Hydrocarbon thơm đa vòng

Hydrocarbon thơm đa vòng (PAH) là các hoá chất thuộc nhóm hydrocarbon thơm, mà mỗi phân tử được tạo thành từ nhiều vòng (vòng hữu cơ trong đó các elêctron được định vị). Đây là một thuật ngữ của hoá học, trong tiếng Anh gọi là polycyclic aromatic hydrocarbon (hydrocarbon thơm đa vòng, viết tắt là PAH), hoặc cũng gọi là polynuclear aromatic hydrocarbon (hydrocarbon thơm đa nhân) hay đôi khi gọi là polyaromatic hydrocarbon.[1][2] Ở đây viết tắt theo tiếng Anh là PAH.

Ba đại diện của hydrocarbon thơm 6 vòng. Trên cùng: sơ đồ chuẩn, mỗi đỉnh hình lục giác là nguyên tử carbon. Giữa: Sơ đồ hiển thị tất cả các nguyên tử cacbon và hydro. Dưới cùng: Ảnh từ kính hiển vi lực nguyên tử.

Khái niệm

  • Một phân tử được gọi là hydrocarbon khi phân tử đó chỉ gồm các nguyên tử hydro (H) và cacbon (C) hợp thành. Ví dụ như mêtan (CH4) là loại hydrocarbon đơn giản nhất.
  • Một phân tử được gọi là hydrocarbon vòng khi nó là hydrocarbon gồm ít nhất 3 nguyên tử hợp thành, liên kết với nhau thành chuỗi khép kín (vòng).
  • Một phân tử được gọi là hydrocarbon thơm khi hợp chất chứa nó có mùi thơm (như benzen), nay được định nghĩa chính thức là một loại hydrocarbon có liên kết sigma và các điện tử pi được định vị giữa các nguyên tử carbon.
  • Một phân tử được gọi là hydrocarbon thơm đa vòng (PAH) khi nó là hydrocarbon thơm, do nhiều cấu trúc vòng hợp thành. Trong đó, cấu hình của một vòng thường gặp nhất ở nhóm này là hình 6 cạnh (còn gọi là vòng benzen). Những chất PAH này khá phổ biến trong đời sống hàng ngày: nấu nướng thịt ở nhiệt độ quá cao sẽ hình thành PAH trong thịt; khói thuốc lá chứa nhiều loại PAH; naphtalen là PAH được sản xuất thương mại ở nhiều nước để sản xuất băng phiến,...
  • Những PAH (hydrocarbon thơm đa vòng) đơn giản khác - ngoài naphtalen là dạng hai vòng - còn có hợp chất ba vòng anthracene và phenanthrene.
  • Một số PAU thường gặp: benzene, naphthalene, phenanthrene, anthracene

Danh pháp, cấu trúc và tính chất

Danh pháp và cấu trúc

Theo định nghĩa, hydrocarbon thơm có nhiều vòng, trừ benzen, được coi là PAH. Naphthalene được coi là dạng đơn giản nhất của PAH theo US EPA Hoa Kỳ và US CDC.[3] Nhưng cũng có tác giả cho rằng PAH đơn giản là dạng ba vòng phenanthrene và anthracene.[4] PAH thường không được coi là có chứa dị nguyên tử (heteroatom) hoặc có nhóm phụ (substituent).☃Phổ biến nhất là PAH với năm vòng hoặc sáu vòng. Những loại chỉ gồm các sáu vòng được gọi là PAH biến đổi (alternant) gồm PAH benzenoid.[5] Dưới đây là một số dạng PAH, khác nhau về số lượng và cách sắp xếp vòng:

  • Hợp chất PAH chính
  • Anthracene
    Anthracene
  • Phenanthrene
    Phenanthrene
  • Phenalene
    Phenalene
  • Tetracene
    Tetracene
  • Chrysene
    Chrysene
  • Triphenylene
    Triphenylene
  • Pyrene
    Pyrene
  • Pentacene
    Pentacene
  • Benzo[a]pyrene
    Benzo[a]pyrene
  • Corannulene
    Corannulene
  • Benzo[ghi]perylene
    Benzo[ghi]perylene
  • Coronene
    Coronene
  • Ovalene
    Ovalene
  • Benzo[c]fluorene
    Benzo[c]fluorene

Tính chất hóa lý

Phần lớn PAH không tan trong nước, mặc dù có một số PAH kích thước nhỏ gây ô nhiễm nguồn nước uống. Các dạng kích thước lớn cũng hòa tan ít trong dung môi hữu cơ và trong lipid. Chúng thường không màu.[6][7]

Độ thơm và vị thơm cũng khác nhau đối với các PAH khác nhau theo quy tắc Clar.[8] Cấu trúc cộng hưởng (resonance) của một số PAH có kích thước lớn nhất có liên kết Pi.[9]

