Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa). Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C
Isopren ist der Trivialname für den ungesättigten Kohlenwasserstoff 2-Methylbuta-1,3-dien. Es ist ein Derivat des 1,3-Butadiens. Isopren ist die Grundeinheit der Terpene, wird selbst aber meist nicht zu diesen gezählt. Isopren wird von vielen Pflanzen produziert und in die Erdatmosphäre abgegeben. Es ist neben Methan der Kohlenwasserstoff mit der höchsten Emissionsrate.
Es gibt eine Vielzahl von Synthesen für Isopren.[6]Ethen reagiert mit Propen zu 2-Methyl-1-buten.[6] 2-Methylbuten wird an Chromoxid-Aluminiumoxid-Katalysatoren zum Isopren dehydriert.
Vom Isopren lassen sich formal viele Naturstoffe ableiten, die zu den isoprenoiden Naturstoffen zusammengefasst werden. Ein Beispiel hierfür sind die Steroide und Terpene. Der direkte Vorläufer und Ausgangspunkt der Biosynthese der Isoprenoide ist jedoch nicht Isopren, sondern das biochemisch aktivierte Isopentenyl-Pyrophosphat (IPP) und dessen Isomer Dimethylallylpyrophosphat (DMAPP). Isopren selbst wird von vielen Bäumen und Phytoplankton produziert; der Grund dafür ist aber nicht geklärt. Gemäß einer Hypothese soll das gasförmige Isopren die Pflanzen vor Oxidation durch bodennahes Ozon schützen.
Eine Pflanze, deren freigesetztes Isopren bei Windstille an heißen Tagen angezündet werden kann, ist Diptam (Dictamnus sp.) (englisch: gas plant). Die Pflanze nimmt dabei keinen Schaden.[7]
Isopren kommt verknüpft in wiederholenden Einheiten in Membranen der Archaea vor. Dort bilden sie die hydrophoben Anteile der Lipide und sind über Etherbindungen mit Glycerinmolekülen verknüpft. Die Isopreneinheiten der äußeren und inneren Schicht können sich verbinden, sodass eine einlagige Lipidschicht entsteht.[8]
Isopren in Menschen und Tieren
Isopren ist der am häufigsten vorkommende Kohlenwasserstoff in der ausgeatmeten Luft des Menschen.[9][10] Die geschätzte Bildungsrate im menschlichen Körper ist 0,15 µmol/(kg·h), entsprechend circa 17 mg/Tag für eine Person von 70 kg. Isopren kommt in niedrigen Konzentrationen in vielen Lebensmitteln vor. Isopren im menschlichen Atem entsteht aus dem lipolytischenCholesterinstoffwechsel innerhalb der Peroxisomen der Skelettmuskulatur, und das IDI2-Gen fungiert als Produktionsdeterminante[11]. Aufgrund des Fehlens des IDI2-Gens atmen Tiere wie Schweine und Große Tümmler kein Isopren aus.
Isopren in der Atmosphäre
Isopren wird von Pflanzen in die Atmosphäre abgegeben. Die jährliche Emission beträgt etwa 600 Megatonnen, die Hälfte davon stammt aus tropischen Bäumen. Das entspricht etwa den jährlichen Methanemissionen. Isopren wird durch die Reaktion mit OH-Radikalen und Ozon abgebaut, dabei entstehen Aldehyde, Peroxide und organische Nitrate, die sich in Tröpfchen lösen oder Partikel bilden können.[12][13]
Eigenschaften
Physikalische Eigenschaften
Isopren ist eine farblose niedrigsiedende Flüssigkeit. Der Siedepunkt unter Normaldruck liegt bei 34 °C.[14] Die Dampfdruckfunktion ergibt sich nach Antoine entsprechend log10(P) = A−(B/(T+C)) (P in bar, T in K) mit A = 4,08822, B = 1108,151 und C = −35,731 im Temperaturbereich von 215,6 bis 234,9 K[15] bzw. mit A = 3,21586, B = 706,92 und C = −87,046 im Temperaturbereich von 289,9 bis 307 K[16].
