Anthracen: Produktion, Reaktionen und Verwendungen

Anthracene structure

Anthracen ist ein fester polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoff (PAK) der Formel C14H10, der aus drei kondensierten Benzolringen besteht. Es ist ein Bestandteil von Kohlenteer und wurde 1832 von J. DUMAS und H. A. LAURENT entdeckt. Anthracen ist farblos, zeigt jedoch unter ultravioletter Strahlung eine blaue Fluoreszenz.

Inhaltsverzeichnis

1. Physikalische Eigenschaften von Anthracen

Anthracen (C14H10 mit einem Molekulargewicht von 178,24 g/mol) ist ein farbloser Feststoff mit einem Schmelzpunkt von 218 °C und einem Siedepunkt von 340 °C bei 101,3 kPa. Es weist eine blau-violette Fluoreszenz auf und kann sublimieren, d. h. es geht direkt vom Feststoff in den Dampf über.

Anthracen kann mit Phenanthren und Carbazol in binären und ternären Systemen Mischkristalle bilden.

Anthracen ist in BenzolChloroform und Schwefelkohlenstoff leicht löslich, in Diethylether und Ethanol weniger löslich und in Wasser nahezu unlöslich.

Anthracen hat eine spezifische Wärmekapazität von 1164 J/kg bei 24 °C, eine Schmelzwärme von 162 kJ/kg, eine Verdampfungswärme von 294 kJ/kg und eine Verbrennungswärme von 40110 kJ/kg bei 25 °C .

2. Chemische Reaktionen von Anthracen

Anthracen kann unter bestimmten Bedingungen verschiedene chemische Umwandlungen durchlaufen:

1. Bestrahlung mit UV-Licht: Bei Einwirkung von UV-Licht in Abwesenheit von Sauerstoff wird Anthracen in Dianthracen umgewandelt.

2. Oxidation mit Sauerstoff: In Gegenwart von Sauerstoff reagiert Anthracen durch Anlagerung von Sauerstoff an die 9,10-Positionen, was zur Bildung einer Peroxidverbindung führt.

Oxidation of Anthracene with oxygen

3. Pyrokondensation: Durch Pyrokondensation kann Anthracen zwei Produkte ergeben, nämlich 2,9-Bianthryl und 9,10-Dihydroanthracen.

4. Hydrierung: Anthracen kann leicht hydriert werden, um 9,10-Dihydroanthracen herzustellen. Unter Verwendung homogener Rutheniumkatalysatoren kann eine weitere Hydrierung durchgeführt werden, um 1,2,3,4-Tetrahydroanthracen zu ergeben, und eine anschließende Hydrierung kann zur Bildung von 1,2,3,4,5,6,7,8-Octahydroanthracen führen.

Hydrogenation of Anthracene

5. Oxidation: Bei Oxidation in der flüssigen oder gasförmigen Phase wandelt sich Anthracen in Anthrachinon um.

6. Halogenierung, Nitrierung und Sulfonierung: Anthracen wird hauptsächlich an der 9- und 10-Position halogeniert und nitriert und an der 1- oder 2-Position sulfoniert, abhängig von den spezifischen Reaktionsbedingungen.

Halogenation and Nitration of Anthracene

7. Diels-Alder-Addition: Anthracen kann Diels-Alder-Additionsreaktionen mit Dienophilen wie Maleinsäureanhydrid eingehen. Diese Additionen erfolgen typischerweise an den Positionen 9 und 10.

8. Magnesiumreaktion: Anthracen kann mit Magnesiummetall in Tetrahydrofuran (THF) reagieren, um ein Magnesium-Anthracen-Addukt zu bilden. Dieses Addukt kann weiterverarbeitet werden, um hochreaktives Magnesium zu erhalten, das anschließend in Magnesiumhydrid und Grignard-Reagenzien umgewandelt werden kann.

Diese chemischen Reaktionen veranschaulichen die Vielseitigkeit von Anthracen in verschiedenen Syntheseprozessen und sein Potenzial zur Bildung vielfältiger organischer Verbindungen unter bestimmten Bedingungen.

3. Herstellung von Anthracen

3.1. Gewinnung von Anthracen aus Kohlenteer

Anthracen wird durch kontinuierliche Teerdestillation aus Hochtemperatur-Kohlenteer gewonnen. Die zwischen 300 und 360 °C siedende Fraktion, bekannt als Anthracenöl I, wird auf einen Gehalt von etwa 7 % Anthracen konzentriert.

Dieses Öl wird dann abgekühlt und zentrifugiert, um Anthracen-Rückstände zu erhalten, die etwa 20–35 % Anthracen enthalten.

Anthracenrückstände können durch Kristallisation oder Destillation weiter gereinigt werden. Durch die Destillation entsteht ein Rohprodukt mit 45–55 % Anthracen, allgemein bekannt als „50er-Anthracen“. 50er-Anthracen mit verbesserter Qualität kann durch einen zweistufigen kontinuierlichen Kolonnendestillationsprozess gewonnen werden.

Um eine höhere Reinheit zu erreichen, kann rohes 50er-Anthracen mit selektiven Lösungsmitteln umkristallisiert werden. Durch wiederholte Umkristallisation aus einem drei- bis vierfachen Überschuss an Pyridin erhält man beispielsweise Anthracen mit einer Reinheit von 95 %, bezogen auf seinen Gehalt im 50er-Jahre-Anthracen, bei einer Ausbeute von 80 %. Für die Umkristallisation können auch verschiedene andere selektive Lösungsmittel verwendet werden.

