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Benzo(a)pyren
Benzo[a]pyren ist ein polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoff. Formal handelt es sich um ein Pyren mit einem zusätzlich anellierten Benzol.
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Einordnung und Struktur
Benzo[a]pyren (Summenformel C20H12) ist ein polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoff (PAK). Formal ist es ein Pyren, an das ein weiteres Benzol anelliert ist. „Anelliert“ bedeutet, dass die Ringe eine gemeinsame Kante besitzen.
Das Molekül besteht aus fünf miteinander verbundenen Benzol-Ringen und gehört damit zu den pentacyclischen PAK. Durch sein delokalisiertes π-Elektronensystem besitzt es wie Benzol aromatischen Charakter. Benzo[a]pyren liegt als fester, heller bis leicht gelblicher kristalliner Stoff vor; möglich sind Plättchen oder Nadeln mit aromatischem Geruch.
Physikalische Eigenschaften
Die molare Masse beträgt 252,32 g·mol−1. Benzo[a]pyren schmilzt bei 179 °C und siedet bei 495 °C. Plättchen haben eine Dichte von 1,282 g·cm−3, Nadeln eine Dichte von 1,351 g·cm−3; in den allgemeinen Stoffdaten wird 1,35 g·cm−3 bei 20 °C angegeben.
In Wasser ist es praktisch unlöslich (3 mg·l−1) und in Alkoholen un- beziehungsweise gering löslich. In organischen Lösungsmitteln, besonders aromatischen Kohlenwasserstoffen, löst es sich gut; in Benzol zeigt die Lösung violette Fluoreszenz. Für den Bereich von 70 °C bis 180 °C gilt für den Dampfdruck: lg(P) = −A/T + B, mit P in Pa, T in K, A = 4989 und B = 11,59.
Entstehung und Herstellung
Benzo[a]pyren kommt in Steinkohlenteer vor und kann aus Kohlenteer sowie anderen Teeren durch Extraktion gewonnen werden. Es entsteht außerdem bei unvollständiger Verbrennung organischer Stoffe. Deshalb findet man es unter anderem in Auto- und Industrieabgasen. Beim Rauchen von Zigaretten bildet es sich bei etwa 300 °C in der Tabakbrennzone in erheblichen Mengen.
Nachgewiesen wurde es auch in sehr geringen Mengen beim Rösten von Kaffeebohnen (0,3 bis 0,5 µg·kg−1), in Grillprodukten von Holzkohle oder Kiefernzapfen sowie als Spur in Boden, Gemüse und Getreide.
Eine 1935 beschriebene Synthese beginnt mit einer Friedel-Crafts-Acylierung von Pyren mit Bernsteinsäureanhydrid und führt über mehrere Reduktions- und Cyclisierungsschritte zur Dehydrierung mit Schwefel oder Selen. Eine neuere dreistufige Synthese startet mit 2-Naphthylboronsäure: Es folgen eine Suzuki-Reaktion mit 2-Brombenzol-1,3-dicarbaldehyd, eine Wittig-Reaktion und die Cyclisierung mit Methansulfonsäure.
Gesundheitsgefahr und Arbeitsschutz
Benzo[a]pyren ist eine lange bekannte und untersuchte krebserregende Verbindung. Das Lungenkrebsrisiko durch Zigarettenrauch wird zu einem großen Teil auf diesen Stoff zurückgeführt. Es gilt außerdem als Ursache des Schornsteinfegerkrebses, eines Tumors der Hodenhaut, der sich vor allem durch Rußreiz entwickelt; Ruß kann Benzo[a]pyren enthalten.
Der Stoff selbst wird als nicht giftig beschrieben, aber im Körper durch Monooxygenasen der Cytochrom-P450-Familie, insbesondere CYP1A1 und CYP1B1, umgewandelt. Dabei entsteht über Benzo[a]pyren-7,8-epoxid und 7,8-Dihydroxybenzo[a]pyren das kanzerogene Benzo[a]pyren-7,8-dihydroxy-9,10-epoxid. Dessen Epoxid-Gruppe reagiert über N2 an Guanin mit der DNA. Dies kann die DNA-Struktur beeinträchtigen, Zellteilungen verhindern oder Mutationen begünstigen.
Nach der CLP-Verordnung ist Benzo[a]pyren als krebserregend der Kategorie 1B eingestuft. Es wird häufig als Leitkomponente zur Bewertung der Belastung durch PAK in Pyrolyseprodukten wie Steinkohlenruß, -teer oder -pech verwendet. Gefährdungen für Beschäftigte können beispielsweise in Kokereien, bei Feuerwehrtätigkeiten, bei Brandschadensanierungen und Schmiedearbeiten auftreten. Nach TRGS 910 gelten 70 ng/m³ (E-Fraktion) als Akzeptanzkonzentration und 700 ng/m³ als Toleranzkonzentration. Es wurde am 20. Juni 2016 in die Liste besonders besorgniserregender Stoffe aufgenommen.
Umwelt und Nachweis
Für Wasserorganismen ist Benzo[a]pyren sehr giftig. Es ist als Aquatic Acute 1 und Aquatic Chronic 1 eingestuft und gehört nach AwSV zur Wassergefährdungsklasse 3. Aufgrund seines Gefährdungspotenzials wird es als giftig und umweltgefährlich bezeichnet. Es gilt als Prototyp der PAK und dient bei der Bestimmung von Umweltbelastungen durch diese Stoffgruppe meist als Referenz. Der KOC-Wert beträgt 4.500.000 l/kg für Sediment, der log KOW-Wert 6,15.
Nachweisen lässt sich Benzo[a]pyren durch Fluoreszenzspektroskopie. Zur Isolierung aus Stoffgemischen eignen sich Dünnschichtchromatographie oder HPLC (Hochleistungsflüssigkeitschromatographie). Eine quantitative, also mengenmäßige Bestimmung ist mit Gaschromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie (GC-MS) möglich.