Idrocarburi policiclici aromatici (IPA):
Aspetti chimici
Prof. Luigi Lopez
Prof. Gianluca Maria Farinola
Idrocarburi policiclici aromatici (IPA)
COSA SONO:
Gli idrocarburi policiclici aromatici sono idrocarburi
costituiti da due o più anelli benzenici uniti fra loro, in
un’unica struttura piana, attraverso coppie
di atomi di carbonio condivisi fra anelli adiacenti
Naftalene: il più semplice degli
idrocarburi policiclici aromatici
La chimica degli IPA può essere meglio compresa
iniziando dal più semplice di essi: il naftalene

8

1
b7
b
2
b
3b
6
5

4

•Strutturalmente il naftalene
si può considerare derivante
dalla fusione di due molecola di
benzene
 e b indicano le diverse posizioni
sulla molecola
I numeri sono la notazione IUPAC
delle diverse posizioni sull’anello
STRUTTURA MOLECOLARE:
•Planare, ciclica, formata da una sequenza di atomi
di C ibridati sp2, ciascuno con un orbitale Pz
semioccupato
•Possiede un totale di 10 elettroni p, rispettando la
regola di Hückel che definisce i composti aromatici
in base al numero di elettroni del sistema coniugato
Queste carattersitiche
definiscono il composto
come aromatico
Naftalene: il più semplice degli
idrocarburi policiclici aromatici
La struttura reale del naftalene può essere considerata come
ibrido di risonanza delle strutture:
L’analisi con i raggi X dimostra che, a differenza del benzene, non tutti
i legami C-C sono uguali
1.365 Å
1.404 Å
Naftalene: il più semplice degli
idrocarburi policiclici aromatici
PROPRIETA’ CHIMICHE DEL NAFTALENE:
La caratteristiche chimico-fisiche del naftalene
sono quelle tipiche dei composti aromatici:
•Nonostante l’elevato grado di insaturazione, il sistema dà reazioni di sostituzione
elettrofila aromatica, e molto difficilmente reazioni di addizione.
•Il sistema presenta una elevata stabilità termodinamica (61 kcal/mole), dovuta
appunto alle sue caratteristiche di aromaticità.
Questo valore è però inferiore al doppio della energia di risonanza del benzene
(36x2 = 72 Kcal/mole). Le caratteristiche di aromaticità del naftalene sono,
pertanto, meno “ideali” di quelle del benzene.
Idrocarburi policiclici con più di due anelli
aromatici
Esistono due modi per fondere un terzo anello benzenico
a due atomi di carbonio del naftalene: uno comporta
una disposizione lineare degli anelli (antracene), mentre
l’altro determina una disposizione ramificata (fenanterene)
8
9
1
7
6
3
5
10
4
8
9
10
Energia di risonanza 84 Kcal/mol
7
5
3
1
Antracene
4
6
2
2
Fenantrene
Energia di risonanza 92 Kcal/mol
Idrocarburi aromatici superiori
Al’aumentare del numero di anelli benzenici impiegati aumenta il numero dei
possibili composti:
n.ro anelli benzenici
5
6
7
8
n.ro di idrocarburi possibili
22
88
333
1448
Ovviamente non tutti questi composti sono presenti nell’ambiente in quantità
rilevanti, o comunque tali da poter essere considerati degli inquinanti.
Le regole generali per l’assegnazione del nome ai composti superiori,
e la numerazione delle posizioni sono definite univocamente e possono
essere facilmente reperite nel sito della IUPAC:
http://www.acdlabs.com/iupac/nomenclature/
Idrocarburi aromatici superiori
Di seguito (pagine presente e successiva) sono riportate le strutture di 16
idrocarburi policiclici aromatici inseriti nella lista dei “priority polluttants”
dell’ EPA (Environmental Protection Agency) più il benzo[e]pirene
antracene
naftalene
acenaftene
fluorantene
Benzo[a]antracene
acenaftilene
crisene
Benzo[a]pirene
fenantrene
fluorene
pirene
dibenzo[a,h]antracene
Idrocarburi aromatici superiori
Benzo[e]pirene
Benzo[k]fluorantene
Indeno[1,2,3cd]pirene
Benzo[b]fluorantene
Benzo[g,h,i]perilene
Le proprietà chimico-fisiche degli IPA
Gli IPA sono solidi a temperatura ambiente ed hanno punti di
ebollizione e di fusione elevati.
La tensione di vapore di tali composti è generalmente bassa, ed
inversamente proporzionale al numero di anelli contenuti
Gli IPA sono poco solubili o del tutti insolubili in acqua.
