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Tetrahydrofuran

Tetrahydrofuran

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Strukturformel
Struktur des Tetrahydrofuran
Allgemeines
Name Tetrahydrofuran
Andere Namen
  • Tetramethylenoxid
  • 1,4-Epoxybutan
  • Oxacyclopentan
  • Oxolan
  • THF
Summenformel C4H8O
CAS-Nummer 109-99-9
PubChem 8028
Kurzbeschreibung

farblose, etherisch riechende Flüssigkeit[1]

Eigenschaften
Molare Masse 72,11 g·mol−1
Aggregatzustand

flüssig

Dichte

0,89 g·cm−3 (20 °C)[2]

Schmelzpunkt

−108,39°C[3]

Siedepunkt

65,81 °C[4]

Dampfdruck

173 hPa (20 °C)[1]

Löslichkeit

mischbar mit Wasser[1], Ethanol, Aceton und Diethylether[2]

Dipolmoment

1,63 D[5]

Brechungsindex

1,4070[5]

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [6]
02 – Leicht-/Hochentzündlich 07 – Achtung 08 – Gesundheitsgefährdend

Gefahr

H- und P-Sätze H: 225-319-335-351
EUH: 019
P: 210-​233-​243-​305+351+338 [1]
EU-Gefahrstoffkennzeichnung [7] aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [6]
Leichtentzündlich Gesundheitsschädlich
Leicht-
entzündlich 		Gesundheits-
schädlich
(F) (Xn)
R- und S-Sätze R: 11-19-36/37
S: (2)-13-16-29-33-36-37
MAK

150 mg·m−3[1]

LD50

1650 mg·kg−1 (Ratte, peroral)[5]

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C
Vorlage:Infobox Chemikalie/Summenformelsuche vorhanden

Tetrahydrofuran (THF) ist ein organisches Lösungsmittel und gehört zur Stoffklasse der (cyclischen) Ether.

Darstellung und Gewinnung

Für die Herstellung von Tetrahydrofuran gibt es verschiedene Produktionsverfahren. Das am häufigsten angewendete Verfahren ist das schon in den 1930er Jahren entwickelte Reppe-Verfahren.[8] Ausgehend von Acetylen und Formaldehyd wird zunächst das 2-Butin-1,4-diol gebildet. Nach dessen Hydrierung zum 1,4-Butandiol wird durch eine säurekatalysierte Cyclisierung das THF erhalten.[8]

Tetrahydrofuran synthesis01.svg

Ein weiteres Herstellverfahren geht vom 1,3-Butadien aus.[8][9] Dieses wird oxydativ bei 80 °C und 3 MPa mit Essigsäure über einen Palladium-Tellur-Katalysator zum 2-Buten-1,4-dioldiacetat umgesetzt. Nach der Hydrierung zum 1,4-Butandioldiacetat und gezielter Hydrolyse des Esters wird das THF gebildet. Alternativ kann der Prozess zum 1,4-Butandiol als Endprodukt geführt werden.

Tetrahydrofuran synthesis02.svg

THF kann weiterhin durch die Hydrierung von Furan gewonnen werden.[10][11][12]

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Abb. 1: Binäres Dampf-Flüssig-Gleichgewicht von THF mit Wasser
Abb. 2: Binäre Dampf-Flüssig-Gleichgewichte von THF mit Methanol, Ethanol, 1-Propanol und 2-Propanol
Abb. 3: Exzessvolumina von THF/Wasser-Gemischen
Abb. 4: Dampfdruckkurve von THF
Abb. 5: Temperatur­abhängigkeit der Verdampfungswärme von THF

Tetrahydrofuran ist eine farblose, brennbare Flüssigkeit mit etherartigem Geruch. Es ist mit Wasser bis zu einer Temperatur von 71,8 °C vollständig mischbar, oberhalb dieser Temperatur bildet sich eine kleine Mischungslücke aus, die sich bei 137,1 °C wieder schließt.[13][14] Die Mischung mit Wasser erfolgt unter Volumenkontraktion.[15] Mit Alkoholen, Ketonen und Ethern ist THF unbegrenzt mischbar.

