Ether – Einführung

Ether in der Chemie

Die Ether bilden eine eigene Stoffklasse in der organischen Chemie. Viele Ether sind leicht flüchtige, bei Raumtemperatur flüssige Verbindungen. Ein ganz bestimmter Ether, Diethylether, wurde früher Äther genannt.
Dieser Name bezieht sich auf den unsichtbaren Äther, von dem man bis ca. $1900$ annahm, dass er alles auf der Welt und das gesamte Universum durchdringen würde.

Allerdings gibt es keinen tatsächlichen Zusammenhang zwischen Diethylether und dem kosmischen Äther – denn mittlerweile ist man sich in der Wissenschaft einig darüber, dass ein solcher Äther gar nicht existiert.

Ether – Definition

Ether sind organische Verbindungen. Wenn zwei Alkylreste über ein Sauerstoffatom verknüpft sind, spricht man von einem Ether. Die funktionelle Gruppe der Ether, die Ethergruppe, kann demnach als $\ce{-O-}$ geschrieben werden.

Ether können eine nicht-cyclische oder eine cyclische Molekülstruktur haben. Bei den organischen Resten handelt es sich in der Regel um Alkylgruppen, die sich von den Alkanen ableiten.

Manchmal ist auch eine ganz bestimmte Verbindung gemeint, wenn von Ether die Rede ist – nämlich Diethylether $\left( \ce{CH3-CH2-O-CH2-CH3} \right)$, der bekannteste Vertreter aus der Stoffklasse der Ether.

Ether – Steckbrief

Diethylether ist ein typischer Vertreter der Ether und hat einige Eigenschaften mit anderen Ethern gemeinsam. Deshalb sehen wir uns die wichtigsten Eigenschaften hier im Detail an:

Ether – Geschichte

Bis um $1900$ nahm man an, dass die Welt vom Äther durchdrungen sei. Diesen Äther stellte man sich als unsichtbares, gasartiges Medium vor, in dem sich nach der Ansicht der damaligen Wissenschaft das Licht ausbreitete. Die Idee vom Äther reicht bis in die griechische Antike, also über $2\,000$ Jahre, zurück.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde die Idee des Äthers schließlich durch die Relativitätstheorie widerlegt. Es wurde bewiesen, dass das Licht kein Medium benötigt, um sich auszubreiten. Die Existenz des Äthers konnte nicht nachgewiesen werden – und er war auch schlicht überflüssig geworden.

Aber die chemische Verbindung Diethylether und die anderen Ether in der Chemie gibt es natürlich trotzdem. Der Begriff Ether leitet sich zwar vom beschriebenen Äther ab und wurde früher auch mit Ä geschrieben, aber die Etherverbindungen haben letztlich nichts mit dem hypothetischen Medium Äther zu tun.
Sie wurden lediglich nach dem Äther benannt, weil es sich um leicht flüchtige Verbindungen handelt, die schnell in die Gasphase übergehen und einen charakteristischen, etherischen (oder auch ätherischen) Geruch verbreiten, der ein wenig an Klebstoff erinnert.

Aber sehen wir uns jetzt an, was es aus chemischer Sicht mit den Ethern auf sich hat, welche Struktur und Eigenschaften sie haben.

Ether – Eigenschaften

Am Beispiel Diethylether haben wir schon einige Eigenschaften der Ether exemplarisch betrachtet. Ether sind in der Regel unter Normalbedingungen flüssig und leicht flüchtig. Ihre Dichte ist geringer als die von Wasser. Darauf wollen wir nun im Detail eingehen.

Physikalische Eigenschaften

Wie bei vielen organischen Verbindungen hängen auch bei den Ethern die genauen Schmelz- und Siedepunkte von der Größe der jeweiligen Moleküle ab. Je größer das Molekül, also je mehr $\ce{C}$-Atome, desto höher sind in der Regel die Schmelz- und Siedetemperaturen einer organischen Verbindung. Das siehst du auch in der folgenden Tabelle, in der einige Ether aufgelistet sind.

