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Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) als organische Stoffklasse


Allgemeines:
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. Aufgrung 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 aroamtischen 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) 

Nomenklatur polycyclisch aromatischer Kohlenwasserstoffe

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 Anneladen 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). 
  • Zweitsubsitution an PAK-Derivaten: An PAKs ist analog zu Benzol-Derivaten auch eine Zweitsubstitution möglich. Die Orienteriung 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.