Lösungsmittel und ihre Eigenschaften

Wasser

Wasser zeichnet sich durch seine Fähigkeit zur dreidimensionalen Wasserstoffbrückenbindung aus, weil Wechselwirkungen zwischen dem elektronegativen Sauerstoff 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 Wasserstoffatome besitzen. Polar aprotische Lösungsmittel haben ebenso wie protische eine hohe Dielektrizitätskonstante, weil sich stark elektronegative Atome oder funktionellen Gruppen in ihren Molekülen befinden und die Ladungen nicht gleichmäßig verteilt sind.

Anorganische Lösungsmittel sind beispielsweise Wasser , flüssiger Ammoniak ${\text{(NH}}_{\text{3}}\text{)}$ und Schwefeldioxid ${\text{(SO}}_{\text{2}}\text{)}\text{,}$ flüssiger Florwasserstoff (HF), Thionyl- (SOCl2) und Sulfonylchlorid (SO2Cl2) sowie Schwefelsäure ${\text{(H}}_{\text{2}}{\text{SO}}_{\text{4}}\text{)}\text{.}$
Zu den typischen organischen Lösungsmittel zählen Alkohole (Methanol), Carbonsäureester (Ethylacetat), Ether (Diethylether), Ketone (Aceton), Alkane (n-Hexan), aromatische Kohlenwasserstoffe (Toluol), halogenierte aliphatische Kohlenwasserstoffe (Tetrachlorkohlenstoff) und Glykolether (Ethylenglykolmonoethylether).

Protische Lösungsmittel
Klasse	Beispiele	Formel
Wasser
Alkohole	Methanol, Ethanol	${\text{CH}}_{\text{3}}\text{OH}\text{,}{\text{C}}_{\text{2}}{\text{H}}_{\text{5}}\text{OH}$
Carbonsäuren	Ameisensäure	$\text{HCOOH}$

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. 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 /Ionenpaares. 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.