Ähnlich wie die Alkohole enthalten auch Ether (mindestens) ein Sauerstoffatom. Sauerstoff hat eine deutlich höhere Elektronegativität als Kohlenstoff und Wasserstoff, wodurch die Moleküle eine gewisse Polarität aufweisen. Diese ist allerdings bei der Ethergruppe $\left( \ce{-O-} \right)$ deutlich schwächer ausgeprägt als bei der Hydroxygruppe $\left( \ce{-OH} \right)$ der Alkohole.
Deshalb bilden Ether, anders als Alkohole, keine Wasserstoffbrückenbindungen aus. Die zwischenmolekularen Wechselwirkungen sind generell schwächer als bei Alkoholen, wodurch Ether im Vergleich niedrigere Schmelz- und Siedetemperaturen haben.

Chemische Eigenschaften

Die geringe Polarität der Ether erklärt auch, warum diese nur begrenzt in Wasser löslich sind. In der folgenden Tabelle sind die Löslichkeiten einiger Ether in Wasser aufgelistet.

Wie du siehst, sind die cyclischen Ether (wie Tetrahydrofuran und 1,4-Dioxan) deutlich besser in Wasser löslich bzw. mit diesem mischbar. Das liegt an der besonderen Molekülstruktur, die bei cyclischen Ethern zu einer deutlich stärkeren Polarisierung führt. Sowohl cyclische als auch nicht-cyclische Ether lösen sich wiederum sehr gut in Ethanol und anderen Alkoholen, sowie in Aceton und vielen anderen organischen Lösungsmitteln. Viele Ether werden auch selbst als Lösungsmittel verwendet, denn sie sind relativ reaktionsträge.

Allerdings sind Ether in der Regel leicht entzündlich und gut brennbar. Auch die Dämpfe der leicht flüchtigen Ether sind feuergefährlich. Außerdem können Ether unter Einfluss von Licht und Sauerstoff Peroxide bilden, die unter Umständen explosiv sein können. Diesen Prozess nennt man Autoxidation. Im Umgang mit Ethern sind also einige Sicherheitsvorkehrungen zu beachten. Auch das Einatmen der Dämpfe ist bei einigen Ethern gesundheitsschädlich und kann narkotisch (also betäubend) wirken.

Fassen wir die wichtigsten gemeinsamen Eigenschaften der Ether noch einmal kurz zusammen:

• relativ geringe Dichten
• relativ niedrige Schmelz- und Siedetemperaturen
• gering polar, eher schlecht in Wasser löslich
• gut löslich in Alkoholen und anderen organischen Lösungsmitteln
• leicht flüchtig, teilweise gesundheitsschädlich
• relativ reaktionsträge, aber leicht entzündlich und gut brennbar

Ether – Struktur

Die Ethergruppe besteht aus einem Sauerstoffatom $\left( \ce{-O-} \right)$, über das zwei organische Reste $\left( \ce{-R} \right)$ miteinander verknüpft werden $\left( \ce{R1-O-R2} \right)$. In der Regel handelt es sich dabei um die Alkylreste zweier Alkohole, denn Ether entstehen, wenn zwei Alkohole miteinander reagieren. Dabei wird ein Wassermolekül $\left( \ce{H2O} \right)$ abgespalten.
Je nachdem, wie langkettig die Alkylreste der Alkohole sind, können Ether also aus sehr langen Molekülen bestehen. Es ist aber auch möglich, dass sich die Molekülketten ringförmig schließen, sodass das Sauerstoffatom in einen Ring aus Kohlenstoffatomen eingebunden wird. Dann handelt es sich um einen cyclischen Ester.
In der folgenden Abbildung ist ein nicht-cyclischer Ether (links) und ein cyclischer Ether (rechts) abgebildet.

