Wissenschaft + Forschung

Christian Hering-Junghans, Dozentenpreisträger des Fonds der Chemischen Industrie, erforscht niedervalente Phosphorverbindungen. Dazu gehören Phospha-Wittig-Reagenzien, die Wasser und Ammoniak aktivieren, Phosphor-Aluminium-Cyclen, Präkatalysatoren für die iso-Butanherstellung und Triphosphirane.Ausgangspunkt der Forschung der Hering-Junghans-Gruppe ist die Synthese von Pyridin-Phosphaalken-Liganden mit einer P=C-Doppelbindung. Diese sind anders als Imine nicht nur gute σ-Donoren, sondern insbesondere π-Akzeptoren; sie werden auch als modifizierbare CO-Variante bezeichnet – weil sich LUMOs in Form und Energie einander ähneln. Phosphaalkene sind seit den 1970er Jahren bekannt. Um sie herzustellen, hat sich besonders die Phospha-Wittig-Reaktion durchgesetzt. Wichtig sind dafür Phosphanylidenphosphorane des Typs R−P(PR‘3), genannt Phospha-Wittig-Reagenzien. Diese lassen sich auch als Phosphan-Addukte von Phosphinidenen auffassen (<link href="#nadc20244145308-fig-0001">Abbildung 1a).<figure xml:id="nadc20244145308-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/X56W8lcEQf2EAkdJ68vz"><figcaption><label>Abb.1: </label>a) Phospha-Wittig-Reagenzien und ausgewählte Reaktivitäten. b) Aryl-substituierte Triphosphirane zur Synthese von bis-NHCPs (E) und Diphosphen-Komplexen (D).</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Präkatalysatoren und Triphosphirane</h2>Mit Mes*P(PMe3) (Mes* = 2,4,6- tBu3C6H2) haben wir chinolinbasierte P,N-artige Phosphaalken-Liganden (A) synthetisiert (Abbildung 1), die verglichen mit den korrespondierenden Pyridin-Systemen stärkere π-Akzeptoren sind. Mit [RhCl(cod)]2 (cod = 1,5-cyclo-Octadien) oder [IrCl(coe)]2 (coe = cyclo-Octen) bilden sie verzerrt trigonal-bipyramidale ClML2-Komplexe. Wie wir zeigten, dient der tiefblaue [IrCl(Mes*P=C(H)quin)2]-Komplex (quin = 2-Chinolinyl) als Präkatalysator für die Guerbet-Reaktion, bei der Ethanol mit Methanol in der Gegenwart von NaOMe selektiv in iso-Butanol umgewandelt wird – ein potenzieller Bio-Kraftstoff.1) Wird in [RhCl(Mes*P=C(H)quin)2] das Chloridion mit AgOTf entfernt, aktiviert dies die C-H-Bindung einer o-tert-Butyl-Gruppe am niedervalenten P-Zentrum. Daraus folgt eine zweifache Cyclisierung der Mes*-Einheit. Das deutet darauf hin, dass die Rh-Komplexe unter katalytischen Bedingungen begrenzt stabil sind.2) In Zukunft wird dieses Konzept auf die Pyridindiphosphaalkene als P,N,P-Analoga ausgeweitet und die Koordinationsschemie dieser Systeme untersucht. Bei dem Versuch, Phosphanylidenphosphorane mit kleineren Aryl-Substituenten herzustellen, bildeten sich selektiv die Triphosphirane Ar3P3 (Ar = Mes, Dipp, Tipp) (Abbildung 1b, S. 65). Diese Triphosphirane nutzen wir, um Titanocen-Diphosphen-Komplexe (D) darzustellen3) – über deren Reaktivität gegenüber verschiedenen Lewis-Basen haben wir kürzlich berichtet.4) Darüber hinaus nutzen wir Ar3P3 als Phosphiniden-Übertragungsreagenz, um bis-NHC-Phosphinidenaddukte (E) herzustellen.5,6) Wir nutzen die Addukte als Ligandensysteme und untersuchen deren Koordinationschemie gegenüber Rhodium und Eisen.<h2 type="main">Phosphinidene übertragen</h2>Ob sich Phosphanylidenphosphorane als Phosphiniden-Transfer-Reagenz eignen, wurde bislang wenig untersucht – obwohl sie seit Langem bekannt sind. Wie wir in ersten Arbeiten zeigten, ersetzt ArP(PMe3) (Ar = Mes*, MesTer, DippTer) beim Erwärmen quantitativ sein PMe3-Molekül durch verschiedene N-heterocyclische Carbene.So lassen sich auch NHC-Phosphiniden-Addukte (B) herstellen, die einen hohen sterischen Anspruch am P-Atom haben (Abbildung 1).7) Die Substitution gegen N-heterocyclische Olefine (NHOs) läuft ähnlich; auf die Substitution folgt jedoch eine oxidative Addition der exocyclischen C-H-Bindung des NHOs, sodass sich phosphansubstituierte NHOs bilden. Darüber hinaus können mit Phospha-Wittig-Reagenzien N-H-Bindungen oxidativ an das Phosphiniden-Zentrum addiert werden, wobei sich