  • Phân tích cộng hưởng cấu trúc benzen theo quy tắc Clar
  • Phenanthrene
    Phenanthrene
  • Anthracene
    Anthracene
  • Chrysene
    Chrysene

Thuộc tính chính

PAH không phân cực và ưa lipid. Loại PAH kích thước phân tử lớn thì không hòa tan trong nước, nhưng một số PAH nhỏ lại có thể hòa tan.[10][11] Tương tự đối với dung môi hữu cơ và trong lipid: lớn thì không hòa tan, còn nhỏ có thể hòa tan. Ngoài mùi dễ nhận, loại lớn hơn có màu, như perylene.[12]

Nguồn phát sinh

Trong tự nhiên

Từ hóa thạch carbon

PAH (hydrocarbon thơm đa vòng) chủ yếu được tìm thấy trong các nguồn tự nhiên như nhựa đường (bitumen).[13][14]

PAH còn được tạo ra khi trầm tích hữu cơ được biến đổi thành nhiên liệu hóa thạch như dầu và than.[15][16][17][18]

Cháy trong tự nhiên và vũ trụ

PAH có thể phát sinh từ đốt cháy không hoàn toàn các chất hữu cơ trong các đám cháy rừng tự nhiên.[19][20][20] Mức độ PAH cao đột ngột được phát hiện ở khoảng thời gian giữa kỷ Phấn trắng và kỷ Đệ tam, là cao gấp hơn 100 lần mức ở các lớp đất đá liền kề. Hiện tượng này được giải thích là do các đám cháy rừng rất lớn đã hủy khoảng 20% sinh khối trên mặt đất trong.[21]

Kính viễn vọng Không gian Spitzer của NASA thu được các dữ liệu PAH phát sinh ra liên quan đến sự hình thành các sao. Những hình ảnh này có thể theo dõi bề mặt của các đám mây hình thành sao trong thiên hà của chúng ta hoặc xác định các thiên hà hình thành sao trong vũ trụ xa xôi.[22] Vào tháng 6 năm 2013, PAH đã được phát hiện trong bầu khí quyển của Titan, mặt trăng lớn nhất của Sao Thổ.[23]

Nguồn nhân tạo

Kiểu đun nấu thế này cũng phát sinh PAH.

Do đó, các nguồn PAH chủ yếu trong môi trường là từ hoạt động của con người: đốt củi và đốt các nhiên liệu sinh học khác như phân hoặc tàn dư cây trồng đóng góp hơn một nửa lượng phát thải PAH toàn cầu hàng năm, đặc biệt là do sử dụng nhiên liệu sinh học ở Ấn Độ và Trung Quốc.[19][20] Tính đến năm 2004, các quy trình công nghiệp và việc khai thác và sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã tạo ra hơn một phần tư lượng phát thải PAH toàn cầu, chiếm ưu thế về sản lượng ở các nước công nghiệp như Hoa Kỳ.[20]

Quá trình đốt cháy ở nhiệt độ thấp hơn, chẳng hạn như hút thuốc lá hoặc đốt củi, rơm rạ có xu hướng tạo ra PAH có trọng lượng phân tử thấp, trong khi các quy trình công nghiệp ở nhiệt độ cao thường tạo ra PAH có trọng lượng phân tử cao hơn.[24]

PAH thường được tìm thấy dưới dạng hỗn hợp phức tạp.[15][24]

Trong Sinh học, PAH được chú trọng nghiên cứu do lý thuyết cho rằng PAH từ xa xưa đã phát sinh ra RNA và DNA như giả thuyết thế giới PAH.

