Введение
Углеводород, состоящий из нескольких ароматических колец. Полициклический ароматический углеводород (ПАУ) — это класс органических соединений, состоящий из нескольких ароматических колец. Самый простой представитель — нафталин, содержащий два ароматических кольца, а также трехкольцевые соединения антрацен и феноантрен. ПАУ не имеют заряда, неполярны и плоские. Многие из них бесцветны. Многие ПАУ содержатся в угле и нефтяных месторождениях, а также образуются при неполном сгорании органических веществ — например, в двигателях и мусоросжигательных установках, или при сжигании биомассы в лесных пожарах. Полициклические ароматические углеводороды рассматриваются как возможные исходные материалы для абиотического синтеза веществ, необходимых для самых ранних форм жизни. Также для обозначения этой концепции используются термины полинуклеарные ароматические углеводороды (сокращенно PNA). Некоторые авторы считают, что ПАУ начинаются с трициклических соединений феноантрена и антрацена. Большинство авторов исключают из этого класса соединения, содержащие гетероатомы в кольцах или имеющие заместители. Полиароматический углеводород может содержать кольца различных размеров, включая и неароматические. Соединения, состоящие только из шестичленных колец, называют чередующимися. Ниже приведены примеры ПАУ, различающихся по количеству и расположению колец.
A polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) is a class of organic compounds that is composed of multiple aromatic rings. The simplest representative is naphthalene, having two aromatic rings, and the three ring compounds anthracene and phenanthrene. PAHs are uncharged, non polar and planar. Many are colorless. Many of them are found in coal and in oil deposits, and are also produced by the incomplete combustion of organic matter—for example, in engines and incinerators or when biomass burns in forest fires. Polycyclic aromatic hydrocarbons are discussed as possible starting materials for abiotic syntheses of materials required by the earliest forms of life. or polynuclear aromatic hydrocarbon (abbreviated as PNA) are also used for this concept. Other authors consider PAHs to start with the tricyclic species phenanthrene and anthracene. Most authors exclude compounds that include heteroatoms in the rings, or carry substituents. A polyaromatic hydrocarbon may have rings of various sizes, including some that are not aromatic. Those that have only six membered rings are said to be alternant. The following are examples of PAHs that vary in the number and arrangement of their rings:
Геометрия
Большинство ПАУ, таких как нафталин, антрацен и коронен, являются плоскими. Эта геометрия обусловлена тем, что σ-связи, образующиеся в результате слияния sp2-гибридных орбиталей соседних атомов углерода, лежат в одной плоскости с атомами углерода. Эти соединения ахиральны, поскольку плоскость молекулы является плоскостью симметрии. В редких случаях ПАУ не являются плоскими. В некоторых случаях непланарность может быть вызвана топологией молекулы и жесткостью (по длине и углу) углерод-углеродных связей. Например, в отличие от коронена, кораннулен принимает форму чаши для снижения напряжения в связях. Две возможные конфигурации – вогнутая и выпуклая – разделены относительно невысоким энергетическим барьером (около 11 ккал/моль). Теоретически существует 51 структурный изомер коронена, содержащий шесть конденсированных бензольных колец в циклической последовательности, с двумя крайними атомами углерода, общими для соседних колец. Все они должны быть непланарными и обладать значительно более высокой энергией связи (вычисленной как минимум 130 ккал/моль), чем у коронена; и, по состоянию на 2002 год, ни один из них не был синтезирован. Другие ПАУ, которые могут казаться плоскими, если рассматривать только углеродный скелет, могут быть искажены отталкиванием или стерическими затруднениями между атомами водорода на их периферии. Бензо[c]фенантрен, с четырьмя конденсированными кольцами в форме буквы "С", имеет небольшое спиральное искажение из-за отталкивания между ближайшей парой атомов водорода в двух крайних кольцах. Этот эффект также вызывает искажение пицена. Добавление еще одного бензольного кольца с образованием дибензо[c,g]фенантрена создает стерические затруднения между двумя крайними атомами водорода. Добавление еще двух колец в том же направлении приводит к образованию гептаэлицена, в котором два крайних кольца перекрываются. Эти непланарные формы хиральны, и их энантиомеры могут быть выделены.
