Кіріспе

Көптеген ароматты сақиналардан тұратын көмірсутектер. Полициклді ароматты көмірсутек (ПАҚ) – бірнеше ароматты сақинадан тұратын органикалық қосылыстар класы. Ең қарапайым өкілі – нафталин, екі ароматты сақинасы бар, ал үш сақиналы қосылыстары – антрацен және фенантрен. ПАҚ зарядталмаған, полярлық емес және жазық. Көптегендері түссіз. Олардың көпшілігі көмір және мұнай кен орындарында кездеседі, сондай-ақ органикалық заттардың толық емес жануынан түзіледі – мысалы, қозғалтқыштар мен қақпақтарда немесе орман өрттерінде биомассаның жануы кезінде. Полициклді ароматты көмірсутектер тіршіліктің ең алғашқы түрлеріне қажетті материалдардың абиотикалық синтезі үшін мүмкін бастапқы материалдар ретінде қарастырылады. Немесе полиядролық ароматты көмірсутектер (қысқартылып PNA) осы ұғымды білдіру үшін де қолданылады. Кейбір авторлар ПАҚ-ты үш сақиналы феноантрен мен антрацен түрлерінен бастауды ұсынады. Көптеген авторлар сақина құрамында гетероатомдар бар немесе қосымша топтары бар қосылыстарды қарастырмайды. Полиароматты көмірсутектер әртүрлі мөлшердегі сақиналардан тұруы мүмкін, оның ішінде ароматты емес сақиналар да болуы мүмкін. Тек алты мүшелі сақиналары барларды алмасулы деп атайды. Төменде сақиналардың саны мен орналасуына қарай әртүрлі ПАҚ-тардың мысалдары келтірілген:

Геометрия

ПАГ-ның көпшілігі, мысалы, нафталин, антрацен және коронен, жазық болып келеді. Бұл геометрияның себебі – жақын орналасқан көміртектің sp2 гибридті орбитальдарының бірігуінен пайда болатын σ байланыстары, көміртектің өзімен бір жазықтықта жатуында. Бұл қосылыстар ахиралды, себебі молекуланың жазықтығы симметриялық жазықтық болып табылады. Сирек жағдайларда ПАГ жазық емес. Кейбір жағдайларда, молекуланың топологиясы және көміртекті-көміртекті байланыстардың қатаңдығы (ұзындығы мен бұрышы бойынша) жазықтықтан ауытқуға себеп болуы мүмкін. Мысалы, короненнен өзгеше, кораннулен байланыс кернеуін азайту үшін шүрек пішінге ие болады. Екі мүмкін конфигурация – ішкі және сыртқы беткейлі, салыстырмалы түрде төмен энергиялық тосқауылмен (шамамен 11 ккал/моль) бөлінеді. Теориялық тұрғыдан алғанда, короненнің құрамында циклдық тізбекте орналасқан алты бензол сақинасы бар 51 құрылымдық изомері бар, олардың екі шеткі көміртегі атомдары бір-біріне тікелей жалғасқан сақиналар арасында ортақ. Олардың барлығы жазық емес болуы керек және короненге қарағанда байланыс энергиясы айтарлықтай жоғары (кем дегенде 130 ккал/моль) болуы тиіс; және 2002 жылға дейін олардың ешқайсысы синтезделген жоқ. Көміртекті қаңқасын ғана қарастырғанда жазық көрінетін басқа ПАГ-тар, олардың шетіндегі сутек атомдары арасындағы итергіш күштер немесе стерикалық кедергі салдарынан бұрмалануы мүмкін. Төрт сақинасы "С" пішінде біріктірілген бензо[c]фенонантр, екі шеткі сақинадағы ең жақын сутек атомдары арасындағы итергіш күштерден туындаған шамалы спираль тәрізді бұрмалануға ие. Бұл эффект пиценнің де бұрмалануына себеп болады. Тағы бір бензол сақинасын қосып дибензо[c,g]фенантрен құру екі шеткі сутек атомдары арасында стерикалық кедергі тудырады. Осы бағытта тағы екі сақинаны қосу гептаэлиценге әкеледі, онда екі шеткі сақина бір-бірін жабады. Бұл жазық емес формалар хиралды, және олардың энантиомерлерін бөліп алуға болады.

