Protisches Lösungsmittel

Unter einem Lösungsmittel (auch: Lösemittel) versteht man einen Stoff, der Gase, andere Flüssigkeiten oder Feststoffe lösen kann, ohne dass es dabei zu chemischen Reaktionen zwischen gelöstem Stoff und lösendem Stoff kommt. In der Regel werden Flüssigkeiten wie Wasser oder flüssige organische Stoffe zum Lösen anderer Stoffe eingesetzt. Aber auch Feststoffe können andere Stoffe lösen (z. B. wird in Wasserstofftanks von Wasserstoffautos gasförmiger Wasserstoff in festem Metall gelöst). Der Begriff „Lösemittel“ ist inzwischen eingebürgerter, umgangssprachlicher Labor- und Betriebsjargon aus dem Berufsalltag. Die weltweite Nachfrage nach Lösungsmitteln lag 2005 bei 17,9 Millionen Tonnen, was einem Wert von etwa 8 Milliarden Euro entspricht.^[1]

„Lösungsmittelhaltig“, „lösungsmittelfrei“ im Alltag

In der Alltagssprache ist der Begriff Lösungsmittel (Lösemittel) oft assoziiert mit Stoffen, die unangenehme Gerüche, Gesundheits- und Umweltschäden verursachen können.

Lösungsmittelfrei sind in diesem Sinne dann Farben, Klebstoffe, Lacke oder Lasuren, welche in Wasser gelöst sind und weniger als 3 % wassermischbare Lösungsmittel enthalten. Der Begriff lösungsmittelhaltig bezeichnet Produkte, die synthetische Substanzen wie Aceton, Glycolether, Alkohole, Benzin oder Aromaten enthalten. Da Wasser selbst auch als Lösungsmittel betrachtet wird, ist die Verwendung dieser Begriffe nicht kongruent.

Die Vermeidung von giftigen und/oder umweltschädlichen Substanzen ist Bestandteil der Grünen Chemie.

Chemie

Obwohl das Lösungsmittel in der Regel nicht selbst an der chemischen Reaktion teilnimmt, ist es für chemische Reaktionen sehr wichtig. Die Wirkungen des Lösungsmittels sind unterschiedlich und hängen von der Reaktion ab. Durch die Lösung eines Stoffes in einem Lösungsmittel werden Reaktionen oft erst in endlichen Zeiträumen ermöglicht, da die Stoßhäufigkeiten z. B. in Feststoffen bei niedrigen Temperaturen nicht ausreichend hohe Reaktionsgeschwindigkeiten ergeben. Die wichtigsten Aufgaben des Lösemittels bei chemischen Reaktionen sind

• konvektiver Wärme- und Stofftransport;
• Stabilisierung von Übergangszuständen der Reaktion;
• Verdünnung zur Vermeidung von Nebenreaktionen.

Für die Reinigung und Prozessierung von Reaktionsgemischen (Downstream-Prozess) spielen Lösungsmittel eine weitere wichtige Rolle. Hier seien exemplarisch einige wichtige Verfahrensweisen benannt:

• Fällung;
• Kristallisation;
• Umkristallisation;
• Extraktion;
• Chromatographie;

Das am meisten eingesetzte Lösungsmittel ist destilliertes Wasser.

Löseeigenschaften

Die quantitative Vorhersage von Löseeigenschaften ist schwierig und entzieht sich oft der Intuition. Es lassen sich generelle Regeln aufstellen, die jedoch nur als grobe Richtschnur gelten können.

Polare Stoffe lösen sich gut in polaren Lösemitteln (z. B. Salze in Wasser). Unpolare Stoffe lösen sich gut in unpolaren Lösemitteln (z. B. unpolare organische Stoffe in Benzol oder Ether).

Lösungsmittel werden meist nach ihren physikalischen Eigenschaften in Klassen eingeteilt. Solche Einteilungskriterien sind z. B.:

• Siedepunkt;
• Flammpunkt;
• Flüchtigkeit;
• Viskosität;
• Polarität;
• CH-Acidität.