Бензоидные углеводороды
Бензоидные углеводороды определены как конденсированные полициклические ненасыщенные полностью конъюгированные углеводороды, молекулы которых по существу плоские, при этом все кольца шестичленные. Полная конъюгация означает, что все атомы углерода и углерод-углеродные связи должны иметь sp2-гибридизацию, характерную для бензола. Этот класс в основном является подмножеством альтернативных полиароматических углеводородов (ПАУ), но считается, что он включает нестабильные или гипотетические соединения, такие как триангулен или гептацен. Наиболее важной для характеристики свойств ПАУ является резонансная структура, содержащая наибольшее число разрозненных ароматических пи-секстетов, то есть бензолоподобных фрагментов. Например, фенантрен имеет две структуры Клера: одна с одним ароматическим секстетом (среднее кольцо), а другая – с двумя (первое и третье кольца). Следовательно, последний случай более точно отражает электронную природу этого соединения. Таким образом, во внешней части молекулы фенантрена ароматический характер выражен сильнее, в то время как центральное кольцо менее ароматично и, следовательно, более реакционноспособно. В отличие от этого, в антрацене резонансные структуры содержат по одному секстету, который может находиться в любом из трех колец, и ароматичность распределена более равномерно по всей молекуле. Эта разница в количестве секстетов отражается в различных ультрафиолетовых и видимых спектрах этих двух изомеров, поскольку более высокие пи-секстеты Клера связаны с большими энергетическими зазорами между высшей занятой и низшей свободной молекулярными орбиталями (ВЗМО и НСМО); максимальное поглощение фенантрена приходится на длину волны 293 нм, а антрацена – 374 нм. В четырехкольцевой структуре хризена присутствуют три структуры Клера с двумя секстетами каждая: одна с секстетами в первом и третьем кольцах, одна – во втором и четвертом кольцах, и одна – в первом и четвертом кольцах. Суперпозиция этих структур показывает, что ароматичность во внешних кольцах выше (каждое из них содержит секстет в двух из трех структур Клера), чем во внутренних кольцах (каждое из них содержит секстет только в одной из трех).
Искусственный
Основные источники полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в окружающей среде – это деятельность человека: сжигание древесины и других видов биотоплива, таких как навоз или растительные остатки, вносят вклад более чем в половину ежегодных глобальных выбросов ПАУ, особенно из-за использования биотоплива в Индии и Китае. По состоянию на 2004 год, промышленные процессы, а также добыча и использование ископаемого топлива составляли чуть более четверти глобальных выбросов ПАУ, преобладая в странах с развитой промышленностью, таких как Соединенные Штаты. Низкотемпературное сжигание, например, курение табака или сжигание древесины, как правило, приводит к образованию ПАУ с низкой молекулярной массой, в то время как высокотемпературные промышленные процессы обычно образуют ПАУ с более высокой молекулярной массой. ПАУ обычно встречаются в виде сложных смесей.
Природные пожары
ПАУ могут образовываться в результате неполного сгорания органического вещества при природных лесных пожарах. ПАУ также могут образовываться геологически, когда органические осадочные породы химически трансформируются в ископаемое топливо, такое как нефть и уголь. Редкие минералы идриалит, кортизит и карпатит состоят почти исключительно из ПАУ, образовавшихся из подобных отложений, которые были извлечены, переработаны, разделены и отложены очень горячими флюидами. Повышенные уровни этих ПАУ были обнаружены на границе мелового и третичного периодов (K-T), более чем в 100 раз превышающие уровень в прилегающих слоях. Этот всплеск связывают с масштабными пожарами, уничтожившими около 20% наземной надземной биомассы за очень короткий промежуток времени.
Инопланетянин
Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) широко распространены в межзвездной среде (МЗС) галактик как в ближней, так и в далекой Вселенной и являются доминирующим механизмом излучения в среднем инфракрасном диапазоне длин волн, составляя до 10% общей интегрированной инфракрасной светимости галактик. ПАУ обычно отмечают области холодного молекулярного газа, которые представляют собой оптимальную среду для формирования звезд. В июне 2013 года ПАУ были обнаружены в верхних слоях атмосферы Титана, крупнейшего спутника планеты Сатурн.
