Furan

Grundlagen und Stoffdaten

Furan, auch Furfuran genannt, ist eine organische Verbindung mit der Summenformel C4H4O. Es gehört zu den aromatischen sauerstoffhaltigen Heterocyclen und zu den Enolethern. Ein Heterocyclus ist ein ringförmiges Molekül, das außer Kohlenstoff mindestens ein anderes Atom im Ring enthält; bei Furan ist dieses Heteroatom Sauerstoff. Furan ist eine farblose Flüssigkeit mit chloroformartigem Geruch und ist in Wasser schlecht löslich.

Wichtige Stoffdaten sind: molare Masse 68,08 g·mol−1, Dichte 0,94 g·cm−3, Schmelzpunkt −86 °C und Siedepunkt 32 °C. Bei 20 °C beträgt der Dampfdruck 658 hPa, bei 30 °C 964 hPa, bei 40 °C 1370 hPa und bei 50 °C 1910 hPa. Die Löslichkeit in Wasser beträgt 10 g·l−1 bei 20 °C. Der Brechungsindex liegt bei 1,421 bei 20 °C.

Aufbau und chemische Eigenschaften

Furan ist ein Aromat. Damit ist gemeint, dass Elektronen im Ring nicht nur zwischen zwei Atomen gebunden sind, sondern über den ganzen Ring verteilt, also delokalisiert, vorliegen. Das Furanmolekül ist ein Fünfring mit einem Sauerstoffatom. Insgesamt sind sechs π-Elektronen über den Ring delokalisiert: vier stammen aus den beiden Doppelbindungen, zwei aus dem p-Orbital des sp2-hybridisierten Sauerstoffatoms.

Durch diesen Aufbau gehört Furan zu den Heteroaromaten und Heterocyclen. Sein aromatischer Charakter ist jedoch schwächer ausgeprägt als bei Pyrrol und Thiophen. Furan hat einen niedrigen Siedepunkt von 32 °C und besitzt schon bei Raumtemperatur einen hohen Dampfdruck. Es ist brennbar und wegen dieses hohen Dampfdrucks hochentzündlich.

Entstehung und Herstellung

Furan kommt unter anderem in Kaffee vor. Dort entsteht es als Zersetzungsprodukt aus Furan-2-carbonsäure sowie durch Maillard-Reaktionen aus Aminosäuren beziehungsweise Kohlenhydraten. Maillard-Reaktionen sind chemische Reaktionen zwischen Aminosäuren und Kohlenhydraten, die besonders beim Erhitzen von Lebensmitteln wichtig sind. Der Furangehalt im Kaffee hängt direkt von der Brühmethode ab. In gebrühtem Kaffee wurden Konzentrationen zwischen 18 und 88 µg/l gefunden.

Technisch wird Furan aus Furfural, also Furan-2-carbaldehyd, hergestellt. Furfural kann durch Destillation von Kleie mit Schwefelsäure gewonnen werden. Zur Decarbonylierung des Furfurals, also zur Abspaltung von Kohlenstoffmonoxid, wird es zusammen mit Zinkoxid und Chrom(III)-oxid auf 400 °C erhitzt.

Ein alternativer Syntheseweg oxidiert Furfural zunächst mit Sauerstoff zu Furan-2-carbonsäure. Anschließend wird diese durch Decarboxylierung zu Furan umgesetzt; dabei wird eine Carboxylgruppe abgespalten. Eine weitere Möglichkeit zur Synthese von Furan und seinen Derivaten ist die Umsetzung von 1,4-Dicarbonylverbindungen mit trockenem Chlorwasserstoff-Gas oder mit Phosphor(V)-oxid. Für Furan wird dabei Butandial benötigt.

Gefahren und Gesundheit

Furan ist als Gefahrstoff eingestuft. Nach der GHS-Gefahrstoffkennzeichnung trägt es unter anderem die Hinweise H224, H302, H332, H315, H341, H350, H373 und H412 sowie EUH019. Unter REACH wurde Furan am 19. Dezember 2012 in die Liste der besonders besorgniserregenden Stoffe aufgenommen, da es als krebserzeugend im Sinne der CMR-Einstufung gilt.

Furan bildet leicht entzündliche Dampf-Luft-Gemische. Der Flammpunkt liegt bei −36 °C. Der Explosionsbereich reicht von 2,3 Vol.-% beziehungsweise 64 g/m3 als untere Explosionsgrenze bis 14,3 Vol.-% beziehungsweise 405 g/m3 als obere Explosionsgrenze. Die Grenzspaltweite beträgt 0,68 mm, woraus sich die Zuordnung zur Explosionsgruppe IIB ergibt. Mit einer Mindestzündenergie von 0,22 mJ sind Dampf-Luft-Gemische extrem zündfähig. Die Zündtemperatur beträgt 390 °C; damit gehört der Stoff zur Temperaturklasse T2.

Gesundheitlich ist Furan problematisch. Untersuchungen an Ratten lassen eine genotoxische Wirkung vermuten, also eine mögliche Schädigung des Erbguts. Bei Ratten führt eine Dosis von mehr als 2 mg/kg Körpergewicht zu einer stark erhöhten Tumorrate. Für Menschen wird eine tägliche Aufnahmemenge von 1,23 µg/kg Körpergewicht geschätzt; dies wird als geringer Sicherheitsabstand beschrieben. Die Weltgesundheitsorganisation WHO stuft Furan als möglicherweise krebserregend für den Menschen ein. Die genaue Wirkung im menschlichen Körper muss jedoch noch geklärt werden.

Verwendung und verwandte Stoffe

Eine wichtige Reaktion von Furan ist die Hydrierung zu Tetrahydrofuran. Hydrierung bedeutet, dass Wasserstoff an ein Molekül angelagert wird. Tetrahydrofuran ist ein cyclischer Ether und wird häufig als Lösungsmittel verwendet.

Furanderivate kommen in Aromen und Riechstoffen vor und wirken in der Natur auch als Pheromone, also als chemische Signalstoffe zwischen Lebewesen. Furanfettsäuren werden von verschiedenen Pflanzen aus Fettsäuren synthetisiert und lassen sich in vielen Organismen nachweisen. Einige Kohlenhydrate besitzen ähnliche Ringstrukturen; sie werden Furanosen genannt, enthalten aber keine Doppelbindungen im Ring.

Verwandte Verbindungen sind unter anderem Benzofuran, also Furan mit einem kondensierten Benzolring, sowie Dibenzofuran, die Grundstruktur der Stoffklasse der polychlorierten Dibenzofurane. Weitere verwandte Stoffe sind Furanocumarine, Pyrrol als Stickstoff-Entsprechung des Furans, Tetrahydrofuran als vollständig hydrierte Entsprechung, Thiophen als Schwefel-Entsprechung, 2,5-Dimethylfuran und Pyrane.