CORSO DI CHIMICA DEGLI INQUINANTI ORGANICI Dr Armando

CORSO DI CHIMICA DEGLI INQUINANTI ORGANICI Dr Armando Zarrelli Dipartimento di Scienze Chimiche Università Federico II di Napoli Tel. 081 -674472 E-mail: zarrelli@unina. it

Idrocarburi Policiclici Aromatici (IPA) Prodotti di sintesi collaterale ma di tossicità primaria 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

IPA: Aspetti chimici Naftalene: il più semplice degli idrocarburi policiclici aromatici. La chimica degli IPA può essere meglio compresa iniziando dal più semplice di essi. b a 8 a 1 7 b 6 5 a 2 b Strutturalmente il naftalene si può considerare derivante dalla fusione di due molecole di benzene. 3 b a e b indicano le diverse posizioni sulla molecola. 4 a STRUTTURA MOLECOLARE: • Planare, ciclica, formata da una sequenza di atomi di C ibridati sp 2, ciascuno con un orbitale pz semi-occupato • Possiede un totale di 10 elettroni p, rispettando la regola di Hückel

Naftalene: il più semplice degli IPA 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

Proprieta’ chimiche del naftalene 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). Questo valore è però inferiore al doppio della energia di risonanza del benzene (36 x 2 = 72 Kcal/mole). Le caratteristiche di aromaticità del naftalene sono, pertanto, meno “ideali” di quelle del benzene.

IPA 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, mentre l’altro determina una disposizione ramificata. 6 8 9 7 6 5 10 4 1 2 3 3 2 4 7 5 8 9 1 10 Antracene Fenantrene Energia di risonanza 84 Kcal/mol Energia di risonanza 92 Kcal/mol La struttura molecolare determina la stabilità e, in genere, la struttura lineare è la meno stabile.

Idrocarburi aromatici superiori-1 All’aumentare del numero di anelli benzenici impiegati aumenta il numero dei possibili composti: numero anelli benzenici 5 6 7 8 numero 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-2 Di seguito sono riportate le strutture di 16 idrocarburi policiclici aromatici inseriti nella lista dei “priority polluttants” dell’EPA (Environmental Protection Agency). antracene naftalene acenaftene fluorantene Benzo[a]antracene acenaftilene crisene Benzo[a]pirene fenantrene fluorene pirene dibenzo[a, h]antracene

Idrocarburi aromatici superiori-3 Benzo[e]pirene Benzo[k]fluorantene Indeno[1, 2, 3 cd]pirene Benzo[b]fluorantene Benzo[g, h, i]perilene

Le proprietà chimico-fisiche degli IPA A temperatura ambiente, gli IPA con meno di 4 anelli sono gassosi e solidi se hanno un numero maggiore di anelli. 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 e 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.

Lipofilicità degli IPA Una misura della lipofilicità delle molecole è data dal coefficiente di ripartizione n-ottanolo/acqua (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 log. Kow L’EPA afferma che i composti per i quali log. Kow 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. 4 x 10 -1 Antracene 3. 7 x 10 -4 Fenantrene 7. 2 x 10 -3 Acenaftene 2. 9 x 10 -2 Acenaftilene Fluorene 1. 2 x 10 -2 Fluorantene 1. 3 x 10 -3 Crisene 1. 3 x 10 -5 Pirene 7. 2 x 10 -4 Benzo[a]antracene 1. 3 x 10 -5 Benzo[a]pirene 1. 5 x 10 -5 Dibenzo[a, h]antracene 1. 8 x 10 -6 Benzo[e]pirene Benzo[k]fluorantene Benzo[b]fluorantene Indeno[1, 2, 3 cd]pirene Benzo[g, h, I]perilene 2 x 10 -5 pressione di vapore (Pa, 25 °C) 1. 0 x 10 -9 7. 5 x 10 -4 1. 8 x 10 -2 5. 96 x 10 -1 8. 86 x 10 -2 2. 54 x 10 -1 5. 7 x 10 -7 8. 86 x 10 -4 7. 3 x 10 -6 8. 4 x 10 -7 3. 7 x 10 -10 6 x 10 -8 log. Kow (25 °C) 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 Gli IPA subiscono reazioni di ossidazione e riduzione in posizioni particolari, ad asempio nell’antracene le posizioni più reattive sono la 9 e la 10 9 10

Reazioni di ossidazione e riduzione di fenantrene Le posizioni reattive del fenantrene sono gli atomi di carbonio 9 e 10. 9 10

Principali fonti degli IPA Le fonti degli IPA sono sia antropiche 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 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

Sorgenti di IPA Si formano in processi di combustione incompleta di: Sono rilasciati da: üEruzioni vulcaniche üIncendi di foreste üScarichi di auto • Carbone • Olio • Gas • Rifiuti • Tabacco Si ritrovano in: • Creosoto • Coloranti • Plastiche • Pesticidi • Cibi (bistecca alla brace, margarina, salse, caffè tostato, pane tostato, lattuga)

Produzione mondiale di IPA nel 1976 Sorgente Quantità (103 ton / anno) 260 51 Produzione industriale 105 20 Incenerimento e fuochi all’aperto 135 28 Trasporto 4. 5 0. 9 Riscaldamento e produzione di energia %

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. La concentrazione degli IPA riscontrati nell’aria esterna urbana ammonta ad alcuni nanogrammi per metro cubo. Tale concentrazione 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 come inquinanti atmosferici I gas ed il particolato emessi dagli scarichi degli autoveicoli a motore diesel, che sono stati indicati come “probabili cancerogeni per l’uomo” contengono non solo IPA, ma anche alcuni composti derivati che presentano il nitrogruppo 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 NO 2 ed N 2 O 4. È stato inoltre dimostrato che gli IPA si possono combinare con l’acido nitrico dello smog fotochimico. Due IPA nitroderivati

Gli IPA come inquinanti atmosferici 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 trasformati attraverso una sequenza di reazioni radicaliche hanno inizio con la addizione di un radicale OH.

