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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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Reduktion mit Wasserstoff: In PAK (nur aus C- und H-Atomen) lassen
sich die aromatischen Ringe durch katalytische Hydrierung zu (teilweisen)
Cycloalkanen reduzieren.
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Elektrophile aromatische Substitution: An allen PAKs lassen sich elektrophile
aromatische Substitutionsreaktionen durchführen (z.B. Bromieren oder
Nitrieren).
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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.
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Durch katalytische Luftoxidation bei hoher Temperatur lassen sich aus einigen
PAKs (z.B. Naphtalin) Chinone herstellen.
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