PMe3 abspaltet. Das macht sekundäre Aminophosphane einfach zugänglich; unter anderem wurde NH3 aktiviert und so wurden Verbindungen des Typs ArP(H)NH2 erhalten, die thermisch stabil sind (Abbildung 1, S. 59).8) Analog werden O-H-Bindungen aktiviert, etwa in Wasser. Dabei bilden sich primäre Phosphinoxide, die mit Lewis-Säuren (LS) Addukte über das O-Atom bilden. Wird zunächst eine LS zu ArP(PMe3) gegeben, öffnet das einen anderen Reaktionspfad: Durch die Schützung eines der beiden freien Elektronenpaare (LP) am P-Atom bilden sich Phosphinophosphoniumionen.9)Phosphaazaallene sind Verbindungen des Typs ArP=C=N-R; die Reaktion von ArP(PMe3) (Ar = Mes*, MesTer, DippTer) mit Isonitrilen macht diese wenig untersuchte Substanzklasse einfach zugänglich. Werden ArP=C=NtBu auf 105 °C erhitzt, wird iso-Buten eliminiert und es bilden sich Cyanophosphane. Zugabe starker Basen wandelt diese in die korrespondierenden Cyanophosphid-Spezies um. Die Mes*- und MesTer-substituierten Cyanophosphide zerfallen bei Raumtemperatur und eliminieren dabei KCN – die entsprechenden Phosphiniden-Zersetzungsprodukte lassen sich detektieren; so eröffnet sich ein weiterer Weg des Phosphinidentransfers.10)<h2 type="main">Phosphor-Aluminium- Mehrfachbindungen</h2>Phosphaalumene mit einer formalen P=Al-Doppelbindung lassen sich auffassen als Dimerisierungsprodukte von Phosphinidenen und Alandiylen – das sind Aluminium-Verbindungen in der Oxidationsstufe +1 (<link href="#nadc20244145308-fig-0002">Abbildung 2c). (Cp*Al)4(Cp* = Me5C5) reagiert mit ArTerP(PMe3) (Ar = Dipp, Tipp) in Toluol oder Benzol bei 80 °C zu den Phosphaalumenen ArTerP=AlCp*, (F), die als violette kristalline Feststoffe entstehen.11) Analog lassen sich die blauen Arsaalumene ArTerAs=AlCp* (G) (Ar = Dipp, Tipp) herstellen, wobei die entsprechenden Arsa-Wittig-Reagenzien ArTerAs(PMe3) eingesetzt werden. Bisher haben wir die vielfältige Reaktivität von DippTerPAlCp* gegenüber Alkinen und Alkenen untersucht.12) Mit sterisch anspruchsvollen Alkinen wie Diphenyl- und Dipiperidylatcetylen entstehen in einer [2+2]-Cyclisierung die entsprechenden Phosphaalumete mit einem PAlC2-Vierring (H) (Abbildung 2). Ist eine Lösung von DippTerP=AlCp* einer Acetylen-Atmosphäre ausgesetzt, werden drei C2H2-Moleküle in die PAl-Bindung eingebaut. So entstehen zwitterionische 1,4-Phosphaaluminabarrelene (Abbildung 2, (I)).<figure xml:id="nadc20244145308-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/JM3WhuMfSUuLCACfsJgh"><figcaption><label>Abb.2: </label>a) Darstellung von Pnictaalumenen. b) Reaktivität von DippTerP=AlCp*. c) Synthese von basenfreien Diphosphadialanen.</figcaption></figure></figure>Diese entstehen ebenfalls in der Reaktion mit (Me3Si)CCH, wobei ebenfalls der Cp*-Substituent am Al protoniert und gegen eine Acetylenid-Einheit ersetzt wird. Mit Styrol statt Alkin wird zunächst eine [2+2]-Cyclisierung zu den gesättigten Vierringen beobachtet. Im Überschuss lagert sich Styrol anschließend in die P-Al-Bindung ein, was jedoch nicht regioselektiv ist. Ein zweifacher Einschub hin zu sechsgliedrigen 1,4-Aluminaphosphorinanen (Abbildung 2, (J)) findet mit Ethen ebenfalls statt.Dienen Triphosphirane als Phosphinidenquelle in der Reaktion mit (Cp*Al)4, bilden sich die basenfreien Dimere der Phosphaalumene, sogenannte 1,3-Diphospha-2,4-dialane (Abbildung 2, (K)). Wird hingegen das monomere Cp3tAl eingesetzt, so werden Konsitutionsisomere erhalten: die roten 1,2-Diphospha-3,4-dialane (Abbildung 2, (L)).13)<h2 type="main">Ausblick</h2>Mit Phospha-Wittig-Reagenzien und Triphosphiranen in Phosphiniden-Transferreaktionen können wir neue Substanzklassen herstellen. In Zukunft werden wir besonders Studien zur Reaktivität der Phosphaalumene vertiefen, phoshaalkenbasierte Liganden verstärkt in der homogenen Katalyse einsetzen und neue phosphorbasierte Materialien erforschen.