La solubilità diminuisce all’aumentare del peso molecolare.
Gli IPA sono altamente lipofili.
Gli IPA con più di quattro anelli si trovano nell’ambiente
generalmente legati a sostanze particellari.
La struttura molecolare ne determina la stabilità: in genere la
struttura lineare è la meno stabile.
Lipofilicità degli IPA
Una misura della lipofilicità delle molecole è data dal coefficiente
di ripartizione acqua/n-ottanolo(Kow), che esprime la capacità di
accumulo dei composti in “fasi” apolari, quali ad esempio i tessuti
lipidici degli organismi
Kow = [S]ottanolo/[S]acqua
[S] = concentrazione della sostanza S espressa in molarità o ppm
Piu spesso si usa il logKow
L’EPA afferma che i composti per i quali logKow è maggiore di 3.5
devono essere considerati potenzialmente pericolosi per l’ambiente
Fattore di bioconcentrazione
Il parametro che determina l’accumulo di una sostanza nella “fase”
biotica è espresso dal fattore di bioconcentrazione (BCF biological
concentration factor) dato dal seguente rapporto
BCF = Cf/Cw
Cf e Cw rappresentano le concentrazioni di una determinata
sostanza nel tessuto dell’organismo e nell’acqua in cui vive
Alcuni parametri chimico-fisici
Solubilità in acqua(mmol/l)
Naftalene
2.4x10-1
Antracene
3.7x10-4
Fenantrene
7.2x10-3
Acenaftene
2.9x10-2
Acenaftilene
Fluorene
1.2x10-2
Fluorantene
1.3x10-3
Crisene
1.3x10-5
Pirene
7.2x10-4
Benzo[a]antracene 1.3x10-5
Benzo[a]pirene
1.5x10-5
Dibenzo[a,h]antracene
Benzo[e]pirene
Benzo[k]fluorantene
Benzo[b]fluorantene
Indeno[1,2,3cd]pirene
Benzo[g,h,I]perilene
pressione di vapore(Pa, 25°C) logKow(a 25°C)
1.8x10-6
2x10-5
10.9
7.5x10-4
1.8x10-2
5.96x10-1
8.86x10-2
2.54x10-1
5.7x10-7
8.86x10-4
7.3x10-6
8.4x10-7
3.7x10-10
6x10-8
4.54
4.57
3.92
4.18
5.86
5.18
5.91
6.04
6.75
6.584
-
-
La reattività chimica
Contrariamente a ciò che accade per il benzene, in cui tutti i sei atomi di
carbonio hanno identica reattività, negli idrocarburi policiclici aromatici
le posizioni hanno differente reattività sia nella reazione di sostituzione
elettrofila aromatica, sia nelle reazioni di ossidazione e di riduzione
DI SEGUITO SONO RIPORTATI DEGLI ESEMPI RELATIVI ALLE
REAZIONI DI OSSIDAZIONE E RIDUZIONE
DI ALCUNI IPA INFERIORI
Reazioni di ossidazione e riduzione di
antracene e fenantrene
O
K2Cr2O7
9
H2SO4
O
H
10
Le posizioni reattive
dell’antracene sono gli atomi di
carbonio 9 e 10
H
Na, EtOH
H
H
K2Cr2O7
H2SO4
Le posizioni reattive
del fenantrene sono gli atomi di
carbonio 9 e 10
O
O
9
10
Na, EtOH
H
H
H
H
Reattività di idrocarburi policiclici
aromatici superiori
La differenza di reattività delle varie posizioni aumenta all’aumentare
del numero di anelli.
In particolare si rileva che le posizioni relative degli anelli condensati
degli IPA svolgono un ruolo importante nel determinarne il livello di
potenzialità cancerogena negli animali da esperimento.
Gli IPA che rappresentano gli agenti cancerogeni più potenti possiedono
una regione di recesso (bay region) formata da una ramificazione nella
sequenza di atomi degli anelli benzenici
ZONA DI RECESSO (BAY REGION)
Principali fonti degli IPA
Le fonti degli IPA sono sia antropiche che naturali.
Tuttavia si può affermare che la maggior parte degli IPA presenti
nell’ambiente provengano da fonti antropiche
Le sorgenti antropiche sono principalmente
rappresentate dalle attività industriali legate
alla combustione di combustibili fossili, agli impianti
di produzione dell’energia, all’impiego di asfalti, agli
sversamenti accidentali e non in mare, agli effluenti
domestici, alle deposizioni atmosferiche di aerosol
da combustione
Le sorgenti naturali
sono rappresentate
dalla biosintesi effettuata
dalle piante e dai
batteri, dagli incendi
dei boschi e dalle emissioni
gassose durante le
eruzioni vulcaniche
Gli IPA come inquinanti atmosferici
Gli IPA sono comuni inquinanti dell’atmosfera e, in alcune città,
sono fortemente implicati in disturbi della salute della popolazione.