Nguồn trích dẫn

  1. ^ “Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs)” (PDF).
  2. ^ J.P. Meador. “Polycyclic Aromatic Hydrocarbons”.
  3. ^ “Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs)” (PDF). Naphthalene is a PAH that is produced commercially in the US
  4. ^ G.P. Moss IUPAC nomenclature for fused-ring systems[cần chú thích đầy đủ]
  5. ^ Harvey, R. G. (1998). “Environmental Chemistry of PAHs”. PAHs and Related Compounds: Chemistry. The Handbook of Environmental Chemistry. Springer. tr. 1–54. ISBN 9783540496977.
  6. ^ Feng, Xinliang; Pisula, Wojciech; Müllen, Klaus (2009). “Large polycyclic aromatic hydrocarbons: Synthesis and discotic organization”. Pure and Applied Chemistry. 81 (2): 2203–2224. doi:10.1351/PAC-CON-09-07-07.
  7. ^ “Addendum to Vol. 2. Health criteria and other supporting information”, Guidelines for drinking-water quality (ấn bản 2), Geneva: World Health Organization, 1998
  8. ^ Clar, E. (1964). Polycyclic Hydrocarbons. New York, NY: Academic Press. LCCN 63012392.
  9. ^ Portella, G.; Poater, J.; Solà, M. (2005). “Assessment of Clar's aromatic π-sextet rule by means of PDI, NICS and HOMA indicators of local aromaticity”. Journal of Physical Organic Chemistry. 18 (8): 785–791. doi:10.1002/poc.938.
  10. ^ Cảnh báo chú thích: Không thể xem truớc thẻ <ref> có tên feng2009 vì nó được định rõ bên ngoài phần trang này hoặc không được định rõ.
  11. ^ Cảnh báo chú thích: Không thể xem truớc thẻ <ref> có tên WHO1998 vì nó được định rõ bên ngoài phần trang này hoặc không được định rõ.
  12. ^ Cảnh báo chú thích: Không thể xem truớc thẻ <ref> có tên gutm2012 vì nó được định rõ bên ngoài phần trang này hoặc không được định rõ.
  13. ^ Cảnh báo chú thích: Không thể xem truớc thẻ <ref> có tên ullm0000 vì nó được định rõ bên ngoài phần trang này hoặc không được định rõ.
  14. ^ Cảnh báo chú thích: Không thể xem truớc thẻ <ref> có tên qrp0000 vì nó được định rõ bên ngoài phần trang này hoặc không được định rõ.
  15. ^ a b Cảnh báo chú thích: Không thể xem truớc thẻ <ref> có tên ravi2008 vì nó được định rõ bên ngoài phần trang này hoặc không được định rõ.
  16. ^ Stephen A. Wise, Robert M. Campbell, W. Raymond West, Milton L. Lee, Keith D. Bartle (1986): "Characterization of polycyclic aromatic hydrocarbon minerals curtisite, idrialite and pendletonite using high-performance liquid chromatography, gas chromatography, mass spectrometry and nuclear magnetic resonance spectroscopy". Chemical Geology, volume 54, issues 3–4, pages 339-357. doi:10.1016/0009-2541(86)90148-8
  17. ^ Takuya Echigo, Mitsuyoshi Kimata, and Teruyuki Maruoka (2007): "Crystal-chemical and carbon-isotopic characteristics of karpatite (C24H12) from the Picacho Peak Area, San Benito County, California: Evidences for the hydrothermal formation". American Mineralogist, volume 92, issues 8-9, pages 1262–1269. doi:10.2138/am.2007.2509
  18. ^ Max Blumer (1975): "Curtisite, idrialite and pendletonite, polycyclic aromatic hydrocarbon minerals: Their composition and origin" Chemical Geology, volume 16, issue 4, pages 245-256. doi:10.1016/0009-2541(75)90064-9
  19. ^ a b Abdel-Shafy, Hussein I. (2016). “A review on polycyclic aromatic hydrocarbons: Source, environmental impact, effect on human health and remediation”. Egyptian Journal of Petroleum. 25 (1): 107–123. doi:10.1016/j.ejpe.2015.03.011.
  20. ^ a b c d Ramesh, A.; Archibong, A.; Hood, D. B.; Guo, Z.; Loganathan, B. G. (2011). “Global environmental distribution and human health effects of polycyclic aromatic hydrocarbons”. Global Contamination Trends of Persistent Organic Chemicals. Boca Raton, FL: CRC Press. tr. 97–126. ISBN 978-1-4398-3831-0.
  21. ^ Tetsuya Arinobu, Ryoshi Ishiwatari, Kunio Kaiho, and Marcos A. Lamolda (1999): "Spike of pyrosynthetic polycyclic aromatic hydrocarbons associated with an abrupt decrease in δ13C of a terrestrial biomarker at the Cretaceous-Tertiary boundary at Caravaca, Spain ". Geology, volume 27, issue 8, pages 723–726 doi:10.1130/0091-7613(1999)027<0723:SOPPAH>2.3.CO;2
  22. ^ Cảnh báo chú thích: Không thể xem truớc thẻ <ref> có tên hurt2005 vì nó được định rõ bên ngoài phần trang này hoặc không được định rõ.
  23. ^ Cảnh báo chú thích: Không thể xem truớc thẻ <ref> có tên lope2013 vì nó được định rõ bên ngoài phần trang này hoặc không được định rõ.
  24. ^ a b Tobiszewski, M.; Namieśnik, J. (2012). “PAH diagnostic ratios for the identification of pollution emission sources”. Environmental Pollution. 162: 110–119. doi:10.1016/j.envpol.2011.10.025. ISSN 0269-7491. PMID 22243855.

Liên kết ngoài