Бензоидті көмірсутектер

Бензоидты көмірсутектер – молекулалары негізінен жазық, барлық сақиналары алты мүшелі, конденсацияланған полициклді, толық конъюгацияланған көмірсутектер ретінде анықталады. Толық конъюгация дегеніміз, барлық көміртек атомдары мен көміртекті-көміртекті байланыстардың бензолдың sp2 құрылымына ие болуы керек. Бұл класс көбінесе ПАГ-ның (полиароматты көмірсутектер) баламалы жиынтығы болып табылады, бірақ триангулен немесе гептацен сияқты тұрақсыз немесе гипотетикалық қосылыстарды да қамтиды деп есептеледі. ПАГ-ның резонанстық құрылымы, онда ең көп саны бөлек тұрған ароматты π-секстеттері (яғни, бензолға ұқсас бөлікшелер) бар, осы ПАГ-ның қасиеттерін сипаттау үшін ең маңызды болып табылады. Мысалы, фенантреннің екі Клар құрылымы бар: біреуі тек бір ароматты секстетпен (ортаңғы сақина), ал екіншісі екі секстетпен (бірінші және үшінші сақиналар). Сондықтан, соңғы жағдай осы екі изомердің электрондық сипаттамасын жақсы көрсетеді. Осылайша, бұл молекуладағы сыртқы сақиналардың ароматтық сипаттамасы жоғары, ал ортаңғы сақинаның ароматтық сипаттамасы төмендеу, демек, олар реакцияға бейім. Ал антраценде резонанстық құрылымдардың әрқайсысында бір секстет болады, ол үш сақинаның кез келгенінде орналасуы мүмкін, және ароматтық қасиеттер бүкіл молекулада біркелкі таралады. Секстеттер санының бұл айырмашылығы осы екі изомердің ультракөк сәуле-көрінетін спектрлерінде көрінеді, себебі жоғары Клар π-секстеттері үлкен HOMO-LUMO аралығымен байланысты; фенантреннің ең жоғары толқын ұзындығы 293 нм, ал антрацен үшін 374 нм. Төрт сақиналы хризен құрылымында үш Клар құрылымы бар, әрқайсысында екі секстет: біреуі бірінші және үшінші сақиналарда, екіншісі екінші және төртінші сақиналарда, ал үшіншісі бірінші және төртінші сақиналарда секстеттерге ие. Бұл құрылымдардың бірінен-бірі үстіне орналасуы сыртқы сақиналардағы ароматтық қасиеттер ішкі сақиналарға қарағанда жоғары екенін көрсетеді (әрқайсысында үш құрылымның екісінде секстет бар), ал ішкі сақиналарда тек біреуінде ғана секстет болады.

Жасанды

Қоршаған ортадағы полициклді ароматты көмірсутектердің (ПАК) басым көздері адам қызметі болып табылады: ағаш жағу және басқа биоотындардың, мысалы, малдың тынысы немесе егін қалдықтарының жағылуы жылдық жаһандық ПАК шығарындыларының жартысынан астамын құрайды, әсіресе Үндістан мен Қытайда биоотындарды пайдалану есебінен. 2004 жылғы мәліметтер бойынша, өнеркәсіптік процестер мен қазба отындарды өндіру және пайдалану жаһандық ПАК шығарындыларының төрттен бір бөлігінен сәл астам бөлігін құрады, АҚШ сияқты өнеркәсіптік дамыған елдерде шығарылым басым болды. Төмен температурадағы жану, мысалы, темекі тарту немесе ағаш жағу, төмен молекулалық салмақты ПАК-тарды тудырады, ал жоғары температурадағы өнеркәсіптік процестер әдетте жоғары молекулалық салмақты ПАК-тарды тудырады. ПАК-тар көбінесе күрделі қоспалар түрінде кездеседі.

