Organik Solventlerde Polarite ve Etkileri

Organik Solventlerde Polarite ve Etkileri


Mehmet Namık Kayaalp / Kimya Mühendisi - Ecelak Boya Kimya Ltd. Şti.


Solventlerin Genel Tanımı

Solvent, çözücü bir madde olarak ya da başka maddeyi çözebilen bir madde olarak etki gösteren, genellikle sıvı olan bir bileşiktir. Bir sıvı içindeki katı ya da gaz solüsyonlarındaki sıvı solventtir. Tüm diğer homojen karışımlarında (örneğin, sıvı, katı ya da sıvı içinde çözülmüş gaz, katı içinde katılar ve gaz içinde gazlar gibi), solvent en büyük miktardaki bileşendir. Küçük bölüm bileşenine çözünen (solute) denir. Solventler bir kimyasal reaksiyon sırasında birçok fonksiyonlar sunar. Solvent yalnızca bir kimyasal reaksiyonda saldıran tür olarak kabul edilir madde (reaktif) bir dizi yeni üretim için başka biri ile reaksiyona giren madde, aynı zamanda molekül, iyon tedarik bileşiği, ya da serbest radikal, (tepkin madde) çözer.

 

Solventler, yalnızca yeni bir bileşik (reactant) seti oluşturmak için bir başkasıyla reaksiyona giren bileşikler olmayıp aynı zamanda bir kimyasal reaksiyonda (reagent, tepkin madde) etkileme türü olarak dikkate alınan molekül, iyon ya da serbest radikalleri sağlayan bileşikleri de çözer. Solventler, reaktanları yeni ürünlere dönüştürmek için reaktanlar ve reaktifler arasındaki çarpışmaları iletir. Solventler ayrıca, ya hızlı bir reaksiyon için çarpışan parçacıkların enerjisini sağlamak için ya da ekzotermik reaksiyonda ısı absorbe etmek için sıcaklık kontrolü rolü alır. Uygun bir çözücü, reaksiyon sonunda kolay bir şekilde ortamdan alınması ve uygun kaynama noktasında olması reaktanları olduğu kadar reaktifleri de çözmesi, reaksiyon koşullarında aktif olmama özelliğine göre seçilmelidir. Solvent, reaksiyon ortamı olarak hizmet eden bir sıvıdır. Solventler iki büyük amaca hizmet edebilir:

 

1. Katılımcı olmayan: (reaktanları çözmek için). Polar solventler, polar reaktanları (örneğin iyonlar gibi) en iyi çözenlerdir; polar olmayan solventler polar olmayan reaktanları (örneğin hidrokarbonlar gibi) en iyi çözen solventlerdir.

 

2. Katılımcı: Bir asit (proton) kaynağı olarak, bir baz (protonları çıkaran) olarak ya da bir nükleofil (bir elektronların tek çifti veren) olarak.

Solventler, artan polaritelerine göre üç ana grupta sıralanabilirler. Hidrojen bağı olan solventler, nükleofillerin reaktivitesini azaltmak eğiliminde oldukları zaman bu farklılıkların çoğu, sübstitüsyon reaksiyonlarından ileri gelir. Bunun yanında non-polar protik solvent diye bir solvent de yoktur. En sık karşılaşılan solventler aşağıda verilen üç tip solventlerdir. Bunlar;

1. Polar olmayan, (Apolar) solventler,

2. Polar aprotik solventler,

3. Polar protik solventler.

Apolar (Polar olmayan) Solventler:

Bu solventlerin düşük dielektrik sabitleri vardır (<5) ve anyonlar gibi yüklü türler için iyi solvent değildirler. Ancak dietil eter (Et2O), Grignard tepkimeleri için en yaygın bir solventir; bu solventin tek olan çiftleri, Lewis bazik ve Mg katyonnunu çözmeye yardımcı olabilir. Karbon tetraklorür (CCI4), benzen (C6H6) ve dietil eter (CH3CH2OCH2CH3) gibi polar olmayan solventlerin elektrik yükleri eşit olarak dağılmıştır ve bu solventler ve su ile karışmazlar.

Heksan, tetrahidrofuran ve metilen klorür polar olmayan solventlerdir. Polar olmayan solventler, lipofilik yapıdadırlar. Polar olmayan solventler, en iyi polar olmayan bileşikleri çözerler. Yağ ve su birbiriyle karışmazlar, ancak iki tabaka olarak ayrılırlar. Apolar solventler, karbon ve hidrojen gibi (örneğin benzin gibi hidrokarbonlar), benzer elektronegatiflikler ile atomlar arasındaki bağları taşırlar. Benzer elektronegatiflikler ile atomlar arasındaki bağlar, parsiyel yüklerden yoksun olacaklardır; bu molekülleri "apolar” yapan bu yüklerin olmamasıdır.