Aprotische Lösungsmittel

Verfügt ein Molekül nicht über eine funktionelle Gruppe, aus der Wasserstoffatome im Molekül als Protonen abgespalten werden können (Dissoziation), spricht man von einem aprotischen Lösungsmittel. Diese stehen den protischen Lösungsmitteln gegenüber.

aprotisch-unpolar

Ein Alkan ist unpolar. Die Wasserstoffatome sind alle gleich fest an die Kohlenstoffkette gebunden und können daher als Protonen nur sehr schwer und unter Bildung ihrerseits sehr reaktiver Carbanionen abdissoziieren. Dies macht alle Stoffe dieser Gruppen ineinander leicht löslich, sie sind sehr lipophil (eigentlich noch lipophiler als die sehr schwach polaren, namensgebenden Fette), und sehr hydrophob. Aber nicht nur Wasser kann sich nicht lösen, sondern alle anderen stark polaren Stoffe auch nicht, wie z. B. kurzkettige Alkohole, Chlorwasserstoff oder Salze. In der Flüssigkeit werden die Teilchen lediglich von Van-der-Waals-Kräften zusammengehalten. Deshalb fallen bei dieser Stoffgruppe die Siedetemperaturen im Vergleich zu Molekülgröße und -masse wesentlich niedriger aus als bei permanenten Dipolen.

Vertreter dieser Gruppe sind:

• Alkane;
• Alkene, Alkine;
• Benzen und Aromaten mit aliphatischen und aromatischen Substituenten;
• perhalogenierte Kohlenwasserstoffe (jedes Wasserstoffatom ist durch ein gleiches Halogen-Atom substituiert), z. B. Tetrachlorkohlenstoff, Hexafluorbenzol;
• weitere, völlig symmetrisch gebaute Moleküle, wie Tetramethylsilan;
• analog Kohlenstoffdisulfid und bei hohen Drücken auch Kohlenstoffdioxid;
• Methan und Ethan, die in ihrer flüssigen Form bei ca. -160 bis -180 °C die wichtigsten Lösungsmittel auf dem Saturnmond Titan darstellen.

aprotisch-polar

Ist das Molekül jedoch asymmetrisch substituiert, besonders mit stark polarisierenden funktionellen Gruppen wie der Carbonylgruppe oder der Nitrilgruppe, die aber keine X-H-Bindungen (X ≠ C) besitzen, so weist das Molekül ein Dipolmoment auf, zwischenmolekular tritt nun also elektrostatische Anziehung dauerhafter Dipole zu den immer noch vorhandenen, aber total überlagerten Van-der-Waals-Kräften hinzu. Dies hat eine wesentliche Erhöhung des Siedepunktes zur Folge, und in vielen Fällen eine Verschlechterung der Mischbarkeit mit unpolaren Lösungsmitteln, sowie eine Verbesserung der Löslichkeit von und in polaren Stoffen.

Beispiele:

• Ether;
• Carbonsäureester, Säureanhydride;
• Ketone, z. B. Aceton;
• tertiäre Amine;
• Pyridin, Furan, Thiophen;
• 1,1,1-Trichlorethan, und weitere asymmetrisch halogenierte Kohlenwasserstoffe (FCKW, Halothan);
• Anisol;
• 3-Butyrolacton und 3-Valerolacton als Beispiele für ringförmige Verbindungen mit deutlich verbesserten Eigenschaften;
• Nitromethan;
• Dimethylformamid;
• Dimethylsulfoxid, DMSO;
• Dimethylcarbonat, Tetramethylharnstoff, Tetraethylharnstoff DMPU DMEU.

Protische Lösungsmittel

Sobald ein Molekül über eine funktionelle Gruppe verfügt, aus der Wasserstoffatome im Molekül als Protonen abgespalten werden können (Dissoziation), spricht man von einem protischen Lösungsmittel. Diese stehen den aprotischen Lösungsmitteln gegenüber.

Das wichtigste protische Lösungsmittel ist Wasser, das (vereinfacht) in ein Proton und ein Hydroxid-Ion dissoziiert.

Weitere protische Lösungsmittel stellen z. B. Alkohole und Carbonsäuren dar. Hier erfolgt die Abspaltung des Protons immer an der OH-Gruppe, da der elektronegative Sauerstoff die entstehende negative Ladung gut aufnehmen kann.

