Odpowiednikiem słów w języku obcym, z których budujemy wypowiedzi, w przypadku chemii organicznej są (proste) związki chemiczne. Ten tekst poświęcę na zapoznanie czytelnika z kilkudziesięcioma rozpuszczalnikami, a zatem substancjami pełniącymi funkcje raczej pomocnicze, które trudno mi jest porównać do czegoś sensu stricte obecnego w językach. Niemniej i one mogą (i często tak się dzieje) posłużyć jako typowy substrat — budulec bardziej złożonych związków. Tutaj jednak ograniczę się do przedstawienia ich podstawowych zastosowań oraz przy okazji zaprezentuję ich struktury i chemiczne skróty/akronimy, pod którymi występują — a to już jest bliskim odpowiednikiem systemu pisma/ortografii języków naturalnych.

Podobnie, jak w przypadku omówionych w poprzednim odcinku różnic pomiędzy przeładowanymi oczywistymi informacjami wzorami strukturalnymi — a będących niezbędnym minimum — szkieletowymi, dysponujemy różnymi sposobami zapisu rozpuszczalników (i innych związków) w formie linearnej, na przykład w tekście lub na schemacie nad/pod strzałką symbolizującą reakcję chemiczną.

Octan etylu możemy zapisać jako:

CH₃COOCH₂CH₃

CH₃CO₂CH₂CH₃

MeCO₂Et

AcOEt[1]

EA[2]

Spośród wymienionych preferuję ten pogrubiony. Wykorzystuje on skróty dwóch często występujących grup: acetylowej (Ac) i etylowej (Et) połączonych atomem tlenu (O). Akronim EA, choć krótszy, nie jest tak jednoznacznie oczywisty, jego percepcja wymaga przekształcenia go z angielskiej nazwy na wzór, więc wymaga dodatkowych operacji umysłowych.

Przy omawianiu poszczególnych rozpuszczalników będę podawał również ich typowe zastosowania, przy czym:

R — to rozpuszczalnik stosowany często do prowadzenia reakcji,

E — do ekstrakcji roztworów wodnych; wyklucza to użycie rozpuszczalników mieszających się z wodą bez ograniczeń, co będę oznaczał symbolem lemniskaty (∞),

C — stosowany często w chromatografii kolumnowej; przy czym C oznacza domyślnie chromatografię na żelu krzemionkowym (faza normalna), a C_o rozpuszczalnik stosowany do fazy organicznej na fazach odwróconych (najczęściej organicznych pochodnych krzemu, zawierających długie alifatyczne łańcuchy, np. tzw. C-18).

Zatem powyższy zapis oznacza, że octan etylu stosowany jest najczęściej do ekstrakcji i chromatografii na fazach normalnych.

Najbliższymi pochodnymi wody (H₂O), są alkohole: metylowy[3]) (MeOH), etylowy (EtOH), izopropanol (i-PrOH) rzadziej n-butanol (n-BuOH) oraz fluorowcowane, lekko kwaśne fluorowcowane pochodne: 2,2,2-trifluoroetanol (CF₃CH₂OH; TFEA) oraz dość drogi heksafluoroizopropanol [(CF₃)₂CHOH, HFIP].

Metanol (MeOH) jako jeden z niewielu rozpuszczalników rozpuszcza wiele soli zarówno organicznych, jak i nieorganicznych.

Inną grupą polarnych rozpuszczalników mieszających się z wodą bez ograniczeń są kwasy karboksylowe: mrówkowy (HCO₂H), octowy[4] (AcOH) i trifluorooctowy[5] (TFA) pełniące często dodatkowo funkcję kwaśnego katalizatora.

Kolejną grupą, aczkolwiek dość różnorodną są etery.

Najważniejszy z nich tetrahydrofuran (THF) to najczęściej stosowany rozpuszczalnik do transformacji prowadzonych w obniżonej temperaturze (często < -70°C). Bardzo często stosuje się go w reakcjach, w których generowane są karboaniony, w czym nierzadko uczestniczy jedna z najsilniejszych zasad znanych w chemii organicznej – n-butylolit (n-BuLi), która reaguje z większością rozpuszczalników (uwaga w temperaturze pokojowej BuLi rozkłada również THF!). Do opisanego powyżej celu stosuje się wyłącznie suszony THF, przetrzymywany „pod argonem” (w atmosferze gazu obojętnego — argonu).

