Lösungsmittel und ihre Eigenschaften

Wasser

Wasser ist ein gutes Lösungsmittel sowohl für Salze als auch für viele andere polare Stoffe. Das ist sehr wichtig für das Leben auf der Erde. Beispielsweise liegen die Nährsalze im Boden in Ionen, also in gelöster Form vor. Nur in dieser Form können die Pflanzen die Stoffe über die Wurzel aus dem Boden aufnehmen. Da sich viele Stoffe in ihm lösen, ist es auch als Transportmittel innerhalb des Körpers gut geeignet. Auch in Flüssen und Bächen werden viele Stoffe transportiert.
Wasser zeichnet sich durch seine Fähigkeit zur Ausbildung dreidimensionaler Wasserstoffbrückenbindungen aus, weil Wechselwirkungen zwischen dem elektronegativen Sauerstoffatom mit seinen freien Elektronenpaaren und den Protonen vorliegen (Bild 2). Damit ein Stoff in Wasser gelöst werden kann, müssen Wasserstoffbrücken aufbrechen und die elektrostatischen Kräfte im zu lösenden Stoff überwunden werden. In Wasser lassen sich deshalb Salze, Säuren, Basen und organische Verbindungen mit Wasser liebenden (hydrophilen) Gruppen (z. B. -OH, -CO2H, -SO3H, -NH2 und NH4 +) gut lösen.

Anorganische und organische Lösungsmittel

Sowohl bei anorganischen als auch bei organischen Lösungsmitteln wird zwischen protischen, polar aprotischen und unpolar aprotischen Lösungsmitteln unterschieden. Protische Lösungsmittel können wie Wasser Protonen zur Verfügung stellen, während aprotische Lösungsmittel keine positiv polarisierbaren Protonen besitzen. Polar aprotische Lösungsmittel haben ebenso wie protische eine hohe Dielektrizitätskonstante, weil sich stark elektronegative Atome oder funktionelle Gruppen in ihren Molekülen befinden und die Ladungen nicht gleichmäßig verteilt sind.

Anorganische Lösungsmittel sind beispielsweise Wasser, flüssiger Ammoniak ${\text{(NH}}_{\text{3}}\text{)}$, Schwefeldioxid ${\text{(SO}}_{\text{2}}\text{)}\text{,}$ flüssiger Fluorwasserstoff (HF), Thionyl- ${\text{(SOCl}}_{\text{2}}\text{)}$ und Sulfonylchlorid ${\text{(SO}}_{\text{2}}{\text{Cl}}_{\text{2}}\text{)}\text{,}$ Salzsäure (HCl) und Schwefelsäure ${\text{(H}}_{\text{2}}{\text{SO}}_{\text{4}}\text{)}\text{.}$
Zu den typischen organischen Lösungsmitteln zählen Alkohole (z. B. Methanol), Carbonsäureester (z. B. Ethylacetat), Ether (z. B. Diethylether), Ketone (z. B. Aceton), Alkane (z. B. n-Hexan), aromatische Kohlenwasserstoffe (z. B. Toluol), halogenierte aliphatische Kohlenwasserstoffe (z. B. Tetrachlorkohlenstoff) und Glykolether (z. B. Ethylenglykolmonoethylether).

Dimethylsulfoxid ${\text{(CH}}_{\text{3}}\text{)S=O}$ und Dimethylformamid ${{\text{(CH}}_{\text{3}}\text{)}}_{\text{2}}\text{NCHO}$
gehören auch zu der Klasse der aprotischen polaren Lösungsmittel.
Durch die Wahl eines entsprechenden Lösungsmittels können der Reaktionsmechanismus, der zeitliche Ablauf einer Reaktion und die Ausbeute gesteuert werden.

Wie groß der Einfluss eines Lösungsmittels sein kann, erkennt man bei der nucleophilen Substitution. Ein Nucleophil ist ein Reagenz, das ein Elektronenpaar für die Bildung einer kovalenten Bindung zur Verfügung stellen kann. Nucleophile Substitutionen müssen als polare Reaktionen in einem Lösungsmittel ablaufen, um die Zwischenstufen durch Solvatisierung zu stabilisieren. Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt einer ${\text{S}}_{\text{N1}}\text{–}\text{Reaktion}$ ist die Bildung eines Carbenium-Ions/Ionenpaars. Stark polar protische Lösungsmittel wie Carbonsäuren oder auch Ammoniak vermögen durch ihre freien Elektronenpaare das Kation zu stabilisieren und durch ihre Protonen das Anion (Abgangsgruppe) aus dem Molekül zu drängen. Besonders wirksam sind auch Alkohol-Wassergemische, wobei dann aber die Gefahr besteht, dass nicht nur das entsprechende Nucleophil das Carbenium-Ion angreift, sondern letzteres mit dem Wasser eine Hydrolyse eingeht. Das liegt daran, dass dieses Lösungsmittelgemisch in seiner dissoziierten Form reaktiver sein kann als die in der Lösung vorliegenden Reagenzien. Damit kann ein Lösungsmittel auch Einfluss auf den Reaktionsmechanismus, den zeitlichen Ablauf und/oder auf die Ausbeute nehmen.

Im Fall einer ${\text{S}}_{\text{N2}}\text{–}\text{Reaktion}$ eignen sich dagegen polar aprotische Lösungsmittel wie Dimethylformamid, Aceton oder Ether, die keine positiv polarisierten Wasserstoffatome besitzen. Bedeutend ist hier, dass während der Bildung des aktivierten Komplexes, in dem das Nucleophil angreift und die Abgangsgruppe austritt, keine ausgeprägte Solvathülle die Vorgänge behindert.

In Abhängigkeit von der Struktur der Abgangsgruppe und der Stärke bzw. der Schwäche des Nucleophils kann durch den Einsatz verschiedener Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemische sogar eine Steuerung zu einer ${\text{S}}_{\text{N1}}\text{–}{\text{oder S}}_{\text{N2}}\text{–}\text{Reaktion}$ erfolgen.