Табиғи өрттер

ПАГ табиғи өрттерде органикалық заттардың толық жануынан пайда болуы мүмкін. ПАГ-тар органикалық шөгінділер химиялық түрлену арқылы мұнай және көмір сияқты қазылған отынға айналғанда геологиялық жағдайларда да түзілуі мүмкін. Идриалит, кортизит және карпатит сияқты сирек кездесетін минералдар негізінен осындай шөгінділерден пайда болған ПАГ-тан тұрады, олар қатты қызған сұйықтықтармен шығарылып, өңделген, бөлінген және жиналған. Мұндай ПАГ-тың жоғары деңгейі креда-палеоген (КР) шекарасында анықталды, бұл жақын орналасқан қабаттардағы деңгейден 100 есе көп. Бұл өсім шамамен 20% жер бетіндегі биомассаны өте қысқа мерзімде жалмаған кең ауқымды өрттерге байланысты болды.

Жерден тыс

ПАГ-тар галактикалардың жұлдызаралық ортасында (ЖЖО) жақын да, алыс ғаламда да кең таралған және галактикалардың жалпы интеграцияланған инфрақызыл сәулеленуінің 10% дейін құрайтын орта инфрақызыл толқын ұзындығы диапазонындағы басты эмиссия механизмін құрайды. ПАГ-тар көбінесе жұлдыздардың пайда болуы үшін ең қолайлы жағдайлар тудыратын суық молекулалық газ аймақтарын көрсетеді. 2013 жылдың маусым айында ПАГ-тар Сатурн планетасының ең ірі серігі Титанның жоғарғы атмосферасында табылды.

Кішігірім көздер

Жанартау жарылыстары Көмірсутек полициклді ароматты қосылыстар шығаруы мүмкін.

Су ортасы

Көптеген полициклді ароматты көмірсутектер (ПАК) суда ерімейді, бұл олардың қоршаған ортадағы жылжуын шектейді, бірақ ПАК ұсақ түйіршікті, органикалық заттарға қаныққан шөгінділерге сіңіріледі. ПАК-тың судағы ерігіштігі молекулалық массаның артуымен шамамен логарифмдік түрде төмендейді. Екі сақиналы ПАК, ал аздаған дәрежеде үш сақиналы ПАК суда ериді, осылайша оларды биологиялық сіңіру және ыдырату оңайлайды. Бұдан әрі, екіден төрт сақиналы ПАК атмосферада көбінесе газ күйінде болу үшін жеткілікті түрде буланады, бірақ төрт сақиналы ПАК-тың физикалық күйі температураға байланысты өзгеруі мүмкін. Керісінше, бес немесе одан көп сақиналы қосылыстар суда нашар ериді және аз буланады; сондықтан олар негізінен қатты күйде, ауаның, топырақтың немесе шөгінділердің бөлшектеріне байланысқан күйде кездеседі.