<h2 type="main">Drei Fragen an den preisträger: Christian Hering-Junghans</h2>Welche Erkenntnis der letzten zwölf Monate war für Ihre Forschung besonders wichtig?Wir beobachten in gegenwärtigen Studien häufig Reaktivitäten, die typisch für Übergangsmetalle sind. Somit zeigt sich einmal mehr das vielfältige Potenzial von Hauptgruppenverbindungen in niedrigen Oxidationsstufen.Welcher Trend ist in den letzten zwölf Monaten aufgekommen, den Sie so nicht erwartet haben?Die Isolierung der ersten stabilen Bismutinidene und Stibinidene war für mich überraschend und insbesondere, dass beide Spezies mit sterisch anspruchsvollen Fluind-Substituenten stabilisiert wurden. Dass diese Fluind-Substituenten ein immenses Potenzial für die Isolierung reaktiver Spezies besitzen, haben verschiedene Gruppen aufgegriffen. So wurde zudem ein stabiles Triplett-Nitren dargestellt.Was brauchen Sie heute im Beruf, was Sie im Studium nicht gelernt haben?Zwar besticht das Chemiestudium durch eine enge Verzahnung von Theorie und Praxis, jedoch ist die Arbeit als Gruppenleiter weitaus komplexer. Besonders die effiziente Bearbeitung administrativer und organisatorischer Aufgaben ist wesentlicher Bestandteil des Alltags.Auf den Steinheimer Gesprächen in Mainz erhielt Christian Hering-Junghans den FCI-Dozentenpreis. Ebenfalls geehrt wurden Amelie Heuer-Jungemann [Nachr. Chem. 2024, 10, 62] und Christopher Teskey, der seine Forschung schon im Jahr 2022 vorgestellt hatte [Nachr. Chem. 2022, 7, 84].<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/95YLQwCsTSC6Kt7XfRCL">Die drei Fragen wählen die Autor:innen aus einem redaktionell erstellten Fragenkatalog.<ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20244145308-bibl-0001"><li xml:id="nadc20244145308-bib-0001">1 P. Gupta, H.-J. Drexler, R. Wingad, D. Wass, E. Baráth, T. Beweries,* C. Hering-Junghans, Inorg. Chem. Front. 2023, 10, 2285−2293</li><li xml:id="nadc20244145308-bib-0002">2 P. Gupta, T. Täufer, J.-E. Siewert et al., Inorg. Chem. 2022, 61, 11639–11650</li><li xml:id="nadc20244145308-bib-0003">3 A. Schumann, F. Reiß, J.-E. Siewert et al., Chem. Sci. 2019, 10, 7859–7867</li><li xml:id="nadc20244145308-bib-0004">4 A. Petrov, T. Wellnitz, F. Hennersdorf, F. Reiß, C. Hering-Junghans, Chem. Eur. J. 2024, e202400575</li><li xml:id="nadc20244145308-bib-0005">5 J.-E. Siewert, P. M. Buerta Lombardi, N. Jannsen, R. Roesler, C. Hering-Junghans, Inorg. Chem. 2023, 62, 16832–16841</li><li xml:id="nadc20244145308-bib-0006">6 J.-E. Siewert, A. Schumann, T. Wellnitz, F. Dankert, C. Hering-Junghans, Dalton Trans. 2023, 52, 15747−15756</li><li xml:id="nadc20244145308-bib-0007">7 P. Gupta, J.-E. Siewert, T. Wellnitz et al., Dalton Trans. 2021, 50, 1838–1844</li><li xml:id="nadc20244145308-bib-0008">8 F. Dankert, J.-E. Siewert, P. Gupta, F. Weigend, C. Hering-Junghans, Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202207064</li><li xml:id="nadc20244145308-bib-0009">9 F. Dankert, M. Fischer, C. Hering-Junghans, Dalton Trans. 2022, 51, 11267–11276</li><li xml:id="nadc20244145308-bib-0010">10 M. Fischer, C. Hering-Junghans, Chem. Sci. 2021, 12, 10279–10289</li><li xml:id="nadc20244145308-bib-0011">11 S. Nees, M. Fischer, T. Kupfer, J. T. Goettel, H. Braunschweig, C. Hering-Junghans, J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 4106–4011</li><li xml:id="nadc20244145308-bib-0012">12 S. Nees, T. Wellnitz, F. Dankert et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202215838</li><li xml:id="nadc20244145308-bib-0013">13 S. Nees, F. Fantuzzi, T. Wellnitz et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 24318–24325</li></ul>

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Phosphinidentransfer und P‐Al‐Mehrfachbindungen

Christian Hering-Junghans, Dozentenpreisträger des Fonds der Chemischen Industrie, erforscht niedervalente Phosphorverbindungen. Dazu gehören Phospha-Wittig-Reagenzien, die Wasser und Ammoniak aktivieren, Phosphor-Aluminium-Cyclen, Präkatalysatoren für die iso-Butanherstellung und Triphosphirane....

