Le diossine, dal punto di vista della nomenclatura chimica, sono una classe di composti organici eterociclici la cui struttura molecolare fondamentale consta di un anello di sei atomi, dei quali quattro atomi di carbonio e due di ossigeno: la diossina in senso stretto, differentemente stabile in due diversi isomeri posizionali, che hanno entrambi formula bruta C4H4O2.
Le diossine in senso lato, sono detti anche composti diossino-simili (dioxins and dioxin-like compounds). A causa della loro elevata tossicità, tali composti sono spesso studiati negli ambiti della tossicologia generale, tossicologia ambientale e chimica ambientale.
Struttura I due isomeri della diossina sono: 1,2-diossina (CAS 289-87-2), strutturalmente un endoperossido. 1,4-diossina (CAS 290-67-5), più stabile.
Le diossine intese in senso lato sono derivati di questi isomeri.
Tra le circa 200 diossine stabili conosciute, le più note sono le dibenzodiossine policlorurate: ovverosia composti aromatici la cui struttura consiste di due anelli benzenici legati da due atomi di ossigeno aventi legami con uno o più atomi di cloro. Gli anelli benzenici stabilizzano stericamente la struttura della molecola.
Gli isomeri che hanno il cloro nella posizione 2, 3, 7 e/o 8 sono quelli più tossici.Le diossine alogenate si bioaccumulano con emivita variabile a seconda del particolare organismo e delle condizioni dello stessoOlson, J. R. 1994. Pharmacokinetics of dioxin and related chemicals. In Dioxins and Health. A. Schecter, ed. New York, NY: Plenum Press. p. 163-167..
La più nota e pericolosa di esse, per contaminazioni ambientali e alimentari, è la 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-diossina, spesso indicata con l'abbreviazione TCDD.
Diossine naturali e usi farmacologici Esistono diverse diossine naturali: ad esempio il repellente prodotto dalla spugna di mare Dysidea dendyiUtkina, N.K., V.A. Denisenko, M.V. Virovaya, O.V. Scholokova and N.G. Prokofeva, Two new minor polybrominated dibenzo-p-dioxins from the marine sponge Dysidea dendyi, J. Nat. Prod., 65, 1213-1215, 2002., detto spongiadiossina (1-idrossi-3,4,6,8-tetrabromdibenzo [1,4] diossina), è un composto bromurato,
così come alcuni metaboliti fungini dell'attività di degradazione nel terreno della lignina, peraltro a loro volta ad attività antimicotica. Anche i derivati della 1,2-diossina sono presenti in natura: le spugne del genere Plakortis producono uno di questi compostiGang Yao and Kosta Steliou Org. Lett., 4 (4), 485 -488, 2002. 10.1021/ol016943y S1523-7060(01)06943-7 2002 American Chemical Society Synthetic Studies toward Bioactive Cyclic Peroxides from the Marine Sponge Plakortis angulospiculatus, e mostrano spiccate attività antifungine. Recenti ricerche farmacologiche mirano all'utilizzo di questi composti in terapia, sia per le loro capacità antimicotiche a largo spettro (vari studi relativi a infezioni da Candida), sia recentemente per possibili attività antimalariche. Un nuovo settore di ricerca indaga sulle capacità antitumorali dei derivati della forma endoperossido (sempre 1,2-diossine).
Diossine come inquinanti organici persistenti La maggior parte delle diossine polialogenate sono inquinanti organici persistenti. Policlorodibenzodiossine o PCDD, policlorodibenzofurani o PCDF, e policlorobifenili complanari o Co-PCB sono spesso indicati come diossino-simili in campo medico e ambientale.
Nel linguaggio corrente, vengono indicati come diossine anche i composti derivati dal furano, in particolare i dibenzofurani,
e dal punto di vista chimico, altrettanto erroneamente i derivati dal diossano. La ragione di questa confusione consiste nella particolare struttura spaziale delle molecole e nella localizzazione degli elettroni, che porta a una convergenza nei meccanismi d'azione tossicologica delle diverse categorie di composti.I Co-PCB, con una struttura chimica alquanto diversa, mostrano tossicità elevate, proprio perché la particolare distribuzione dei sostituenti al difenile favorisce una disposizione quasi planare della molecola, come avviene in diossine e furani, e limita la rotazione sull'asse del legame centrale Ar-Ar.