Незначительные источники
Извержения вулканов могут выделять полициклические ароматические углеводороды.
Водная среда
Большинство ПАУ нерастворимы в воде, что ограничивает их подвижность в окружающей среде, хотя ПАУ адсорбируются мелкозернистыми органически богатыми отложениями. Растворимость ПАУ в воде уменьшается приблизительно логарифмически с увеличением молекулярной массы. Двухкольцевые ПАУ, и в меньшей степени трехкольцевые ПАУ, растворяются в воде, что делает их более доступными для биологического поглощения и разложения. Кроме того, двух- и четырехкольцевые ПАУ достаточно летучи, чтобы присутствовать в атмосфере преимущественно в газообразном состоянии, хотя физическое состояние четырехкольцевых ПАУ может зависеть от температуры. В отличие от этого, соединения с пятью и более кольцами имеют низкую растворимость в воде и низкую летучесть, поэтому они преимущественно находятся в твердом состоянии, связанном с частицами загрязнения воздуха, почвы или отложений.
Воздействие на человека
Воздействие на человека варьируется во всем мире и зависит от таких факторов, как распространенность курения, виды топлива, используемого для приготовления пищи, и меры контроля загрязнения на электростанциях, промышленных предприятиях и транспортных средствах. Развитые страны, характеризующиеся более строгим контролем за загрязнением воздуха и воды, более чистыми источниками энергии для приготовления пищи (например, газ и электричество по сравнению с углем или биотопливом) и запретом на курение в общественных местах, как правило, демонстрируют более низкий уровень воздействия ПАУ, в то время как развивающиеся и наименее развитые страны, как правило, подвержены более высокому уровню воздействия. Сжигание твердого топлива, такого как уголь и биотопливо, в домашних условиях для приготовления пищи и отопления является основным глобальным источником выбросов ПАУ, что в развивающихся странах приводит к высокому уровню воздействия загрязнения воздуха в помещениях частицами, содержащими ПАУ, особенно для женщин и детей, которые проводят больше времени дома или заняты приготовлением пищи. В промышленно развитых странах наиболее подвержены воздействию люди, употребляющие табачные изделия или подвергающиеся воздействию вторичного табачного дыма; табачный дым вносит вклад в 90% уровня ПАУ в помещениях в домах курильщиков. Воздействие также происходит при употреблении алкоголя, выдержанного в обугленных бочках, ароматизированного торфяным дымом или изготовленного из обжаренных зерен. Обычно ПАУ присутствуют в питьевой воде в низких концентрациях. По оценкам, каталитические нейтрализаторы снижают выбросы ПАУ от автомобилей с бензиновыми двигателями в 25 раз. Промышленная деятельность, способная производить и распространять ПАУ, включает производство алюминия, железа и стали; газификацию угля, перегонку каменноугольной смолы, добычу сланцевой нефти; производство кокса, креозота, технического углерода и карбида кальция; производство дорожных покрытий и асфальта; производство резиновых шин; производство или использование рабочих жидкостей для обработки металлов; а также деятельность угольных или газовых электростанций. Почва и донные отложения рек вблизи промышленных объектов, таких как предприятия по производству креозота, могут быть сильно загрязнены ПАУ. Двух- и трехкольцевые ПАУ могут широко распространяться, растворяясь в воде или в виде газов в атмосфере, в то время как ПАУ с более высокой молекулярной массой могут распространяться локально или регионально, прикрепляясь к взвешенным в воздухе или воде твердым частицам, пока эти частицы не осядут или не выпадут из водной толщи. Большинство позвоночных относительно быстро метаболизируют и выводят ПАУ. Почвообитающие беспозвоночные, такие как земляные черви, ускоряют разложение ПАУ либо путем прямого метаболизма, либо путем улучшения условий для микробных превращений.
