Arsenorganische Verbindungen

Beispiele für Organoarsenverbindungen; oben: Arsenobetain, Trimethylarsinoxid, Dimethylarsinsäure; unten: Tetramethyldiarsan, Arsabenzol, Arsanilsäure

Arsenorganische Verbindungen oder Organoarsenverbindungen sind eine Stoffgruppe der organischen Chemie. Diese umfasst Verbindungen, die mindestens eine Kohlenstoff-Arsen-Bindung enthalten. Arsen ist in den allermeisten Fällen drei- oder fünfbindig. Eine wichtige Unterklasse an Verbindungen sind die Arsane, bei denen das dreiwertige Arsen bis zu drei organische Reste trägt sowie zum Teil Wasserstoff- oder Halogensubstituenten. Daneben sind die Arsinoxide als Oxidationsprodukte der Arsane, die Arsonsäuren und Arsinsäuren als organische Oxosäuren des Arsens und die fünfwertigen Arsorane relevant. Außerdem umfassen die Organoarsenverbindungen auch viele Heterocyclen. Arsane werden durch die Reaktion von Arsenhalogeniden mit Grignard-Verbindungen und anderen Organometallverbindungen hergestellt, viele andere Untergruppen der Organoarsenverbindungen sind durch Umwandlungen ineinander zugänglich.

Die ersten Organoarsenverbindungen wurden bereits im 18. Jahrhundert hergestellt, allerdings wurde erst Mitte des 19. Jahrhunderts ihre Struktur aufgeklärt. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts hatten Organoarsenverbindungen mehrere wichtige Anwendungen, vor allem in Medizin und als chemische Kampfstoffe. Das synthetische Medikament Salvarsan wurde Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt und brachte einen Durchbruch bei der Behandlung der Syphilis. Diese und andere Organoarsenverbindungen wurden über Jahrzehnte medizinisch eingesetzt, bis sie durch die Entdeckung des Penicillins in den 1940er-Jahren weitgehend verdrängt wurden. Im Ersten Weltkrieg wurden verschiedene Organoarsenverbindungen wie das Ethylarsindichlorid als chemische Kampfstoffe eingesetzt. Auch im Zweiten Weltkrieg und darüber hinaus wurden solche Verbindungen, beispielsweise Lewisit, in großen Mengen produziert, allerdings kaum eingesetzt. Heute haben Organoarsenverbindungen aus gesundheitlichen und Umweltschutzgründen nur noch wenige Anwendungen. Einzelne Verbindungen werden aber noch als Pestizide sowie in Medizin, Tiermedizin und Analytik verwendet.

Organoarsenverbindungen sind in der Natur weitverbreitet, vor allem in Meereslebewesen, die sie vermutlich aus dem im Meerwasser vorkommenden Arsenat bilden. Besonders weit verbreitet sind das Arsenobetain und diverse methylierte Verbindungen. Weiterhin sind auch komplexere Naturstoffe bekannt, unter anderem arsenhaltige Kohlenhydrate und Lipide. Die methylierten Verbindungen werden von Menschen und den meisten anderen Lebewesen durch Biomethylierung beim Metabolismus von Arsenverbindungen gebildet, auch anorganischen wie Arsenit oder Arsenat. Organoarsenverbindungen sind überwiegend giftig, allerdings gibt es bei der schädlichen Wirkung große Unterschiede. So werden bei der Biomethylierung einerseits fünfwertige Verbindungen wie Methylarsonsäure und Dimethylarsinsäure gebildet, die wenig giftig sind und gut eliminiert werden können, was vermutlich der Entgiftung durch Biotransformation dient. Andererseits entstehen als Intermediate dreiwertige Verbindungen wie methylarsonige Säure und dimethylarsinige Säure, die hochtoxisch und krebserregend sind und möglicherweise auch eine wichtige Rolle bei der Giftigkeit anderer Arsenverbindungen spielen, aus denen sie im Körper gebildet werden.

Vertreter

Organoarsenverbindungen lassen sich in dreiwertige und fünfwertige Vertreter einteilen. Eine wichtige Untergruppe der dreiwertigen Verbindungen sind die Arsane, bei denen das Arsen ein bis drei organische Reste sowie zusätzlich maximal zwei Wasserstoffatome trägt. Je nach Anzahl der organischen Reste werden sie als primäre (ein organischer Rest), sekundäre (zwei) oder tertiäre (drei) Arsane bezeichnet. Weitere Untergruppen sind die Halogenarsane, in denen das Arsen ein oder zwei organische Reste und ein (Monohalogenarsane) oder zwei (Dihalogenarsane) Halogenatome (Fluor, Chlor, Brom, Iod) trägt, sowie die arsonigen Säuren, bei denen das Arsen einen organischen Rest und zwei Hydroxygruppen trägt und die arsinigen Säuren, bei denen das Arsen zwei organische Reste und eine Hydroxygruppe trägt.

Dreiwertige Organoarsenverbindungen. Oben: primäre, sekundäre und tertiäre Arsane; Mitte: Di- und Monohalogenarsane; unten: arsonige und arsinige Säuren; R = organischer Rest, X = Halogen

Fünfwertige Arsenverbindungen mit fünf organischen Resten werden als Arsorane bezeichnet. Verbindungen, bei denen zwei bis vier organische Reste gegen Halogene ausgetauscht sind, heißen Halogenarsorane. Verbindungen der Form R₄AsX sind hingegen Salze und gehören zu den Arsoniumsalzen. Weiterhin gehören zu den fünfwertigen Organoarsenverbindungen die Arsonsäuren, Arsinsäuren und Arsinoxide.

Fünfwertige Organoarsenverbindungen. Oben: Arsorane (erstes Bild) und Halogenarsorane (zweites bis viertes Bild); unten: Arsonsäuren, Arsinsäuren, Arsinoxide und Arsoniumhalogenide; R = organischer Rest, X = Halogen

Geschichte

Cadets rauchende Flüssigkeit und die Kakodylverbindungen

Die später nachgewiesenen Bestandteile von Cadets Flüssigkeit: Tetramethyldiarsan (Kakodyl, oben) und Bis(dimethylarsin)oxid (Kakodyloxid, unten)

Die ersten Organoarsenverbindungen stellte Louis-Claude Cadet de Gassicourt her, obwohl erst deutlich später klar wurde, welche Struktur diese Verbindungen haben und dass sie der damals noch unbekannten Stoffgruppe angehören. Das entsprechende Experiment wurde 1757 durchgeführt und 1760 publiziert. Cadet de Gassicourt versuchte, Geheimtinte herzustellen, wobei er arsenhaltige Cobalterze verarbeitete und als Nebenprodukt Arsentrioxid erhielt. Vermutlich entstand es bei der Reaktion des enthaltenen CoAs₂ mit den eingesetzten Säuren. Seine Pyrolyse mit Kaliumacetat ergab die später als solche identifizierten Organoarsenverbindungen. Sie erzeugten einen extrem unangenehmen und persistenten, knoblauch-artigen Geruch. Cadet de Gassicourt stellte außerdem fest, dass sich das zum Verschließen der Glasapparatur verwendete Fett entzündete, wenn die aufgefangene Flüssigkeit mit Luft in Kontakt kam, und dass sie stark rauchte. Er bezeichnete das Produkt als une liqueur fumante, tirée de l'Arsènic, also eine aus Arsen gewonnene rauchende Flüssigkeit. In neuerer Literatur wird zum Teil von Cadet’s fuming liquid oder Cadet’s fuming arsenical liquid gesprochen, also von Cadets rauchender (Arsen-)Flüssigkeit.