Isopren bildet leicht entzündliche Dampf-Luft-Gemische. Die Verbindung hat einen Flammpunkt von −54 °C.[1] Der Explosionsbereich liegt zwischen 1 Vol.‑% als untere Explosionsgrenze (UEG) und 9,7 Vol.‑% als obere Explosionsgrenze (OEG).[1] Der maximale Explosionsdruck beträgt 9,7 bar.[1][17] Die Grenzspaltweite wurde mit 0,81 mm (50 °C) bestimmt.[1][17] Es resultiert damit eine Zuordnung in die Explosionsgruppe IIB. Die Zündtemperatur beträgt 220 °C.[1][17] Der Stoff fällt somit in die Temperaturklasse T3.
Verwendung
Die Verbindung kann zum 'cis'–Polyisopren (Isopren-Kautschuk) polymerisiert und mit Isobuten und Acrylnitril copolymerisiert werden. Es dient in der organischen Synthese zur Herstellung von terpenartigen Strukturen, daneben auch für Naturstoffsynthesen, z. B. für α-Terpineol.[2]
Sicherheitshinweise und Toxikologie
Isopren ist nur von geringer akuter Toxizität: Der orale LD50-Wert für Ratten ist >2000 mg/kg. Isopren kann inhalativ und durch Verschlucken aufgenommen werden. Der Kontakt mit Augen und Haut erzeugt Rötungen und Schmerz, eine Inhalation ruft Husten, Übelkeit, Brennen und flachen Atem hervor. Im Tierversuch wirkt Isopren krebserregend und erbgutverändernd.
Merkhilfe
Die Strukturformel von Isopren in der Skelettschreibweise kann als „Pferd“ gezeichnet werden.
↑ abcdefHans Martin Weitz, Eckhard Loser: Isoprene. In: Ullmann's encyclopedia of industrial chemistry, 2012, Wiley-VC, Band 20, S. 84. doi:10.1002/14356007.a14_627.
↑Alexander Fleisher, Zhenia Fleisher: Study of Dictamnus gymnostylis. Volatiles and Plausible Explanation of the "Burning Bush" Phenomenon. In: Journal of Essential Oil Research. 16. Jahrgang, 1 (Jan/Feb), 2004, S.1–3, doi:10.1080/10412905.2004.9698634 (englisch).
↑David Gelmont, Robert A. Stein, James F. Mead: Isoprene — the main hydrocarbon in human breath. In: Biochemical and Biophysical Research Communications. 99. Jahrgang, Nr.4, 1981, S.1456–1460, doi:10.1016/0006-291X(81)90782-8 (englisch).
↑Julian King, Helin Koc, Karl Unterkofler, PaweŁ Mochalski, Alexander Kupferthaler, Gerald Teschl, Susanne Teschl, Hartmann Hinterhuber, Anton Amann: Physiological modeling of isoprene dynamics in exhaled breath. In: Journal of Theoretical Biology. Band267, Nr.4, 2010, S.626–637, doi:10.1016/j.jtbi.2010.09.028, PMID 20869370.
↑Pritam Sukul, Anna Richter, Christian Junghanss, Jochen K. Schubert, Wolfram Miekisch: Origin of breath isoprene in humans is revealed via multi-omic investigations. In: Communications Biology. Band6, Nr.1, 30. September 2023, S.1–12, doi:10.1038/s42003-023-05384-y.
↑Gubkov, A.N.; Fermor, N.A.; Smirnov, N.I.: Vapor Pressure of Mono-Poly Systems in Zh. Prikl. Khim. (Leningrad) 37 (1964) 2204–2210.
↑ abcE. Brandes, W. Möller: Sicherheitstechnische Kenngrößen. Band 1: Brennbare Flüssigkeiten und Gase. Wirtschaftsverlag NW – Verlag für neue Wissenschaft, Bremerhaven 2003.