Das Maß, in dem das jeweilige Lösungsmittel dissoziiert, wird durch die Acidität bestimmt. Es ist zu beachten, dass auch an Kohlenstoff gebundene Wasserstoff-Atome als Protonen abgespalten werden können (CH-Acidität), die Acidität dieser Verbindungen aber zu gering ist, um eine nennenswerte Dissoziation in neutralem Medium zu erlauben. Die Freisetzung dieser Protonen ist nur durch sehr starke Basen möglich.

Polar protische Lösemittel lösen ihrerseits Salze und polare Verbindungen, dagegen ist die Löslichkeit unpolarer Verbindungen gering.

Protisch sind:

• Wasser, das wohl wichtigste Lösemittel überhaupt;
• Methanol, Ethanol und andere Alkohole (je größer das C-Gerüst, desto weniger stark ausgeprägt ist der polare Charakter, so ist Cholesterin z. B. ein Alkohol aber dennoch stark lipophil);
• primäre und sekundäre Amine;
• Carbonsäuren (Ameisensäure, Essigsäure);
• Formamid.

Tabelle mit Lösungsmitteln und ihren Daten

Lösungsmittel	Schmelzp. [°C]	Siedep. [°C]	Flammp. [°C]	Dichte [g/cm3] bei 20 °C	Dielektrizitäts Konstante bei 25 °C	Dipolmoment [· 10-30 Cm]	Brechungs- index $n_D^{20}$	Eτ(30) [kJ/mol]
Aceton	−95,35	56,2	−19	0,7889	20,70	9,54	1,3588	176,4
Acetonitril	−45.7	81,6	13	0,7857	37,5 (20 °C)	11,48	1,3442	192,3
Anilin	−6,3	184	-	1,0217	6,89 (20 °C)	5,04	1,5863	185,2
Anisol	−37,5	155,4	-	0,9961	4,33	4,17	1,5179	155,5
Benzen (Benzol)	5,5	80,1	−8	0,87565	2,28	0,0	1,5011	142,2
Benzonitril	−13	190,7	-	1,0102 (15 °C)	25,20	13,51	1,5289	175,6
Brombenzol	−30,8	156	-	1,4950	5,40	5,17	1,5597	156,8
1-Butanol	−89,8	117,3	34	0,8098	17,51	5,84	1,3993	209,8
tert-Butylmethylether (TBME)	−108,6	55,3	−28	0,74	?	?	1,3690	?
γ-Butyrolacton	−44	204–206	101	1,13	39,1	4,12	1,436	?
Chinolin	−15,6	238	-	1,0929	9,00	7,27	1,6268	164,7
Chlorbenzol	−45,6	132	28	1,1058	5,62	5,14	1,5241	156,8
Chloroform	−63,5	61,7	-	1,4832	4,81 (20 °C)	3,84	1,4459	163,4
Cyclohexan	6,5	80,7	4,5	0,7785	2,02 (20 °C)	0,0	1,4266	130,4
Diethylenglycol	−6,5	244,3	124	1,1197 (15 °C)	7,71	7,71	1,4475	224,9
Diethylether	−116,2	34,5	−40	0,7138	4,34 (20 °C)	4,34	1,3526	144,6
Dimethylacetamid	−20	165	-	0,9366 (25 °C)	37,78	12,41	1,4380	182,7
Dimethylformamid	−60,5	153	67	0,9487	37,0	12,88	1,4305	183,1
Dimethylsulfoxid	18,4	189	-	1,1014	46,68	13,00	1,4770	188,1
1,4-Dioxan	11,8	101	12	1,0337	2,21	1,5	1,4224	150,0
Eisessig	16,6	117,9	42	1,0492	6,15 (20 °C)	5,60	1,3716	214,0
Essigsäureanhydrid	−73,1	139,5	-	1,0820	20,7 (19 °C)	9,41	1,3900	183,5
Essigsäureethylester	−83,6	77,06	−2	0,9003	6,02	6,27	1,3723	159,3
Ethanol	−114,5	78,3	18	0,7893	24,55	5,77	1,3614	216,9
Ethylendichlorid	−35,3	83,5	-	1,2351	10,36	6,2	1,4448	175,1
Ethylenglycol	−13	197	117	1,1088	37,7	7,61	1,4313	235,3
Ethylenglycoldimethylether	−58	84	-	0,8628	7,20	5,70	1,3796	159,7