Beachte, dass das Tetrahydrofuran-Molekül in der vereinfachten Schreibweise dargestellt ist. Auf den vier unteren Ecken des Rings sitzt jeweils ein $\ce{C}$-Atom, an das noch zwei $\ce{H}$-Atome gebunden sind. Auch im nicht-cyclischen Molekül sind die Alkylreste gewinkelt an das Sauerstoffatom gebunden, wie du das beispielsweise auch von den $\ce{H}$-Atomen im Wassermolekül kennst.

Ether – Vorkommen

Ether kommen in vielen Stoffen in der Natur vor und die Ethergruppe ist auch in Kombination mit anderen funktionellen Gruppen in vielen organischen Verbindungen zu finden – zum Beispiel in Zuckermolekülen wie Monosacchariden und Disacchariden, die die Grundbausteine der Kohlenhydrate darstellen.

Diethylether

Manchmal ist in der Chemie auch eine ganz bestimmte Verbindung gemeint, wenn von Ether die Rede ist – nämlich Diethylether. Diesen Stoff schauen wir uns nun noch einmal genauer an.

Diethylether ist der bedeutendste Ether hinsichtlich seiner technischen Anwendungen. Er hat die Summenformel $\ce{C4H_{10}\color{red}{O}}$, die auch als $\ce{C2H5\color{red}{-O-}C2H5}$ oder $\ce{CH3-CH2\color{red}{-O-}CH2-CH3}$ geschrieben werden kann, um die Molekülstruktur der Verbindung zu verdeutlichen. Die Sauerstoffbrücke haben wir hierbei rot hervorgehoben.
Die ausführliche Strukturformel des Moleküls sieht folgendermaßen aus (wobei die beiden nicht-bindenden Elektronenpaare des Sauerstoffatoms weggelassen wurden):

Im Diethylether ist der Sauerstoff der Ethergruppe an zwei Ethylreste gebunden, daher der Name Diethylether. Die vom Alkan Ethan $\left( \ce{C2H6} \right)$ abgeleitete Ethylgruppe schreibt man als $\ce{-CH2-CH3}$ oder auch verkürzt als $\ce{-C2H5}$.

Diethylether – Steckbrief

Den Steckbrief mit den Eigenschaften des Diethylethers haben wir uns weiter oben schon angesehen.
Diethylether gehört zu den eher kurzkettigen Ethern. Deshalb ist der Stoff besonders leicht flüchtig.

Diethylether – Eigenschaften

Auf einige besondere Eigenschaften von Diethylether wollen wir noch einmal im Detail eingehen:

• Einige Eigenschaften von Diethylether sind typisch für die meisten Ether – er ist farblos, leicht flüchtig, hochentzündlich, aber davon abgesehen relativ reaktionsträge.
• Diethylether ist unter Normalbedingungen flüssig und hat eine geringere Dichte als Wasser. Die Dämpfe der Verbindung haben allerdings eine größere Dichte als Luft.
• Diethylether wird in dunklen Flaschen aufbewahrt, um die Bildung explosiver, organischer Peroxide (unter Lichteinwirkung und in Anwesenheit von Luftsauerstoff) zu vermeiden.

Verwendung des Diethylethers

Aus den Eigenschaften des Diethylethers folgen einige wichtige Anwendungen:

• Diethylether weist eine geringe Polarität auf und ist relativ reaktionsträge, daher dient der Stoff als wichtiges Lösungsmittel, besonders in der organischen Chemie. Es gibt wohl kaum ein Labor ohne Diethylether – und das trotz seiner Feuergefährlichkeit!
• Diethylether zählte wegen seiner betäubenden Wirkung in der Medizin zu den frühen Narkosemitteln.
• Die Verbindung wurde auch als Rauschmittel verwendet. Noch zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde zu Zeiten der Prohibition, also des staatlichen Alkoholverbots in den Vereinigten Staaten von Amerika, ersatzweise Diethylether mit Wasser gemischt getrunken.
• Diethylether wird bei Verbrennungsmotoren zum Anlassen des Motors als Starthilfespray eingesetzt.

