Toluol

Einordnung und grundlegende Daten

Toluol, nach IUPAC auch Toluen, ist ein aromatischer Kohlenwasserstoff mit der Summenformel C₇H₈. Es ist der einfachste Vertreter der Alkylbenzole und eine farblose, flüchtige Flüssigkeit mit charakteristischem, benzolähnlichem Geruch. Toluol ähnelt Benzol in vielen Eigenschaften und wird häufig als Lösungsmittel eingesetzt, das das krebserregende Benzol in vielen Anwendungen ersetzen kann. Es ist außerdem Bestandteil von Benzin.

Die molare Masse beträgt 92,14 g·mol⁻¹. Bei 20 °C hat Toluol eine Dichte von 0,87 g·cm⁻³, einen Dampfdruck von 29,1 hPa und einen Brechungsindex von 1,4969. Es schmilzt bei −95 °C und siedet bei 111 °C.

Physikalische Eigenschaften

Unter Normalbedingungen ist Toluol eine klare, wasserhelle und stark lichtbrechende Flüssigkeit. Die Geruchsschwelle liegt bei 0,6–263 mg/m³. Es ist in Wasser fast unlöslich: angegeben werden 0,47 g/l beziehungsweise 520 mg·l⁻¹ bei 20 °C. Mit Kohlenstoffdisulfid, Ethanol und Diethylether ist es dagegen in jedem Verhältnis mischbar; auch in Chloroform, Aceton und den meisten anderen organischen Lösungsmitteln ist es gut löslich.

Toluol bildet mit einigen Lösungsmitteln azeotrope Gemische, also Flüssigkeitsgemische, deren Dampf dieselbe Zusammensetzung wie die Flüssigkeit hat und die deshalb bei konstanter Temperatur sieden. Mit Wasser enthält das Azeotrop 80 Ma-% Toluol und siedet bei 85 °C. Mit Methanol enthält es 31 Ma-% Toluol und siedet bei 64 °C, mit Ethanol 32 Ma-% bei 77 °C. Keine Azeotrope bildet Toluol unter anderem mit Benzol, n-Hexan, n-Heptan, Chloroform, Aceton, Diethylether und Schwefelkohlenstoff.

Die dynamische Viskosität beträgt 0,6 mPa·s; Toluol ist damit dünnflüssiger als Wasser. Der Heizwert beträgt 40.940 kJ/kg. Die Standardbildungsenthalpie beträgt 12,0 kJ·mol⁻¹ als Flüssigkeit und 50,1 kJ·mol⁻¹ als Gas; die Verbrennungsenthalpie des Gases beträgt −3910,9 kJ·mol⁻¹. Die kritische Temperatur liegt bei 591,75 K, der kritische Druck bei 41,58 bar.

Herstellung und chemische Reaktionen

Eine direkte Gewinnung aus Erdöl oder durch Trockendestillation von Steinkohle war auf Grundlage der Rohölpreise von 2006 nicht wirtschaftlich. Industriell entsteht Toluol hauptsächlich bei der Erdölverarbeitung: Das durch Cracken erzeugte n-Heptan wird zu Methylcyclohexan reformiert und anschließend zu Toluol dehydriert. Dieser Vorgang heißt Dehydrocyclisierung. Toluol fällt außerdem als Nebenprodukt bei der Herstellung von Ethen und Propen an. Photochemisch ist es durch Isomerisierung von Cycloheptatrien zugänglich.

Eine weitere Herstellungsroute ist die Friedel-Crafts-Alkylierung von Benzol mit Methanol. Sie hat jedoch eine geringere Ausbeute, weil das gebildete Alkylbenzol bei der elektrophilen Substitution reaktiver als Benzol ist und daher leicht zwei- oder mehrfach alkylierte Produkte entstehen. Wegen der niedrigen Kosten der Ausgangsstoffe können dennoch große Mengen kontinuierlich umgesetzt werden; das entstandene Toluol wird dabei laufend abgetrennt und damit der Gleichgewichtsreaktion entzogen.

Bei Normalbedingungen ist Toluol stabil und relativ reaktionsträge. Es reagiert ähnlich wie Benzol und Phenol und greift viele Kunststoffe an; deshalb wird es meist in Glas- oder Metallbehältern gelagert. Wichtige Reaktionsarten sind radikalische und elektrophile Substitutionen. Unter Hitze oder Lichteinwirkung kann beispielsweise Brom die Methylgruppe radikalisch substituieren. Elektrophile Substitutionen laufen langsam, werden aber durch geeignete Katalysatoren wie die Lewis-Säure FeBr₃ beschleunigt; bevorzugt entstehen ortho- und para-substituierte Produkte.

Bei der Nitrierung reagiert Toluol mit Salpetersäure zu 4-Nitrotoluol und Wasser; daneben entsteht 2-Nitrotoluol. Das nitrierende Teilchen NO₂⁺ entsteht dabei in Gegenwart von Schwefelsäure aus Salpetersäure. Mehrfache Nitrierung liefert TNT (Trinitrotoluol). Durch Oxidation, zum Beispiel mit saurer Kaliumpermanganat-Lösung, wird Toluol über Benzylalkohol und Benzaldehyd zu Benzoesäure umgesetzt.