Адамның әсері

Адамның ПАГ-ға (полиароматты көмірсутектерге) ұшырауы әлем бойынша әртүрлі және темекі шегу көрсеткіштері, тамақ пісіруде қолданылатын отын түрлері, сондай-ақ электр станцияларында, өнеркәсіптік процестерде және көлік құралдарындағы ластануды бақылау сияқты факторларға байланысты. Қатаң ауа және су ластануын бақылау шаралары, тамақ пісірудің таза көздері (газ және электр энергиясы, көмір немесе биоотынға қарағанда) және қоғамдық орындарда темекі шегуге тыйым салынған дамыған елдерде ПАГ-ға ұшырау деңгейі төмендеуге бейім, ал дамушы және дамымаған елдерде бұл көрсеткіш жоғары. Үйде пісіру және жылыту үшін көмір және биоотын сияқты қатты отынды жағу – ПАГ шығарындыларының басым әлемдік көзі. Бұл, әсіресе дамушы елдерде, ПАГ-ты қамтитын ішкі ауаның бөлшектік ластануына алып келеді, соның салдарынан үйде немесе тамақ пісіруде көбірек уақыт өткізетін әйелдер мен балалардың денсаулығына зиян келтіреді. Өнеркәсіптік елдерде темекі шегетін адамдар немесе пассивті темекі түтініне ұшырағандар ПАГ-ға ең көп ұшырайтын топқа жатады. Темекі түтіні темекі шегетін үйлердегі ПАГ деңгейінің 90% құрайды. ПАГ-қа ұшырау күйдірілген бөшкеде сақталған, шөптен жасалған түтінмен хоштандырылған немесе пісірілген дәнділерден жасалған алкогольді ішу арқылы да жүзеге асыруы мүмкін. ПАГ әдетте ауыз суда төмен концентрацияда кездеседі. Катализаторлар бензинмен жұмыс істейтін көліктерден шығатын ПАГ шығарындыларын 25 есеге азайтуға себін тигізеді деп есептеледі. ПАГ-ты өндіруге және таратуға қатысты өнеркәсіптік қызметтерге алюминий, темір және болат өндірісі, көмірді газдандыру, кокс тарту, шифер майын өндіру, кокс, креозот, карбон қара және кальций карбидін өндіру, жол төсеу және асфальт өндірісі, резеңке дөңгелек өндірісі, металл өңдеу сұйықтықтарын өндіру немесе пайдалану, сондай-ақ көмір немесе табиғи газ электр станцияларының жұмысы жатады. Креозот өндірісі сияқты өнеркәсіптік орындарға жақын жердегі топырақ пен өзен шөгінділері ПАГ-пен қатты ластануы мүмкін. Екі және үш сақиналы ПАГ суда немесе атмосферада газ күйінде еріген кезде кеңінен таралуы мүмкін, ал жоғары молекулалық салмағы бар ПАГ ауа мен судағы бөлшектерге жабысып, жергілікті немесе аймақтық деңгейде таралуы мүмкін, бөлшектер жерге қонбай немесе су бағанасынан шөгіп қалмайынша. Көптеген омыртқалы жануарлар ПАГ-ты салыстырмалы түрде жылдам метаболизмдейді және шығарады. Топырақпен қоректенетін жәндіктер, мысалы, құрттар ПАГ-тың ыдырауын тікелей метаболизм арқылы немесе микробиологиялық трансформациялар үшін жағдай жасау арқылы жеделдетеді.

Қалалық топырақ

Британдық геологиялық қызмет Ұлы Лондондағы 76 локациядағы қалалық топырақтағы полициклді ароматты көмірсутектердің (ПАК) мөлшері мен таралуы туралы, оның ішінде бастапқы және алкилденген формалары туралы хабарлады. Зерттеу көрсеткендей, 16 ПАК-тың бастапқы мөлшері 4-тен 67 мг/кг-ға (құрғақ топырақ салмағы) дейін, ал ПАК-тың орташа концентрациясы 18 мг/кг (құрғақ топырақ салмағы) құрады, ал жалпы ПАК мөлшері (33 ПАК) 6-дан 88 мг/кг-ға дейін болды, сонымен қатар флуорантен мен пирен ең көп таралған ПАК болып табылады. Лондон қалалық жерлеріндегі бенз[а]пиреннің (BaP) қалыпты фоны концентрациясы 6,9 мг/кг (құрғақ топырақ салмағы) болды. Торф сияқты құрғақ дала өсімдіктерін өртеу бастапқыда беткі шөгінділерде төрт-алты сақиналы ПАК-қа қарағанда екі және үш сақиналы ПАК-тың жоғары мөлшерін тудырады, бірақ бұл үрдіс молекулалық салмағы төмен ПАК-тардың биодеградация және фотодеградация арқылы ыдырауына байланысты кері қайтады. Осының салдарынан, эстуарийлердегі ластаушы заттардың концентрациясы өзен сағасында төмендейді. Эстуарийдегі шөгінділердегі ПАК-ты түсіну коммерциялық балық шаруашылығын (мысалы, мидияларды) қорғау және жалпы экологиялық ортаны сақтау үшін маңызды, өйткені ПАК-тар суспензиямен және шөгінділермен қоректенетін организмдердің денсаулығына әсер етуі мүмкін. Ұлыбританиядағы өзен эстуарияларының беткі шөгінділеріндегі ПАК мөлшері 10-60 см тереңдіктегі шөгінділерге қарағанда төмендеу болады, бұл қазіргі кездегі өнеркәсіптік белсенділіктің төмендеуімен және ПАК бойынша экологиялық заңнаманың жақсаруымен байланысты. Жалпы алғанда, жоғары табиғи жалпы органикалық көміртегі (ТОК) мөлшері бар эстуариялық шөгінділерде органикалық заттардың жоғары сорбциялық қабілетіне байланысты ПАК жинақталады.