In modo rappresentativo, la concentrazione degli IPA riscontrati
nell’aria esterna urbana ammonta ad alcuni nanogrammi per metro
cubo. Tale concentrazione può raggiungere può raggiungere livelli
dieci volte superiori negli ambienti molto inquinati.
La concentrazione di IPA negli ambienti chiusi è dovuta al fumo del
tabacco ed alla combustione del legno e del carbone.
Gli IPA contenenti quattro anelli, o un numero inferiore, in genere
rimangono in forma gassosa quando vengono immessi nell’atmosfera.
Dopo aver stazionato meno di 24 ore nell’aria esterna, di solito
vengono degradati attraverso una sequenza di reazioni radicaliche
che hanno inizio con la addizione di un radicale OH.
Al contrario dei loro analoghi inferiori, gli IPA con più di 4 anelli
non permangono a lungo nell’atmosfera, ma tendono a venire
adsorbiti su particelle di fuliggine o di cenere.
Poiché molte particelle di fuliggine hanno dimensioni tali da essere
respirate, gli IPA possono penetrare nei polmoni mediante la
respirazione
Gli IPA come inquinanti atmosferici
I gas ed il particolato emessi dagli scarichi degli autoveicoli a
motore diesel, che recentemente sono stati indicati come
“probabili cancerogeni per l’uomo” contengono non solo IPA, ma
anche alcuni composti derivati che presentano il nitro-gruppo, NO2,
come sostituente. Questi composti sono ancora più cancerogeni
degli IPA corrispondenti.
Duo esempi sono rappresentati di seguito. Questi si formano nei
motori per reazione dell’IPA corrispondente con i radicali NO2 ed
N2O4. E’ stato inoltre dimostrato che gli IPA si possono combinare
con l’acido nitrico dello smog fotochimico.
NO2
NO2
Due IPA nitroderivati
O2N
Gli IPA come inquinanti acquatici
Gli IPA rappresentano anche importanti inquinanti delle acque.
Qui sono generati, in quantità notevole, dalla produzione di distillati
del catrame di carbone, come il cresoto, un conservante del legno.
Gli IPA derivano anche dalla fuoriuscita del petrolio dalle
petroliere, dalle raffinerie, e dai punti di trivellazione del petrolio
in mare aperto.
Nell’acqua potabile, il livello rappresentativo degli IPA ammonta a
pochi ng/l, tanto da essere considerato una fonte trascurabile di
tali composti.
A seconda della loro pressione di vapore, i composti si trovano allo
stato gassoso o condensato sulla superficie di particelle. Composti
come il naftalene, il fluorene ed il fenantrene (Pressione di vapore
> 10-2 torr) si trovano in fase gassosa, mentre altri composti quali il
benzo[b]perilene ( Pressione di vapore <10-6 torr) si trovano in fase
condensata sulla superficie delle particelle.
Una volta immessi nell’atmosfera, il destino degli IPA adsorbiti
sulle particelle dipende dalle reazioni che possono subire (ad es.
fotodegradazioni) e dalle dimensioni delle particelle stesse
Gli IPA come inquinanti acquatici
Il meccanismo di precipitazione al suolo o in mare delle particelle,
ovviamente, dipende dalle dimensioni delle stesse.
A seconda del tipo di contributo dato alla precipitazione, dai diversi
agenti atmosferici, si può avere una “dry deposition”( precipitazione
gravitazionale, diffusione) o una “wet deposition” (neve, nebbia, pioggia).
Gli IPA adsorbiti sulle particelle, prima o poi raggiungono la superficie
terrestre, cadendo sul suolo o su un bacino acquifero, mentre gli IPA
presenti in atmosfera in fase gassosa, nella zona di interfaccia ariaacqua si ripartiscono tra le due fasi secondo il coefficiente di
trasferimento aria/acqua.
Il fattore responsabile della incorporazione degli IPA nei sedimenti, è la
sedimentazione del materiale sospeso.
La dispersione dipende da fattori quali la solubilità in acqua, la velocità
di degradazione ed i fenomeni di risospensione di sedimenti inquinati.
