mini|Beispiele für Organoarsenverbindungen; oben: Arsenobetain, Trimethylarsinoxid, Dimethylarsinsäure; unten: Tetramethyldiarsan, Arsabenzol, Arsanilsäure|500x500pxArsenorganische Verbindungen oder Organoarsenverbindungen sind eine Stoffgruppe der organischen Chemie. Sie 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, ihre Struktur wurde allerdings erst Mitte des 19. Jahrhunderts 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. zentriert|mini|450x450px|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. zentriert|mini|600x600px|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 mini|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. mini|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 darzustellen, indem er Dimethylarsinchlorid in selbst hergestellten Glasapparaturen unter einer Atmosphäre von trockenem Kohlenstoffdioxid mit Zink reduzierte. 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 führt.
Organoarsenverbindungen als Chemotherapeutika mini|Struktur eines der Bestandteile von Salvarsan