Robert Bunsen stellte ausführliche Untersuchungen zu Organoarsenverbindungen an

1778 wurde das Reaktionsprodukt von den drei Chemikern Louis Bernard Guyton der Morveau, Hughes Maret und Jean Francois Durande in Dijon weiter untersucht, die feststellten, dass die bei dem Versuch erzeugte rote Flüssigkeit pyrophor ist und sich beim Auftropfen auf ein Filterpapier mit rosafarbener Flamme spontan entzündet. 1804 publizierte Louis Jacques Thénard weitere experimentelle Ergebnisse zur Reaktion von Arsentrioxid mit Kaliumacetat und nahm irrtümlich an, dass es sich beim erhaltenen Produkt um ein komplexes Acetat des Arsens handele. Zwischen 1837 und 1843 führte Robert Bunsen die Reaktion von Arsentrioxid und Kaliumacetat im großen Maßstab mit einem Kilogramm an Edukten durch und publizierte insgesamt sieben wissenschaftliche Artikel zu seinen Untersuchungen. Er erhielt durch mehrere Destillations- und Aufreinigungsschritte das Reaktionsprodukt als klare, farblose Flüssigkeit, die mit Luft stark exotherm reagierte, jedoch unter Wasser zeitweise gelagert werden konnte. Bunsen stellte – aus unterschiedlichen Produktchargen – durch Elementaranalyse und Bestimmung der Dampfdichte die korrekte Summenformel C₄H₁₂As₂ von Tetramethyldiarsan (Kakodyl) und C₄H₁₂As₂O von Bis(dimethylarsin)oxid (Kakodyloxid) auf. Jöns Jacob Berzelius, der mit Bunsen an dem Thema arbeitete, schlug auch den Namensteil Kakodyl für Tetramethyldiarsan und abgeleitete Verbindungen vor. Erst in einer Publikation von 1850 konnte Adolf Baeyer, ein Schüler von Bunsen, zeigen, dass Cadets rauchende Flüssigkeit ein Gemisch von Bis(dimethylarsin)oxid und Tetramethyldiarsan ist, wobei nur letzteres pyrophor ist. Teilweise wird auch Tetramethyldiarsan als erste organometallische Verbindung bezeichnet, die damals hergestellt worden sei – obwohl Arsen kein Metall, sondern ein Halbmetall ist, werden Organoarsenverbindungen traditionell der Organometallchemie zugerechnet.

Neben der Beschäftigung mit den von Cadet de Gassicourt entdeckten Verbindungen stellte Bunsen diverse weitere Kakodylverbindungen mit Dimethylarsinylgruppen (CH₃)₂As- her, unter anderem Dimethylarsinfluorid, Dimethylarsinchlorid, Dimethylarsinbromid und Dimethylarsincyanid. Mit den damals verfügbaren technischen Möglichkeiten war die Handhabung der Verbindungen oft schwierig und sehr gefährlich. Bei der Herstellung von Dimethylarsincyanid aus Bis(dimethylarsin)oxid und Quecksilber(II)-cyanid kam es zu einer Explosion, wobei Bunsen schwer vergiftet wurde und auf einem Auge teilweise erblindete. Trotz der begrenzten Möglichkeiten gelang es ihm auch reines Tetramethyldiarsan herzustellen, indem er Dimethylarsinchlorid in selbst hergestellten Glasapparaturen unter einer Atmosphäre von trockenem Kohlenstoffdioxid mit Zink zu reduzieren. Durch Oxidation von Bis(dimethylarsin)oxid mit Quecksilber(II)-oxid stellte er außerdem Dimethylarsinsäure her. Mitte des 19. Jahrhunderts waren Ergebnisse der Strukturaufklärung der Kakodylverbindungen auch wichtig für die sich damals entwickelnden allgemeinen Theorien zur Gestalt von Molekülen. Hermann Kolbe formulierte korrekt die Dimethylarsinylgruppe als Bestandteil aller dieser Verbindungen.

Entdeckung der Biomethylierung von Arsen

Ab etwa 1800 wurden in Deutschland diverse Vergiftungen auf arsenhaltige Wandfarben zurückgeführt, insbesondere Kupfer(II)-arsenit und Schweinfurter Grün. 1839 merkte Leopold Gmelin in einem Artikel an, dass bei Vergiftungsfällen in den jeweiligen Räumen ein starker unangenehmer Geruch zu bemerken sei, den er auf Kakodyloxid beziehungsweise Bis(dimethylarsin)oxid zurückführte. In einem Artikel aus dem Jahr 1860 wurde auf die einschlägigen Gesundheitsgefahren hingewiesen. Nichtsdestotrotz waren Arsenfarben sehr weit verbreitet. In einem Artikel aus dem Jahr 1871 wurde beschrieben, dass es kaum Wohnräume gab, wo kein Arsen an den Wänden zu sehen sei. Der italienische Arzt Bartolomeo Gosio befasste sich 1891–92 mit dem Phänomen und stellte fest, dass Schimmelpilze, die in Gegenwart von Arsentrioxid wachsen, Arsen verflüchtigen können, was den typischen unangenehm knoblauchartigen Geruch verursachte. Er nahm irrtümlich an, es handele sich bei dem entstehenden Gas um Arsenwasserstoff. Das damals noch nicht genau identifizierte Gas wurde in der zeitgenössischen wissenschaftlichen Literatur zum Teil als Gosio-Gas bezeichnet. Weitere Untersuchungen ergaben, dass viele verschiedene Arten von Pilzen Arsen verflüchtigen können. Erst viel später wurde das Gas als Trimethylarsan identifiziert. Frederick Challenger konnte die Verbindung durch Komplexbildung mit Quecksilber(II)-chlorid analysieren. Die Ergebnisse seiner Experimente wurden 1933 publiziert. Als synthetische Verbindung war Trimethylarsan hingegen schon seit 1854 bekannt. Nach weiteren Experimenten postulierten Challenger und Mitarbeiter einen Mechanismus, der im Wesentlichen immer noch als gültig angesehen wird und mit insgesamt vier Reduktionen und drei Methylierungen, die abwechselnd auftreten, von Arsenat zu Trimethylarsan führen.

Organoarsenverbindungen als Chemotherapeutika

Struktur eines der Bestandteile von Salvarsan

Organoarsenverbindungen spielten in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts eine wichtige Rolle als Chemotherapeutika. 1905 publizierten britische Wissenschaftler Ergebnisse aus Tierversuchen zur Wirkung von Atoxyl (Arsanilsäure) gegen Trypanosomen als Erreger der Afrikanischen Trypanosomiasis. Als etwa zur gleichen Zeit Spirochäten als Erreger der Syphilis identifiziert wurden, wurden Organoarsenverbindungen auch gegen diese getestet. Da Atoxyl zu Erblindung führte und wegen seiner Nebenwirkungen als Pharmazeutikum ungeeignet war, versuchte Paul Ehrlich, andere Verbindungen zu identifizieren, die dieselbe Wirkung gegen Erreger bei geringeren Nebenwirkungen zeigten. Er und seine Mitarbeiter synthetisierten und testeten mehrere hundert Verbindungen, bis Ehrlich 1910 auf einem Kongress die Verbindung 606 präsentierte, das gegen Syphilis wirksam war. Die Verbindung wurde wegen der großen Nachfrage bei Hoechst produziert und unter dem Namen Salvarsan vertrieben. Die Verbindung war ein Durchbruch bei der Behandlung der Syphilis und unterstützte Ehrlichs Theorie zum Konzept der Chemotherapeutika, hatte aber trotzdem diverse Nachteile. Salvarsan war oxidationsempfindlich, schlecht löslich und nur intravenös einsetzbar. Außerdem war die Behandlung langwierig und erzeugte nach wie vor starke Nebenwirkungen. 1912 präsentierte Ehrlich eine weitere Verbindung, die besser wasserlöslich war und unter dem Namen Neosalvarsan vertrieben wurde. Trotz der Nachteile waren diese Präparate ein Meilenstein in Behandlung der Syphilis und waren stark nachgefragt. Wegen des Ersten Weltkriegs waren die Pharmazeutika aber außerhalb Deutschlands teilweise schlecht verfügbar. Als die Vereinigten Staaten 1917 in den Krieg eintraten, setzten sie entsprechende deutsche Patente außer Kraft und erteilten Genehmigungen zur Produktion in Amerika. In den 1930er-Jahren wurde das Mapharsen auf den Markt gebracht. Dieses war wegen seiner Toxizität von Ehrlich verworfen worden, allerdings konnte gezeigt werden, dass die notwendige Dosis so gering war, dass die therapeutische Breite letztendlich besser war als bei Salvarsan und Neosalvarsan. In den 1940er-Jahren wurde Penicillin entdeckt, das die Organoarsenverbindungen weitgehend verdrängte.