La solubilità in acqua decresce con il peso molecolare: composti più
solubili hanno maggiore capacità di dispersione, al contrario, composti
meno solubili hanno maggiore tendenza ad associarsi alle particelle
sospese nell’acqua, quindi ad essere inglobati nei sedimenti.
Gli IPA come inquinanti acquatici
Gli idrocarburi provenienti dal catrame sono caratterizzati da un elevato
rapporto fenantrene/antracene, cosa che non si rileva nel particolato
atmosferico.
Il rapporto fluorantene/pirene è di solito 1 o minore di 1. Alta
concentrazione di indeno[1,2,3,cd]pirene e benzo[ghi]perilene rispetto al
benzo[a]pirene, sono indicative di inquinamento da emissioni urbane per
combustione.
Alcuni esempi:
Il fenantrene è 20 volte più solubile dell’antracene, quindi tenderà meno
ad essere adsorbito sulle particelle, e quindi a sedimentare.
Il benzo[a]pirene è più fotoreattivo del benzo[e]pirene, perciò potrà
subire con maggiore facilità un processo di fotodegradazione negli strati
superficiali dell’acqua, maggiormente esposti alla radiazione solare.
Assunzione degli IPA nell’uomo
Un apporto importante avviene attraverso l’atmosfera.
Un contributo significativo deriva dalla dieta.
Questi composti, infatti, si formano anche durante la cottura dei cibi a
temperature troppo elevate (cibi grigliati, affumicati)
I vegetali a foglia larga, come lattuga e spinaci, possono rappresentare
una fonte ancora più rilevante di IPA cancerogeni, per la deposizione di
tali sostanze, trasportate con l’aria sulle foglie durante la crescita.
Contribuiscono significativamente anche i cereali consumati allo stato
grezzo.
IPA derivano anche dal fumo di sigaretta.
Come si formano gli IPA
Il meccanismo di formazione degli IPA durante il processo di
combustione è alquanto complesso; esso è dovuto principalmente alla
ripolimerizzazione di frammenti di idrocarburo che si formano durante il
processo noto come craking, vale a dire la frammentazione in numerose
parti delle molecole del combustibile a contatto con il fuoco. La reazione
di ripolimerizzazione avviene soprattutto in condizioni di carenza di
ossigeno; in genere la velocità di formazione degli IPA aumenta con il
diminuire del rapporto ossigeno/combustibile: i frammenti spesso
perdono qualche atomo di idrogeno, che genera acqua dopo essersi
combinato con l’ossigeno durante la varie fasi della reazione: i frammenti
ricchi di carbonio si combinano in modo tale da formare gli idrocarburi
aromatici policiclici, che rappresentano le molecole più stabili, con un
rapporto C/H elevato.
Nella pagina seguente sono illustrate in dettaglio alcune di queste
reazioni.
Come si formano gli IPA
Dopo i processi di craking e di combustione parziale, si assiste ad una
prevalenza della presenza di frammenti contenenti due atomi di
carbonio.
Di seguito, è riportata la reazione di un
radicale libero a due atomi di carbonio H2C
con una molecola di acetilene a dare un
radicale a 4 atomi di carbonio.
CH +
CH
CH
H2C
CH
CH
CH
CH
CH + HC
CH
CH
H2C
Il radicale che ne risulta può essere
successivamente addizionare un altra
molecola di acetilene e ciclizzare in
modo da produrre un anello a sei
componenti
CH
HC
CH2
CH
CH
Il radicale può addizionare ulteriori
molecole di acetilene dando luogo a
catene laterali che formano anelli
benzenici condensati
H2C
CH
HC
H
CH
CH
CH
H
H
HCCH
CH
H
H
H
H
H
HCCH
H
Il meccanismo di cancerogenesi degli IPA
Gli IPA non sono di per sé agenti cancerogeni, ma lo sono alcuni derivati
in cui essi vengono convertiti dall’organismo nel tentativo di renderli
idrosolubili, e quindi più facilmente eliminabili.
Nella pagina successiva è presentata la sequenza di trasformazioni
subite dal benzo[a]pirene
Trasformazioni metaboliche del
benzo[a]pirene
La prima trasformazione è la
epossidazione nelle posizioni 7,8, le
più reattive, che rappresentano la
cosiddetta regione K.
O
Benzo[a]piren-7,8-ossido
H2O
HO
O
OH
L’epossido subisce un attacco
nucleofilo da parte dell’acqua, con
formazione di un diolo, più
idrosolubile e quindi più facilemente
eliminabile.
Benzo[a]piren-7,8-diidro-7,8-diolo
Una parte delle molecole del diolo
vengono ulteriormente epossidate
regio- e stereoselettivamente.