Адам денсаулығы

Қанкер полициклді ароматты көмірсутектерге (ПАК) ұшыраудың адам денсаулығына ең басты қаупі болып табылады. ПАК-қа ұшырау жүрек-қан тамырлары ауруларымен және ұрықтың қалыпты дамымауымен де байланысты.

Қатерлі ісік

ПАГ-тар жануарлар моделіндегі жақсы негізделген зерттеулерде тері, өкпе, несеп қуығы, бауыр және асқазан қатерлі ісіктерімен байланыстырылған. 1775 жылы Лондондағы Сент-Бартоломей ауруханасының хирургы Персивалл Потт шаң тазалаушыларда мүшел қатерлі ісіктің ерекше жиі кездесетінін байқап, оның себебін кәсіби қызметте түйірге ұшырау деп болжады. Бір ғасырдан кейін Ричард фон Волкманн Германияның көмір шайыры өнеркәсібінің жұмысшыларында тері қатерлі ісігінің көбеюі туралы хабарлады, ал 1900 жылдардың басында түйін мен көмір шайырының әсерінен туындаған қатерлі ісіктің көбеюі кеңінен қабылданды. 1915 жылы Ямигава мен Ичикава алғаш рет эксперименттік жолмен, әсіресе тері қатерлі ісігін, қоян құлақтарына көмір шайырын жағу арқылы тудыра алды.

Карциногенездің механизмдері

ПАГ-ның құрылымы оның канцерогендік қасиеттерін анықтайды. Кейбір канцерогенді ПАГ-тар генотоксикалық болып, қатерлі ісіктерді бастайтын мутацияларды тудырады; ал басқалары генотоксикалық емес, олар қатерлі ісіктің дамуына немесе прогрессиясына әсер етеді. Қатерлі ісіктерді бастайтын ПАГ-тар әдетте ферменттердің әсерімен химиялық түрлендіріліп, ДНК-мен реакцияға түсетін метаболиттерге айналады, нәтижесінде мутациялар пайда болады. Жасушалардың көбеюін реттейтін гендердің ДНК тізбегі өзгерген кезде, қатерлі ісік пайда болуы мүмкін. Бензо[а]пирен сияқты мутагенді ПАГ-тарда әдетте төрт немесе одан көп ароматикалық сақиналар және "бай аймағы" болады – бұл молекуланың метаболизм ферменттерімен реакцияға түсуін күшейтетін құрылымдық қуыс. ПАГ-тардың мутагенді метаболиттеріне диол эпоксидтері, хинондар және радикалды ПАГ катиондары жатады. Бұл метаболиттер ДНК-ның белгілі бір жерлерімен байланысып, тұрақты немесе тұрақсыз болуы мүмкін ірі кешендерді – ДНК аддукттарын құрайды. Тұрақты аддукттар ДНК репликациясында қателерге әкелуі мүмкін, ал тұрақсыз аддукттар ДНК тізбегімен әрекеттесіп, пурин негізін (аденин немесе гуанин) жояды. ПАГ-қа ұшырау цитохром ферменттерінің өндірісін арттыруы мүмкін, бұл ферменттерге ПАГ-тарды мутагенді диол эпоксидтеріне жылдам түрлендіруге мүмкіндік береді. "Бай" немесе "байға ұқсас" аймақтары бар төмен молекулалық салмақты ПАГ-тар клеткааралық байланысқа кедергі келтіретін, аралық түйісу арналарын бұза алады, сондай-ақ клеткалардың көбеюіне қатысатын транскрипция факторларын белсендіретін митогенді белсендіретін белок киназаларына әсер етеді. ПАГ-тар темекі түтіні мен ауаның ластануындағы күрделі қоспалардың құрамына кіреді және мұндай әсерлерге байланысты жүрек-қан тамырлары ауруларының дамуына ықпал етуі мүмкін. Зертханалық тәжірибелерде, белгілі бір ПАГ-тарға ұшыраған жануарларда артериялар ішіндегі плакалардың (атерогенез) дамуы күшейгені байқалды. Атеросклеротикалық плакалардың патогенезі мен дамуының ықтимал механизмдері ПАГ-тардың канцерогендік және мутагендік қасиеттеріне қатысты механизмдарға ұқсас болуы мүмкін. Адамдарда ПАГ-қа ұшыраудың биомаркерлері жүрек-қан тамырлары ауруларының маңызды көрсеткіштері ретінде танылған қабыну биомаркерлерімен байланысты, бұл ПАГ-қа ұшырау нәтижесінде туындайтын тотығу стресі адамның жүрек-қан тамырлары ауруларының механизмі болуы мүмкін дегенді көрсетеді.