Verwendung als chemische Kampfstoffe

Im Ersten Weltkrieg wurden von diversen Parteien im großen Stil chemische Kampfstoffe erprobt und eingesetzt, die sowohl in Bezug auf die chemische Struktur als auch auf die Wirkung vielfältig sind, darunter auch einige Organoarsenverbindungen. Zusätzlich zu der Reiz- und Ätzwirkung dieser Verbindungen wirken sie auch anderweitig giftig, da Arsen eine starke Affinität für Thiolgruppen hat, wodurch diese Verbindungen viele Enzyme inhibieren. Organoarsenverbindungen wurden insbesondere von Deutschland verwendet. Getestet und produziert wurden sie damals in Munster in Niedersachsen. Obwohl Organoarsenverbindungen vielfach getestet und in großen Mengen hergestellt wurden, kamen sie eher selten zum Einsatz. Diphenylarsinchlorid (CLARK 1) wurde ab 1917 von Deutschland eingesetzt, Ethylarsindichlorid ab 1918. Beide Verbindungen wurden mittels Artilleriegranaten eingesetzt und gehörten zu den Blaukreuzkampfstoffen. CLARK 1 wurde aus Arsen(III)-chlorid und Triphenylarsan hergestellt. Es ist ein Nasen- und Rachenkampfstoff, der durch Reizung der Augen und Atemwege wirkt, was zu Übelkeit und Erbrechen führt. Besondere Bedeutung hatte die Verbindung, da es die damals üblichen Aktivkohle-Filter in Gasmasken durchdrang und Kämpfer zum Absetzen der Masken zwang, wodurch sie gegen andere Kampfstoffe verwundbar wurden. Die verwandten Verbindungen Phenylarsindichlorid und Diphenylarsincyanid (CLARK 2) wurden damals ebenfalls getestet. Ethylarsindichlorid wurde hergestellt, indem Natriumorthoarsenit zunächst mit Ethylchlorid oder Ethylsulfat ethyliert wurde, um Dinatriumethylarsonat zu erhalten, welches mit Schwefeldioxid zu Ethylarsinoxid reduziert und dann mit Chlorwasserstoff chloriert wurde. Es wirkt als Hautkampfstoff, der schwere Verätzungen verursacht sowie Augen und Atemwege schädigt. Das verwandte Methylarsindichlorid wurde damals ebenfalls getestet, ebenso wie das verwandte und später wichtige Lewisit.

Struktur von Lewisit

In der Zeit zwischen den beiden Weltkriegen wurden von vielen Ländern Organoarsen-Kampfstoffe getestet und produziert. In einem Beschluss der US-Regierung zu chemischen Kampfstoffen von 1928 waren sieben Verbindungen als sehr wichtig definiert, darunter Adamsit und Methylarsindifluorid als Organoarsenverbindungen sowie zwei Verbindungen, darunter Lewisit, als untergeordnet wichtig. Im zweiten Japanisch-chinesischen Krieg setzten die Japaner ab 1939 neben Senfgas auch Lewisit ein. Insgesamt aber wurden auch im Zweiten Weltkrieg chemische Kampfstoffe inklusive Arsenverbindungen zwar im großen Stil hergestellt aber praktisch nicht im Kampf eingesetzt. So wurden in Deutschland insbesondere CLARK 1, Adamsit und Arsinöl hergestellt, aber nie in Europa eingesetzt. Daneben wurden vor allem in den USA und der Sowjetunion aber auch in Großbritannien und Japan große Mengen Lewisit hergestellt.

Nach dem Zweiten Weltkrieg wurden große Bestände an deutscher Munition und chemischen Waffen im Meer versenkt. Unter anderem wurden zwischen 1947 und 1948 von den Sowjets 11000 Tonnen Chemikalien nahe Bornholm versenkt, darunter auch insgesamt mehrere tausend Tonnen an CLARK 1, Adamsit und Triphenylarsan. In Russland produzierte arsenhaltige Chemiewaffen wurden teilweise in Flüssen entsorgt oder verbrannt, wobei große Mengen an Arsentrioxid freigesetzt wurden; außerdem wurden größere Mengen Lewisit im Arktischen Ozean versenkt. Die Amerikaner versenkten zwischen 1945 und 1960 tausende Container mit Lewisit unter anderem im Golf von Mexiko sowie vor Alaska, Kalifornien und Florida. Während Lewisit vergleichsweise leicht hydrolysiert wird, sind die meisten anderen arsenhaltigen Kampfstoffe schlecht wasserlöslich sowie recht stabil und damit persistent. CLARK 1 beispielsweise wird nur langsam unter Bildung von diphenylarsiniger Säure hydrolysiert.

Im Vietnamkrieg wurden die sogenannten Regenbogenherbizide eingesetzt, um Bäume zur Verbesserung der Sicht zu entlauben und um Nahrungspflanzen zu zerstören. Eines davon, Agent Blue, bestand hauptsächlich aus Dimethylarsinsäure und Natriumdimethylarsinat. Insgesamt wurden schätzungsweise 4,74 Millionen Liter Agent Blue eingesetzt.

Vorkommen

Arsen und Organoarsenverbindungen kommen in Meereslebewesen häufig vor. Bei den meisten Tieren überwiegt Arsenobetain, während bei Algen vielfach Derivate von Kohlenhydraten vorkommen, die als Arsenozucker bezeichnet werden. Weitere natürlich vorkommende Organoarsenverbindungen sind Trimethylarsinoxid, Tetramethylarsonium und Dimethylarsinsäure.

Einfache methylierte Verbindungen und Biomethylierung

In Lebewesen werden anorganische Arsenverbindungen vielfach zu methylierten Organoarsenverbindungen metabolisiert, was als Biomethylierung bezeichnet wird. Die Methylierung basiert auf Methyltransferasen mit S-Adenosylmethionin als Methyldonor. Verschiedene ähnliche Gene, die für solche Enzyme codieren wurden in vielen Chordatieren von Seescheiden bis Menschen nachgewiesen. In Studien an Bakterien, Archaeen, Algen, Pflanzen und Pilzen wurden ebenfalls ähnliche Enzyme gefunden. Es sind jedoch auch Organismen bekannt, die Arsenverbindungen kaum biomethylieren, darunter Totenkopfaffen und einige andere Neuweltaffen, sowie Schimpansen und Meerschweinchen.

Reaktionsweg der Biomethylierung von Arsenverbindungen nach Frederick Challenger. Senkrechte Pfeile zeigen eine Reduktion an, diagonale Pfeile eine Methylierung. Die Verbindungen sind Arsenat, Arsenit, Methylarsonsäure, methylarsonige Säure, Dimethylarsinsäure, dimethylarsinige Säure, Trimethylarsinoxid und Trimethylarsin

Der genaue Ablauf des Metabolismus ist nicht bekannt. Verschiedene Studien konnten jedoch zeigen, dass Cystein-Gruppen eine entscheidende Rolle für die arsenmetabolisierenden Enzyme spielen, was damit zusammenhängt, dass Thiole stark an Arsen binden. Ein Biosyntheseweg, der schon in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts von Frederick Challenger postuliert wurde und nach wie vor als wahrscheinlich gilt, ist die abwechselnde oxidative Methylierung und Reduktion. Dabei wird Arsenat zu Arsenit reduziert, Arsenit zu Methylarsonsäure umgewandelt, diese zu methylarsoniger Säure reduziert, dann durch Methylierung in Dimethylarsinsäure umgewandelt, welche wiederum zu dimethylarsiniger Säure reduziert werden kann. Diese kann wiederum zu Trimethylarsinoxid methyliert und dann zu Trimethylarsan reduziert werden. Es ist jedoch auch ein Enzym bekannt, dass entgegen dem Postulat Arsenit direkt in methylarsonige Säure umwandelt, sodass der Mechanismus jedenfalls nicht universell gültig ist.

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  Cnidoglanis macrocephalus bildet viel Trimethylarsinoxid
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  Der Kronenbecherling bildet vor allem Methylarsonsäure
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  Nereis diversicolor (links) und Nereis virens (rechts) auf Helgoland: Beide Arten bilden viel Tetramethylarsonium

In Studien an unterschiedlichen Lebewesen wurden teils sehr unterschiedliche Metabolite detektiert: Der Pilz Apiotrichum humicola (nun Vanrija humicola) bildet beispielsweise hauptsächlich Trimethylarsinoxid und nur wenig Methylarsonsäure und Dimethylarsinsäure. Trimethylarsinoxid kommt in den meisten Organismen nur in geringer Menge vor, in einigen wie dem Büffel-Steuerbarsch (Kyphosus sydneyanus) macht es aber den Hauptteil der Arsenverbindungen aus. Ein weiteres Beispiel unter den Fischen ist Cnidoglanis macrocephalus (Familie Korallenwelse). Hirschtrüffel (Gattung Elaphomyces) enthalten für nicht marine Lebewesen ungewöhnlich viel Arsen, überwiegend als Methylarsonsäure und Trimethylarsinoxid, sowie in geringeren Mengen als Arsenobetain, Dimethylarsinsäure und methylarsonige Säure. Der Kronenbecherling ist ein weiterer Pilz, der größere Mengen an Organoarsenverbindungen bildet, in diesem Fall weit überwiegend in Form von Methylarsonsäure. Viele Pilze metabolisieren Arsen zu flüchtigem Trimethylarsan, das leicht an seinem unangenehmen Geruch zu erkennen ist. Tetramethylarsonium wurde beispielsweise in nennenswerten Mengen neben Arsenobetain in einem Extrakt der wasserlöslichen Arsenverbindungen mariner Vielborster nachgewiesen. Bei Nereis diversicolor befanden sich im Extrakt etwa 20 % Tetramethylarsonium, bei Nereis virens etwa 30 %, neben etwa 60 % Arsenobetain bei beiden Arten.