Die neue EU-Verordnung über fluorierte Treibhausgase verbietet voll- und teilfluorierte Kohlenwasserstoffe oder schränkt ihre Verwendung stark ein. Um das Klima zu schützen, wird jetzt erstmals ein Medikament für obsolet erklärt.Der fluorierte Ethylmethylether Desfluran wirkt hypnotisch – sprich: Wer ihn einatmet, schläft ein. Genau dafür setzen Anästhesist:innen die Substanz im Krankenhaus ein. Desfluran gehört zu den volatilen Anästhetika; das sind narkotisierende Verbindungen, die bei Raumtemperatur flüssig sind, im Operationssaal in einem speziellen Gerät verdampft und den Patient:innen zum Einatmen über eine Maske zugeführt werden.Desfluran löst sich nur wenig im Blut, daher wacht der Patient relativ bald wieder auf, sobald man nach der Operation die Zufuhr an Anästhetikum abstellt. „Das war immer der Selling Point der Firma, die es herstellt“, erklärt Martin Schuster, Anästhesist und Chefarzt an den RKH-Kliniken des Landkreises Karlsruhe. „Es wurde als schnell wirkendes Inhalationsanästhetikum beworben, das ein schnelles Ein- und Auswaschen beim Patienten ermöglicht.“Jetzt allerdings überdenken viele Krankenhäuser den Einsatz der Substanz. Denn Desfluran ist ziemlich klimaschädlich: Sein Treibhauspotenzial gerechnet über 100 Jahre (Global Warming Potential, GWP100) beträgt 2540, es heizt den Treibhauseffekt also 2540-mal so stark an wie CO2 (<link href="#nadc20244144231-fig-0001">Tabelle). Im Jahr 2014 gelangten etwa 960 Tonnen Desfluran in die Atmosphäre; das entspricht etwa 2,4 Millionen Tonnen CO2.1)<figure xml:id="nadc20244144231-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/LbcxbPQJ2LeQzoISJRwt"><figcaption><label>Abb.1: </label>Flüchtige Anästhetika im Vergleich. *Je höher der MAC-Wert, desto schwächer wirkt ein Inhalationsanästhetikum in den Alveolen, also den Lungenbläschen. **Beitrag eines Stoffes zum Treibhauseffekt, gemittelt über 100 Jahre.</figcaption></figure></figure>Hinzu kommt: Mit einer Lebensdauer von 14 Jahren bleibt es relativ lange in der Atmosphäre, und damit es wirkt, muss die Konzentration in den Lungenbläschen sechs Prozent betragen – daher sind große Mengen nötig.1,2) Wie die Anästhesistinnen Susanne Koch von der Charité in Berlin und Sabine Pecher vom Klinikum Stuttgart berechnet haben, verursacht eine siebenstündige Narkose mit Desfluran einen Treibhausgaseffekt wie bei einer 3924 Kilometer langen Autofahrt; bei der Alternative Sevofluran seien es 783 Kilometer.2)In Deutschland wird neben Desfluran am häufigsten Sevofluran eingesetzt; dieses hat ein GWP100 von 130 und eine atmosphärische Lebensdauer von 1,1 Jahren, ist also weniger klimaschädlich.1) Im Mai gab beispielsweise das Universitätsklinikum Dresden bekannt, ab sofort komplett von Desfluran auf Sevofluran umzusteigen. Die Fürst-Stirum-Klinik Bruchsal reduzierte den Desflurangebrauch bereits ab dem Jahr 2018 und senkte so ihre CO2-Emissionen um mehr als zwei Drittel – das sparte in dem Jahr 271,6 Tonnen CO2-Äquivalente.3)Auch die Deutsche Gesellschaft für Anästhesiologie und Intensivmedizin sowie der Berufsverband Deutscher Anästhesisten sprechen sich klar für die Alternative aus: Desfluran solle Fällen vorbehalten bleiben, in denen es medizinisch dringend erforderlich erscheint.Dem freiwilligen Verzicht und den Empfehlungen folgen jetzt Gesetze. In Schottland ist Desfluran bis auf wenige Ausnahmefälle seit März 2023 ganz verboten. England zog im Frühjahr 2024 nach. Und ab dem 1. Januar 2026 müssen Anästhesist:innen in der gesamten EU von der Substanz absehen − so will es die novellierte EU-Verordnung über fluorierte Treibhausgase. Ausnahmsweise wird sie weiterhin erlaubt sein, etwa bei einer Allergie gegen alle anderen Hypnotika.Wie eine Nachfrage bei der Environmental Protection Agency (EPA) ergab, stehen in den USA hingegen keine vergleichbaren Regulierungen an.