Nomenklatur der Ether

Die Nomenklatur regelt die Benennung chemischer Stoffe. Gerade bei den Ethern wird allerdings die traditionell gebräuchliche Benennung gegenüber der streng systematischen Benennung bevorzugt. Wir sehen uns beide Möglichkeiten am Beispiel des Diethylethers an:

• Gebräuchliche Benennung:
  Der gebräuchliche Name Diethylether besagt, dass die Sauerstoffbrücke $\left( \ce{-O-} \right)$ zwei Ethylreste $\left( \ce{-C2H5} \right)$ miteinander verknüpft. Die (vereinfachte) Formelschreibweise zeigt dies:
  $\ce{CH3-CH2-O-CH2-CH3}$
  Wären stattdessen zwei unterschiedliche Alkylreste an den Sauerstoff gebunden, würden diese bei der Benennung alphabetisch sortiert. Ein Beispiel dafür ist Ethylmethylether:
  $\ce{CH3-CH2-O-CH3}$.
  Bei diesem Ether sind ein Ethyl- und ein Methylrest über die Ethergruppe verknüpft. Da Ethyl mit E alphabetisch vor Methyl mit M liegt, heißt dieser Ether Ethylmethylether.
  Ganz gleich um welche Alkylreste es sich handelt, diese werden einfach der Wortendung -ether vorangestellt.
  Cyclische Ether werden hingegen meist mit Trivialnamen bezeichnet (z. B. Tetrahydrofuran).

• Systematische Benennung:
  Systematisch (nach den Regeln der IUPAC-Nomenklatur) wird die Ethergruppe als Oxy-Gruppe benannt. Der längere der beiden Alkylreste bildet als längste Kette die Wortendung. Der kürzere Alkylrest wird diesem und der Oxy-Gruppe vorangestellt (in abgekürzter Form).
  So wird Diethylether nach der systematischen Benennung Ethoxyethan genannt. Ethylmethylether wird Methoxyethan genannt. Allgemein kann man also (nicht-cyclische) Ether auch als Alkoxy-Alkane bezeichnen.
  Bei cyclischen Ethern wird hingegen die Silbe Oxa- als Vorsilbe vor den Namen des Cycloalkans gestellt, wobei das Sauerstoffatom als Teil des Rings mitgezählt wird, als ob es ein Kohlenstoffatom wäre. Deshalb heißt beispielsweise Tetrahydrofuran nach der IUPAC-Nomenklatur auch Oxacyclopentan, da es sich um einen Fünfring handelt (obwohl es nur vier $\ce{C}$-Atome sind).

Beispiele weiterer Ether

Neben dem nicht-cyclischen Ether Diethylether spielen die beiden cyclischen Ether Tetrahydrofuran und Dioxan eine bedeutende Rolle in der Chemie.

Tetrahydrofuran

Tetrahydrofuran (abgekürzt: THF) ist ein cyclischer Ether, wobei in der Molekülstruktur die Ethergruppe in einem Fünfring vorliegt:

Tetrahydrofuran hat ebenfalls einen etherischen Geruch und siedet bei $66\,^\circ\text{C}$ (bei Normaldruck). Mit Wasser ist es unbegrenzt mischbar, denn als cyclischer Ether ist die Verbindung deutlich stärker polar als nicht-cyclische Ether. Tetrahydrofuran ist wie Diethylether chemisch reaktionsträge und daher in der Chemie ein sehr verbreitetes Lösungsmittel. Nach der IUPAC-Nomenklatur wir Tetrahydrofuran auch Oxacyclopentan genannt.

