A química dos PFAs | Chemtalk

Conceitos principais

Este artigo apresenta a estrutura básica e a química do Widespread Per e Substâncias Polyfluoroalquil (PFAs). Os PFAs são uma família de produtos químicos orgânicos compostos de fortes ligações de fluorina de carbono.

Introdução

As substâncias poli -fluoroalquil (PFAs) são uma família diversificada de produtos químicos, mais de 7 milhões foram identificados até agora. Simplificando, os PFAs são hidrocarbonetos fortemente fluorados. Eles devem ter pelo menos um metil totalmente fluorizado (-cf₃ou átomo de carbono de metileno (-cf₂-). Sua fluorinação pesada lhes dá propriedades hidrofóbicas únicas, o que significa que elas são aplicáveis ​​em uma ampla gama de indústrias. Por exemplo, eles são usados ​​como revestimentos para panelas antiaderentes e itens de roupas à prova d’água. Os PFAs são extremamente estáveis ​​no ambiente e são resistentes à degradação. No entanto, eles foram associados a efeitos negativos significativos à saúde, como câncer e doença da tireóide.

PFAs de cadeia longa versus cadeia curta

Os PFAs são tipicamente categorizados como “cadeia longa” ou “cadeia curta”, dependendo do número de carbonos na cadeia de carbono fluorada. Ácido perfluorooctanóico (PFOA) e ácido perfluorooctanossulfônico (PFOs) são os dois compostos mais amplamente estudados atualmente. Ambos são considerados compostos de “cadeia longa”, porque cada um tem 8 carbonos em sua estrutura.

Ácido perfluorooctanóico (PFOA)

Ácido perfluorooctanossulfônico (PFOs)

Os PFAs de cadeia curta emergiram como substituições para PFAs de cadeia longa como evidência de impactos negativos à saúde dos compostos de cadeia longa desenvolvidos. Um exemplo de composto de cadeia curta é o ácido perfluorobutanossulfônico (PFBS). O PFBS possui o mesmo grupo funcional que os PFOs (um ácido sulfônico). A diferença entre os dois é o número de carbonos fluorados na cadeia de carbono. O número de carbonos fluorados na cadeia de carbono afeta como o composto interage no ambiente e altera a solubilidade do composto.

Ácido perfluorobutanossulfônico (PFBS)

Os compostos de cadeia curta e longa podem ter uma variedade de grupos finais em sua cadeia de fluorina de carbono, como ácidos, sulfatos e aminas. Esses grupos finais afetam a carga do composto. Alguns PFAs são catiônico (carregado positivamente), Aniônico (carregado negativamente), zwitteriônico (tanto + quanto -) ou neutro (carga líquida de zero). Seus usos e aplicações pretendidos diferem devido à maneira como a carga influencia suas propriedades químicas. Por exemplo, os PFAs catiônicos são usados ​​em agentes antimicrobianos porque sua carga positiva permite que eles interrompem as células, ligando -se com a carga negativa da membrana. Os PFAs aniônicos são comumente usados ​​como revestimentos resistentes a manchas, bem como surfactantes. Os PFAs zwitteriônicos são usados ​​como revestimentos para navios para evitar incrustações. Os PFAs neutros são normalmente usados ​​como repelentes de água/óleo.

No entanto, alguns PFAs podem realmente ser precursores para outros PFAs. No ambiente, os PFAs podem se transformar em outros PFAs através de processos como oxidação e hidrólise. Por exemplo, os PFAs neutros geralmente se transformam em PFAs aniônicos. Esses PFAs são mais estáveis ​​que outros, por isso são chamados de “produtos finais terminais”. Outros PFAs não se transformam como PFAs zwitteriônicos. Os PFAs catiônicos podem se transformar, mas são necessárias condições específicas, portanto isso não acontece facilmente em matrizes ambientais. Devido ao grande número de substâncias classificadas como PFAs e à ampla variação entre elas, este artigo se concentra principalmente nos PFAs aniônicos. Eles são os mais estudados na literatura hoje. PFAs aniônicos são tipicamente referidos como Ácidos orgânicos de perfluoroalquil (PFAAs) porque eles carregaram negativamente os grupos funcionais terminais no last de sua cadeia de carbono fluorada. Os PFAAs normalmente têm um Grupo funcional de ácido carboxílico ou um grupo funcional do ácido sulfônico. PFOs e PFOA são ótimos exemplos de PFAAs. Enquanto ambos têm o mesmo número de átomos de carbono, o grupo funcional é diferente. O PFOA possui um grupo funcional do ácido carboxílico e os PFOs possuem um grupo funcional do ácido sulfônico. Esse grupo funcional altera a maneira como o composto se transfer e interage com o ambiente.