Die Funktion der Biomethylierung ist nicht vollständig geklärt. Als wahrscheinlich gilt, dass dies der Entgiftung dient. So werden methylierte Verbindungen schneller ausgeschieden: Die Ausscheidung von Methylarsonsäure ist schneller als die von Dimethylarsinsäure und diese wiederum schneller als von Arsenit. Frühere Studien haben ergeben, dass Methylarsonsäure und Dimethylarsinsäure eine geringere akute Toxizität aufweisen als Arsenit. Gleichzeitig wurde auch festgestellt, dass die ebenfalls gebildeten dreiwertigen methylierten Verbindungen, methylarsonige Säure und dimethylarsinige Säure im Vergleich zu den fünfwertigen Verbindungen eine deutlich erhöhte Genotoxizität aufweisen, zudem weist methylarsonige Säure eine höhere Cytotoxizität auf als Arsenit. Die zur Biomethylierung analoge Übertragung von längeren Alkylresten ist aus der Natur kaum bekannt, wurde aber vereinzelt beschrieben. So kommt Triethylarsan, das vermutlich durch Mikroorganismen gebildet wird, in Deponiegas vor.

Arsenolipide, Arsenozucker und Arsenobetain

Organoarsenverbindung sind Bestandteil der Lipide vieler mariner Organismen. Größere Mengen wurden beispielsweise in verschiedenen Algen, Thunfisch und im Blubber von Ringelrobben nachgewiesen. Zu den Arsenolipiden gehören einerseits langkettige Arsinoxide wie Heptadecyldimethylarsinoxid, andererseits verschiedene Lipidverbindungen, die bestimmte arsenhaltige Strukturen aufweisen, darunter Phosphatidylarsenocholin – das Arsenanalogon von Phosphocholin – Dimethylarsinoylribose oder arsenhaltige Fettsäuren wie ω-Dimethylarsinoylheptadecansäure. Die Biosynthese solcher Fettsäuren geht vermutlich von Dimethylarsinoylpropionsäure aus, die wie bei anderen Fettsäuren durch Acetyl-CoA verlängert werden.

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  Der Blubber von Ringelrobben enthält viele Arsenolipide
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  Struktur arsenhaltiger Fettsäuren
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  Arsenolipid mit langer Alkylkette

Arsenozucker sind von Pentosen abgeleitete Organoarsenverbindungen. Überwiegend handelt es sich um Abkömmlinge der Dimethylarsinoylribose mit einer Dimethylarsinoylgruppe in Position 5, die unterschiedliche Substituenten in Position 1 tragen. Die vier am weitesten verbreiteten Vertreter tragen Glycerin, phosphatiertes oder sulfatiertes Glycerin oder 2,3-Dihydroxypropansulfonsäure. Daneben kommen auch Varianten vor, bei denen das Sauerstoffatom der Dimethylarsinoylgruppe durch Schwefel ersetzt ist oder die gesamte Gruppe durch eine Trimethylarsoniumgruppe. Arsenozucker kommen insbesondere in Meeresalgen vor sowie in Tieren, die sich von diesen ernähren, beispielsweise der Riesenmuschel Tridacna gigas. Erstmals nachgewiesen wurden Arsenozucker 1981 in der Braunalge Ecklonia radiata. Auch die Thioarsenozucker kommen in Weichtieren und Algen vor.

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  Die Riesenmuschel ernährt sich von Algen und akkumuliert Arsenozucker
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  Arsenozucker (X normalerweise O, selten S)
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  In der australischen Languste wurde erstmals Arsenobetain nachgewiesen
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  Arsenobetain

Arsenobetain kommt vor allem in Lebewesen am oberen Ende der marinen Nahrungskette vor. Die Biosynthese ist nicht im Detail bekannt ist. Da weiter unten in der Nahrungskette (Phyto- und Zooplankton) anorganische Arsenverbindungen und Arsenozucker überwiegen, wird angenommen, dass Arsenobetain aus anderen Organoarsenverbindungen gebildet wird, die mit der Nahrung aufgenommen werden: So könnte Arsenat, dass den Großteil des Arsens in Meerwasser ausmacht und sich chemische ähnlich zum essenziellen Phosphat verhält, am unteren Ende der Nahrungskette zunächst in Arsenozucker umgewandelt und dieses weiter zu Arsenobetain umgesetzt werden. Zuerst nachgewiesen wurde Arsenobetain in der australischen Languste. Später wurde es aber auch in verschiedenen landlebenden Organismen entdeckt, darunter in Pilzen wie dem Habichtspilz. Der Nutzen von Arsenobetain für Lebewesen ist nicht im Detail erforscht, verschiedene Studien haben jedoch Hinweise darauf geliefert, dass die Verbindung, ebenso wie das strukturell ähnliche aber arsenfreie Betain, als Osmolyt dient.

Sonstige Verbindungen

Arsenicin A

Der erste bekannte Naturstoff mit mehreren Arsenatomen war das Arsenicin A, das aus dem Hornkieselschwamm Echinochalina bargibanti aus Neukaledonien isoliert wurde. Strukturell handelt es sich um ein Derivat des Adamantans, bei dem zwei Kohlenstoffatome gegen Arsen und drei gegen Sauerstoff ausgetauscht wurden. Ein erst in den 2010er-Jahren entdeckter Naturstoff ist das Arsinothricin, strukturell das Arsenanalogon des Herbizids Glufosinat. Es handelt sich um eine Aminosäure, die zusätzlich eine Arsinsäuregruppe aufweist und aus dem Bakterium Burkholderia gladioli isoliert wurde, das in der Rhizosphäre von Reispflanzen vorkommt.

Herstellung

Arsane

Arsane können in tertiäre (AsR₃), sekundäre (AsR₂H) und primäre (AsRH₂) unterteilt werden, wobei R sowohl ein aliphatischer als auch ein aromatischer Rest sein kann. Speziell von den tertiären Vertretern sind sehr viele bekannt. Sie werden insbesondere durch die Reaktion von Arsen(III)-halogeniden (AsX₃) mit Grignard-Verbindungen (RMgX) hergestellt. Statt reinen Halogeniden können aber auch Dihalogenarsane (AsRX₂) beziehungsweise Monohalogenarsane (AsR₂X) verwendet werden; statt Grignard-Verbindungen auch andere metallorganische Verbindungen wie Organolithium-, Organoaluminium-, Organozinn-, Organocadmium- oder Organoquecksilberverbindungen. Für aromatische Arsane hat auch die Umsetzung eines Arylhalogenids mit einem Arsenhalogenid in Gegenwart von Natrium – analog einer Wurtz-Fittig-Reaktion – Bedeutung; für die Herstellung von unsymmetrischen Arsanen die Reaktion eines sekundären Arsenids (MAsR₂, mit M = Metall) mit einem Alkyl- oder Arylhalogenid.

Die Umsetzung von Arsenhalogeniden mit Organometallverbindungen (hier eine Grignard-Verbindung) ergibt tertiäre Arsane

Primäre Arsane können durch Reduktion von Verbindungen hergestellt werden, die bereits genau eine Arsen-Kohlenstoff-Bindung enthalten. Geeignete Edukte sind beispielsweise Arsonsäuren oder Dihalogenarsane (AsRX₂), als Reduktionsmittel dient oft Zink, meist als Zink-Kupfer-Paar oder Zinkamalgam. So kann Trifluormethylarsindiiodid zu Trifluormethylarsan reduziert werden. Daneben sind jedoch auch andere Reduktionsmethoden bekannt, unter anderem elektrochemisch oder durch Lithiumaluminiumhydrid oder Lithiumborhydrid, welche beispielsweise Phenylarsindichlorid zu Phenylarsan reduzieren können. Eine andere Methode ist die Herstellung eines Arsenid-Salzes aus anorganischem Arsin und elementarem Calcium in flüssigem Ammoniak und anschließende Umsetzung mit einem Alkylhalogenid. Beispielsweise kann mit Chlormethan das Methylarsan hergestellt werden. Sekundäre Arsane können ähnlich hergestellt werden, so durch Reduktion von Arsinsäuren oder Monohalogenarsanen (AsR₂X) mit Zinkamalgam. Alternative Methoden sind die Herstellung eines sekundären Arsenids aus einem tertiären Arsan mittels Natrium in flüssigem Ammoniak und anschließende Hydrolyse sowie die Spaltung von Diarsanen mit Quecksilber / Iodwasserstoff oder Lithiumaluminiumhydrid.

