Idrocarburi policiclici aromatici
Gli idrocarburi policiclici aromatici, noti anche con l'acronimo IPA (o PAH, dall'inglese, polycyclic aromatic hydrocarbons), sono una classe di idrocarburi costituiti da più anelli aromatici, quali quello del benzene, fusi fra loro in un'unica struttura molecolare, generalmente planare; in quanto idrocarburi non contengono eteroatomi nel ciclo o nei sostituenti.[1][2]
Alcuni considerano il naftalene (idrocarburo aromatico biciclico) il più semplice esempio di IPA,[3] mentre altri fanno iniziare la classe dagli idrocarburi aromatici triciclici, cioè antracene e fenantrene.[4][5]
Si ritrovano naturalmente nel carbon fossile e nel petrolio, particolarmente da quelle qualità ricche in aromatici, dalle quali si estraggono.
Sono potenti inquinanti atmosferici e la loro formazione per cause antropiche avviene nel corso di combustioni incomplete di combustibili fossili, legname, grassi, fogliame, incenso e composti organici in generale, quali quelli provenienti dai rifiuti urbani, ritrovandosi quindi nei loro fumi, da quelli da biomasse al fumo di tabacco, ritrovandosi anche nei cibi cotti, particolarmente nei processi di carbonizzazione ad alta temperatura, come le cotture alla griglia delle carni o nel pesce affumicato.[6][7] Sono inquinanti che generano allerta perché alcuni di essi sono stati identificati come cancerogeni, mutageni e teratogeni. Gli IPA ad alto peso molecolare, come il benzo[e]pirene e il benzo[a]pirene, sono presenti in elevate quantità in catrami, bitumi, peci e carboni, nonché nei prodotti correlati come gli asfalti. Inoltre possono derivare da nerofumo e fuliggine di legna o comunque si ricollegano a fonti pirogeniche. Gli IPA leggeri come naftalene e fluorene sono inquinanti ubiquitari che, per la loro solubilità in acqua relativamente maggiore, possono giungere ad inquinare le falde sotterranee.
Sono stati trovati nel mezzo interstellare, in comete e in meteoriti e sono tra le molecole ipoteticamente candidate a fungere da stampo base per la catalisi di reazioni coinvolte nella formazione delle prime forme di vita.[8][9]
Struttura
modificaLe molecole degli IPA sono generalmente planari a meno di impedimenti sterici e sono costituite da atomi di carbonio generalmente ibridati sp2, legati tra loro in anelli condensati, che hanno in comune almeno due atomi di carbonio adiacenti; in tali casi ciascun atomo di carbonio contribuisce con un elettrone pz agli orbitali molecolari di tipo π che derivano dalle combinazioni di tali orbitali p.
In questi orbitali π che formano il sistema aromatico della molecola, in molti casi è presente un numero di elettroni pari a uno della serie 4n+2 (n = 0,1,2,...), in accordo alla regola di Hückel.
Tuttavia, in alcuni casi tale numero appartiene invece alla serie 4n, ma l'idrocarburo mostra comunque aromaticità nel suo complesso; questo è dovuto al fatto che la regola di Hückel vale strettamente solo per composti monociclici.[10] Sono ad esempio della serie 4n il pirene e il fluorantene (n = 4), il perilene, il corannulene e i benzopireni (n = 5), il coronene (n = 6) ed altri.
Un idrocarburo policiclico aromatico contiene per lo più anelli esaatomici, come quelli benzenici, ma può contenerne alcuni di taglia varia, compreso qualcuno che di per sé non sarebbe aromatico, ad esempio come nel fluorene, nel bifenilene o nel fenalene. Quelli che hanno solo anelli benzenoidi appartengono alla definizione di idrocarburi alternanti.[11]
Proprietà chimico-fisiche e comportamento ambientale
modificaIn condizioni normali gli IPA si presentano tutti allo stato solido. La tensione di vapore di tali composti è generalmente bassa, e decresce all'aumentare del numero di anelli contenuti. I composti di massa molecolare molecolare minore generalmente sublimano a temperatura ambiente, fenomeno particolarmente rilevante nei naftaleni.
Gli IPA sono o relativamente poco solubili o del tutto insolubili in acqua; la solubilità generalmente diminuisce all'aumentare del numero di atomi di carbonio. Sono fortemente lipofili e questa loro caratteristica ne influenza decisamente il bioaccumulo. La struttura molecolare ne determina la stabilità in atmosfera, che è fortemente correlata all'irraggiamento solare ultravioletto. I composti più grandi, meno solubili in acqua e meno volatili, a causa di queste proprietà si trovano principalmente nel suolo, nei sedimenti oleosi, in acqua o in aria; purtuttavia sono anche una componente preoccupante del particolato atmosferico, adesi superficialmente alle particelle sospese nell'aria.
Aspetti relativi alla salute
modificaGli IPA hanno noti effetti negativi sull'ambiente, sulla salute umana ed animale, come tossicità evidente per alcuni organismi acquatici ed uccelli, alta tossicità cronica per la vita acquatica, contaminazione dei raccolti agricoli.
Diversi IPA sono stati classificati dalla IARC (1987) come "probabili" o "possibili cancerogeni per l'uomo", mentre il benzo[a]pirene è stato recentemente (2008) riclassificato nel gruppo 1 come "cancerogeno per l'uomo".[12] Tra i cancerogeni certi per l'uomo, oltre ad esso, sono evidenti agenti ad alto contenuto di IPA come il fumo di tabacco, i processi per la gasificazione dei carboni, la produzione di coke e la distillazione dei catrami minerali. Tra gli IPA comunemente presenti nelle matrici ambientali, vi sono il benzo[a]pirene, il benzo[b]fluorantene, il benzo[k]fluorantene, l'indeno(1,2,3-c,d)pirene, il benzo[a]antracene, il benzo[j]fluorantene ed il dibenzo[ah]antracene.