Polarite:

En yaygın çözücü sudur. Suda çözünmeyen (ya da hemen hemen çözünmeyen) maddeleri çözen öteki yaygın çözücüler arasında, aseton, alkol, formik asit, asetik asit, formamit, BTX, karbon disülfit, dimetilsülfoksit, karbon tetraklorür, kloroform, eter, tetrahidrofuran, furfural, heksan ve terebentin bulunmaktadır. Bunlar, polar ve polar olmayanlar olarak sınıflandırılabilirler. Suda olduğu gibi polar solventlerin, ötekinden daha pozitif her molekülün biri ucunu bırakan dengesiz dağıtılmış elektrik yükleri olan molekülleri vardır. Polaritenin ölçümünde iki bilinen yol vardır.

1. İlki "dielektrik sabiti” ya da permitivite denilen sabit bir ölçümdür. Daha büyük, dielektrik sabiti daha büyük polarite demektir. (Su = yüksek polarite, benzin = düşük polarite), 2. İkincisi ise doğrudan dipol momentin ölçülmesiyle gerçekleşir.Bunun yanında polaritenin önemli bir göstergesi de solventin su ile karışabilirlik durumudur. Düşük dipol momentler ve küçük dielektrik sabitleri polar olmayan solventleri belirtmesine karşın, polar ve polar olmayan solventler arasında keskin sınırlar yoktur. Polarite, aynı molekülde bulunan polar olmayan bir hidrokarbon bileşeni ile polar bir bileşen (OH) arasındaki dengeyi yansıtır. Hidrokarbon karakteri göreceli olarak artarsa, polarite azalır. Temel olarak su ile karışabilen solventler polar solventlerdir.

 

Polar Solventler:

Genellikle, bir polar solventin, su (HOH) ve asetik asit (CH3COOH) örneğinde olduğu gibi O-H bağı bulunur, Propanol, bütanol, formik asit, formamid gibi solventler de polar solventlerdir. Polar solventler, hidrofilik yapıdadırlar. Polar girdiler polar solventler içinde çözülür. Polar solventler, büyük dipol momentlere sahiptirler (aka "parsiyel yükler”); bunlar, oksijen ve hidrojen gibi çok farklı elektronegatiflikler ile atomlar arasındaki bağları içerirler. Dipolar Solventler: OH bağı olmayan ancak bir C-O çifte bağı içeren dipolar (iki-kutuplu)solventler olarak aseton [(CH3)2C = O], etil asetat (CH3COOCH2CH3), metil etil keton, asetonitril, N, N-dimetilformamid ve dimetil sülfoksit örnek verilebilir.

 

Polar Protik Solventler

Protik, bir elektronegatif atoma bağlı bir hidrojen atomunu ifade eder. Protik solventler ayrışabilir H+ içerdiklerinden bir H+(proton) verebilirler ki bir hidroksil gruptaki oksijene bağlı hidrojen, bir amin gruptaki azot bunlara örnektir. Örneğin su, metanol, etanol, formik asit, hidrojen florit ve amonyak bulunmaktadır. Aprotik solventlerin, O-H bağı yoktur ancak tipik olarak bir C = O bağı bulunur.

Bunlara örnek olarak aseton [(CH3)2C=O] ve etil asetat (CH3COOCH2CH3) verilebilir. Polar protik solventler, SN1 reaksiyonunda yararlı olmalarına karşın polar aprotik solventler ise SN2 reaksiyonunda yararlıdırlar.

 

Kimyada protik solvent, bir hidroksil grubundaki gibi bir oksijene bağlı olan ya da bir amin grubundaki gibi bir azota bağlı olan bir hidrojen atomu olan bir solventtir. Daha genel olarak, örneğin, hidrojen florür gibi ayrışabilir H + içeren herhangi bir moleküler solvent protik bir solvent olarak adlandırılır. Bu tür çözücülerin molekülleri, bir H + (proton) verebilirler. Bunun tersi olarak, aprotik çözücüler hidrojen veremezler. Burada yapılacak bir kesin ayrım karışıklığa neden olabilir. Bazı solventler "protik” olarak adlandırılır ve bazıları da "aprotik” olarak adlandırılır. Polar protik solventler, genellikle tuzları çözmek için kullanılır. Genel olarak, bu solventlerin, dielektrik sabitleri ve polariteleri yüksektir.

Polar protik solventler, aprotik solventler ile güç çözünen iyon paylaşırlar, fakat asidik hidrojeni olan solventlerdir. Bu solventler, genel olarak düşük dielektrik sabitleri olan ve düşük polaritedeki solventlerdir. Protik solventlerin ortak özellikleri şunlardır:

• Hidrojen bağı sergileyen solventlerdir,

• Asidik bir hidrojeni olan solventlerdir (etanol gibi çok zayıf asitler olabilir),

• Tuzları çözen solventlerdir,

• Paylaşılmamış serbest elektron çifti olan katyonlardır,

• Hidrojen bağı olan anyonlardır.

