Lösungsmittel

Ein Lösungsmittel (auch Lösemittel oder Solvens) ist ein Stoff, der Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe lösen oder verdünnen kann, ohne dass es dabei zu chemischen Reaktionen zwischen gelöstem Stoff und lösendem Stoff kommt. In der Regel werden Flüssigkeiten wie Wasser und 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).

Lösungsmittel oder Lösemittel

Beide Bezeichnungen finden sich seit über 200 Jahren in der Literatur. Im Forschungs- und Laborbereich hat sich Lösungsmittel etabliert, in der industriellen und technischen Großchemie dagegen Lösemittel. Beispielsweise spricht das Römpp Lexikon Chemie von Lösungsmittel, während die TRGS Lösemittel bevorzugen.

Definition im Alltag

Das meistverwendete Lösungsmittel ist Wasser. Im Hinblick auf Farben, Lacke, Klebstoffe usw. denkt man jedoch bei dem Begriff "Lösungsmittel" an Stoffe, die unangenehme Gerüche, Gesundheits- und Umweltschäden sowie explosive Dämpfe verursachen können. Gemeint sind hierbei Lösemittel im Sinne der TRGS (Technische Regeln für Gefahrstoffe) 610^[1], nach der nur flüchtige organische Lösemittel mit einem Siedepunkt bis 200 °C als Lösemittel bezeichnet werden.

Die "Hochsieder" (Siedepunkt über 200 °C, wenig flüchtige Substanzen) etwa gelten daher rechtlich nicht als Lösemittel. Während "klassische" Lösemittel aufgrund ihrer Flüchtigkeit schon wenige Stunden bis Tage nach der Verarbeitung vollständig verdunstet sind, können die in manchen "lösemittelfreien" Produkten ersatzweise enthaltenen Hochsieder unter Umständen noch über Monate oder Jahre an die Raumluft abgegeben werden und werden daher teils sogar deutlich kritischer beurteilt als Produkte mit "klassischen" Lösemitteln.^[2]

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

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 im Allgemeinen gut in polaren Lösemitteln (z. B. Salze in Wasser). Unpolare Stoffe lösen sich im Allgemeinen 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
• Permittivität
• 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

Alkane sind wegen des geringen Unterschieds in der Elektronegativität zwischen Kohlenstoff und Wasserstoff unpolar. 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 (wasserabweisend). 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. Da eine Abspaltung von Protonen unter Bildung von Carbanionen nur mit extrem starken Basen möglich ist, sind sie aprotisch. Aber auch Lösungsmittel wie Carbonsäureester oder Ether werden zu dieser Gruppe gezählt, obwohl sie polar sind. Entscheidend für die Einteilung ist das Lösevermögen für ionische Verbindungen. Hierfür ist eine hohe Permittivität erforderlich.

Vertreter dieser Gruppe sind:

• Alkane (Paraffine)
• Alkene, Alkine
• Benzol und Aromaten mit aliphatischen und aromatischen Substituenten
• Carbonsäureester
• Ether, wie Diethylether oder Tetrahydrofuran
• weitere, völlig symmetrisch gebaute Moleküle, wie Tetramethylsilan
• analog Kohlenstoffdisulfid und bei hohen Drücken auch Kohlenstoffdioxid

• Halogenierte Kohlenwasserstoffe sind entweder völlig unpolar (Tetrachlorkohlenstoff), oder trotz der hohen Elektronegativität des Chlors nur wenig polar (Methylenchlorid).

• Perfluorierte Kohlenwasserstoffe (z.B. Hexafluorbenzol) stellen eine spezielle Untergruppe dar, da sie nicht nur unpolar, sondern auch sehr schlecht polarisierbar sind, und sich mit den übrigen unpolaren Lösungsmitteln eher schlecht vertragen.

aprotisch-polar

Ist das Molekül jedoch mit stark polaren funktionellen Gruppen wie der Carbonylgruppe, der Nitrogruppe oder der Nitrilgruppe substituiert, so weist das Molekül ein Dipolmoment auf, zwischenmolekular tritt nun also elektrostatische Anziehung dauerhafter Dipole zu den immer noch vorhandenen (aber viel schwächeren) 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. Typische aprotisch-polare Lösungsmittel weisen eine Permittivität über 15 auf^[3] und sind in der Lage, Kationen zu solvatisieren. Da die Anionen kaum solvatisiert werden (nackte Anionen), zeigen sie eine hohe S_N2-Reaktivität. Derartige Lösungsmittel sind hervorragend geeignet, um nukleophile Substitutionen unter milden Bedingungen durchzuführen. Dazu gehören:

• Ketone, z.B. Aceton
• Lactone wie 4-Butyrolacton
• Lactame wie N-Methyl-2-pyrrolidon
• Nitrile wie Acetonitril
• Nitroverbindungen wie Nitromethan
• tertiäre Carbonsäureamide wie Dimethylformamid
• Harnstoffderivate wie Tetramethylharnstoff oder Dimethylpropylenharnstoff (DMPU)
• Sulfoxide wie Dimethylsulfoxid (DMSO)
• Sulfone wie Sulfolan
• Kohlensäureester wie Dimethylcarbonat oder Ethylencarbonat

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 (nach dem Säure-Base-Konzept von Brønsted und Lowry) bestimmt. Es ist zu beachten, dass auch an Kohlenstoff gebundene Wasserstoff-Atome als Protonen abgespalten werden können (CH-Acidität), die Acidität dieser Verbindungen aber meist 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 Lösungsmittel lösen Salze und polare Verbindungen, dagegen ist die Löslichkeit unpolarer Verbindungen gering.

Protische Lösungsmittel sind:

• Wasser, das wichtigste Lösungsmittel überhaupt, insbesondere in der belebten Natur
• 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)
• primäre und sekundäre Amide wie Formamid
• Mineralsäuren (Oleum, Halogenwasserstoffe)

Tabelle mit Lösungsmitteln und ihren Daten

Lösungsmittel	Schmelzp. [°C]	Siedep. [°C]	Flammp. [°C]	Dichte [g/cm3] bei 20 °C	Permittivität bei 25 °C	Dipolmoment [· 10-30 Cm]	Brechungs- index $n_\mathrm{D}^{20}$	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
n-Hexan	−95	68	-	0,6603	1,88	0,0	1,3748	129,2
n-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
n-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

Indifferente Lösungsmittel

Unter einem indifferenten bzw. neutralen Lösungsmittel wird in der Polymerchemie ein Medium verstanden, das

• Abbruch- und Übertragungsreaktionen von Polymerisationen und dadurch auch Polymerisationsgeschwindigkeit und -grad wenig bis nicht beeinflusst.^[4]
• für alle Domänen eines Blockcopolymers gleiche Lösungseigenschaften aufweist (das Gegenteil ist ein selektives Lösungsmittel).^[5]

Einzelnachweise

1. ↑ TGRS (baua.de).
2. ↑ Produktgruppe Klebstoffe (lge.de).
3. ↑ Römpp CD 2006, Georg Thieme Verlag 2006.
4. ↑ M.D. Lechner, K. Gehrke, E.H. Nordmeier, Makromolekulare Chemie, 4. Auflage, Basel 2010, S. 160.
5. ↑ H.-G. Elias, Makromoleküle Band 1, 5. Auflage, Basel 1990, S. 797.

Siehe auch

• Flüchtige organische Verbindungen
• Lösungsmitteleinfluss

Weblinks

• Eigenschaften von Lösungsmitteln (engl.)