<h2 type="main">Narkose: Alles begann mit Äther</h2>Desfluran kam im Jahr 1992 auf den Markt und ist damit das neueste aller verfügbaren Inhalationsanästhetika. Viel ist passiert, seit man Patient:innen für Operationen noch mit Whiskey oder Schlafmohn betäubte.Die moderne Anästhesie beginnt im Jahr 1846: Damals versetzte US-Zahnarzt William T. G. Morton in Boston erstmals unter den Augen der Öffentlichkeit einen Patienten mit Äther (Diethylether) bei einer chirurgischen Operation in den Schlaf.4) Im Jahr 1847 nutzten Ärzte erstmals Chloroform im Operationssaal.Chloroform ist bekanntlich giftig, und es kam häufig zu anästhesiebedingten Todesfällen. Äther wiederum führt zu unangenehmen Nachwirkungen wie Erbrechen und braucht Tage, um wieder aus dem Körper ausgewaschen zu werden; ganz abgesehen von der Explosionsgefahr von Äther-Luft-Mischungen, vor allem in Anwesenheit elektrischer Geräte.Trotzdem waren Chloroform und Äther lange Zeit die einzigen verfügbaren Narkosemittel. Erst Mitte des 20. Jahrhunderts kam Halothan auf den Markt: ein mit Chlor, Brom und Fluor halogeniertes Alkan, das schnell Chloroform und Äther ersetzte. „Halothan-Narkosen habe ich vor fast 30 Jahren auch noch erlebt“, erzählt Anästhesist Schuster. Die Substanz wirkte zwar deutlich besser als die früheren Stoffe. Das Problem sei gewesen, dass die Substanz mitunter zu schweren Leberschädigungen führte.Das sei kein Wunder, meint Holger Stark, Professor für pharmazeutische und medizinische Chemie an der Universität Düsseldorf: „Bromid und Chlorid sind leichte Abgangsgruppen.“ Werden Halogenidionen in der Leber abgespalten, entstehen reaktive Carbokationen oder Radikale, die giftige Metabolite bilden können. Das sei in dem Fall doppelt ungünstig: „Patienten, die Narkosemittel benötigen, werden operiert, das heißt, denen geht es schon schlecht. Man möchte sie also so wenig wie möglich belasten.“Schuster bestätigt: „Man war froh, als dann die neueren Substanzen kamen.“ Diese gehören alle zur Gruppe der Flurane und sind damit Ätherderivate. Es begann in den 1970er Jahren mit Enfluran. Anfang der 1980er Jahre folgte Isofluran, 1990 Sevofluran und 1992 schließlich Desfluran (Tabelle). Enfluran und Isofluran enthalten noch jeweils ein Cl-Atom, Sevofluran und Desfluran hingegen nur noch Fluoratome, was die Verbindungen metabolisch stabiler macht. Enfluran ist nicht mehr in Gebrauch; Isofluran wird vor allem in der Tiermedizin verwendet und hin und wieder noch beim Menschen.<h2 type="main">Einatmen und schlafen</h2>Warum lassen solche Verbindungen einen Menschen überhaupt einschlafen? „Früher dachte man, dass die Moleküle nur unspezifisch die Zellmembran beeinflussen“, sagt Holger Stark. „Aber wir wissen jetzt, dass sie stattdessen auf zahlreiche Ionenkanäle wirken.“Beim Einatmen gelangen die Narkotika ins Blut. Da sie lipophil sind, lösen sie sich so gut wie nicht im wässrigen Blut, sondern binden an die Membranen der Erythrozyten. So verteilen sie sich flink im gesamten Körper und wirken schnell. Die Substanzen öffnen oder inhibieren Ionenkanäle in den Zellmembranen von Nervenzellen im Rückenmark und im Gehirn, aber auch von Muskelzellen.