Polar protik solventlere örnek olarak su, metanol, etanol, formik asit, hidrojen florür ve amonyak gösterilebilir. Polar protik solventler, SN1 reaksiyonlar için uygundurlar. Buna karşılık polar aprotik solventler ise SN2 reaksiyonlar için uygundur. Protik solventler, Bunların O-H veya N-H bağları vardır. Protik solventler güçlü bir moleküller arası kuvvet olan hidrojen bağları oluşturabildikleri için bu bağlar oldukça önemlidir. Ayrıca, bu, OH ya da NH bağları proton kaynağı (H+) olarak da görev yapabilirler.


 

Polar protik solventler, yüksek dielektrik sabitlerine ve yüksek dipol momentlerine sahip olma eğilimindedir. Aynı zamanda bu solventler, O-H ya da N-H bağları taşıdıkları için hidrojen bağlanmasına katılabilirler. Bu solventler aynı zamanda asitler olarak (proton kaynakları) ve zayıf nükleofiller olarak (güçlü elektrofiller ile bağlar oluşturur) görev yapabilirler.

Bu solventler en yaygın biçimde kendilerinin konjüge bazları için solvent olarak kullanılırlar. Örneğin, H2O, HO(-) için solvent olarak kullanılır. EtOH ise, EtO(-) için solvent olarak kullanılır.


Polar Aprotik Solventler

Bu solventlerin tümünün büyük dielektrik sabitleri (>20) ve büyük dipol momentleri vardır, ama bu solventler hidrojen bağlarına katılmazlar (ne OH ne de NH bağlarına). Bunların yüksek polaritede olmaları, (CN (-) HO (-), vs.) gibi nükleofiller olarak kullanılan çeşitli anyonlar gibi yüklü türlerin çözülmesine izin verirler. Solvent içindeki hidrojen bağlanmasının eksikliği, bu nükleofillerin çözelti içinde nispeten "serbest” oldukları anlamına gelir ki kendilerini daha reaktif duruma getirir. Bu solventler, reaksiyona katılmayan solventler olarak kabul edilirler. Polar aprotik solventler, birçok tuzları çözebilen solventlerdir, fakat bir asidik hidrojeni yoksun solventlerdir. Bu solventler, genellikle orta düzeyde dielektrik sabitleri ve polariteleri olan solventlerdir. "polar aprotik” teriminin kullanımı konusunda caydırıcı kullanımı olmasına rağmen, IUPAC, bu solventleri asetonitril örneğinde olduğu gibi yüksek dielektrik sabitleri ve yüksek dipol momentleri olan solventler olarak açıklar. IUPAC kriterlerini karşılayan öteki solventler arasında ise DMF, HMPA ve DMSO bulunur. Aprotik solventlerin ortak özellikleri şöyle sıralanabilir:

• Hidrojen bağları kabul edebilen solventlerdir,

• Asidik bir hidrojen merkezleri olmayan solventlerdir, (aseton ve esterler bu kriterleri taşımaz),

• Tetraetilamonyum iyodid gibi organik tuzları çözen solventlerdir.

Örnekler dimetil sülfoksit, dimetilformamid, dioksan ve hexamethylphosphorotriamide, tetrahidrofurandır. Çözücü etkilerinin yanı sıra, polar aprotik solventler, Grignard reaktifleri ya da n-butillityum içeren reaksiyonlarda olduğu gibi kuvvetli bazlar, kullanılan reaksiyonlar için gerekli olabilir. Eğer bir protik solvent kullanılacak olursa, reaktif, solventle olan bir yan reaksiyonla harcanacaktır.

Dipolar aprotik solventelere örnek olarak metilpirolidon verilebilir. Aprotik solventler Bu solventlerin bazı yerlerinde hidrojenler olabilir, ama bunların OH ya da NH bağları eksiktir ve bu nedenle kendileri ile hidrojen bağı oluşturamazlar. Aşağıdaki tablolarda polarite, dielektrik sabiti olarak verilmektedir. Suyun özelliklerini aşan solvent özellikleri kalın olarak belirtilmiştir.





Kaynakça:
1. Coating Technology-Federation of Societiesc for Paint Technology R.Fuller.
2. Organic Coating Technology-II, H.F.Payne, J.Wiley and Sons Inc.-Newyork 1960.
3. From Wikipedia, the free encyclopedia.
4. Organic Chemistry by James.
5. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry Vol.A-20 VCH Publishers, Inc.-1992.
6. Special Chem Bulletin.





Kaydet