Reduktion von Halogenarsanen: Je nach Anzahl der Halogenatome im Edukt entstehen entweder sekundäre Arsane aus Monohalogenarsane (oben) oder primäre Arsane aus Dihalogenarsanen (unten)

Halogenarsane

Halogenarsane lassen sich in Dihalogenarsane AsRX₂ und Monohalogenarsane AsR₂X (X = Cl, Br, I) einteilen. Sie können durch Reduktion von Arsonsäuren beziehungsweise Arsinsäuren, zum Beispiel mit Schwefeldioxid, in Gegenwart von Chlorwasserstoff, Bromwasserstoff oder Iodwasserstoff gewonnen werden. Fluorverbindungen können durch Reaktionen der chlorierten Analoga mit Metallfluoriden erhalten werden. So kann Dimethylarsinfluorid aus Dimethylarsinchlorid, Ammoniumfluorid und Antimon(III)-fluorid hergestellt werden. Weiterhin können Halogenarsane durch Reaktion von Arsenhalogeniden mit Organometallverbindungen erhalten werden. Dies ist allerdings wenig selektiv, da Mono- und Dihalogenarsane und tertiäre Arsane als Mischung erhalten werden.

Verbindungen mit Arsen-Arsen-Bindungen

Hexaphenylhexaarsenan

Durch die Reduktion von Verbindungen, die zwei organische Reste am Arsen tragen, werden zum Teil Diarsane mit einer Arsen-Arsen-Bindung erhalten. Beispielsweise ist dies durch Reaktion von Arsinsäuren mit Phosphonsäure oder Phosphinsäure möglich. Diarsene, die Analoga der Azoverbindungen, die eine As=As-Doppelbindung aufweisen, sind schwierig herzustellen und wenig erforscht, jedoch grundsätzlich bekannt. Die erste solche Verbindung wurde durch Reaktion eines primären Arsans mit einem Dichlorarsan in Gegenwart von DBU hergestellt, wobei beide Komponenten sterisch stark gehindert waren. Daneben sind auch diverse cyclische (mit einem Ring aus vier bis sechs Arsenatomen) und polymere Verbindungen mit As-As-Bindungen bekannt. Die erste solche cyclische Verbindung war das Tetrakis(trifluormethyl)tetraarsetan, das durch die Reaktion von Trifluormethylarsindiiodid mit elementarem Quecksilber erhalten wurde. Hexaphenylhexaarsan kann leicht durch Reduktion von Phenylarsonsäure mit Phosphinsäure erhalten werden und auch Pentaphenalypentaarsolan ist bekannt. Polymere Polyarsane werden meist durch Reduktion von Arsonsäuren mit Phosphinsäure oder Natriumdithionit gewonnen.

Arsonsäuren, Arsinsäuren und deren Ester

Arsonsäuren werden typischerweise durch die Meyer-Reaktion hergestellt, wobei Natriumorthoarsenit mit einem Alkylhalogenid umgesetzt wird. Die Arsonsäure wird nach Hydrolyse erhalten. Aromatische Arsonsäuren werden insbesondere durch die Bart-Reaktion hergestellt, in der ein Diazoniumsalz mit Natriumorthoarsenit umgesetzt wird. Wird Natriumorthoarsenit durch das Natriumsalz eine arsonigen Säure ersetzt, können analog Arsinsäuren hergestellt werden. Einige Arsonsäuren wie die Arsanilsäure können auch durch die Béchamp-Reaktion gewonnen werden. Ester der Arsonsäuren können gewonnen werden, indem Ester der arsonigen Säuren mit Selendioxid oxidiert werden. Alternativ können Silbersalze von Arsonsäuren mit einem Alkylierungsmittel umgesetzt werden. Weiterhin können Arsonsäuren und Arsinsäuren auch durch direkte Umsetzung mit Alkoholen unter azeotroper Destillation verestert werden.

Herstellung von Arsonsäuren ausgehend von Natriumorthoarsenit: Alkylarsonsäuren durch Meyer-Reaktion (links), Arylarsonsäuren durch Bart-Reaktion (rechts)

Arsoniumsalze und Arsonium-Ylide

Arsoniumsalze haben die Form R4As⁺ X⁻, wobei R ein organischer Rest und X ein Halogenid oder ein anderes Anion wie Nitrat, Sulfat oder Perchlorat ist. Tertiäre Arsane können durch Umsetzung mit einem Alkylhalogenid (zum Beispiel Methylbromid) leicht quaternisiert werden. Verbindungen mit vier Arylgruppen müssen auf anderem Weg hergestellt werden. Tetraphenylarsoniumbromid kann unter anderem aus Triphenylarsinoxid und Phenylmagnesiumbromid hergestellt werden. Eine Herstellung von Arsoniumsalzen ist außerdem durch Abspaltung eines organischen Rests aus einer Pentaalkyl- oder Pentaarylverbindung (Arsoran) möglich, beispielsweise mit Chlor, Brom, Iod oder Halogenwasserstoffsäuren. Salze mit anderen Gegenionen können durch Umsetzung von Halogeniden oder Hydroxiden mit geeigneten Reagenzien hergestellt werden, beispielsweise Nitrate mit Salpetersäuren und Perchlorate mit Perchlorsäure.

Arsonium-Ylide können aus einem geeigneten Arsoniumhalogenid hergestellt werden, indem dieses mit Phenyllithium umgesetzt wird. Möglich ist dies zum Beispiel mit Methyltriphenylarsoniumiodid. Eine weitere Möglichkeit ist die Umsetzung von ausreichend stabilen Diazoverbindungen mit Triphenylarsan in Gegenwart eines Katalysators wie Kupfer(II)-acetylacetonat.

Arsorane

Arsorane sind Verbindungen mit fünfbindingem Arsen, das fünf Organylreste trägt. Pentaalkylverbindungen sind weniger erforscht, aber Pentaarylverbindungen sind in großer Zahl bekannt. Hergestellt werden können Arsorane, indem Verbindungen mit weniger organischen Resten mit Lithiumorganylen umgesetzt werden: Pentamethylarsoran aus Dichlortrimethylarsoran und Methyllithium oder Pentaphenylarsoran aus Tetraphenylarsoniumbromid oder Triphenylarsinoxid und Phenyllithium.

Halogenarsorane

Halogenarsorane sind fünfbindige Arsenverbindungen, in denen mindestens ein Organylrest und mindestens ein Halogenatom an das Arsen gebunden ist. Die Verbindungen mit vier organischen Reste sind ionisch aufgebaut, siehe unter Arsoniumsalze oben. Am geläufigsten sind die dihalogenierten Halogenarsorane, die durch direkte Halogenierung von tertiären Arsanen mit Halogenierungsmitteln wie Halogenen, Blei(IV)-chlorid oder Sulfurylchlorid zugänglich sind. Fluorierte Verbindungen können durch Reaktion mit einem Fluor/Argon-Gemisch erhalten werden oder durch Substitution aus anderen Halogeniden mit Silberfluorid. Vierfach halogenierte Halogenarsorane sind wegen ihrer Instabilität wenig untersucht, aber einige Vertreter sind bekannt, beispielsweise kann Phenylarsentetrafluorid aus Phenylarsonsäure und Schwefeltetrafluorid hergestellt werden. Trihalogenierte Verbindungen sind deutlich stabiler; trichlorierte können durch Reaktion von Monochlorarsanen mit Chlor hergestellt werden. Auch einige dreifach fluorierte oder bromierte Verbindungen sind bekannt. So kann Trifluordiphenylarsoran durch Umsetzung von Benzol mit Arsenpentafluorid und Caesiumfluorid oder Umsetzung von Diphenylarsinsäure mit Schwefeltetrafluorid gewonnen werden.

Arsinoxide

Tertiäre Arsane können zu Arsinoxiden R₃AsO umgesetzt werden. Bei aliphatischen Arsanen gelingt dies durch Oxidation mit 30%igem Wasserstoffperoxid oder Quecksilber(II)-oxid unter striktem Luftausschluss. Aromatische Vertreter können durch diverse Oxidationsmittel wie Wasserstoffperoxid, Kaliumpermanganat oder Iod oxidiert werden. Außerdem sind sie durch die Hydrolyse von Halogenarsoranen der Form R₃AsX₂ zugänglich. Die analogen Verbindungen mit den höheren Homologen des Sauerstoffs, Arsinsulfide und Arsinselenide sind ebenfalls bekannt und können durch Reaktion von Arsanen mit elementarem Schwefel oder mit Selenpulver hergestellt werden.