Bliski analog strukturalny — 1,4-dioksan, choć nie nadaje się do powyższych celów (krzepnie już w 12°C), to z powodzeniem może być stosowany w reakcjach wymagających z kolei ogrzewania (temp. wrz. to 101°C; dla THF’u 66°C).

Eter dietylowy (Et₂O) jest, w przeciwieństwie do mieszających się z wodą bez ograniczeń[6] THF’u i 1,4-dioksanu, rozpuszczalnikiem stosowanym najczęściej do ekstrakcji, zwłaszcza związków o niewielkiej, lub umiarkowanej polarności. Ze względu na niską temperaturę wrzenia (35°C) i związane z tym: łatwość samozapłonu oraz działanie narkotyczne na eksperymentatora oraz skłonność do tworzenia wybuchowych nadtlenków[7], (podobnie jak THF i 1,4-dioksan) często zastępowany jest bardziej stabilnym eterem tert-butylowo metylowym (MTBE; temp. wrz. 55°C), który jednak nie powinien być stosowany do ekstrakcji bardzo kwaśnych wodnych roztworów, pod wpływem których może nastąpić jego rozszczepienie.   

Zdecydowanie najrzadziej używanym rozpuszczalnikiem z tej grupy jest eter difenylowy (Ph₂O), który stosowany jest do prowadzenia reakcji wymagających ogrzewania w wysokiej temperaturze (np. termicznych eliminacji czy przegrupowań sigmatropowych). To, co jest jego zaletą (temp. wrz. 259°C) powoduje jednak techniczne trudność związane z pozbyciem się go z mieszaniny poreakcyjnej (ekstrakcje rozpuszczalnikami o niskiej polarności / chromatografia kolumnowa).

Zróżnicowaną klasą, którą łączy m.in. nieograniczona mieszalność z wodą, są rozpuszczalniki polarne aprotonowe do których należą, stosowane głównie w formie ‘suchej’ m.in: aceton (AcMe), acetonitryl (MeCN), dimetyloformamid (DMF), dimetylopirolidon (NMP), dimetylosulfotlenek (DMSO), pirydyna (Py).

Ze względu na zdolność solwatowania kationów bardzo często stosowane są w reakcjach substytucji nukleofilowej (najczęściej S_N2). Ponadto często umożliwiają rozpuszczenie zarówno substancji, które trudno rozpuszczają się w jakichkolwiek innych rozpuszczalnikach, jak i niekiedy pewnej ilość soli nieorganicznych.[8]

Te o najsłabszych ‘zdolnościach’ do rozpuszczania: acetonitryl (temp. wrz. 82°C) i dość reaktywny aceton (56°C) łatwo odparować z mieszaniny reakcyjnej. Pirydynę (115°C), a w szczególności DMF (153°C) można w większości usunąć pod zmniejszonym ciśnieniem na wyparce, pod warunkiem zastosowania tzw. ‘odwróconego łapacza kropel’ uniemożliwiającego powrót oddestylowywanego rozpuszczalnika z powrotem do kolby. W przypadku DMF’u konieczne jest dodatkowo zwiększenie temp. łaźni wodnej do ok 60-65°C.

Alternatywnym/równoległym rozwiązaniem jest wielokrotne odparowanie mieszaniny poreakcyjnej z toluenem (PhMe), który z obydwoma rozpuszczalnikami tworzy azeotropy o niższej temperaturze wrzenia. Innym rozwiązaniem stosowanym w przypadku DMF, NMP (temp. wrz. 202°C), czy DMSO (temp. wrz. 189°C)  jest rozcieńczeniem mieszaniny poreakcyjnej wodą, ekstrakcja możliwie mało polarnym rozpuszczalnikiem organicznym (jeśli to możliwe, najlepiej eterem dietylowym, jeśli nie rozpuszcza on produktu to  np. octanem etylu, po czym frakcje organiczne wielokrotnie przemywa się nasyconym roztworem NaCl w wodzie — tzw. solanką, w której większość związków organicznych się nie rozpuszcza, a te polarne aprotonowe rozpuszczalniki tak). W przypadku pirydyny możliwe jest skuteczne odmycie jej z fazy organicznej za pomocą rozcieńczonych roztworów HCl (pod wpływem których tworzy słabo rozpuszczalną w fazie organicznej sól — chlorowodorek pirydyny), o ile i produkt nie zawiera zasadowych grup (np. aminowych) i jest odporny na działanie kwasów.