Dioxan

Dioxan ist ebenfalls ein cyclischer Ether. In seiner Molekülstruktur liegen zwei Ethergruppen in einem Sechsring vor:

Dioxan riecht süßlich und siedet bei $101\,^\circ\text{C}$ (bei Normaldruck). Mit Wasser ist es aufgrund seiner polaren Eigenschaften unbegrenzt mischbar. Wie Diethylether und Tetrahydrofuran ist Dioxan chemisch reaktionsträge und wird in der Chemie als Lösungsmittel eingesetzt. Genau genommen lautet die Bezeichnung des dargestellten Moleküls 1,4-Dioxan. Durch die Zahlen wird ausgedrückt, an welchen Stellen des Sechsrings die Sauerstoffatome sitzen. Es gibt beispielsweise auch 1,3-Dioxan und 1,2-Dioxan, wobei letzteres zu den Peroxiden zählt. Der vollständige IUPAC-Name von 1,4-Dioxan lautet 1,4-Dioxacyclohexan.

Kronenether

Durch die gewinkelte Anordnung der Bindungen sind auch komplexere Ringstrukturen möglich. Diese werden Kronenether genannt (aufgrund der gezackten Ringformen, die an Kronen erinnern). Ein Beispiel eines solchen Kronenethers siehst du in der folgenden Abbildung:

Der gezeigte Ether [18]Krone-6 setzt stellt einen Achtzehnring dar, wobei sechs Atome davon Sauerstoffatome sind. Allgemein betrachtet setzen sich Kronenether aus der Struktureinheit $\ce{-CH2-CH2-O}-$ zusammen, die sich mehrfach wiederholt und zu einer Ringform schließt. Bei [18]Krone-6 sind es sechs Wiederholungen. Die Besonderheit der Kronenether ist, dass im inneren Bereich der Ringstruktur ein Metallatom bzw. -ion eingeschlossen werden kann. Diese Eigenschaft spielt insbesondere in Lebewesen eine wichtige Rolle bei einigen biochemischen Prozessen.

Ether – Herstellung

Ether können auf verschiedene Arten synthetisiert, also hergestellt, werden. Drei Arten von chemischen Reaktionen sehen wir uns im Folgenden an.

Kondensation von Alkoholen

Die gängigste Methode ist die Kondensationsreaktion zweier Alkohole. Bei der Kondensation verbinden sich zwei Moleküle unter Abspaltung eines Wassermoleküls $\left( \ce{H2O} \right)$. Die allgemeine Reaktion zweier Alkohole $\left( \ce{R-OH} \right)$ zu einem Ether $\left( \ce{R1-O-R2} \right)$ lässt sich so formulieren:

$\ce{R1-OH + R2-OH -> R1-O-R2 + H2O}$

Die Reaktion findet im sauren Milieu statt, sie wird also durch eine Säure (bzw. durch Protonen) katalysiert. Durch ein Proton wird eines der beiden Alkoholmoleküle zu $\ce{R1-OH2^+}$ protoniert. Das ermöglicht dem zweiten Alkoholmolekül einen nucleophilen Angriff, wobei ein Wassermolekül abgespalten wird und die beiden Alkylreste der Alkohole über das verbleibende Sauerstoffatom verknüpft werden.

Williamson’sche Ethersynthese

Eine weitere Möglichkeit der Ethersynthese stellt die nach Alexander William Williamson benannte Williamson’sche Ethersynthese dar. Hier liegt ein Alkohol in deprotonierter Form vor, als sogenanntes Alkoholat-Ion mit der Struktur $\ce{R1-O^-}$. Der zweite Reaktionspartner ist ein Halogenalkan mit der Struktur $\ce{R2-X}$, wobei $\ce{X}$ ein Halogenatom darstellt, z. B. Chlor $\left( \ce{-Cl} \right)$.
Die beiden Alkylreste verbinden sich über das Sauerstoffatom zu einem Ether $\left( \ce{R1-O-R2} \right)$ und es wird ein Halogenid-Ion $\left( \ce{X-} \right)$ frei, z. B. Chlor $\left( \ce{Cl-} \right)$:

$\ce{R1-O^- + R2-X -> R1-O-R2 + X^-}$

Um das benötigte Alkoholat-Ion $\left( \ce{R1-O^-} \right)$ zu erhalten, muss ein Alkohol $\left( \ce{R1-OH} \right)$ zuerst mit einer starken Base reagieren. Hierfür wird oft elementares Natrium $\left( \ce{Na} \right)$ verwendet. In diesem Fall würde der erste Reaktionsschritt wie folgt aussehen:

$\ce{2 R1-OH + 2 Na -> 2 Na^{+}R1-O^{-} + H2}$

Es entsteht also außerdem auch Wasserstoffgas $\left( \ce{H2} \right)$. Nehmen wir als Halogenalkan (bzw. Alkylhalogenid) ein Alkylchlorid der Struktur $\ce{R2-Cl}$ an, dann lautet der zweite Reaktionsschritt nun wie folgt:

$\ce{Na^{+}R1-O^{-} + R2-Cl -> R1-O-R2 + Na^{+}Cl^{-}}$

Die Williamson’sche Ethersynthese wird bevorzugt verwendet, um asymmetrische Ether herzustellen. Das sind Ether, bei denen sich die Alkylreste $\ce{R1}$ und $\ce{R2}$ unterscheiden. Auch Arylreste (also ringförmige, aromatische Reste) sind möglich.

Addition von Alkoholen an Alkene

Die dritte Möglichkeit, die wir uns ansehen, ist die Addition eines Alkohols an ein Alken. Alkene sind Kohlenwasserstoffe, in denen es mindestens eine Doppelbindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen $\left( \ce{C=C} \right)$ gibt. Bei der Additionsreaktion wird eine Doppelbindung zu einer Einfachbindung umgeformt. Dabei wird an jedes der beiden $\ce{C}$-Atome eine weitere Einfachbindung mit einem neuen Bindungspartner addiert.
Bei der Addition von Alkoholen an Alkene werden an jedes Alken-Molekül ein $\ce{H}$-Atom und eine Ethergruppe (mit dem Alkylrest des Alkohols) addiert:

$\ce{R1-OH + R2-CH=CH-R2 -> R1-O-(CH-R2)-CH2-R2}$

Auch diese Reaktion ist ein mehrstufiger Prozess. Zuerst findet das Aufbrechen der Doppelbindung statt – meistens katalysiert durch eine Säure bzw. durch ein Proton $\left( \ce{H+} \right)$, das sich an eines der beiden $\ce{C}$-Atome der Doppelbindung anlagert. Dadurch entsteht am anderen $\ce{C}$-Atom eine freie Stelle, an die sich nun das Alkoholmolekül anlagern kann. Bei der Bildung der Sauerstoffbrücke wird dann wieder ein Proton abgegeben.

Übung zur Ethersynthese

Ether – Verwendung

Ether können vielseitig verwendet werden. Die wichtigsten technischen Anwendungsmöglichkeiten findest du hier aufgelistet:

• Viele Ether sind wichtige Lösungsmittel, in denen zum Beispiel Synthesereaktionen anderer organischer Stoffe stattfinden können. So wird beispielsweise Diethylether als relativ unpolares und Tetrahydrofuran als polares Lösungsmittel verwendet.
• Aus Ethern können Polymere gebildet werden, d. h. mehrere Moleküle können zu langen Ketten mit mehreren Ethergruppen verknüpft werden. Solche Polymere (in diesem Fall Polyether) sind in der Regel Feststoffe mit vielen Anwendungsmöglichkeiten.
• Aus dem Polyether Polyoxymethylen (POM) können beispielsweise Spritzgussteile für den Maschinenbau hergestellt werden.
• Der Polyether Polyethylenglycol (PEG) ist für Anwendungen in der Medizintechnik und Pharmazie interessant, z. B. als wasserlöslicher Wirkstoffträger für Medikamente.

Ausblick – das lernst du nach Ether – Einführung

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Häufig gestellte Fragen zum Thema Ether