Anche se esistono più di cento diversi IPA, quelli più imputati nel causare dei danni per la salute umana o animale sono: l'acenaftene, l'acenaftilene, l'antracene, il benzo[a]antracene, il dibenzo[ah]antracene, il crisene, il pirene, il benzo(a)pirene, l'indeno(1,2,3-c,d)pirene, il fenantrene, il fluorantene, il benzo[b]fluorantene, il benzo[k]fluorantene, il benzo[ghi]perilene e il fluorene.
Pur essendo lo studio di queste miscele particolarmente complesso, è stato comunque dimostrato che l'esposizione alle miscele IPA comporta, per fenomeni di azione sinergica, un aumento dell'insorgenza del cancro, soprattutto in presenza di benzo(a)pirene, composto presente in miscela con altri anche nel fumo di sigaretta.
L'attività cancerogena è dovuta ai prodotti del metabolismo di queste sostanze, quindi sono sostanze pre-mutagene. Difatti, in seguito alla loro ossidazione nel fegato, uno dei doppi legami diviene un gruppo epossidico.
Analisi chimica
modificaGli IPA hanno spettri di assorbimento UV caratteristici. Le bande di assorbimento, molteplici e uniche per ogni struttura ad anello, permettono l'identificazione dei singoli isomeri in una miscela. La maggior parte degli IPA sono anche fluorescenti, emettendo lunghezze d'onda caratteristiche quando eccitati da radiazioni.
L'analisi chimica di miscele complesse di IPA può convenientemente essere effettuata tramite HPLC, utilizzando un rivelatore di tipo fluorimetrico o di tipo UV a 254 nm.
Altra tecnica analitica molto usata è la gascromatografia, usando come rivelatore un FID, efficiente ed a basso costo (gli IPA sono idrocarburi e quindi combustibili), oppure la gascromatografia combinata con la spettrometria di massa (gas-massa).
Note
modifica- ^ I. L. Finar, X. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, in ORGANIC CHEMISTRY The fundamental principles, II, Fourth Edition, Longmans, 1963, p. 339.
- ^ Michael B. Smith e Jerry March, March's advanced organic chemistry: reactions, mechanisms, and structure, Eighth edition, Wiley, 2020, p. 58, ISBN 978-1-119-37180-9.
- ^ Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) (PDF), su epa.gov.
- ^ (EN) Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs): What Are Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs)? | Environmental Medicine | ATSDR, su atsdr.cdc.gov, 26 maggio 2023. URL consultato il 7 settembre 2024.
- ^ (EN) Hyunok Choi, Roy Harrison e Hannu Komulainen, Polycyclic aromatic hydrocarbons, World Health Organization, 2010. URL consultato il 7 settembre 2024.
- ^ Nadir Yilmaz e A. Burl Donaldson, Evidence of PAH production under lean combustion conditions, in Fuel, vol. 86, n. 15, 1º ottobre 2007, pp. 2377–2382, DOI:10.1016/j.fuel.2007.02.015. URL consultato il 14 ottobre 2024.
- ^ (EN) Ana Lúcia C. Lima, John W. Farrington e Christopher M. Reddy, Combustion-Derived Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in the Environment—A Review, in Environmental Forensics, vol. 6, n. 2, 2005-06, pp. 109–131, DOI:10.1080/15275920590952739. URL consultato il 14 ottobre 2024.
- ^ (EN) Sarah González Henao, Vytis Karanauskas e Samuel M. Drummond, Planetary Minerals Catalyze Conversion of a Polycyclic Aromatic Hydrocarbon to a Prebiotic Quinone: Implications for Origins of Life, in Astrobiology, vol. 22, n. 2, 1º febbraio 2022, pp. 197–209, DOI:10.1089/ast.2021.0024. URL consultato il 14 ottobre 2024.
- ^ (EN) L. J. Allamandola, PAHS AND ASTROBIOLOGY, in EAS Publications Series, vol. 46, 2011, pp. 305–317, DOI:10.1051/eas/1146032. URL consultato il 14 ottobre 2024.
- ^ (EN) John D. Roberts, Andrew Streitwieser e Clare M. Regan, Small-Ring Compounds. X. Molecular Orbital Calculations of Properties of Some Small-Ring Hydrocarbons and Free Radicals 1, in Journal of the American Chemical Society, vol. 74, n. 18, 1952-09, pp. 4579–4582, DOI:10.1021/ja01138a038. URL consultato il 7 settembre 2024.
- ^ PAHs and related compounds - chemistry, collana The handbook of environmental chemistry / ed. by O. Hutzinger Vol. 3, Anthropogenic compounds, Springer, 1998, pp. 1-54, ISBN 978-3-540-49697-7.
- ^ Lista di tutti gli agenti cancerogeni attualmente valutati dalla IARC, su monographs.iarc.fr. URL consultato il 20 febbraio 2013 (archiviato dall'url originale il 25 giugno 2018).
Voci correlate
modificaAltri progetti
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Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su idrocarburi policiclici aromatici
Collegamenti esterni
modifica- (EN) polycyclic aromatic hydrocarbon, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
- Theoretical Database of PAHs, su astrochemistry.ca.astro.it.
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