Vlastnosti etherů a crownetherů

Když se podíváme na bod varu ethanolu a dimethyletheru, zjistíme, že je mezi nimi velký rozdíl. Ethanol má mnohem vyšší bod varu, konkrétně 78 °C. Zatímco dimethylether vře už při −25 °C. To může vysvětlit rozdílné skupenství těchto látek. Ethanol má bod varu mnohem vyšší, než je pokojová teplota, a proto za pokojové teploty a atmosferického tlaku je kapalinou. Zatímco dimethylether s mnohem nižším bodem varu už je plynem. Porozumění mezimolekulových interakcí v těchto látkách umožňuje vysvětlit jejich rozdílné skupenství. Víme, že v ethanolu vazba kyslík-vodík je polarizovaná. Kyslík má větší elektronegativitu. Proto na kyslíku bude částečný záporný náboj. A vodík bude částečně kladný, protože ztratil část své elektronové hustoty. Pokud jedna molekula ethanolu interaguje s jinou molekulou ethanolu, druhá molekula ethanolu je také polarizovaná. Kyslík je částečně záporný, vodík je částečně kladný. Víme, že opačné náboje se přitahují. Částečně kladně nabitý vodík se přitahuje ke částečně záporně nabitému kyslíku. Dojde ke vzájemnému přitahování těchto molekul. Takovou intermolekulární sílu nazýváme vodíkovou vazbou. Mezi molekulami ethanolu dochází ke vzniku vodíkové vazby, která vysvětluje vysoký bod varu této látky. Podíváme se na vodíkové vazby do větší hloubky. Vodíková vazba vzniká, pokud máme vodík vázaný s elektronegativním atomem, jakým je například kyslík. Ale studenti často zapomínají, že je potřeba mít další elektronegativní atom, pro vytvoření většího rozdílu elektronegativit, aby atom vodíku měl co nejvíc kladný náboj. Proto do vodíkové vazby jsou zahrnuté celkem tři atomy. Teď se podíváme na dimethylether a zjistíme, proč u něj nedochází ke vzniku vodíkových vazeb. Nakreslíme sem strukturu dimethyletheru. Uvažujeme o polarizaci mezi atomem kyslíku a tímto uhlíkem. Kyslík má větší elektronegativitu, proto je částečně záporný. Uhlík proto bude částečně kladný. Když budeme uvažovat o interakci této molekuly dimethyletheru s jinou molekulou dimethyletheru, může vás napadnout, že dojde ke vzniku vodíkové vazby, protože tento uhlík má několik vodíků. Proto někteří studenti mohou říct, že dojde ke vzniku vodíkové vazby mezi tímto kyslíkem a tímto vodíkem. Ale to není ten správný případ, tento vodík je vázaný na uhlík, který nemá tak velkou hodnotu elektronegativity, jakou má kyslík. Mezi uhlíkem a vodíkem není velký rozdíl elektronegativit. I když uhlík má trochu větší elektronegativitu, tento rozdíl není dostatečně velký, aby došlo ke vzniku vodíkové vazby. Mezi dvěma molekulami dimethyletheru je jen malá část dipol-dipolových interakcí. V této molekule bude přítomen částečně kladný a částečně záporný náboj, ale stejně vzniklá dipol-dipolová interakce bude velmi slabou. Nebude ani trochu tak silná, jak je silná vodíková vazba na příkladu vlevo. Vodíková vazba je příkladem extrémně silné dipol-dipolové interakce. A proto dimethylether nemá tak vysoký bod varu, jaký má ethanol. Vysvětlením je vodíková vazba. Podíváme se, jak se mění bod varu etherů s rostoucím počtem uhlíků v alkylové skupině. Znovu se podíváme na dimethylether a porovnáme ho s ethery, který mají více uhlíků v alkylových skupinách, například diethylether. Už víme, že bod varu dimethyletheru je zhruba −25 °C. Zatímco bod varu diethyletheru je už 35 °C. Je velký rozdíl mezi těmito dvěma body varu. Bod varu diethyletheru je vyšší než je pokojová teplota. Takže je to za pokojové teploty a atmosferického tlaku kapalina. Pojďme zjistit, proč má diethylether o tolik vyšší bod varu. Víme, že molekuly etheru nevytváří vodíkové vazby sami se sebou. Takže tyto mezimolekulové interakce se nepodílejí na vysvětlení bodu varu. Ale při interakci dvou molekul diethyletheru bude docházet ke vzniku jiného typu mezimolekulových sil: Londonově