Bei einem Wassergehalt von 19,9 Mol% wird bei Atmosphärendruck ein azeotroper Siedepunkt von 63,8 °C beobachtet.[16] Bei Alkoholen werden nur mit Methanol und Ethanol bei Atmosphärendruck azeotrope Phasendiagramme beobachtet.[4] Die Phasendiagramme mit höheren Alkoholen wie 1-Propanol und 2-Propanol sind zeotrop.[4] Die azeotropen Siedepunkte bei Normaldruck liegen für Methanol bei 60,7 °C bei einem THF-Anteil von 49,7 Mol% bzw. für Ethanol bei 65,7 °C bei einem THF-Anteil von 85 Mol%.[4] Diese Azeotrope sind deutlich druckabhängig und verschwinden für Ethanol bei niedrigeren Drücken.[17] Weitere Azeotrope werden mit den Lösungsmitteln n-Hexan bei 63 °C mit einem THF-Anteil von 50 Ma%, mit Cyclohexan bei 60 °C mit einem THF-Anteil von 97 Ma% und mit Aceton bei 64 °C mit einem THF-Anteil von 8 Ma% gebildet.[18]

Die Dampfdruckkurve (Abb. 4) lässt sich im Temperaturbereich von 296 K bis 373 K mit der Antoine-Gleichung als log10(p) = A−(B/(T+C)) (p in bar, T in K) mit A = 4,12118, B = 1202,942 und C = −46,818 beschreiben.[19]

Die Temperaturabhängigkeit der Verdampfungsenthalpie (Abb. 5) lässt sich entsprechend der Gleichung ΔVH0=A·exp(−β·Tr)(1−Tr)β (ΔVH0 in kJ/mol, Tr =(T/Tc) reduzierte Temperatur) mit A = 46,11 kJ/mol, β = 0,2699 und Tc = 540,2 K im Temperaturbereich zwischen 302 K und 339 K beschreiben.[20]

Die wichtigsten thermodynamischen Eigenschaften sind in der folgenden Tabelle aufgelistet:

Eigenschaft Formelzeichen Wert (Bemerkung)
Standardbildungsenthalpie ΔfH0(g) −184,2 kJ·mol−1[21]
Standardentropie S0(l)
S0(g) 		203,9 J·mol−1·K−1 (Flüssigkeit)[3]
301,7 J·mol−1·K−1 (Gas)[22]
Verbrennungsenthalpie ΔcH0(l) −2505,8 kJ·mol−1[23]
Wärmekapazität cp 124,1 J·mol−1·K−1 (als Flüssigkeit bei 25 °C) [24]
Schmelzenthalpie ΔfH0 8,540 kJ·mol−1 (am Schmelzpunkt)[3]
Schmelzentropie ΔfS0 51,8 kJ·mol−1 (am Schmelzpunkt)[3]
Verdampfungsenthalpie ΔvH0 29,8 kJ·mol−1 (am Normaldrucksiedepunkt)[20]
Tripelpunkt Ttriple
ptriple 		164,76 K[3]
101,33 kPa[3]
Kritische Temperatur Tc 268 °C[25]
Kritischer Druck pc 51,9 bar[25]
Kritisches Volumen Vc 0,225 l·mol−1[25]
Azentrischer Faktor ωc 0,22535[26]

Tetrahydrofuran bildet mit Wasser ein festes Hydrat mit der Zusammensetzung THF·16,9H2O, welches bei 5 °C schmilzt.[27]

Sicherheitstechnische Kenngrößen

Tetrahydrofuran bildet leicht entzündliche Dampf-Luft-Gemische. Die Verbindung hat einen Flammpunkt bei −20 °C. Der Explosionsbereich liegt zwischen 1,5 Vol% (46 g/m3) als untere Explosionsgrenze (UEG) und 12,4 Vol% (370 g/m3) als obere Explosionsgrenze (OEG).[1] Eine Korrelation der Explosionsgrenzen mit der Dampfdruckfunktion ergibt einen unteren Explosionspunkt von −24 °C sowie einen oberen Explosionspunkt von 13 °C. Die Grenzspaltweite wurde mit 0,87 mm bestimmt.[1] Es resultiert damit eine Zuordnung in die Explosionsgruppe IIB.[1] Mit einer Mindestzündenergie von 0,54 mJ sind Dampf-Luft-Gemische extrem zündfähig.[28][29] Die Zündtemperatur beträgt 230 °C.[30] Der Stoff fällt somit in die Temperaturklasse T3. Die elektrische Leitfähigkeit ist mit 4,6·10−8 S·m−1 eher gering.[31]

Entsprechend den Gefahrgutvorschriften ist Tetrahydrofuran der Klasse 3 (Entzündbare flüssige Stoffe) mit der Verpackungsgruppe II (mittlere Gefährlichkeit) zugeordnet (Gefahrzettel: 3).[1]

Chemische Eigenschaften

Wie viele Ether bildet auch THF beim längeren Stehen an der Luft und unter Lichteinwirkung durch Autoxidation ein Peroxid. Dieses kann beim Abdestillieren von THF als hochexplosiver Rückstand zurückbleiben. Es empfiehlt sich daher vor jeder Destillation von THF einen Peroxidtest durchzuführen und ggf. die Peroxide durch Behandeln mit festem Kaliumhydroxid auszufällen.