Questa struttura è coinvolta nei meccanismi d'azione molecolare in vivo.
Azione in vivo Il principale meccanismo d'interazione (ma non l'unico in particolare negli effetti neurotossici e di distruzione del sistema endocrino o ECDs) implica il coinvolgimento del recettore cellulare AHR, recettore degli idrocarburi arilici meglio noto col termine inglese "aryl hydrocarbon receptor". Essendo l'AHR un fattore trascrizionale genico, appartenente alla stessa classe del più noto c-Myc, un protooncogene, la sua anomala modulazione conduce a effetti distruttivi sulle funzioni vitali della cellula.I principali metodi di catalogazione dell'equivalenza della tossicità nelle diverse categorie di composti qui afferenti si basano su questa azione, e pongono il fattore di equivalenza tossica (TEF) della TCDD al valore unitario.
Diossine in quanto classe tossicologica ambientale In genere, quando si parla di "diossina" in senso non chimicamente rigoroso, ma tossicologico, si intende l'intera classe delle diossine e diossino-simili, furani, diossani e PCB complanari compresi. Anche in questa voce il termine "diossina", a partire dal presente paragrafo, è da intendersi nel senso di estensione all'intera classe tossicologica, se non diversamente specificato. Le diossine e altri inquinanti organici persistenti sono sottoposti alla convenzione di Stoccolma del 22-23 maggio 2001. Questo accordo, entrato in vigore il 17 maggio 2004, prevede che gli Stati aderenti prendano misure atte a eliminare ove possibile, o quantomeno minimizzare, tutte le fonti di diossine.
Tossicità e cancerogenicità Le diossine, nel loro insieme sono molecole molto varie a cui appartengono composti cancerogeni. A esse vengono ascritti composti estremamente tossici per l'uomo e gli animali, arrivando a livelli di tossicità valutabili in ng/kg, sono tra i più potenti veleni conosciuti. Viene classificata come sicuramente cancerogena e inserita nel gruppo 1, Cancerogeni per l'uomo dalla IARC, dal 1997 la TCDDInternational Agency for Research on Cancer (IARC). Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans, vol. 69, Polychlorinated dibenzo-para-dioxins and polychlorinated dibenzofurans, 1997, Lyon, IARC. Anche secondo le norme giuridiche di molti paesi molte diossine sono ormai agenti cancerogeni riconosciuti. Sono poco volatili per via del loro elevato peso molecolare, poco o nulla solubili in acqua (circa 10−4 ppm), ma sono più solubili nei grassi (circa 500 ppm), dove tendono ad accumularsi. Proprio per la loro tendenza ad accumularsi nei tessuti viventi, anche un'esposizione prolungata a livelli minimi può recare danni. Le diossine causano una forma persistente di acne, nota come cloracne; sugli animali hanno effetti cancerogeniDragan Y. P.; Schrenk D. Animal studies addressing the carcinogenicity of TCDD (or related compounds) with an emphasis on tumour promotion Food Additives and Contaminants, Volume 17, Number 4, 1 April 2000, pp. 289-302(14) e interferiscono con il normale sviluppo fisico.
È stato inoltre dimostrato che l'esposizione alla diossina può provocare l'endometriosi.
Mediamente il 90% dell'esposizione umana alla diossina, eccettuate situazioni di esposizione a fonti puntuali (impianti industriali, inceneritori ecc.), avviene attraverso gli alimenti (in particolare dal grasso di animali a loro volta esposti a diossina) e non direttamente per via aerea: il fenomeno del bioaccumulo fa sì che la diossina risalga la catena alimentare umana concentrandosi sempre più, a partire dai vegetali, passando agli animali erbivori, ai carnivori e infine all'uomo. L'emivita della TCDD nell'uomo varia da 5,8 a 11,3 anni (Olson 1994) principalmente in funzione di livello metabolico e percentuale di massa grassa; varia tra 10 e 30 giorni nei roditori (dati IARCMonografie IARC, vol 69, 1997). La tossicità, espressa come LD50 è sensibilmente specie specifica (esempio LD50 somministrazione per via orale nella cavia è di 500,0 ng/kg nel caso di TCDD).