Heterocyclen

Allgemeine Struktur der Arsolane mit R = H oder organischer Rest

Neben den cyclischen Verbindungen mit Arsencyclen (siehe Abschnitt Verbindungen mit Arsen-Arsen-Bindungen) gibt es auch klassische Heterocyclen, bei den einzelne Atome eines Carbocyclus durch Arsen ersetzt sind. Arsabenzol, das Arsenanalogon des Pyridins, kann ausgehend von 1,4-Pentadiin hergestellt werden. Dieses wird Dibutylzinndihydrid zu Dibutylstannacyclohexadien umgesetzt. Dessen Zinnatom kann mittels Arsen(III)-chlorid gegen Arsen substituiert werden. Mit Diazabicycloundecen kann Chlorwasserstoff eliminiert werden, um das erhaltene Intermediat zu aromatisieren. Verschiedene Arsolane sind bekannt und können auf unterschiedlichen Wegen hergestellt werden, so zum Beispiel 1-Phenylarsolan aus 1,4-Dibrombutan, das in ein Grignard-Reagenz umgewandelt und dann mit Phenylarsindichlorid umgesetzt wird. Gesättigte Sechsringe mit einem dreifach substituierten Arsenatom, Arsenane können leicht analog hergestellt werden, indem 1,5-Dibrompentan in eine Grignard-Verbindung überführt und Umsetzung mit einem passenden Dichlorarsan wie Methylarsindichlorid. Durch die Pyrolyse von Trimethyl(1,7-dibromhept-4-yl)arsoniumbromid unter Abspaltung von drei Molekülen Methylbromid kann 1-Arsabicyclo[3.3.0]octan, das Arsenanalogon von Pyrrolizidin, hergestellt werden.

Arsaalkene und Arsaalkine

Arsaalkene sind Verbindungen mit einer C=As-Doppelbindung. Analog zu Alkenen können sie durch Eliminierungs- und Kondensationsreaktionen hergestellt werden. Die Reaktion von (Diphenylmethyl)mesitylarsinchlorid mit Diazabicycloundecen ergibt beispielsweise unter Eliminierung von Chlorwasserstoff das (Mesitylarsinyliden)diphenylmethan. Arsaalkine mit einer C≡As-Dreifachbindung sind wenig erforscht und es sind nur einzelne Synthesemethoden für bestimmte Vertreter bekannt, was unter anderem an der extremen Instabilität der Verbindungen liegt. 2,4,6-Tri-tert-butylphenylarsaethin ist jedoch als stabiler Vertreter bekannt und kann ausgehend von 2,4,6-Tri-tert-butylbenzoylchlorid hergestellt werden.

Eigenschaften und Reaktionen

Arsane und Diarsane

Wenige Vertreter der Arsane wie das Methylarsan und das Trifluormethylarsan sind gasförmig, die restlichen entweder flüssig oder fest. Primäre und sekundäre Arsane sind überwiegend hochreaktiv, zum Teil sogar pyrophor, also bei Sauerstoffkontakt spontan entzündlich. Sie addieren an die Mehrfachbindungen von Alkenen, Alkinen, Carbonylverbindungen, Isocyanaten und Azoverbindungen und können durch Alkylhalogenide quaternisiert werden. Die meisten Trialkylarsane sind flüchtige Flüssigkeiten mit starkem unangenehmem Geruch. Triarylarsane sind meistens fest. Die Trialkylarsane sind ebenso wie die primären und sekundären Arsane hochreaktiv bis pyrophor. Triarylarsane sind weniger sauerstoffempfindlich, können jedoch mit passenden Oxidationsmitteln leicht zu Arsinoxiden oxidiert werden. Aliphatische Diarsane sind extrem reaktiv, beispielsweise sind Tetramethyldiarsan und Tetraethyldiarsan pyrophor. Tetraphenyldiarsan ist weniger reaktiv, wird jedoch schon an feuchter Luft vollständig hydrolysiert, wobei unter anderem Diphenylarsinsäure entsteht.

Halogenarsane

Halogenarsane sind hochreaktive Substanzen, die leicht zu arsinigen oder arsonigen Säuren, R₂AsOH beziehungsweise RAs(OH)₂, oder deren Anhydride hydrolysiert werden. Durch Halogene werden sie zu fünfwertigen Verbindungen der Form RAsX₄ (aus Dihalogenarsanen) oder R₂AsX₃ (aus Monohalogenarsanen) oxidiert. Die Halogenatome können durch viele Nukleophile substituiert werden, sodass mit Grignard- oder Organolithiumverbindungen tertiäre Arsane erhalten werden und mit geeigneten Reduktionsmitteln primäre oder sekundäre. Substitutionsreaktionen sind auch mit Alkoholen, Alkoholaten, Thiolen, Selenolen, Aminen, Halogenid-Salzen, Pseudohalogeniden und Carboxylaten möglich.

Hydrolyse von Halogenarsanen: Je nach Anzahl der Halogenatome im Edukt entstehen entweder arsinige Säuren aus Monohalogenarsanen (oben) oder arsonige Säuren aus Dihalogenarsanen (unten)

Arsonsäuren und Arsinsäuren

Arsonsäuren und Arsinsäuren können durch direkte Reaktion mit Alkoholen verestert werden, wobei entstehendes Wasser entfernt werden muss, beispielsweise durch azeotrope Destillation mit Benzol oder Toluol. Unter langsamer Erhitzung bilden Arsonsäuren Anhydride der Form (RAsO₂)_n. Arsonsäuren können viele Metallionen unter Bildung zum Teil farbiger Niederschläge ausfällen.

Halogenarsorane

Unter den Halogenarsoranen nimmt die Stabilität von den Verbindungen der Form RAsX₄ über R₂AsX₃ zu R₃AsX₂ deutlich zu. Erstere zersetzen sich leicht und werden schon an feuchter Luft schnell zu Arsonsäuren hydrolysiert. Zweitere sind etwas stabiler. Die dihalogenierten Verbindungen sind kristallin und deutlich stabiler können aber durch Erhitzen unter Abspaltung eines organischen Halogenids zersetzt werden. Je nach organischen Resten und Halogenatomen weisen diese Verbindungen entweder fünf kovalente Verbindungen auf oder liegen ionisch vor. Die Halogenatome können durch bestimmte Anionen substituiert werden, beispielsweise Azid aus Natriumazid oder Nitrat aus Silbernitrat.

Arsoniumsalze und Arsonium-Ylide

Arsoniumsalze können diverse Metallkomplexe und Anionen ausfällen; Tetraphenylarsoniumchlorid beispielsweise Komplexe von Titan, Kupfer, Cobalt, Palladium, Wolfram, Niob und Molybdän, sowie Perchlorat, Perrhenat und Permanganat. Arsoniumsalze mit mindestens einer Alkylgruppe können unter Pyrolyse ein Alkylhalogenid abspalten, wodurch ein tertiäres Arsan erhalten wird.

Arsonium-Ylide können analog zu den Phosphor-Yliden in der Wittig-Reaktion mit Carbonylverbindungen zu Alkenen umgesetzt werden. Dabei haben sie den Vorteil, dass sie einerseits um Größenordnungen schneller reagieren, andererseits auch mit Carbonylverbindungen, die in Wittig-Reaktionen unreaktiv sind.

Heterocyclen

Arsabenzol ist weniger aromatisch und weniger stabil als Pyridin und Phosphabenzol und der Ring ist deutlich verzerrt, allerdings ist es im Gegensatz zu Stibabenzol und Bismabenzol noch relativ gut handhabbar und geht mit der Friedel-Crafts-Acylierung eine typisch aromatische Reaktion ein. Arsolane, gesättigte Fünfringe mit einem Arsenatom verhalten sich wie andere tertiäre Arsane, wenn das Arsenatom einen dritten organischen Rest trägt. Arsenane, die entsprechenden Sechsringe sind mäßig stabil, die alkylsubstituierten Vertreter sind im Gegensatz zum 1-Phenylarsenan recht oxidationsempfindlich. Viele ungesättigte Heterocyclen sind als Grundkörper nicht stabil und unbekannt, so zum Beispiel die Arsenanaloga von Pyrrol, Indol und Carbazol.

Arsaalkene und Arsaalkine

Arsaalkene und Arsaalkine sind hochreaktiv. Arsaalkene mit sperrigen Substituenten sind zum Teil isolierbar. Dazu gehört beispielsweise das (Mesitylarsinyliden)diphenylmethan, das jedoch leicht Chlorwasserstoff oder Wasser addiert. Sterisch weniger abgeschirmte Arsaalkene dimerisieren unter Einwirkung von Licht langsam in einer [2+2]-Cycloaddition. Besonders reaktive Vertreter wie das Perfluor-2-arsa-1-propen dimerisieren schon bei niedrigen Temperaturen sehr schnell.

