Die Stoffklasse der polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (abgekürzt PAKs ; engl.: polycyclic aromatic hydrocarbons PAH) sind organische Verbindungen, die nur aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen aufgebaut sind. PAK enthalten im Molekül mehrere (mindestens zwei) kondensierte Benzolringe.
Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe
Von den ca. 300 bekannten polycyclischen Kohlenwasserstoffen sind ein paar Verbindungen besonders hervorzuheben. Diese sind Naphthalin,Acenaphthylen, Acenaphthen, Fluoren, Phenanthren, Anthracen, Fluoranthen, Pyren und Benz[a]anthracen.
- Eigenschaften von PAK: Viele der PAK haben einen hohen Siedepunkt im Bereich von ca. 300 bis 500 °C. Aufgrund der geringen Polarität dieser Verbindungen sind PAK nur sehr wenig löslich in Wasser, aber vergleichsweise gut löslich in unpolaren organischen Lösungsmitteln.Bei Raumtemperatur liegen die meisten PAK als farbloser (kristalliner) Feststoff vor. PAK besitzen eine planare Struktur und einen aromatischen Charakter.
- Entstehung von PAK: In der Regel entstehen polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe bei unvollständigen Verbrennungsprozessen und Pyrolysereaktionen organischer Verbindungen. So werden polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe meist gebildet, wenn organische Stoffe höheren Temperaturen (oberhalb von ca. 700 °C) ausgesetzt werden, oder einer thermischen Zersetzung unter Luftausschluss (unvollständige Verbrennung) unterliegen.
- Gefahren: Viele PAKs erwiesen sich im Tierversuch als krebserzeugend, einige Verbindungen besitzen auch mutagene Eigenschaften. Daher werden die meisten PAKs in der MAK-Werte-Liste für gefährliche Arbeitsstoffe als “im Tierversuch eindeutig krebserzeugend” eingestuft. Die Gefährlichkeit, die von PAKs ausgehen, ist teilweise immer noch umstritten. So wird beispielsweise postuliert, dass die PAKs im menschlichen Organismus zu Epoxiden metabolisiert werden. Die kanzerogene Wirkung wird anschließend darauf zurückgeführt, dass einige dieser Epoxide in trans-Dihydrodiole und trans-Dihydrodiolepoxide umgewandelt werden, die anschließend unter Öffnung des Epoxidringes an die Basen der DNS gebunden werden.
- Nomenklatur der PAK: Der einfachste Vertreter der polycyclisch aromatischen Kohlenwasserstoffe ist das aus zwei aromatischen, aneinander kondensierten Ringen bestehende Naphthalin. Die Nomenklatur der PAKs ist in der Regel nicht systematisch, sondern baut auf wenigen Grundkörpern wie Naphthalin, Anthracen, Phenanthren und Pyren auf. Sind die Benzolringe (im PAK) linear angeordnet, so spricht man von orthoanellierten Verbindungen, bei einer gewinkelten Anordnung handelt es sich um perianellierte Verbindungen
Nomenklatur von polycyclisch aromatischen Kohlenwasserstoffen
Wie bereits im Kapitel “Aromatische Verbindungen als organische Stoffklasse” erwähnt, bezeichnet man die allgemeine Klasse für einen mono- oder einen polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoff als Aren . Für die meisten aromatischen Kohlenwasserstoffe verwendet man immer noch Trivialnamen wie Benzol, Toluol, Styrol oder Naphthalin. Im Gegensatz zu monocyclischen Verbindungen ist die Nomenklatur bei polycyclischen Aromaten nochmals komplizierter, so dass bei den aromatischen, annellierten Kohlenwasserstoffen fast nur Trivialnamen verwendet werden.
