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Indices de las reacciones químicas
Indices sencillos
En la química orgánica sintética el rendimiento y la pureza son índices habituales, que
caracterizan la calidad de la transformación química. El rendimiento Y se define como el
cociente entre la cantidad real de producto obtenido de la reacción (rendimiento real) y la
cantidad de producto que se podría haber obtenido teoricamente si la totalidad del reactivo
limitante R se hubiera transformado de acuerdo con la ecuación estequiométrica (rendimiento
teórico o estequiométrico), suponiendo una pureza del 100 % para los reactivos.
Si nR es la cantidad de reactivo limitante antes de la reacción y aP y aR son los coeficientes
estequiométricos del producto P del reactivo limitante R, el rendimiento viene dado por
(1)
Si nP es la cantidad después de la purificación, se denomina rendimiento final.
Generalmente, elrendimiento definido por esta ecuación se expresa como porcentaje
(rendimiento porciento o porcentaje de rendimiento).
Antes de llevar a cabo la reacción, puede calcularse la denominada economía de átomos para
le ecuación estequiométrica. La economía de átomos expresa la fracción de la suma total de
masas atómicas del lado izquierdo de la ecuación que aparece en el producto. En virtud de
esta definición, es una evaluación de una via sintética desde el punto de vista económico. El
concepto de economía de átomos fue introducido por B.M. Trost en 1995 [1].
La pureza del producto se determina por Cromatografía en Capa Fina (TLC), Cromatografía
de Gases (GC) o Cromatografía de líquidos de Alto Rendimiento (HPLC) y también se
expresa generalmente como un porcentaje. Sin embargo, debe hacerse notar que cada sistema
analítico tiene sus propias limitaciones. Por ejemplo, en la cromatografía de gases solo pueden
analizarse compuestos que se evaporen a temperaturas inferiores a 250 °C sin descomponerse.
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La eficiencia en masa eS de una reacción la definimos como el cociente entre la masa del
producto obtenido y purificado mP dividida por la suma de las masas de todos los compuestos
introducidos en la mezcla de reacción durante el experimento:
(2)
donde el índice i indica todos y cada uno de los compuestos empleados. Los refrigerantes
como el agua fría o el hielo, que no se mezclan con la mezcla de reacción no se tienen en
cuenta de acuerdo con la convención empleada. El tener en cuenta dichos compuestos es tarea
de un método de análisis de entrada mucho más detallado. La eficiencia de masa eS tal y como
se ha definido aquí es similar a la inversa del factor E (factor medioambiental) que fué
introducido por R. Sheldon en 1994 [2]. Usamos un índice de eficiencia por lo que los valores
mayores significan una mejora real.
La eficiencia energética eE de una reacción se define por analogía como el cociente de la
masa de producto obtenido y purificado mP dividido por la suma de la energía consumida
durante el experimento:
(3)
donde el índice k indica todos y cada uno de losconsumos de energía que se pueden medir de
forma separada, i.e. en general la energía eléctrica consumida. En esta medida se incluye la
energía empleada para fabricar el hielo para refrigerar. Puntos importantes en la medida de
dichas contribuciones energéticas se presentan en el artículo en alemán sobre NOP Unidades
y Medidas de Energía.
La economía de átomos, la eficiencia de masa y la eficiencia energética se calculan
automaticamente para los experimentos NOP y pueden encontrase en la entrada del menu
"Evaluación", entrada del submenu "Indices" en la página de cada experimento (Ejemplo de
enlace).
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Herramienta de valoración medioambiental para síntesis orgánicas
(EATOS)
Puede llevarse a cabo una evaluación de las reacciones químicas basada en los compuestos
(incluyendo reacciones en varios pasos) con la Herramienta para la Valoración
Medioambiental de las Síntesis Orgánicas (EATOS, Website EATOS) [3].
Esta aproximación se basa en el factor E de Sheldons (cf. arriba), i.e. en la cantidad total de
compuestos que intervienen en una reacción en relación al producto obtenido. Para cada uno
de los compuestos utilizados se define un factor de carga medioambiental Q que se deriva de
los valores MAK (Concentraciones máximas en los lugares de trabajo en Alemania), símbolos
de peligrosidad, frases R (Frases-R y -S), valores LD50 y valores LC50 y opcionalmente
también los costes, dependiendo del enfoque del usuario sobre la evaluación. El índice
medioambiental EI, usado principalmente para la evaluación comparativa de diferentes rutas
sintéticas y técnicas se calcula como la suma de las masas de todos los productos
multiplicadas por su respectivo factor Q.
Este concepto de evaluación se implementó en un software de libre acceso e independiente
de la plataforma usada. El programa también calcula la economía atómica y el factor E de
Sheldon para las reacciones que se le suministran.
Puede encontrase una breve descripción de la aproximación de evaluación EATOS así como
una aplicación a la comparación de experimento 4010 con un método alternativo en el artículo
sobre NOP "Bewertung der Umweltverträglichkeit von chemischen Reaktionen". También
estamos ofreciendo un manual Bedienungs- und Benutzungsanleitung für EATOS en Alemán.
Referencias
[1] B. M Trost. Angew. Chem. Int. Ed. Engl, 34:259 – 281, 1995.
[2] R. Sheldon. Chemtech, 24(3):38 – 47, 1994.
[3] M. Eissen and J. O. Metzger. Environmental performance metrics for daily use in
synthetic chemistry. Chem. Eur. J., 8(16):3580 – 3585, 2002.
update 17. November 2013
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