Organoarsenkomplexe

Tertiäre Arsane sind Lewis-Basen und können ebenso wie die Phosphine Komplexe bilden. Die Ligandenkegelwinkel der Arsane sind im Allgemeinen etwas größer als die der entsprechenden Phosphine. Arsane sind vergleichsweise weiche Basen, weshalb sie schlecht an hochgeladene Metallzentren binden. Nichtsdestotrotz sind viele Übergangsmetallkomplexe der Arsane bekannt. Stabile Komplexe werden insbesondere mit solchen Metallen gebildet, die im Periodensystem weiter rechts stehen, die stabilsten Komplexe mit schweren Übergangsmetallen wie Platin und Gold. Dazu gehörten auch die ersten solchen Komplexe, die 1870 hergestellt wurden: mit Palladium, Gold und Platin und mit Triethylarsan als Ligand.

Viele Komplexe werden mit Chrom, Molybdän und Wolfram gebildet. Beispielsweise können ausgehend von Chromhexacarbonyl, Molybdänhexacarbonyl und Wolframhexacarbonyl ein oder zwei Moleküle Kohlenstoffmonoxid gegen Arsane wie Trimethylarsan substituiert werden. Stabile Mangankomplexe können beispielsweise mit Triphenylarsan und Dimangandecacarbonyl oder gemischten Carbonyl-Halogenid-Komplexen wie Chloridomanganpentacarbonyl gewonnen werden. Ähnliche Reaktionen sind auch von Rhenium bekannt, beispielsweise von Dirheniumdecacarbonyl mit Dimethylphenylarsan unter UV-Strahlung oder von Chloridorheniumpentacarbonyl mit Tetraphenyldiarsan. Die Substitution von Carbonylliganden an Eisenatomen durch Arsane ist beispielsweise ausgehend von Eisenpentacarbonyl möglich, erfordert jedoch Bestrahlung oder Erhitzen am Rückfluss in einem geeigneten Lösungsmittel wie Tetrahydrofuran. Verbrückte Komplexe wurden aus Eisenpentacarbony mit Tetramethyldiarsan oder Bis(trifluormethyl)arsiniodid gewonnen. Palladium bildet diverse quadratisch planare Komplexe mit zwei Arsan-Liganden, beispielsweise aus Palladium(II)-chlorid, Palladium(II)-bromid oder Palladium(II)-thiocyanat mit Trimethylarsan oder Triphenylarsan. Viele analoge Komplexe des Platins, [PtL₂X₂] – mit L = tertiäres Arsan als Ligand und X ein Halogenid oder Pseudohalogenid – sind bekannt. Kupfer(I) bildet mit Arsanen wie Methyldiphenylarsan Komplexe mit ein bis vier Liganden, wobei solche mit einem Liganden überwiegen. Ähnliches gilt auch für Silber(I). So sind beispielsweise die strukturell analogen Komplexe (Triethylarsan)kupfer(I)-iodid und (Triethylarsan)silber(I)-iodid bekannt. Gold(I) bildet hingegen fast nur Komplexe mit einem einzelnen Liganden. Arsan-Liganden eignen sich unter anderem zum Einsatz in Katalysatoren für die Stille-Kupplung, wo sie eine starke Reaktionsbeschleunigung leisten können. In einem konkreten Fall wurde beispielsweise die Kupplung von Iodbenzol mit Vinyltributylzinn um einen Faktor 1000 beschleunigt, indem Triphenylphosphin in einem Palladium-Katalysator durch Triphenylarsan ausgetauscht wurde.

Verwendung

Organoarsenverbindungen wurden historisch vielfältig eingesetzt, wegen der Toxizität von Arsen und seinen Verbindungen haben sie aber deutlich an Bedeutung verloren.

Pestizide

Salze der Methylarsonsäure werden insbesondere in Asien als Pestizide eingesetzt. Dazu gehört das als Fungizid im Reisanbau verwendete Neoasozin sowie einige andere Salze, beispielsweise Natriummethylarsonat und Ammoniummethylarsonat, die als Herbizide im Baumwollanbau verwendet werden. Auch Natriumdimethylarsinat wird als Herbizid eingesetzt. In Europa sind die Verbindungen jedoch nicht zugelassen.

Medizin und Tiermedizin

Darinaparsin

Organoarsenverbindungen werden vereinzelt als Pharmazeutika eingesetzt. Darinaparsin ist in Phase II der klinischen Prüfung zur Behandlung von T-Zell-Lymphomen. Das schon sehr lange genutzte Melarsoprol wird von der WHO trotz der zum Teil starken Nebenwirkungen nach wie vor als Chemotherapeutikum gegen das zweite Stadium der Afrikanischen Trypanosomiasis empfohlen, da es die Blut-Hirn-Schranke überwinden und daher die Parasiten im Zentralnervensystem bekämpfen kann. Melarsoprol ist ein Prodrug, das eigentlich aktive Melarsenoxid hat eine starke Affinität zu Thiolgruppen und reagiert mit dem Trypanothion der Parasiten.

Daneben werden einige Organoarsenverbindungen wie Roxarson und Nitrarson tiermedizinisch eingesetzt. Auch die früher in der Humanmedizin eingesetzten Verbindungen Atoxyl und Carbarson werden verwendet. Die Verbindungen kamen als Futterzusatzmittel zum Einsatz, um die Gewichtszunahme von Nutztieren zu verbessern sowie gegen parasitäre Infektionen. Roxarson wird beispielsweise als Wachstumsstimulans sowie gegen Kokzidiose bei Geflügel eingesetzt. Die Anwendung nimmt jedoch ab, da die Verbindungen in den USA in der Mitte der 2010er-Jahre verboten wurden, in der EU schon deutlich früher, in China einige Jahre später. In einigen Ländern wie Argentinien, Brasilien, Chile, Mexiko und Vietnam sind sie jedoch nach wie vor erlaubt.

Chemie, Biochemie und Analytik

Mehrere Gruppen von Organoarsenverbindungen werden in der analytischen Chemie eingesetzt. Einige Azofarbstoffe, die gleichzeitig Arsonsäure- und Sulfonsäure-Gruppen aufweisen, zeigen spezifische Farbreaktionen mit Metallionen und werden daher als entsprechende Indikatoren eingesetzt. Zu dieser Gruppe gehören beispielsweise Arsenazo III und Thorin. Arsoniumsalze werden ebenfalls in der analytischen Chemie eingesetzt. Beispielsweise können mit Tetraphenylarsoniumchlorid viele Metallkomplexe aus wässriger Lösung in ein organisches Lösungsmittel extrahiert werden. Fluorescein Arsenical Helix Binder und Resorufin Arsenical Helix Binder sind zwei arsenorganische Verbindungen, die über AsS₂-Gruppen an Proteine binden können, was zur Proteinmarkierung mit Fluoreszenzfarbstoffen verwendet wird.

Metabolismus und Toxikologie

Menschen sind täglich kleineren Mengen Arsen ausgesetzt, insbesondere über Nahrung, Trinkwasser, sowie bei Rauchern über Tabakrauch. Eine wichtige Quelle ist in bestimmten Weltgegenden das Trinkwasser, wenn dieses einen erhöhten Gehalt an Arsen aufweist, sowie Reis und anderes Getreide, wenn die Bewässerung mit entsprechendem Wasser stattfindet. Dabei handelt es sich überwiegend um anorganische Arsenverbindungen, die auch in vielen anderen Nahrungsmitteln überwiegen. In Früchten, Gemüse sowie Fisch und Meeresfrüchten überwiegen hingegen Organoarsenverbindungen. Besonders hohe Konzentrationen an Arsen treten in Fisch und Meeresfrüchten auf, allerdings vor hauptsächlich in Form von Arsenobetain und Arsenocholin, welche eine vergleichsweise geringe Toxizität aufweisen. Da anorganische Arsenverbindungen beim Metabolismus im menschlichen Körper durch Biomethylierung in Organoarsenverbindungen überführt werden, sind letztere auch bei Exposition gegenüber anorganischen Verbindung für die Toxikologie von Bedeutung. Arsenverbindungen lassen sich in Vertreter vergleichsweise geringer Toxizität und andere Vertreter sehr hoher Toxizität einteilen. Die Verbindungen geringerer Toxizität sind die überwiegende Mehrheit der fünfwertigen Verbindungen, also das anorganische Arsenat sowie Methylarsonsäure, Dimethylarsinsäure, Trimethylarsinoxid, Arsenobetain, Arsenocholin und Arsenozucker. Die dreiwertigen Arsenverbindungen sind hingegen deutlich toxischer. Dazu gehören das anorganische Arsenit sowie methylarsonige Säure, dimethylarsinige Säure, Methylarsan, Dimethylarsan und Trimethylarsan. Die Schwefelanaloga der fünfwertigen Dimethylarsinsäure, Dimethylthioarsinsäure und Dimethyldithioarsinsäure sind außerdem deutlich toxischer als die anderen fünfwertigen Verbindungen. Die Membranpermeabilität der Verbindungen weist deutliche Unterschiede auf. Die dreiwertigen methylierten Verbindungen, vor allem dimethylarsinige Säure können leicht Zellmembranen überwinden, während methylierte fünfwertige Verbindungen wie Methylarsonsäure dies kaum können. Noch bis zum Ende des 20. Jahrhunderts wurde angenommen, dass anorganische Arsen(III)-verbindungen die größte Toxizität unter den Arsenverbindungen aufweisen und demnach zentral für die Effekte von Arsenvergiftungen sind. Neuere Untersuchungen haben jedoch methylarsonige Säure und dimethylarsinige Säure klar als Metaboliten nachgewiesen und gezeigt, dass diese einerseits eine höhere Zytotoxizität und Genotoxizität aufweisen als andere anorganische und organische Arsenverbindungen, andererseits auch stärkere Enzyminhibitoren sind.