Tetrahydrofuran peroxide formation.svg

Beim Erhitzen in Anwesenheit von Salzsäure wird der Ether leicht unter Bildung von 4-Chlorbutanol und später 1,4-Dichlorbutan gespalten.[32]

Darstellung 1,4-Dichlorbutan.png

Verwendung

Tetrahydrofuran wird als Lösungsmittel für PVC, Polystyrol, Polyurethane, Cellulosenitrat, Klebstoffe und Lacke verwendet; es ist ein Zwischenprodukt bei der Polyamid-, Polyester- und Polyurethan-Herstellung, und es dient zur Gewinnung von Tetrahydrothiophen und Pyrrolidin. Es ist ein wichtiges Vorprodukt für Polytetrahydrofuran. In zahlreichen organischen Reaktionen wird es aufgrund seiner Donorwirkung als Lösungsmittel eingesetzt.

Neben Diethylether ist Tetrahydrofuran eines der wichtigsten Lösungsmittel für Reaktionen mit basischen und neutralen Reaktanten, da es gute Lösungseigenschaften besitzt und weitgehend inert ist. Bei Reaktionen mit stark (lewis-)sauren Reaktanten muss man mit Etherspaltung rechnen. Bei schwächer (lewis-)sauren Reaktanten geht Tetrahydrofuran oft Säure-Base-Addukte ein.

Ein verwandter cyclischer Ether ist 1,4-Dioxan.