„Dabei wirken die Verbindungen nicht nur auf ein Target, sondern auf ein buntes Gemisch von Zielen“, sagt Holger Stark. Es sind besonders Na+-Kanäle im Spiel, aber auch ionotrope Glutamatrezeptoren wie N-Methyl-d-Aspartat(NMDA)-Kanäle, γ-Aminobuttersäure(Gaba)-Subrezeptoren und Glycinrezeptoren − alles Ionenkanäle, die Kat- oder Anionen durch die Zellmembran schleusen. Wie Forschende des Scripps-Research-Instituts in Florida an Fruchtfliegen zeigten, stören die Substanzen die Bildung von Protein-Clustern, die normalerweise den Ionenkanal steuern würden.5) Strömt dadurch beispielsweise mehr Chlorid in die Zelle, hyperpolarisiert dies die Membran, und das verhindert, dass die Nervenzelle erregt wird. Die Signalübertragung zwischen den Zellen wird gestört. Im Ganzen führt dieses Zusammenspiel dann zur Bewusstlosigkeit.Übrigens rauben die Inhalationsnarkotika zwar das Bewusstsein, stillen aber kaum Schmerzen. „Sie würden also vermutlich wach werden, wenn man Ihnen unter einer Narkose mit ausschließlich Desfluran oder Sevofluran ins Bein schneidet“, sagt Holger Stark. Daher bekommt der Patient bei einer Operation zusätzlich schmerzstillende Mittel verabreicht. „Für eine Operation braucht es mehr als nur ein Medikament − die Mischung muss stimmen.“Eine Alternative zu den Inhalationsanästhetika sind Narkosemittel, die intravenös verabreicht werden − das wichtigste ist Propofol, ein wenig wasserlösliches Phenolderivat. Es moduliert ebenfalls Ionenkanäle wie GabaA-Rezeptoren und nikotinische Acetylcholinrezeptoren.<h2 type="main">Messungen auf 3580 Meter Höhe</h2>Die Forschungsinstitution Empa in der Schweiz misst seit dem Jahr 2000 auf dem Jungfraujoch die Atmosphärenkonzentrationen der volatilen Anästhetika Halothan, Isofluran, Sevofluran und Desfluran (<link href="#nadc20244144231-fig-0002">Foto).1,6) Frühere Konzentrationen lassen sich aus archivierten Luftproben bestimmen.<figure xml:id="nadc20244144231-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/V0A6zC7FQ9uucbnXfNDd"><figcaption><label>Abb.2: </label>In der hochalpinen Forschungsstation Jungfraujoch messen Wissenschaftler:innen der Forschungsinstitution Empa, wie hoch einzelne flüchtige Anästhetika in der Atmosphäre konzentriert sind. Foto: <a href="https://jungfraujoch.ch" target="_blank">jungfraujoch.ch</a></figcaption></figure></figure>Demzufolge hat Halothan in der Atmosphäre seit dem Jahr 2000 stetig abgenommen, auf etwa 5 ppq (parts per quadrillion) im Jahr 2021. „Ich bin jetzt an der Messgrenze“, sagt Martin Vollmer, Atmosphärenwissenschaftler an der Empa.Die Konzentration von Isofluran steigt hingegen stark an und lag im Jahr 2021 bei etwa 0,15 ppt (parts per trillion). Die Sevoflurankonzentration hat ebenfalls leicht zugenommen, auf etwa 0,24 ppt. Im Gegensatz dazu stagniert die Konzentration von Desfluran seit etwa 2019 und beginnt nun sogar, leicht abzunehmen. „Das scheint insgesamt mit der Idee übereinzustimmen, dass man jetzt von Desfluran zu Sevofluran wechselt“, sagt Vollmer. „Mit dem kommenden Verbot in der EU müssten die Emissionen in Zukunft stark sinken. Es wird jetzt also spannend.“Ausgehend von den Konzentrationen und der Lebensdauer der Substanzen haben die Forschenden auf die weltweiten Emissionen zurückgerechnet.1) Im Jahr 2014 lagen diese für Desfluran bei 960 Tonnen, für Sevofluran bei 1200 Tonnen. „Das ist im Grunde sehr wenig im Vergleich zu ähnlichen Verbindungen, etwa Kühlmitteln und Schäumungsmitteln“, sagt Vollmer. „Aber natürlich ist es am Ende die Summe dieser Substanzen, die zusammengezählt etwas <link href="#nadc20244144231-fig-0003">ausmacht.“<figure xml:id="nadc20244144231-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/Ju0Btz3PQy22jaa2syD8"><figcaption><label>Abb.3: </label>Weltkarte der Überwachungsstationen des Advanced Global Atmospheric Gases Experiments (Agage), geleitet vom Massachusetts Institute of Technology (Mit), mitfinanziert von der Nasa. Rot: Stationen messen unter anderem Desfluran. Grau: messen kein Desfluran.