Beispiele für Organoarsenverbindungen von mäßiger Toxizität: Methylarsonsäure, Dimethylarsinsäure, Trimethylarsinoxid, Arsenobetain

Beispiele für Organoarsenverbindungen von hoher Toxizität: Methylarsin, Dimethylarsin, Trimethylarsin, methylarsonige Säure, dimethylarsinige Säure

S-Adenosylmethionin dient als Methyldonor in der Biomethylierung von Arsenverbindungen

In den Zellen der Säugetiere gehen Arsenverbindungen drei Arten von Reaktionen ein, die für die Toxikologie relevant sind. Diese sind die Reduktion von fünfwertigen zu dreiwertigen Verbindungen, die Biomethylierung und die Substitution von Hydroxygruppen gegen Thiolgruppen. Anorganische Verbindungen werden sowohl zu einfach methylierten (Methylarsonsäure und methylarsonige Säure) als auch zu dimethylierten Verbindungen (Dimethylarsinsäure, dimethylarsinige Säure) metabolisiert. Bei einigen Spezies wie Ratten und Hamstern scheint Trimethylarsinoxid das metabolische Endprodukt zu sein, bei Menschen tritt es hingegen nur in geringen Mengen auf. Die Biomethylierung findet bei Menschen vor allem in der Leber statt. Verantwortlich ist die Arsenmethyltransferase (As3MT), als Methyldonor dient S-Adenosylmethionin. Diskutiert werden zwei mögliche Reaktionswege, die jedoch beide davon ausgehen, dass Arsenat zunächst zu Arsenit reduziert wird. Einerseits der klassische Mechanismus, der eine abwechselnde Methylierung und Reaktion annimmt, anderseits eine Bindung von dreiwertigem Arsen an drei Einheiten Glutathion. Demnach würde das so gebildete Intermediat direkt und ohne Oxidation einfach oder zweifach methyliert werden. Die Rücksubstitution führt dann zu methylarsoniger Säure oder dimethylarsiniger Säure, die zu Methylarsonsäure oder Dimethylarsinsäure oxidiert werden.

Arsen und Arsenverbindungen im Allgemeinen und Organoarsenverbindungen im Besonderen sind giftig und krebserregend. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind jedoch nicht genau bekannt. Eine konkrete Zuordnung von toxikologischen Effekten zu einzelnen Verbindungen wird durch die Metabolisierung sowie die breite Palette der Effekte auf zellulärer Ebene erschwert. Schon in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts konnte gezeigt werden, dass Methylarsonsäure und Dimethylarsinsäure die Mitose blockieren. Sowohl anorganische (Arsenit, Arsenat) als auch organische Arsenverbindungen (Methylarsonsäure, Dimethylarsinsäure, methylarsonige Säure, dimethylarsinige Säure) wurden vielfältigen Tests unterzogen, um ihre Wirkung in Bezug auf DNA-Strangbrüche, Chromosomenbrüche (Klastogenität) und Schwesterchromatidaustausch festzustellen. Alle sechs genannten Verbindungen wirken klastogen, wobei die dreiwertigen organischen Verbindungen am stärksten wirken, die fünfwertigen am wenigsten und die anorganischen Verbindungen dazwischen liegen, wobei die Mutagenität wahrscheinlich auf Chromosomenbrüche zurückzuführen ist. Die Schädigung der Chromosomen wiederum ist vermutlich auf die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies zurückzuführen. Beide dreiwertige Organoarsenverbindungen sind starke Inhibitoren der Glutathionreduktase, vermutlich durch Interaktion mit wichtigen Thiolgruppen, was wiederum zelluläre Redoxreaktionen beeinflusst. dimethylarsinige Säure zeigte auch die höchste Rate von Schwesterchromatidaustausch, die aber dennoch nicht besonders hoch war. Auch die Wirkung als Spindelgifte, also die Hemmung der Mitose, ist bei den dreiwertigen methylierten Verbindungen am größten. Neben den mutagenen Eigenschaften sind die dreiwertigen Methylarsenverbindungen auch starke Inhibitoren verschiedener essenzieller Enzyme. Ein weiterer möglicherweise relevanter Effekt, ist die Hemmung von DNA-Reparaturmechanismen, die wiederum bei methylarsoniger Säure und dimethylarsiniger Säure besonders ausgeprägt ist. Hierfür ist vermutlich die Freisetzung von Zink aus Zinkfingerproteinen wie Poly(ADP-ribose)polymerase 1 mitverantwortlich, die diese Organoarsenverbindungen verursachen. Dimethylthioarsinsäure gehört, anders als die meisten anderen fünfwertigen Organoarsenverbindungen ebenfalls zu den toxischsten Vertretern und wirkt sowohl als Klastogen als auch als Spindelgift. Inwieweit flüchtige Verbindungen wie Methylarsan, Dimethylarsan und Trimethylarsan eine Rolle im Metabolismus spielen, ist nicht bekannt, allerdings zeigen letztere beide Verbindungen eine ausgeprägte Fähigkeit zur Schädigung von DNA.

Die von Kohlenwasserstoffen abgeleiteten Arsenolipide sind im Vergleich zu den meisten anderen in Fisch und Meeresfrüchten vorkommenden Vertretern vergleichsweise giftig

Zu den in marinen Lebewesen vorkommenden Verbindungen wie Arsenobetain und Arsenozuckern liegen nur wenige Daten vor, allerdings wurden in den publizierten Experimenten wenig bis keine mutagenen Eigenschaften festgestellt. Nach den vorhandenen Daten werden Verbindungen wie Arsenobetain, Arsenocholin, Trimethylarsinoxid, Arsenozucker und Arsenolipide als eher weniger toxisch eingeschätzt als die fünfwertigen Methylarsonsäure und Dimethylarsinsäure, die wiederum deutlich weniger toxisch sind als die dreiwertigen methylierten Verbindungen sind. Beispielsweise wird Arsenobetain, das in vielen Nahrungsmitteln marinen Ursprungs ein wichtige Arsenverbindung ist, überwiegend schnell und unverändert ausgeschieden. Der Gehalt an Tetramethylarsonium nimmt bei der Verarbeitung (Grillen, Braten) oft zu, möglicherweise durch Decarboxylierung von Arsenobetain, allerdings wird es ebenfalls als eher gering toxisch eingestuft. Auch die Thioanaloga von einigen Oxoarsenverbindungen spielen für toxikologische Belange eine Rolle, da sie nach dem Verzehr von Algen, die größere Mengen Arsenozucker enthalten, in geringen Mengen als Metaboliten auftreten. Obwohl die experimentellen Daten begrenzt sind, gibt es Hinweise darauf, dass die schwefelhaltigen Verbindungen eine vergleichsweise hohe Toxizität aufweisen. Die ebenfalls begrenzten Daten zu Arsenozuckern weisen ebenfalls auf eine geringe Toxizität hin. Reduzierte Derivate der Arsenozuckern mit dreiwertigem Arsen sind deutlich toxisch, allerdings wurden diese weder als Inhaltsstoffe in Nahrungsmitteln noch als Metaboliten nachgewiesen. Arsenolipide umfassen eine große Anzahl an Verbindungen mit sehr unterschiedlichen Strukturen. Insbesondere die von Kohlenwasserstoffen abgeleiteten Arsenolipide, langkettige Arsinoxide wie Heptadecyldimethylarsinoxid und Dimethylpentadecylarsinoxid weisen eine hohe Cytotoxizität auf. Arsenhaltige Fettsäuren wie Dimethylarsinoylpentadecansäure weisen demgegenüber eine wesentlich geringere Toxizität auf.