O
HO
HO
OH
OH
Si ritiene che sia questo diolo epossido
la specie effettivamente cancerogena
Il derivato dell’IPA si lega al DNA
O
O
-O
P
O-
H
O
H
O
H
N
H
N
O
H
NH2
N
N
HO
OH
O
O
-O
P
O-
H
O
H
H
O
H
N
N
H
NH
N
N
HO
HO
OH
Il diolo epossidico viene legato al
DNA attraverso attacco nucleofilo,
ad esempio da parte della adenina.
L’attacco covalente del grosso
residuo idrocarburico rappresenta
un evidente danno per il DNA.
Questo danno provoca delle
mutazioni e, con le mutazioni, una
maggiore probabilità di
cancerogenesi.
Procedure analitiche per la determinazione
degli IPA
Come esempio delle tecniche di determinazione analitica degli IPA in
matrici reali, verrnno di seguito illustrate alcune procedure
sperimentali per la determinazione degli IPA in sedimenti marini,
consigliata dall’EPA (Environmental Protection Agency).
Si possono distinguere varie fasi:
1) PRELIEVO E CONSERVAZIONE DEI CAMPIONI
2) ESTRAZIONE DEGLI IPA DALLE MATRICI
3) PURIFICAZIONE DA ANALITI INTERFERENTI
4) ANALISI QUALITATIVA E QUANTITATIVA DEGLI IPA
Prelievo e conservazione dei campioni
I campioni solidi prelevati (suolo, sedimenti, fanghi, cenere) sono
conservati in recipienti di vetro da 250 ml dall’apertura larga e con il
tappo teflonato ad una temperatura di 4°C.
Le matrici andranno estratte entro 14 giorni dalla data di
campionamento e gli estratti analizzati entro 40 giorni dalla data di
estrazione
In alternativa i campioni possono essere conservati tra –15°C e –20°C al
buio, in un contenitore ambrato fino all’estrazione, e tutti gli
estratti conservati a 4°C.
Se le analisi devono essere effettuate in tempi molto distanti dalla data
del campionamento, i campioni possono essere conservati a –20°C, ed
analizzati dopo massimo 14 giorni per i composti volatili, ed anche
dopo un anno per gli altri.
Estrazione degli IPA dalle matrici
Viene illustrato il metodo EPA 3540C:
Al campione solido è aggiunto solfato
sodico, e la miscela viene posta
all’interno di ditali di cellulosa per
estrazione, tra due batuffoli di lana
di vetro, quindi estratto con
appropriati solventi in un estrattore
tipo Soxhlet. L’estratto è poi portato
a piccolo volume, ed il solvente
estrattivo viene cambiato con uno più
compatibile
per
le
successive
purificazioni.
Solventi consigliati:
Acetone/esano (1/1)(v/v)
Dimetilcloruro/acetone (1/1)(v/v)
Estrattore Soxhlet
Purificazione degli estratti
Gli estratti devono essere purificati per eliminare le interferenze, ad
esempio le fasi lipidiche.
I metodi di purificazione utilizzano colonnine cromatografiche
impaccate con diversi materiali adsorbenti, quali:
1) Allumina( Metodo EPA 3611). Questo metodo è appropriato per
separare le diverse frazioni del petrolio (alifatica, aromatica e
frazioni polari).
2) Florisil ( Metodo EPA 3620). Questo metodo è adatto a separare gli
IPA da grassi, oli e cere.
2) Gel di silice (Metodo EPA 3630). Questo metodo è adatto per
separare gli IPA dagli idrocarburi alifatici.
Analisi degli IPA
Le procedure di rivelazione analitica sono molteplici, ed un confronto
tra I diversi metodi ne mostra la complementarietà.
La procedura EPA 8270C indica l’uso di gas-cromatografo interfacciato
a spettrometro di massa (GC/MS). L’identificazione è effettuata per
confronto dello spettro di massa in impatto elettronici con quello
degli standard. L’analisi quantitativa utilizza standard interni.
Vengono rilevati analiti nell’ordine dei ppb.
La procedura EPA 8310 prevede una separazione tramite HPLC
seguita da una rivelazione fluorimetrica o spettrofotometrica (UVvis). E’ richiesto l’uso di standard per la calibrazione.
Il metodo EPA 8100, particolarmente adatto per la rivelazione degli IPA
in matrici solide, prevede la quantificazione degli IPA mediante
gas-cromatografia con detector a ionizzazione di fiamma (FID). E’
richiesto l’uso di standard per la calibrazione.