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Ersetzen oder recyceln</h2>Die weltweiten Emissionen im Jahr 2014 von Halothan, Isofluran, Desfluran und Sevofluran ergeben 3,1 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente; etwa 80 Prozent davon gehen zulasten von Desfluran.1) Das schadet dem Klima weit weniger als Kohlekraftwerke oder der Verkehr – allein der Verkehr in Deutschland emittierte 146 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente im Jahr 2023.7) Dennoch sprechen sich viele Anästhesisten inzwischen dafür aus, auf Desfluran zu verzichten. Mit Sevofluran und dem intravenös verabreichbaren Propofol ständen ebenfalls gut steuerbare Substanzen zur Verfügung. Dieser Ansicht ist auch Schuster. „Es ist zudem unklar, ob die kürzere Aufwachzeit, die bei Desfluran so beworben wurde, wirklich klinisch relevant ist.“ Es sei gut möglich, dass sich das Narkotikum in vielen Kliniken nur aufgrund des guten Marketings durchgesetzt habe.Anstatt Desfluran zu ersetzen, ist auch ein Recycling in der Diskussion. Das Universitätsklinikum Düsseldorf etwa gab bekannt, treibhausrelevante Narkosegase wie Desfluran und Sevofluran in Zukunft während und nach der Operation aufzufangen und der Aufbereitung zuzuführen.8) Dabei sammelt ein Aktivkohleabsorber direkt am Narkosegerät die Gase; aus dem Filter lassen sich die Narkotika später wiedergewinnen.„Das wäre dann erstmals ein Medikament, das man tatsächlich mehrmals verwenden kann − das wäre großartig im Sinne einer echten Kreislaufwirtschaft“, sagt Schuster. Aber, merkt der Anästhesist an, es sei bisher unklar, ob sich der Aufwand lohnt; dazu fehlten bisher beispielsweise Daten zur Effizienz der Auffangverfahren. Studien zufolge lassen sich maximal 25 bis 50 Prozent der Narkosegase, die der Patient eingeatmet hat, bei Ende der Operation über einen Filter überhaupt wieder auffangen.9) „Der Mensch hat ein großes Reservoir an Fett“, erklärt Schuster eines der Probleme. „Das Gas, das dort eingelagert wird, braucht Zeit, um wieder herauszukommen.“ Sprich: Nach einer Operation atmet der Mensch große Teile des Narkosegases über Tage langsam ab. „Das ist einer der Gründe, warum es nach einer Operation etwas dauert, bis man wieder richtig fit ist.“<h2 type="main">Nicht viel Neues in Sicht</h2>Noch ein weiteres Narkosegas zirkuliert in den Köpfen der Anästhesist:innen: das Edelgas Xenon. Es hat sich laut Schuster aber nie durchgesetzt, denn es ist zu teuer.Er schätzt, dass eine Narkose mit Xenon das Zehn- bis Hundertfache einer Narkose mit Sevofluran kosten würde – nicht nur aufgrund der hohen Materialkosten des Gases, sondern auch, weil hohe Menge nötig wären, damit es wirkt: 70 %ig statt 1,2 – 2,0 %ig wie bei Sevofluran. „Schon aus dem Kostenaspekt heraus hat es nie Marktreife erlangt.“Auch Atmosphärenforscher:innen wie Vollmer sehen die Substanz kritisch: „Xenon ist zwar nicht klimaaktiv, aber dafür braucht es viel Energie, um es aus der Atmosphäre zu extrahieren und in Flaschen zu füllen.“ Die Luft ist nämlich die einzige Quelle für das Edelgas.Dass Unternehmen demnächst neue Inhalationsnarkotika auf den Markt bringen werden, bezweifelt Holger Stark: Die Hürden seien sehr hoch. „Eine neue Substanz muss pharmakologisch und umwelttechnisch besser sein als das, was es schon gibt. Und da gibt es nicht viele Möglichkeiten.“ Denn Moleküle, die als Inhalationsnarkotika dienen sollen, müssten klein sein, damit sie schnell verdampfen und sich einatmen lassen. „Daher gibt es nicht mehr viel Spielraum für neue inhalative Verbindungen.