Will man eine “einfache” Nomenklatur verwenden, so benötigt man die wichtigsten PAK als Grundlage. Ausgehend von diesen Grundkörpern baut man weitere PAK auf. Fügt man einem solchen Grundgerüst einen zusätzlichen Ring hinzu (einen sog. aromatischen Annellanden), wird dieser als Präfix “Areno(x) dem entsprechenden Trivialnamen vorangestellt (x bezeichnet den Ort der Annellierung)
Anmerkung zur Position von Substituenten und Annellanden: Die Nummerierung der Kohlenstoffatome in polycyclisch aromatischen Kohlenwasserstoffen erfolgt im Uhrzeigersinn (wird bei Substituenten = Seitenketten verwendet), die Bindungen werden dabei in alphabetischer Reihenfolge mit Buchstaben bezeichnet (d. h. die Bindung zwischen C-1 und C-2 wird mit “a” gekennzeichnet und wird bei Annellanden verwendet, die an zwei C-Atome mit dem Grundgerüst gleich haben).
Reaktionsverhalten von polycyclisch aromatischen Kohlenwasserstoffen
- Reduktion mit Wasserstoff: In PAK (nur aus C- und H-Atomen) lassen sich die aromatischen Ringe durch katalytische Hydrierung zu (teilweisen) Cycloalkanen reduzieren.
- Elektrophile aromatische Substitution: An allen PAKs lassen sich elektrophile aromatische Substitutionsreaktionen durchführen (z.B. Bromieren oder Nitrieren).
- Zweitsubstitution an PAK-Derivaten: An PAKs ist analog zu Benzol-Derivaten auch eine Zweitsubstitution möglich. Die Orientierung des Substituenten bei der Zweitsubstitution erfolgt analog den Regeln bei der Zweitsubstitution bei Benzolderivaten. Hierbei gilt außerdem in der Regel: Ein Donor-Erstsubstituten wird den Zweitsubstituenten bei der elektrophilen aromatischen Substitution in den gleichen Ring dirigieren. Ein Akzeptor-Erstsubstituent dirigiert den Zweitsubstituenten in den benachbarten Ring.
- Durch katalytische Luftoxidation bei hoher Temperatur lassen sich aus einigen PAKs (z.B. Naphtalin) Chinone herstellen.
Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) als organische Stoffklasse – Testfragen/-aufgaben
1. Was sind Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)?
Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) sind eine Gruppe von organischen Verbindungen, die aus zwei oder mehr verbundenen aromatischen Ringen bestehen.
2. Wie entstehen PAKs in der Umwelt?
PAKs entstehen in der Regel durch die unvollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen.
3. Nennen Sie mindestens zwei Quellen von PAKs in unserer Umwelt.
PAKs können durch Abgase von Verbrennungsmotoren und durch den Gebrauch und die Verbrennung von Tabak freigesetzt werden.
4. Welche gesundheitlichen Auswirkungen haben PAKs auf den menschlichen Körper?
Einige PAKs sind krebserregend und können genetische Veränderungen im menschlichen Organismus verursachen.
5. Wie wird die Anwesenheit von PAKs in der Umwelt gemessen?
Die Anwesenheit von PAKs wird normalerweise durch spezielle Messgeräte erfasst und ausgewertet.
6. Wie können PAKs aus der Umwelt entfernt werden?
PAKs können durch verschiedene Methoden entfernt werden, darunter durch Abbau durch Bakterien, chemische Oxidation oder physische Entfernung.
7. Was wird als aromatischer Ring in Bezug auf PAKs bezeichnet?
Ein aromatischer Ring ist eine ringförmige Anordnung von Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen, die eine stabile elektronische Struktur aufweist.
8. Geben Sie ein Beispiel für eine polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffverbindung.
Ein Beispiel für eine PAK-Verbindung ist Naphthalin, das in vielen industriellen Anwendungen verwendet wird.
9. Wie können Menschen die Exposition gegenüber PAKs reduzieren?
Die Exposition gegenüber PAKs kann durch Minimierung der Exposition gegenüber Rauch, Vermeidung von kontaminierten Lebensmitteln und Trinkwasser reduziert werden.
10. Welche regulatorischen Maßnahmen gibt es zum Schutz vor PAKs?
In vielen Ländern gibt es Gesetze und Vorschriften, die den Gehalt an PAKs in der Umwelt begrenzen und deren Freisetzung kontrollieren.