Einzelnachweise

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 Eintrag zu Tetrahydrofuran in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 3. Januar 2008 (JavaScript erforderlich).
  2. ↑ 2,0 2,1 The Merck Index. An Encyclopaedia of Chemicals, Drugs and Biologicals. 14. Auflage, 2006, S. 1585, ISBN 978-0-911910-00-1.
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 B. V. Lebedev, I. B. Rabinovich, V. I. Milov, V. Ya. Lityagov: Thermodynamic properties of tetrahydrofuran from 8 to 322 K, in: J. Chem. Thermodyn. 1978, 10 (4), 321–329; doi:10.1016/0021-9614(78)90064-2.
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 Yoshio Yoshikawa, Akira Takagi, Masahiro Kato: Indirect Determination of Vapor-Liquid Equilibria by a Small Ebulliometer. Tetrahydrofuran-Alcohol Binary Systems, in: J. Chem. Eng. Data 1980, 25 (4), 344–346; doi:10.1021/je60087a017.
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 Ullrich Jahn, in: Roempp Online - Version 3.5, 2009, Georg Thieme Verlag, Stuttgart.
  6. ↑ 6,0 6,1 Eintrag aus der CLP-Verordnung zu CAS-Nr. 109-99-9 in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA (JavaScript erforderlich)
  7. ↑ Seit 1. Dezember 2012 ist für Stoffe ausschließlich die GHS-Gefahrstoffkennzeichnung zulässig. Bis zum 1. Juni 2015 dürfen noch die R-Sätze dieses Stoffes für die Einstufung von Zubereitungen herangezogen werden, anschließend ist die EU-Gefahrstoffkennzeichnung von rein historischem Interesse.
  8. ↑ 8,0 8,1 8,2 H. Müller.: Tetrahydrofuran in Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie, 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, doi:10.1002/14356007.a26_221
  9. ↑ T. Onoda: US 3 922 300, 1975 (Mitsubishi Chem.).
  10. ↑ Nakagawa, Yoshinao; Tomishige, Keiichi: Total hydrogenation of furan derivatives over silica-supported Ni–Pd alloy catalyst in Catalytic Comm. 12 (2010) 154–156, doi:10.1016/j.catcom.2010.09.003.
  11. ↑ D. Starr; R.M. Hixon: in Org. Synth. 16 (1936) 77, Coll. Vol. 1943, vol. II, 566.pdf
  12. ↑ Bourguignon: in Chem. Zentralblatt 1908, I, 1630.
  13. ↑ J. Matous, J. Hrancirik, J. P. Novak, J. Sobr: Liquid-liquid equilibrium in the system water-tetrahydrofuran, in: Coll. Czech. Chem. Commun. 1970, 35, 1904–1905.
  14. ↑ J. Matous, J. P. Novak, J. Sobr, J. Pick: Liquid-liquid equilibrium in the system water-tetrahydrofuran (2), in: Coll. Czech. Chem. Commun. 1972, 37, 2653–2663.
  15. ↑ Dortmunder Datenbank.
  16. ↑ W. Hayduk, H. Laudie, O. H. Smith: Viscosity, freezing point, vapor-liquid equilibriums, and other properties of aqueous-tetrahydrofuran solutions, in: J. Chem. Eng. Data 1973 18 (4), 373–376; doi:10.1021/je60059a027.
  17. ↑ E. Brunner, A. G. R. Scholz: Isobaric vapor-liquid equilibria of the tetrahydrofuran/ethanol system at 25, 50, and 100 kPa, in: J. Chem. Eng. Data 1984, 29 (1), 28-31; doi:10.1021/je00035a011.
  18. ↑ Smallwood, I.M.: Handbook of organic solvent properties, Amold, a member of the Hodder Headline Group London 1996, ISBN 0340645784, S. 217.
  19. ↑ D. W. Scott: Tetrahydrofuran: vibrational assignment, chemical thermodynamic properties, and vapor pressure, in: J. Chem. Thermodyn. 1970, 2 (6), 833–837; doi:10.1016/0021-9614(70)90026-1.
  20. ↑ 20,0 20,1 V. Majer, V. Svoboda: Enthalpies of Vaporization of Organic Compounds: A Critical Review and Data Compilation, Blackwell Scientific Publications, Oxford, 1985, 300.
  21. ↑ A. S. Pell, G. Pilcher: Measurements of heats of combustion by flame calorimetry. Part 3.-Ethylene oxide, trimethylene oxide, tetrahydrofuran and tetrahydropy, in: Trans. Faraday Soc. 1965, 61, 71–77; doi:10.1039/TF9656100071.
  22. ↑ G. A. Clegg: Thermodynamics of polymerization of heterocyclic compounds. II. The heat capacity, entropy, enthalpy and free energy of polytetrahydrofuran, in: Polymer 1968, 9, 501–511; doi:10.1016/0032-3861(68)90060-8.
  23. ↑ R. C. Cass, S. E. Fletcher, C. T. Mortimer, H. D. Springall, T. R. White: Heats of combustion and molecular structure. Part V. The mean bond energy term for the C-O bond in ethers, and the structures of some cyclic ethers, in: J. Chem. Soc. 1958, 1406–1410; doi:10.1039/JR9580001406.
  24. ↑ M. Costas, D. Patterson: Heat capacities of water + organic-solvent mixtures, in: J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1 1965, 81, 2381–2398; doi:10.1039/F19858102381.
  25. ↑ 25,0 25,1 25,2 K. A. Kobe, A. E. Ravicz, S. P. Vohra: Critical Properties and Vapor Pressures of Some Ethers and Heterocyclic Compounds, in: J. Chem. Eng. Data 1956, 1 (1), 50–56; doi:10.1021/i460001a010.
  26. ↑ Schmidt, J.: Auslegung von Sicherheitsventilen für Mehrzweckanlagen nach ISO 4126-10 in Chem. Ing. Techn. 83 (2011) 796–812, doi:10.1002/cite.201000202.
  27. ↑ D.G. Leaist, J.J. Murray, M.L. Post, D.W. Davidson: Enthalpies of Decomposition and Heat Capacities of Ethylene Oxid and Tetrahydrofuran Hydrates in J. Phys. Chem. 86 (1982) 4175-4178, doi:10.1021/j100218a017.
  28. ↑ Fenn, J.B.: Lean flammability limit and minimum spark ignition energy in Ind. Eng. Chem. 43 (1951) 2865-2869.
  29. ↑ Calcote, H.F.; Gregory, C.A.; Barnett, C.M.; Gilmer, R.B.: Spark Ignition - Effect of Molecular Structure in Ind. Eng. Chem. 44 (1952) 2656–2662.
  30. ↑ E. Brandes, W. Möller: Sicherheitstechnische Kenngrößen - Band 1: Brennbare Flüssigkeiten und Gase, Wirtschaftsverlag NW – Verlag für neue Wissenschaft GmbH, Bremerhaven 2003.
  31. ↑ Technische Regel für Betriebssicherheit - TRBS 2153, BG RCI Merkblatt T033 Vermeidung von Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen, Stand April 2009, Jedermann-Verlag Heidelberg.
  32. ↑ Autorenkollektiv: Organikum, 22. Auflage, Wiley-VCH, 2004, ISBN 978-3-527-31148-4.

Weblinks

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