Transporte no meio ambiente

A cadeia de carbono-fluorina é hidrofóbica (repelente à água), enquanto o grupo funcional no last é hidrofílico (amante da água). A hidrofobicidade é medida pelo Ok de um composto_ow valor. Ok_ow é definido como o coeficiente de partição octanol-água. É um indicador da distribuição de quanto de uma substância está na fase lipídica versus a fase aquática. Geralmente, um okay_ow Valor> 1 indica que uma substância é mais solúvel em octanol (isso é chamado de “composto lipofílico”). AK_ow Valor <1 indica uma substância mais solúvel em água (isso é chamado de "composto hidrofílico"). Os PFAs de cadeia curta são vistos como mais solúveis em água. Eles têm mais baixo okay_ow e pka valores. Devido a essas propriedades hidrofóbicas e hidrofílicas, os PFAs tendem a se concentrar na superfície da água. Isso é chamado de interface ar-água (AWI). Os compostos de “cadeia longa” são considerados mais hidrofóbicos devido às ligações adicionais de fluorina de carbono na estrutura. Devido ao seu aumento da hidrofobicidade, os compostos de cadeia longa têm maior probabilidade de sorber em sedimentos e partículas do solo do que os compostos de cadeia curta. O coeficiente de partição do solo, okay_oc ou okay_dmede o quanto uma substância se enquadra no solo versus a água. Nos solos, os PFAs interagem com a matéria orgânica e o carbono e criam fortes interações hidrofóbicas. O carbono orgânico do solo possui peças hidrofóbicas que desempenham um forte papel na retenção de PFAs nos solos. Os compostos de cadeia longa são vistos como mais tóxicos e têm maior potencial de acumulação em mamíferos. Eles podem ter meia-vida de vários anos (2-10+ anos). Os compostos de cadeia curta são vistos como menos acumulativos em mamíferos devido à sua menor hidrofobicidade e maior solubilidade em água.

Implicações da presença do PFAS no ambiente

A presença de PFAs no ambiente pode ter impactos negativos para humanos, animais e ecossistemas circundantes. Então, e o PFAS os torna tão tóxicos para nós? A resposta está na química do composto. Eles parecem gorduras, não é? Bem, isso causa muitos problemas.

Os PFAs têm aquela cauda hidrofóbica longa que lhes proporciona propriedades semelhantes às gorduras/lipídios. Isso permite que eles “imitem” células que ocorrem naturalmente em nosso corpo, como ácidos graxos. Uma vez que os PFAs entram em nosso corpo, proteínas transportadoras, receptores e enzimas se ligam aos PFAs, mas não podem ser metabolizados, levando ao seu acúmulo. No ambiente, os PFAs são encontrados praticamente em toda parte, mesmo em lugares sem exposição conhecida por PFAs. No entanto, regiões próximas a fontes pontuais potenciais podem ter níveis elevados no ar, no solo e na água. Fontes potenciais de PFAs podem incluir aeroportos que usam espuma de combate a incêndio contendo PFAs, aterros sanitários, instalações de treinamento militar e estações de tratamento de águas residuais.

Um exemplo bem conhecido de contaminação por PFAs no ambiente fica no vale de Ohio, onde cerca de 70.000 moradores foram expostos a níveis elevados de PFAs na água potável. A exposição foi especificamente do PFOA químico, que é um composto de cadeia longa. Havia um processo que levou ao financiamento da pesquisa Isso ligou a exposição elevada do PFOA a certas doenças, como câncer e diminuição da função imunológica. No entanto, os PFAs não são apenas prejudiciais para os seres humanos. Eles podem ser prejudiciais para outros organismos vivos, como pássaros, peixes, insetos aquáticos e gado. Além dos animais, os PFAs também podem ser prejudiciais para as plantas. Embora o PFAS seja geralmente tóxico para plantas em concentrações mais altas que os animais, porque as plantas podem tolerar melhor a exposição ao PFAS.

A pesquisa está crescendo sobre PFAs em água potável e alimentos. Em abril de 2024, a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (EPA) divulgou os padrões de água potável para cinco compostos individuais: PFOA, PFOs, ácido perfluorohexanesulfônico (PFHXs), ácido perfluorononanóico (PFNA) e hexafluoropropileno diderto (HFPO-Diperto-suco. Eles são regulados como níveis máximos de contaminantes (MCLs) e são baseados nos efeitos crônicos da saúde, os PFAs estão associados à exposição a longo prazo da água potável. Um nível máximo de contaminantes é usado para estabelecer um limite aplicável e permitido de um produto químico na água potável. Eles ajudam a garantir a saúde pública, protegendo os indivíduos de substâncias potencialmente nocivas. As unidades para os níveis máximas de contaminantes são bastante pequenas e são relatadas em nanograma por litro (Ng/L), que também é chamado de peças por trilhão (PPT).

PFOA e PFOs são regulados nas concentrações mais baixas (4 ng/L); No entanto, a EPA estabeleceu uma meta de zero NG/L para PFOs e PFOA, o que implica que não há nível seguro de exposição. Esse objetivo não é viável porque as técnicas analíticas atuais não podem detectar concentrações extremamente pequenas e as tecnologias de tratamento não são 100% eficazes na remoção de PFAs da água potável. À medida que nossa compreensão dos PFAs se desenvolve, é importante continuar aumentando a conscientização sobre a química, o destino e o transporte do PFAS.