3.2. Alternative Extraktionsmethoden

Anthracen kann auch aus dem hochsiedenden Öl der Kohleverflüssigung gewonnen werden. Für carbazolfreies Rohanthracen kann die Destillation und Kristallisation von Rückständen aus der Pyrolyse von Kohlenwasserstofffraktionen zu Olefinen eingesetzt werden, obwohl diese Pyrolyseöle typischerweise weniger als 1 % Anthracen enthalten.

Durch selektive Hydrodealkylierung der aromatischen Fraktion, die Methylphenanthrene und Methylanthracene enthält, können die Anthracenausbeuten gesteigert werden.

3.3. Synthese von Anthracen

Anthracen kann auch durch verschiedene Methoden synthetisiert werden, einschließlich der Hydrierung von Phenanthren, der Isomerisierung von sym-Octahydrophenanthren zu sym-Octahydroanthracen und der anschließenden Dehydrierung.

Durch katalytische Disproportionierung von Tetralin kann eine Mischung aus sym-Octahydroanthracen und sym-Octahydrophenanthren erhalten werden.

Darüber hinaus kann Anthracen aus Diphenylmethan in Gegenwart von HF/BF3 bei 80 °C und durch die thermische Reaktion von o-Methyldiphenylmethan bei etwa 600 °C gebildet werden.

Allerdings sind diese Synthesemethoden aufgrund der reichlichen Verfügbarkeit von Anthracen aus Kohlenteer kommerziell nicht bedeutsam.

4. Verwendung von Anthracen

Anthracen ist eine vielseitige organische Verbindung mit einem breiten Anwendungsspektrum. Im kommerziellen Maßstab wird es hauptsächlich zur Herstellung von Anthrachinon verwendet, einer wichtigen Industriechemikalie, die bei der Herstellung von Farbstoffen, Pigmenten und anderen Chemikalien verwendet wird.

Anthracen wird auch für eine Reihe alternativer Anwendungen untersucht. Beispielsweise wurde es als potenzieller Weichmacher für duroplastische Harze vorgeschlagen und auch als Lichtstabilisator für Polymere in Betracht gezogen.

In der Materialwissenschaft werden Anthracen-Derivate als Bausteine für technische Kunststoffe erforscht. Beispielsweise ist der Polyether von 9,10-Dihydroxyanthracen ein Hochleistungskunststoff mit hervorragenden mechanischen und thermischen Eigenschaften.

Anthracen ist ein kristalliner organischer Fotoleiter, der bei Lichteinwirkung elektrischen Strom erzeugen kann. Diese Eigenschaft macht Anthracen nützlich in der Elektrofotografie, einer Technologie, die üblicherweise mit Fotokopieren und Laserdrucken in Verbindung gebracht wird.

In seiner reinsten Form wird Anthracen als Szintillationsmittel in wissenschaftlichen Anwendungen verwendet. Szintillationsmittel sind Materialien, die Licht aussenden, wenn sie mit Strahlung interagieren.

Anthracen-Szintillationsmittel sind besonders nützlich für den Nachweis energiereicher Strahlung wie Gammastrahlen und Röntgenstrahlen. Dieser Einsatz ist in Bereichen wie der Kernphysik von entscheidender Bedeutung, wo die präzise Messung der Strahlung für Forschungs- und Sicherheitszwecke von größter Bedeutung ist.

5. Toxikologie von Anthracen

Anthracen ist ein polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoff, dessen potenzielle Karzinogenität untersucht wurde. Reines Anthracen zeigt jedoch unter kontrollierten Bedingungen keine signifikante krebserzeugende Wirkung. Dies wird durch negative Ergebnisse in zahlreichen In-vitro- und In-vivo-Genotoxizitätstests gestützt.

Beispielsweise führten subkutane Injektionen von 20 mg Anthracen in einer öligen Lösung 33 Mal pro Woche zu lokalen Fibromen, manchmal begleitet von sarkomähnlichen Auswüchsen. Dieses Ergebnis spiegelt jedoch nicht das krebserzeugende Potenzial von reinem Anthracen wider.

Darüber hinaus führte ein epidermaler Tumorinitiationstest an Mäusen mit reinem Anthracen und Phorbolester als Promotor nur in wenigen Fällen (4 von 28 Tieren) zu Papillomen. Diese begrenzten Vorkommen belegen keinen starken krebserregenden Zusammenhang für reines Anthracen.

Daher haben die Internationale Agentur für Krebsforschung (IARC) und die US-Umweltschutzbehörde (EPA) Anthracen als „hinsichtlich seiner Karzinogenität für den Menschen nicht klassifizierbar“ eingestuft (IARC-Kategorie 3 und EPA-Gruppe D).

Hinsichtlich der akuten Toxizität hatte die orale Verabreichung von 1,7 g/kg reinem Anthracen an Mäuse keine tödliche Wirkung.

Anthracen wird auch über die Haut aufgenommen. Wenn eine 14C-markierte Lösung in Hexan oder Aceton (ungefähr 9 mg/cm3) topisch auf die Haut von Ratten aufgetragen wurde, wurden ungefähr 50 % innerhalb von 6 Tagen absorbiert, wobei 29 % aus dem Urin, 22 % aus dem Kot und 1 % aus verschiedenen Quellen wiedergewonnen wurden Gewebe, vor allem Leber und Nieren. Bereits nach einem Tag waren 20 % der Dosis im Urin (ca. 17 %) und im Kot (ca. 3 %) vorhanden.

Anthracen ist ein Hautallergen und kann lokale Lichtempfindlichkeit hervorrufen. Als Sicherheitsmaßnahme wurde ein empfohlener Schwellenwert (TLV) von 0,1 mg/m3 vorgeschlagen, um mögliche Expositionsbedenken zu minimieren.

Referenz