Entzündlichkeit und Verwendung

Toluol bildet leicht entzündliche Dampf-Luft-Gemische. Der Flammpunkt liegt bei 6 °C. Der Explosionsbereich reicht von 1,1 Vol.-% beziehungsweise 42 g/m³ als untere Explosionsgrenze bis 7,8 Vol.-% beziehungsweise 300 g/m³ als obere Explosionsgrenze. Der untere Explosionspunkt beträgt 3 °C, der obere 40 °C. Mit einer Mindestzündenergie von 0,24 mJ sind die Gemische extrem zündfähig. Die Zündtemperatur beträgt 535 °C; Toluol gehört damit zur Temperaturklasse T1. Wegen der sehr niedrigen elektrischen Leitfähigkeit von 8·10⁻¹⁴ S·m⁻¹ können beim Umgang elektrostatische Aufladungen auftreten.

Als Lösungsmittel kann Toluol in vielen Fällen Benzol ersetzen. Es dient außerdem als Ausgangsstoff für Benzol, TNT, Diisocyanatotoluole als Polyurethan-Vorprodukte, Benzoesäure, Phenol, ε-Caprolactam und Farbstoffe. Es wird Motorkraftstoffen beigemischt und in verschiedenen Lacken eingesetzt, etwa in Cellulosenitrat-, Alkydharz-, Chlorkautschuk-, Polystyrol-, Polyacrylat- und Polyvinylacetatlacken. Toluol-Estergemische lösen Vinylchlorid-Copolymerisate und nachchloriertes Polyvinylchlorid. Bei der Bestimmung flüchtiger organischer Verbindungen bezeichnet das Toluoläquivalent Konzentrationen, die auf Toluol bezogen berechnet wurden. Toluol wurde auch in Permanentmarkern verwendet, die inzwischen meist toluol- und xylolfrei sind, sowie je nach Messbereich als Füllflüssigkeit in Thermometern.

Gesundheit, Umwelt und Bewertung

Toluol ist gesundheitsschädlich; beim Verschlucken oder Einatmen kann es tödlich sein. Die LD₅₀ bei Ratten nach oraler Aufnahme beträgt 636 mg·kg⁻¹. Toluoldämpfe können Müdigkeit, Unwohlsein, Empfindungsstörungen, Störungen der Bewegungskoordination und Bewusstseinsverlust verursachen. Sie wirken narkotisierend, reizen Augen und Atmungsorgane stark und können allergische Reaktionen auslösen. Regelmäßiger Kontakt kann zu einer Toluolsucht mit Heiterkeits- und Erregungsräuschen führen. Toluol kann Nerven, Nieren und möglicherweise auch die Leber schädigen; es kann vermutlich das Kind im Mutterleib schädigen und ist vermutlich ototoxisch, also gehörschädigend, beim Menschen. Es soll an gut belüfteten Orten aufbewahrt werden.

Toluol selbst wirkt nicht erbgutverändernd, ist aber häufig mit Benzol verunreinigt. Seine geringere Toxizität gegenüber Benzol wird mit dem Stoffwechsel erklärt: Das Monooxygenasesystem P450 oxidiert vor allem die Methylgruppe zu Benzylalkohol und weiter zu Benzoesäure, statt den aromatischen Ring zu oxidieren. Daher entstehen nur geringe Mengen kanzerogener Epoxide. Ausgeschieden wird Toluol vor allem als Benzoesäure und Hippursäure, neben kleinen Mengen o-Kresol, über den Harn.

Toluol kommt in Erdöl und in Leichtöl aus der Steinkohlenteerdestillation vor. Es wird durch Kfz-Verkehr, Toluolprodukte und die Herstellung freigesetzt; als Beispiel für Rheinland-Pfalz wird ein Jahresmittel von 30 µg/m³ genannt. Etwa 65 % der Emissionen stammen vom Kfz-Verkehr, 33 % vom Gebrauch von Toluolprodukten und 2 % von der Toluolherstellung. In der Atmosphäre wird es innerhalb mehrerer Tage durch Hydroxylradikale abgebaut. Toluol ist schädlich für Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung, trotz leichter biologischer Abbaubarkeit wassergefährdend der WGK 3.

In der EU darf Toluol seit dem 15. Juni 2007 nicht als Stoff oder ab 0,1 Masseprozent in frei verkäuflichen Klebstoffen und Farbsprühdosen verwendet oder in Verkehr gebracht werden. Die EU nahm es 2012 im Rahmen von REACH in den CoRAP-Stoffbewertungsplan auf. Gründe waren Bedenken wegen der CMR-Einstufung, der Verbraucherverwendung, hoher aggregierter Tonnage, weiterer gefahrenbezogener Bedenken und der weiten Verwendung. Finnland führte die Neubewertung durch; anschließend wurde ein Abschlussbericht veröffentlicht.