Degradazione degli IPA con tre anelli

Gli IPA come inquinanti atmosferici 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 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 aria-acqua si ripartiscono tra le due fasi secondo il coefficiente di trasferimento aria/acqua.

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.

Presenza nell’uomo Pirene Benzo[a]pirene

Come si formano gli IPA Il meccanismo di formazione degli IPA durante il processo di combustione è alquanto complesso: esso è dovuto principalmente alla ri-polimerizzazione 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 ri-polimerizzazione 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 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.

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. Reazione di un radicale libero a due atomi di carbonio con una molecola di acetilene a dare un radicale a 4 atomi di carbonio. Il radicale che ne risulta può essere successivamente addizionare un’altra molecola di acetilene e ciclizzare producendo un anello a sei componenti Il radicale può addizionare ulteriori molecole di acetilene dando luogo a catene laterali che formano anelli benzenici condensati

Effetti sulla salute Agenzia Internazionale per la Ricerca sul Cancro (IARC) classifica i composti sulla base del grado di cancerogenicità, definito dai seguenti valori: 2 A: agente cancerogeno 2 B: probabile agente cancerogeno 3: non classificabile come cancerogeno 48 IPA possiedono un potenziale effetto cancerogeno. IPA Grado di cancerogenità Benzo(a)pirene 2 A Dibenzo(ah)antracene 2 A Benzo(b)fluorantene 2 B 5 -metil-crisene 2 B Antracene 3 Fluorene 3 IPA Unità di Rischio Antracene 2. 4 x 10 -2 Fluorantrene 8. 7 x 10 -4 Benzo(a)pirene 8. 7 x 10 -2 Dibenzo(a, h) antracene 4. 4 x 10 -1 L’OMS non fissa valori di soglia per gli IPA, ma propone dei fattori di rischio, lasciando ai singoli legislatori la possibilità di fissare un limite in relazione al rischio ritenuto accettabile. Si definisce l’unità di rischio come il numero di individui su un campione di 10. 000 che manifesta dei disturbi quando viene esposto per tutta la vita ad una concentrazione di 1 µg/m 3. Da studi epidemiologici risulta che il benzo(a)pirene ha unità di rischio pari a 8. 7 x 10 -2.

Gli IPA come agenti precancerogeni I CANCEROGENI POSSONO ESSER SUDDIVISI IN: 1. Cancerogeni genotossici (IPA): sono sostanze per lo più elettrofile che reagiscono direttamente con il DNA per formare legami covalenti e quindi mutazioni. 2. Cancerogeni epitossici (PCB): sono sostanze che espletano la loro funzione cancerose agendo su meccanismi diversi da quello della riproduzione del DNA. I loro meccanismi d’azione possono essere: -INIBIRE IL POTERE DEL SISTEMA IMMUNITARIO -ALTERARE L’AZIONE ORMONALE -ACCRESCRE L’EFFETTO DI ALTRI CANCEROGENI

Gli IPA nelle carni cotte alla brace affumicate e fritte Nelle carni cotte alla brace è presente il 2 -ammino-1 -metil-6 -fenil-imidazo(4, 5 b)-piridina, individuato come uno dei maggiori mutageni responsabili del tumore al colon retto e della ghiandola mammaria. Anche esso come altri IPA non è cancerogeno ma lo sono i prodotti ottenuti dalla sua metabolizzazione.

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. Benzo[a]piren-7, 8 -ossido 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. Si ritiene che sia questo diolo epossido la specie effettivamente cancerogena

Il derivato dell’IPA si lega al DNA 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, verranno 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. 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. 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.

Estrazione degli IPA dalle matrici Viene illustrato il metodo EPA 3540 C: 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. 3) Gel di silice (Metodo EPA 3630). Questo metodo è adatto per separare gli IPA dagli idrocarburi alifatici.

Deteminazione degli IPA SPETTROFOTOMETRIA UV – VIS, SPETTROFLUORIMETRIA, GC – FID, GC - MS 1. Naftalene 4. Fluorene 5. Fenantrene 8. Pirene 11. Benzo(b)fluorantene 14. Benzo(a)pirene 17. Dibenzo(a, h)atracene 2. Acenaftilene 3. Acenaftene 6. Antracene 7. Fluorantene 9. Benzo(a)antracene 10. Crisene 12. Benzo(k)fluorantene 13. Benzo(e)pirene 15. Perilene 16. Indeno(1, 2, 3 -c, d)pirene 18. Benzo(g, h, i)perilene.

Effetti sulla salute-1 CANCEROGENI verso: Irritazioni e bruciature dopo il contatto PELLE POLMONI VESCICA SCROTO Ispessimento della pelle Inscurimento della pelle Comparsa di pustole e bollicine L’esposizione ai raggi solari amplifica gli effetti L’esposizione di donne gravide provoca al nascituro: Sviluppo ritardato del feto Basso coefficiente intellettivo Peso inferiore alla media Danni al DNA Circonferenza cranica inferiore alla media Distruzione del sistema endocrino (es. estrogeno, tiroideo e steroideo) Alle donne viene riscontrata una menopausa precoce correlata con la distruzione degli ovuli