“<h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>Narkosegase hemmen oder aktivieren Ionenkanäle in den Zellmembranen – dadurch verlieren Mensch und Tier das Bewusstsein.Die meistgenutzten volatilen Anästhetika in Deutschland sind die Ätherderivate Desfluran und Sevofluran.Desfluran ist ein besonders starkes Klimagas. Ab dem Jahr 2026 darf es in der EU nur noch dann genutzt werden, wenn zwingende medizinische Gründe vorliegen.<h2 type="main">Narkotika:Den Schmerz weglachen</h2>Lachgas, also Distickstoffmonoxid, erlebt eine Renaissance als Inhalationsnarkotikum in der Geburtshilfe. Dass es betäubend und schmerzstillend wirkt, ist seit dem Jahr 1800 bekannt; der Zahnarzt Horace Wells führte 1844 erstmals eine Zahnextraktion in Lachgasnarkose durch.4) N2O gilt als schwaches Anästhetikum und wird hauptsächlich unterstützend mit anderen Narkosemitteln eingesetzt.Für das Klima ist Lachgas schlecht: Sein globales Erwärmungspotenzial GWP100 liegt bei 273, vor allem aber verweilt es 109 Jahre lang in der Atmosphäre. Als drittwichtigstes langlebiges Treibhausgas trägt es erheblich zur globalen Erwärmung bei. Außerdem hat es Mitschuld am Abbau der Ozonschicht.10)Allerdings emittiert die Medizin viel weniger als andere Quellen: N2O entsteht unter anderem in der Landwirtschaft sowie beim Verbrennen von Biomasse und fossilen Brennstoffen, entsteht aber auch ohne Zutun des Menschen. Im Jahr 2020 gelangten weltweit über 10 Millionen Tonnen Distickstoffmonoxid in die Atmosphäre – ein historisches Hoch.11)<h2 type="main">Die Autorin</h2>Die promovierte Chemikerin Brigitte Osterath arbeitet als freie Wissenschaftsjournalistin bei Bonn. <a href="https://www.writingscience.de" target="_blank">www.writingscience.de</a><ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20244144231-bibl-0001"><li xml:id="nadc20244144231-bib-0001">1 M. K. Vollmer, T. S. Rhee, M. Rigby et al., Geophys. Res. Lett. 2015, 42, 1606</li><li xml:id="nadc20244144231-bib-0002">2 S. Koch, S. Pecher, Anaesthesist 2020, 69, 453</li><li xml:id="nadc20244144231-bib-0003">3 H. Richter, S. Weixler, M. Schuster, Anästh. Intensivmed. 2020, 61, 154</li><li xml:id="nadc20244144231-bib-0004">4 M. Loscar, T. Annecke. P. Conzen, Inhalationsanästhetika, In: Die Anästhesiologie (Hrsg: R. Roissant, C. Werner, B. Zwissler), Springer, 4. Aufl. 2019</li><li xml:id="nadc20244144231-bib-0005">5 M. A. Pavel, E. N. Petersen, H. Wang, R. A. Lerner, S. B. Hansen, Proc. Nat. Acad. Sci. 2020, 117, 13757</li><li xml:id="nadc20244144231-bib-0006">6 M. K. Vollmer, M. Hill, P. Schlauri, L. Emmenegger, S. Reimann, „Halogenated greenhouse gases at Jungfraujoch”, International Foundation HFSJG, Activity Report 2021</li><li xml:id="nadc20244144231-bib-0007">7 <a href="https://www.umweltbundesamt.de/themen/verkehr/klimaschutz-im-verkehr" target="_blank">www.umweltbundesamt.de/themen/verkehr/klimaschutz-im-verkehr</a></li><li xml:id="nadc20244144231-bib-0008">8 Pressemitteilung des Universitätsklinikums Düsseldorf, Kurzlink: <a href="https://t1p.de/8xc37" target="_blank">t1p.de/8xc37</a></li><li xml:id="nadc20244144231-bib-0009">9 a) H. Mulier, M. M. R. F. Struys, H. Vereecke et al., Anaesthesia 2024, 79, 849; b) J. Hinterberg, T. Beffart, A. Gabriel, Brit. J. Anaest. 2022, 129, e79</li><li xml:id="nadc20244144231-bib-0010">10 A. R. Ravishankara, J. S. Daniel, R. W. Portmann, Science 2009, 326, 123</li><li xml:id="nadc20244144231-bib-0011">11 H. Tian, N. Pan, R. L. Thompson et al., ESSD 2024, 16, 2543</li></ul>

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