W przypadku niedającego się odparować na wyparce DMSO alternatywną metodą jest jego wymrożenie i sublimacja w liofilizatorze.

Warto również wspomnieć, że acetonitryl jest najczęściej stosowanym (w parze z wodą) rozpuszczalnikiem w przypadku rozdziałów chromatograficznych prowadzonych na odwróconych fazach.

Po przeciwnej stronie skali znajdują się rozpuszczalniki niepolarne aprotonowe m.in. heksan (HexH[9]), cykloheksan (CyH[10]), pentan, heptan, toluen (PhMe), benzen (PhH) i ksyleny.

Heksan (w postaci izomerów) oraz mniej toksyczny cykloheksan (uwaga temp. top. 7°C) i toluen stosowane są jako eluenty do chromatografii kolumnowej. Toluen sporadycznie wykorzystywany jest również do ekstrakcji. Specyficznym zastosowaniem toluenu, coraz rzadziej wybieranego benzenu oraz niekiedy cykloheksanu jako rozpuszczalników w reakcjach, jest możliwość tworzenia przez nie azeotropów z wodą, które po skropleniu za pomocą chłodnicy zwrotnej można rozdzielić za pomocą specjalnej nasadki tzw. aparatu Deana-Starksa na wodę i rozpuszczalnik organiczny, który w zamkniętym cyklu wraca do ogrzewanej w temperaturze wrzenia rozpuszczalnika (tzw. refluksie) kolby reakcyjnej. Taką technikę stosuje się m.in. w kondensacji Knoevenagela lub przekształcania aldehydu lub ketonu odpowiednio w (cykliczny) acetal lub ketal np. za pomocą glikolu etylenowego [HO(CH₂)₂OH], gdzie obecność śladowej choćby ilości wody inhibuje przebieg tych równowagowych transformacji.  

Pentan (temp. wrz. 36°C) stosowany jest czasem do wytrącania i/lub przemywania osadów. Otrzymywane w ten sposób stałe związki często mają postać pyłu, który skutecznie można wyszyć na lejku Schotta i/lub pompie olejowej, w celu pozbycia się resztek rozpuszczalnika.

Heptan (98°C) wykorzystywany jest do ‘pseudo-krystalizacji’. Próbkę zawierającą mniej polarne zanieczyszczenie można zagrzać w heptanie do wrzenia i po schłodzeniu do temp. pokojowej, odsączyć nierozpuszczony osad od przesączu zawierającego niepolarne zanieczyszczenia, co często pozwala w prosty sposób oczyścić związek unikając chromatografii.

Ksylen, występujący w postaci wysokowrzącej (~ 140°C) mieszaniny izomerów (orto, meta, para) podobnie jak omawiany wcześniej eter difenylowy służy do prowadzenia reakcji wymagających ogrzewania w wysokiej temperaturze.

Ostatnią ważną grupą są rozpuszczalniki chlorowcowane m.in. chlorek metylenu (DCM), 1,2-dichloroetan (DCE), chloroform (CHCl₃), coraz rzadziej stosowany czterochlorek węgla (CCl₄) i jeszcze rzadziej chlorobenzen PhCl.

Dichlorometan (temp. wrz. 40°C) stosowany jest zarówno jako rozpuszczalnik (często bezwodny), do licznych reakcji, ale również do ekstrakcji czy chromatografii kolumnowej. Innym zastosowaniem, w parze z heksanem lub heptanem, jest możliwość wykorzystania go do wytrącania na wyparce, w trakcie którego lepiej rozpuszczający związki organiczne DCM jest oddestylowywany jako pierwszy, co dodatkowo radykalnie schładza mieszaninę, co często ułatwia wypadanie czystego związku w postaci osadu lub oleju, znad którego można ściągnąć fazę węglowodorową zawierającą mniej polarne zanieczyszczenia. DCM stosowany jest często również jako rozpuszczalnik do przenoszenia substancji np. z większej kolby do mniejszej (kolby lub fiolki). W połączeniu z metanolem (np. jako 50% roztwór) umożliwia rozpuszczenie większości substancji, które nie rozpuszczają się np. ani w samym MeOH ani w DCM.