Городские почвы
Британская геологическая служба сообщила о количестве и распределении соединений ПАУ, включая родительские и алкилированные формы, в городских почвах в 76 точках Большого Лондона. Исследование показало, что содержание родительских (16 ПАУ) колебалось от 4 до 67 мг/кг (в пересчете на сухой вес почвы), а средняя концентрация ПАУ составляла 18 мг/кг (в пересчете на сухой вес почвы), в то время как общее содержание ПАУ (33 ПАУ) колебалось от 6 до 88 мг/кг, при этом флуорантен и пирен обычно были наиболее распространенными ПАУ. Нормальная фоновая концентрация BaP в городских районах Лондона составляла 6,9 мг/кг (в пересчете на сухой вес почвы). Сжигание вересковой растительности, такой как вереск, первоначально генерирует большое количество двух- и трехкольцевых ПАУ по сравнению с четырех-шестикольцевыми ПАУ в поверхностных отложениях, однако эта закономерность меняется по мере того, как ПАУ с меньшим молекулярным весом подвергаются ослаблению в результате биоразложения и фотодеградации. Следовательно, концентрация загрязняющих веществ в эстуариях, как правило, уменьшается к устью реки. Понимание содержания ПАУ в отложениях эстуариев важно для защиты коммерческого рыболовства (например, мидий) и общего сохранения среды обитания, поскольку ПАУ могут оказывать влияние на здоровье организмов, питающихся взвешенными веществами и отложениями. Поверхностные отложения эстуариев рек в Великобритании, как правило, содержат меньше ПАУ, чем отложения, погребенные на глубине 10–60 см от поверхности, что отражает снижение современной промышленной активности в сочетании с улучшением природоохранного законодательства в отношении ПАУ. В целом, отложения эстуариев рек с более высоким естественным содержанием общего органического углерода (ТОУ) склонны к накоплению ПАУ из-за высокой сорбционной способности органического вещества.
Здоровье человека
Рак является основным риском для здоровья человека при воздействии полициклических ароматических углеводородов. Воздействие ПАУ также связывают с сердечно-сосудистыми заболеваниями и неблагоприятным развитием плода.
Рак
В хорошо известных исследованиях на животных полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) были связаны с раком кожи, легких, мочевого пузыря, печени и желудка. В 1775 году Персивалл Потт, хирург из лондонской больницы Святого Варфоломея, отметил необычно высокую распространенность рака мошонки среди сажеметов и предположил, что причиной является профессиональное воздействие сажи. Столетие спустя Рихард фон Волькман сообщил об увеличении случаев рака кожи у рабочих угольной промышленности Германии, и к началу 1900-х годов широко признавалось, что воздействие сажи и угольной смолы приводит к увеличению заболеваемости раком. В 1915 году Ямигава и Ичикава впервые экспериментально вызвали рак, в частности рак кожи, путем нанесения угольной смолы на уши кроликов.
Механизмы канцерогенеза
Структура ПАУ влияет на то, является ли отдельное соединение канцерогенным и каким образом. Некоторые канцерогенные ПАУ являются генотоксичными и вызывают мутации, инициирующие рак; другие не генотоксичны и вместо этого влияют на развитие или прогрессирование рака. ПАУ, способствующие инициированию рака, обычно сначала химически модифицируются ферментами в метаболиты, которые реагируют с ДНК, приводя к мутациям. Когда последовательность ДНК изменяется в генах, регулирующих репликацию клеток, может развиться рак. Мутагенные ПАУ, такие как бензо[а]пирен, обычно содержат четыре или более ароматических кольца, а также "заливную область" – структурный карман, повышающий реакционную способность молекулы по отношению к метаболизирующим ферментам. Мутагенные метаболиты ПАУ включают диолэпоксиды, хиноны и радикальные катионы ПАУ. Эти метаболиты могут связываться с ДНК в определенных местах, образуя объемные комплексы, называемые аддуктами ДНК, которые могут быть стабильными или нестабильными. Стабильные аддукты могут приводить к ошибкам репликации ДНК, в то время как нестабильные аддукты реагируют с цепью ДНК, удаляя пуриновое основание (аденин или гуанин). Воздействие ПАУ может увеличивать выработку цитохромных ферментов, позволяя им преобразовывать ПАУ в мутагенные диолэпоксиды с большей скоростью. Низкомолекулярные ПАУ, имеющие заливные или подобные заливным области, могут нарушать регуляцию щелевых соединений, вмешиваясь в межклеточную коммуникацию, а также влиять на митоген-активированные протеинкиназы, которые активируют факторы транскрипции, участвующие в пролиферации клеток. ПАУ входят в состав сложного комплекса загрязняющих веществ, содержащихся в табачном дыме и твердых частицах в воздухе, и могут способствовать развитию сердечно-сосудистых заболеваний в результате такого воздействия. В лабораторных экспериментах у животных, подвергшихся воздействию определенных ПАУ, наблюдалось усиленное развитие бляшек (атерогенеза) в артериях. Потенциальные механизмы патогенеза и развития атеросклеротических бляшек могут быть схожи с механизмами, лежащими в основе канцерогенных и мутагенных свойств ПАУ. Биомаркеры воздействия ПАУ у людей связаны с воспалительными биомаркерами, которые признаны важными предикторами сердечно-сосудистых заболеваний, что позволяет предположить, что окислительный стресс, вызванный воздействием ПАУ, может быть механизмом развития сердечно-сосудистых заболеваний у людей.
