ) se denomina rendimiento aislado de la reacción.

Los rendimientos también pueden calcularse midiendo la cantidad de producto formado (normalmente en la mezcla de reacción cruda y sin purificar) en relación con una cantidad conocida de un patrón interno añadido , utilizando técnicas como la cromatografía de gases (GC), la cromatografía líquida de alta resolución (HPLC ) o la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) o la espectroscopia de resonancia magnética (ERM). Un rendimiento determinado mediante este método se conoce como rendimiento del patrón interno . Los rendimientos se obtienen normalmente 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 difícil o tedioso, o cuando se desea la determinación rápida de un rendimiento aproximado. Salvo que se indique lo contrario, los rendimientos que se informan 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.

En su artículo de 2010 en Synlett , Martina Wernerova y el químico orgánico Tomáš Hudlický expresaron su preocupación por la inexactitud en la información sobre rendimientos y propusieron soluciones, incluida la caracterización adecuada de los compuestos. ^{[ 11 ]} Tras realizar experimentos de control rigurosos, Wernerova y Hudlický afirmaron que cada manipulación física (incluida la extracción/lavado, el secado con desecante , la filtración y la cromatografía en columna ) produce una pérdida de rendimiento de aproximadamente el 2 %. Por lo tanto, los rendimientos aislados, medidos tras el procesamiento acuoso estándar y la purificación cromatográfica, rara vez deberían superar el 94 %. ^{[ 11 ]} Denominaron a este fenómeno «inflación del rendimiento» y señalaron que esta inflación había aumentado gradualmente en las últimas décadas en la literatura química. Atribuyeron la inflación del rendimiento a la medición descuidada del rendimiento en reacciones realizadas a pequeña escala, a ilusiones y al deseo de informar cifras más altas con fines de publicación. ^{[ 11 ]}

• Conversión (química)
• Rendimiento cuántico

• Whitten, Kenneth W.; Davis, Raymond E.; Peck, M. Larry (2002). Química general . Fort Worth: Thomson Learning. ISBN 978-0-03-021017-4.
• Whitten, Kenneth W; Gailey, Kenneth D (1981). Química general . Filadelfia: Saunders College Pub. ISBN 978-0-03-057866-3.
• Petrucci, Ralph H.; Herring, F. Geoffrey; Madura, Jeffry; Bissonnette, Carey; Pearson (2017). Química general: principios y aplicaciones modernas . Toronto: Pearson. ISBN 978-0-13-293128-1.
• Vogel, Arthur Israel; Furniss, B. S.; Tatchell, Austin Robert (1978). Vogel's Textbook of practical organic chemistry . Nueva York: Longman. ISBN 978-0-582-44250-4.