Niekiedy jako alternatywę dla chlorku metylenu, zwłaszcza dla reakcji wymagających umiarkowanego ogrzewania, stosuje się wyżej wrzący 1,2-dichloroetan (temp. wrzenia 83°C).

Chloroform używa się często do ekstrakcji, nanoszenia mieszanin reakcyjnych na kolumnę chromatograficzną, ale chyba jego najważniejszym zastosowaniem jest użycie do kilkukrotnego odparowywania próbek oczyszczonego produktu, przed analizą NMR, w celu usunięcia (‘wypchnięcia’) resztek innych rozpuszczalników. Jako że w spektroskopii NMR najczęściej stosowany jest CDCl₃ ‘naturalnie’ zawierający pewną ilość CHCl₃, jego niewielka dodatkowa ilość wynikająca z odparowywania jest bardziej akceptowalna, niż piki od innych rozpuszczalników.

Czterochlorek węgla (temp. wrz. 77°C) podobnie jak benzen, to typowy rozpuszczalnik stosowany do reakcji rodnikowych.

Chlorobenzen (temp. wrz. 132°C) wybierany w analogicznych sytuacjach jak ksylen czy eter difenylowy, jest najbardziej z nich stabilny w warunkach kwasowych, najmniej w silnie zasadowych.

Na tym zakończę to dosyć arbitralne omówienie rozpuszczalników, pośród których zabrakło m.in. dekaliny, nitrobenzenu, disiarczku węgla (CS₂), eteru naftowego (będącego niesprecyzowana mieszanką róznych węglowodorów) czy HMPA, ale taką listę można rozciągać w nieskończoność.

W kolejnym odcinku, przećwiczymy przekształcanie reakcji krótkich syntez z ciężkostrawnej formy zapisu wzorami strukturalno-półstrukturalno-półszkieletowymi pokutującymi dalej nawet w najbardziej współczesnych skryptach i podręcznikach, na łatwo przyswajalne szkieletowe. Mam nadzieję, że powyższy trening na rozpuszczalnikach stanowił wystarczającą rozgrzewkę.  

---

[1] Uwaga, Ac jest też skrótem od rzadko spotykanego pierwiastka aktynu.

[2] Akronim od angielskiej nazwy ethyl acetate.

[3] Umiarkowanie dobrze rozpuszcza wiele soli organicznych.

[4] Czysty kwas octowy (tzw. lodowaty) krzepnie już w 17°C).

[5] Silny kwas o mocy zbliżonej do kwasów nieorganicznych.

[6] THF, 1,4-dioksan, ale również EtOH lub MeOH ze względu na nieograniczoną mieszalność z wodą często wybierane są jako współrozpuszczalnik w reakcjach hydrolizy, w których stosowany jest wodny roztwór wodorotlenku lub np. kwasu solnego. Rozpuszczalnik organiczny umożliwia rozpuszczenie substratu, a jego mieszalność z wodą umożliwia otrzymanie mieszaniny jednofazowej.

[7] Mechanizm powstawania nadtlenków, które po dziś są powodem najtragiczniejszych w skutkach wypadków w laboratoriach oraz mechanizm działania stabilizatorów (na przykład BHT), które są dodawane do niektórych rozpuszczalników, by temu zapobiec, omówię kiedyś w oddzielnym artykule.

[8] Przydatnym narzędziem do sprawdzania rozpuszczalności soli nieorganicznych w rozpuszczalnikach jest rosyjska baza danych „База данных физико-химических свойств и синтезов веществ”. Jednak, jak się przekonałem w praktyce, rozpuszczalność niektórych soli jest zdecydowanie niższa niż to wynika z powyższej wyszukiwarki i innych tablic chemicznych. Przypuszczam, że tak „świetna” rozpuszczalność niektórych soli wynika z niskiej jakości (dużej zawartości wody) rozpuszczalników i soli nieorganicznych (też niewykluczone, że zawilgoconych, jako, że większość z nich jest higroskopijna), które były używane w pomiarach, te kilkadziesiąt lat temu i nikt tego nie skorygował/zaktualizował. Przy próbie rozpuszczenia sproszkowanego K₂CO₃ w DMF’ie czy DMSO (niesuszonych, CZDA, dopiero co otwarta butelka) nie byłem w stanie rozpusćić kilku, a może i 10-krotnie mniejszej ilości! od tej, która wynikała z tablic.

[9] Półoficjalny, rzadko stosowany skrót.

[10] J.w.