Влияние на развитие
Многочисленные эпидемиологические исследования, проведенные среди жителей Европы, Соединенных Штатов и Китая, выявили связь между воздействием полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) на плод в утробе матери – через загрязнение воздуха или профессиональную деятельность родителей – и замедлением роста плода, ослаблением иммунной функции и ухудшением неврологического развития, включая снижение IQ.
Обнаружение и оптические свойства
Существует спектральная база данных. Обнаружение ПАУ в материалах часто проводят с помощью газовой хроматографии-масс-спектрометрии или жидкостной хроматографии с ультрафиолетовой видимой или флуоресцентной спектроскопией, либо с использованием экспресс-тест полосок-индикаторов ПАУ. Структуры ПАУ анализировали с помощью инфракрасной спектроскопии. ПАУ обладают очень характерными спектрами поглощения в УФ-области. Эти спектры часто содержат множество полос поглощения и уникальны для каждой кольцевой структуры. Таким образом, для набора изомеров каждый изомер имеет отличный от других спектр поглощения в УФ-области. Это особенно полезно для идентификации ПАУ. Большинство ПАУ также флуоресцируют, излучая характерные длины волн света при возбуждении (когда молекулы поглощают свет). Расширенные π-электронные структуры ПАУ обуславливают эти спектры, а также полупроводниковые и другие свойства некоторых крупных ПАУ.
Истоки жизни
ПАУ могут быть широко распространены во Вселенной. Похоже, что они сформировались уже через пару миллиардов лет после Большого взрыва и связаны с новыми звездами и экзопланетами. Более 20% углерода во Вселенной может быть связано с ПАУ. В данном отчете рассматривалась спорная гипотеза о том, что когда туманности, подобные Красному прямоугольнику, приближаются к концу своей жизни, конвекционные потоки выносят углерод и водород из ядер туманностей в звездные ветры, где они излучаются в пространство. По мере охлаждения атомы, предположительно, соединяются друг с другом различными способами и в конечном итоге образуют частицы, состоящие из миллиона или более атомов. Адольф Витт и его команда пришли к выводу, что ПАУ, подвергаясь воздействию межзвездной среды (ISM), преобразуются посредством гидрирования, окисления и гидроксилирования в более сложные органические соединения – "шаг на пути к аминокислотам и нуклеотидам, являющимся строительными блоками белков и ДНК соответственно". Более того, в результате этих преобразований ПАУ теряют свою спектроскопическую сигнатуру, что может быть одной из причин "отсутствия обнаружения ПАУ в межзвездных ледяных зернах, особенно во внешних областях холодных, плотных облаков или в верхних молекулярных слоях протопланетных дисков".
PAHs, subjected to interstellar medium (ISM) conditions, are transformed, through hydrogenation, oxygenation, and hydroxylation, to more complex organic compounds—"a step along the path toward amino acids and nucleotides, the raw materials of proteins and DNA, respectively". Further, as a result of these transformations, the PAHs lose their spectroscopic signature which could be one of the reasons "for the lack of PAH detection in interstellar ice grains, particularly the outer regions of cold, dense clouds or the upper molecular layers of protoplanetary disks."