Formamid	2,5	210,5	-	1,1334	111,0 (20 °C)	11,24	1,4472	236,6
Hexan	−95	68	-	0,6603	1,88	0,0	1,3748	129,2
Heptan	−91	98	−4	0,684	1,97	0,0	1,387	?
2-Propanol (Isopropylalkohol)	−89,5	82,3	16	0,7855	19,92	5,54	1,3776	203,1
Methanol	−97,8	64,7	6,5	0,7914	32,70	5,67	1,3287	232,0
3-Methyl-1-butanol (Isoamylalkohol)	−117,2	130,5	-	0,8092	14,7	6,07	1,4053	196,5
2-Methyl-2-propanol (tert-Butanol)	25,5	82,5	9	0,7887	12,47	5,54	1,3878	183,1
Methylenchlorid	−95,1	40	-	1,3266	8,93	5,17	1,4242	171,8
Methylethylketon (Butanon)	−86,3	79,6	-	0,8054	18,51 (20 °C)	9,21	1,3788	172,6
N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP)	−24	202	245	1,03	32,2	4,09	1,47
N-Methylformamid	−3,8	183	-	1,011 (19 °C)	182,4	12,88	1,4319	226,1
Nitrobenzol	5,76	210,8	81	1,2037	34,82	13,44	1,5562	175,6
Nitromethan	−28,5	100,8	35	1,1371	35,87 (30 °C)	11,88	1,3817	193,5
Pentan	−130	36	−49	0,6262	-	-	1,358	-
Petrolether/Leichtbenzin
Piperidin	−9	106	-	0,8606	5,8 (20 °C)	3,97	1,4530	148,4
Propanol	−126,1	97,2	24	0,8035	20,33	5,54	1,3850	211,9
Propylencarbonat (4-Methyl-1,3-dioxol-2-on)	−48,8	241,7	-	1,2069	65,1	16,7	1,4209	195,6
Pyridin	−42	115,5	23	0,9819	12,4 (21 °C)	7,91	1,5095	168,0
Schwefelkohlenstoff	−110,8	46,3	−30	1,2632	2,64 (20 °C)	0,0	1,6319	136,3
Sulfolan	27	285	-	-	43,3 (30 °C)	16,05	1,4840	183,9
Tetrachlorethen	−19	121	-	1,6227	2,30	0,0	1,5053	133,3
Tetrachlorkohlenstoff	−23	76,5	-	1,5940	2,24 (20 °C)	0,0	1,4601	135,9
Tetrahydrofuran	−108,5	66	−22,5	0,8892	7,58	5,84	1,4070	156,3
Toluol	−95	110,6	7	0,8669	2,38	1,43	1,4961	141,7
1,1,1-Trichlorethan	−30,4	74,1	-	1,3390	7,53 (20 °C)	5,24	1,4379	151,3
Trichlorethen	−73	87	-	1,4642	3,42 (16 °C)	2,7	1,4773	150,1
Triethylamin	−114,7	89,3	-	0,7275	2,42	2,90	1,4010	139,2
Triethylenglycol	−5	278,3	166	1,1274 (15 °C)	23,69 (20 °C)	9,97	1,4531	223,6
Triethylenglycoldimethylether (Triglyme)	-	222	-	-	7,5	-	1,4233	161,3
Wasser	0,0	100	-	0,9982	78,39	6,07	1,3330	263,8

Anwendung

Lösungsmittel sind unterschiedlich stark wassergefährdend, feuergefährlich und gesundheitsschädlich.

Beim ökologischen Bauen wird ein großes Gewicht auf die Art der verwendeten Lösemitteln gelegt. Oft gibt es bei Verbraucherprodukten lösemittelfreie bzw. -arme Alternativen.

Bei offener Anwendung verdampft der größte Teil der Lösemittel in die Umgebungsluft. Beim Einsatz in geschlossenen Systemen wird die überwiegende Menge zurückgewonnen.

Kohlenwasserstoffe aus Lösemitteln wirken in Bodennähe als Vorläufersubstanzen für die Ozonbildung und sind so mitverursachend für den Sommersmog.

Quellen

1. ↑ Marktstudie Lösungsmittel von Ceresana Research

Siehe auch

• Flüchtige organische Verbindungen

Weblinks

Eigenschaften von Lösungsmitteln (engl.)