Дамуға әсері

Еуропа, АҚШ және Қытайда тұратын адамдарға жасалған көптеген эпидемиологиялық зерттеулер, ауаның ластануы немесе ата-ананың жұмысындағы зиянды факторлар арқылы ана ішінде полиароматты көмірсутектерге (ПАК) ұшыраудың, ұрықтың нашар өсуімен, иммунитетінің әлсіреуімен және неврологиялық дамудың нашарлауымен, соның ішінде төмендетілген интеллект деңгейімен (IQ) байланысты екенін көрсетті.

Анықтау және оптикалық қасиеттері

Материалдардағы полициклді ароматты көмірсутектерді (ПАК) анықтау көбінесе газ хроматографиясы-массалық спектрометриясы немесе сұйық хроматографиясы арқылы ультракөк сәулелік-көру немесе флуоресценттік спектроскопиялық әдістермен, немесе жылдам тест ПАК индикатор жолақтарын пайдалану арқылы жүргізіледі. ПАК-тардың құрылымы инфрақызыл спектроскопиясы арқылы талданды. ПАК-тардың өте ерекше УК-абсорбция спектрлері бар. Олар көбінесе көптеген абсорбция жолақтарына ие және әрбір сақиналық құрылым үшін бірегей. Сондықтан, изомерлер жиынтығында әрбір изомердің басқаларынан өзгеше УК-абсорбция спектрі болады. Бұл ПАК-тарды анықтауда ерекше пайдалы. Көптеген ПАК-тар сондай-ақ флуоресцентті, олар қозғанда (молекулалар жарықты сіңіргенде) ерекше толқын ұзындығында жарық шығарады. ПАК-тардың кеңейтілген пи-электрондық құрылымдары осы спектрлерге, сондай-ақ кейбір ірі ПАК-тардың жартылай өткізгіштік және басқа да қасиеттерін көрсетуіне себеп болады.

Өмірдің пайда болуы

ПАГ ғаламда көп болуы мүмкін. Олар Ұлы жарылыстан кейін бірнеше миллиард жыл өткен соң пайда болған сияқты, және жаңа жұлдыздар мен экзопланеталармен байланысты. Әлемдегі көміртектің 20%-дан астамы ПАГ-тармен байланысты болуы мүмкін. Бұл есеп, Қызыл Тікбұрыш сияқты тұмандықтар өмірінің соңына жақындағанда, конвекциялық ағындар тұмандықтардың ядроларындағы көміртек пен сутегінің жұлдыздық желге ілігіп, сыртқа сәулеленуіне себеп болатын әрекетті даулы гипотеза ретінде қарастырылды. Олар салқындағанда, атомдар әртүрлі жолдармен байланысып, миллион немесе одан да көп атомнан тұратын бөлшектерді құрайды. Адольф Витт және оның командасы есептегендей, жұлдызаралық ортаның (ЖЖО) жағдайларына ұшыраған ПАГ-тар сутегілену, оттегілену және гидроксилдену арқылы күрделі органикалық қосылыстарға айналады – "ақуыздар мен ДНК-ның құрамына кіретін аминқышқылдары мен нуклеотидтерге дейінгі қадам". Бұдан әрі, осы трансформациялардың нәтижесінде ПАГ-тар өздерінің спектроскопиялық белгісін жоғалтады, бұл "жұлдызаралық мұз кристалдарында, әсіресе суық, тығыз бұлттардың сыртқы аймақтарында немесе протопланеталық дисктердің жоғарғы молекулалық қабаттарында ПАГ-тарды анықтаудың қиындығының" себебі болуы мүмкін.