disperzní interakci. Londonovy disperzní interakce jsme podrobněji probírali v předchozím videu. Velké alkylové skupiny mají větší povrch pro vznik přitažlivých sil, které se nazývají Londonovy disperze. To, že mezi alkylovými skupinami je větší přitahování znamená, že je složitější od sebe tyto molekuly odtáhnout. Pro odstranění těchto molekul od sebe je potřeba více energie, nebo například více tepla. To vysvětluje vyšší bod varu diethyletheru, který je 35 °C. Londonovy disperzní síly jsou sice nejslabšími mezimolekulovými sílami, ale mohou se sčítat. Tento efekt se zesiluje, pokud máme více a více molekul. To vysvětluje velký rozdíl mezi dimethyletherem a diethyletherem. Proto zvýšení počtu uhlíku v alkylové skupině zvyšuje bod varu látky nad pokojovou teplotu. Proto je diethylether výborným rozpouštědlem pro extrakci. Dalším projevem vlastností alkylových skupin je zvětšení nepolární části molekuly. Diethylether je trochu méně polární kvůli svým velkým alkylovým skupinám, a proto je dobrým rozpouštědlem pro mnoho nepolárních organických látek. Tím, že diethylether umožňuje rozpustit hodně nepolárních organických látek a že má bod varu nad pokojovou teplotou, je diethylether výborným rozpouštědlem pro extrakci. Lze nejprve rozpustit nepolární molekuly a následně odpařit diethylether. Získáte přečištěný organický produkt. Diethylether se hojně využívá při extrakci. Podíváme se na další druh etherů, který je mnohem zajímavější. Tyto ethery nazýváme "crown ethery". Tento obrovský ether na obrázku je crown ether. Crown ethery byly objeveny Karlem Petersonem, který za to získal Nobelovu cenu. Název crown etherů nejprve obsahuje celkový počet atomů v kruhu. Zde v kruhu máme dohromady 18 atomů. Máme cyklickou 18-atomovou sloučeninu. Proto napíšeme číslo 18 hned za tím slovo "crown" a dále napíšeme počet atomů kyslíku v cyklu. Zde máme 6 atomů kyslíku. Proto název této látky bude 18-crown-6-ether. A z toho názvu zjistíme, o jaký druh crown etherů se jedná. Ale proč se to nazývá crown ether? Zajímavou vlastností crown etherů je jejich schopnost selektivně interagovat s některými ionty. Například velikost draselného kationtu K⁺ je přesně taková, že se může vejít do centrální části tohoto crown etheru. Ta velikost je přesné taková, aby se tam vešel draselný kation. Jelikož tyto kyslíky mají volné elektronové páry a jsou částečně záporně nabité, vzniká přitahování mezi kladně nabitým kationtem a záporně nabitými kyslíky. Dochází k přitahování. Opačné náboje se přitahují. A proto tyto záporné náboje budou pořád udržovat ten draselný kation. Vypadá to jako koruna (anglicky crown). Draselný kation je jakoby něčí hlava, která má na sobě tento crown ether jako korunu. Ukázalo se, že crown ethery jsou velice užitečnými látkami. Například vezměme fluorid draselný, tedy draselné kationty a fluoridové anionty. Tento fluorid draselný nebude rozpustný v nepolárních organických rozpouštědlech. Ale pokud přidáte crown ether, draselný kation bude komplexován crown etherem. Máme tu teď polární a nepolární části. Vnější část crown etheru je nepolární, a bude rozpustná v nepolárním organickém rozpouštědle, například v benzenu. Tato část molekuly bude rozpustná v benzenu. Tím, že je draselný kation uvnitř crown etheru, fluoridový anion se nachází ve volné formě. Proto dochází ke zvýšení jeho nukleofilní síly, a fluoridový anion bude více účinný v SN₂ reakcích. Takže jedním z využití crown etherů je komplexace kationtu a zvýšení nukleofilní síly příslušného aniontu. Samozřejmě různé kationty mají různou velikost, a proto můžeme používat různě velké crown ethery pro jejích komplexace. Crown ethery jsou velice zajímavými molekulami. Jejich prostorová struktura názorně ukazuje že jejich vnější část je opravdu nepolární. Jsou to velice zajímavé molekuly.