Fonti di diossine È dimostrato che i composti della famiglia delle diossine si formano durante la fase iniziale della combustione dei rifiuti, quando la combustione genera HCl gassoso, in presenza di catalizzatori, quali il rame e il ferro. Responsabile principale della formazione di composti appartenenti alla famiglia delle diossine è il cloro "organico", cioè cloro legato a composti organici polimerici, ad esempio il PVC. La presenza di cloro e di metalli nel materiale di rifiuto pone le due principali condizioni per la formazione delle diossine. Il cloro, nella forma di acido cloridrico gassoso viene liberato durante la combustione del rifiuto dalla dereticolazione dei polimeri clorurati a circa 300 °C, quindi forma cloro gassoso se l'acido viene a reagire con l'ossido di un metallo di transizione in forma bivalente, quale ferro o meglio il rame, secondo la cosiddetta reazione di Deacon:
Cu + ½ O2 → CuO
CuO + 2 HCl → Cu + H2O + Cl2
2 HCl + ½ O2 → H2O + Cl2
Il cloro risultante si lega agli anelli benzenici durante la fase di combustione secondo la reazione di sostituzione:
2 CuCl2 + R-H →2Cu-Cl + HCl + R-Cl
Lo zolfo invece porta rapidamente alla passivazione del rame e quindi all'inibizione della funzione di catalizzatore:
CuO + SO2 + ½ O2 → CuSO4
Il primato nella produzione di HCl e nella realizzazione della reazione di Deacon è posseduto dal cloro organico a scapito del cloro inorganico, per una semplice considerazione di tipo chimico fisico: il cloro organico è legato a polimeri che a 300 °C dereticolano e formano HCl, mentre alla stessa temperatura il cloruro di sodio o di calcio non produce alcuna emissione gassosa di HCl, a meno che non si trovi assorbito sulla superficie di argille o di altre forme silicatiche che possono formare dei catalizzatori. È anche provato che le stesse fly ash divengono catalizzatori per il cloruro di sodio, di calcio e di potassio per formare HCl. Un'ulteriore considerazione si deve fare circa il ruolo dell'ossigeno nella combustione. In presenza di ossigeno in difetto o comunque in miscela non ridondante, nella combustione a bassa temperatura si formano IPA (idrocarburi policiclici aromatici), i quali reagiscono con il cloro gassoso durante il percorso dei fumi e possono formare organoclorurati.
Affinché si formino le diossine, quindi, devono essere presenti tutte queste condizioni: presenza di sostanze clorurate, di tipo prevalentemente organico presenza di metalli di transizione (Fe, Cu, ecc.) presenza di sostanze che forniscono idrogeno (materiali organici) temperature comprese tra 200 e 500 °C combustione in presenza di ossigeno in difetto assenza di zolfo.
La termodinamica dei processi di sintesi delle diossine è fortemente favorita da reazioni a più bassa temperatura, sia per motivi energetici che entropici. Questo è il motivo per cui gli impianti in cui la combustione può portare alla formazione delle stesse, sono costretti a funzionare a temperature elevate, indipendentemente dalla convenienza generale dei processi. Per evitarne la formazione in fase di raffreddamento, è necessario introdurre processi di quenching (spegnimento o raffreddamento rapido), sfruttando così aspetti cinetici per contrastarne la stabilità termodinamica.
Le diossine, stante la loro alta temperatura di ebollizione (e di fusione), non si ritrovano primariamente in forma gassosa, ma solida, quindi per quanto riguarda l'emissione atmosferica, nel particolato.
Le diossine si generano anche in assenza di combustione, ad esempio nella sbiancatura della carta e dei tessuti fatta con cloro e nella produzione di clorofenoli, specie quando la temperatura non è ben controllata. Può essere il caso della produzione degli acidi 2,4-diclorofenossiacetico e 2,4,5-triclorofenossiacetico, noti diserbanti.
Per quanto riguarda i processi di combustione, possiamo ritrovarle in: