Lösungsmittel

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Allgemeines[Bearbeiten]

Lösungsmittel oder Lösemittel werden häufig für chemische Umsetzungen benötigt. Das ultimative Lösungsmittel ist Wasser. Stoffe die jedoch in Wasser unlöslich sind benötigen apolare Lösemittel um in eine "flüssige Form" überführt zu werden. Die Anwendungsbereiche sind unzählig und einige sollen hier näher betrachtet werden.

Toxikologisch sind die lipophilen Lösemittel von besonderem Interesse. Sie zeichnen sich durch einige Gemeinsamkeiten aus:

  • Entfettung der Haut
  • Reizung der Schleimhäute
  • narkotische Wirkung

Häufig kommen aber weitere toxische Eigenschaften, je nach Substanz, hinzu.

Lösemittel können entweder einzelne Substanzen sein oder auch Gemische aus verschiedenen Substanzen. Bei der Dünnschichtchromatographie werden unterschiedlich polare Laufmittelgemische zur Entwicklung verwendet. Bei der Bestimmung von Zuckern wird beispielsweise ein Gemisch aus Isopropanol / Essigs ̈ureethylether / Wasser im Verhältnis 70:20:10 verwendet.
Technisch werden Lösemittel häufig zur Entfettung von Metallteilen eingesetzt. Die Auswahl des Lösemittels richtet sich meist nach Giftigkeit des Lösemittels, biologische Abbaubarkeit, Brennbarkeit und Explosionsvermögen.

Da Lösemittel i.d.R. sehr flüchtig sind, ist die Inhalation der Hauptaufnahmeweg beim Menschen. Es gibt natürlich Ausnahmen. Bei Alkohol ist eher die orale Aufnahme von Interesse.

Chemische gesehen können viele verschiedene Stoffklassen zu den Lösemitteln gehören: Es kann sich um Alkohole, Ether, Ester, Ketone oder Aldehyde uvm. handeln. Los geht's mit den bekanntesten und auch lebensmittelrelevanten: den Alkoholen.

Alkohole[Bearbeiten]

Ethanol[Bearbeiten]

Hier ist der Metabolismus von Ethanol und Methanol skizziert. Die durch Ethanol gebildeten Ketonkörper dienen dem Organismus ebenfalls als Energiequelle. Sie werden natürlich auch beim Fasten gebildet.

Ethanol ist nicht nur ein gutes Lösungsmittel im Labor oder Reinigungsmittel für Fenster. Weit häufiger wird er in Form von Trinkalkohol aus allen möglichen Rohstoffen verzehrt. Im Labor kommt er meist rein, jedoch vergällt, zur Analyse oder in 80% Form zur Desinfektion vor. Warum ist chemischer Alkohol vergällt? Das hat einen ganz einfachen Grund: Alkohol wie er im Labor verwendet wird unterliegt nicht der Alkoholsteuer. Um nun Missbrauch bzw. Steuerhinterziehung zu verhindern wird er vergällt, d.h. ungeniesbar gemacht.
Um eine nächste Frage auch gleich zu klären: Warum verwendet man eigentlich 80%igen Ethanol um zu desinfizieren und nicht 100%igen? Eine Umgebung aus 100%igem Alkohol würde gleich osmotisch soviel Wasser aus den Keimen rausholen, dass sie ganz klein zusammen schrumpeln, dadurch verdichtet sich die Zellwand und der abtötende Alkohol dringt nicht mehr in die Zellen ein. Kann er nicht eindringen kann er auch nicht abtöten. So einfach ist das.
Die Alkoholdehydogenase (ADH) ist ein Enzym welches Alkohol zu Aldehyden oxidiert. Im Fall von sekundären Alkoholen entsteht natürlich ein Keton. Mit Zink im aktiven Zentrum ist die ADH in der Lage primäre und sekundäre Alkohole abzubauen. Die Affinität ist für Ethanol am höchsten, sie ist jedoch in der Lage alle Alkohole von Methanol bis Hexanol umzusetzen, wenn auch recht langsam im Vergleich zu EtOH. Da es sich bei dieser Umsetzung um eine Reaktion 0.ter Ordnung handelt ist es auch möglich den Abbau von Ethanol zu berechnen und so den Zeitpunkt der "Nüchternheit" zu ermitteln. Pi mal Daumen sagt man, dass 0,1 Promille EtOH pro Stunde abgebaut werden. Das Enzym Alkoholdehydrogenase findet sich vor allem in der Leber, aber auch in den Nieren und der Lunge.
Zu Beginn des Abbaus wird ein Wasserstoffatom auf das Coenzym NAD+ übertragen. Das 2. H-Atom bleibt als H+ in Lösung. Im nächsten Schritt oxidiert die Aldehyddehydrogenase (ALDH) das entstandene Aldehyd weiter zu entsprechenden Carbonsäure. Im Falle von Ethanol wäre das Essigsäure. Diese wird im weiteren Stoffwechsel mit Coenzym A assoziiert und entweder im Citratcyclus verstoffwechselt oder in Ketonkörper umgewandelt. Ketonkörper dienen dem Körper als Energiequelle falls die Glucoseaufnahme unterbrochen ist (z.B. beim Fasten). Die ALDH ist vorwiegend in der Leber zu finden.
Als Grund für die Alkoholunverträglichkeit im asiatischen Raum wird der Austausch einer Aminosäure (Glutamin487 gegen Lysin) in diesem Enzym angesehen.
Die Oxidationsreaktionen sind reversibel, dass heißt es man kann auch durch Reduktion von Aldehyden oder Carbonsäuren zu den entsprechenden Alkoholen kommen. Dies ist beispielsweise bei der alkoholischen Gärung zu beobachten. Hier wird Acetaldehyd zu Ethanol reduziert.

Methanol[Bearbeiten]

Der Kontakt mit Methanol kommt vor allem durch berufliche Exposition. So wird Methanol im Labor häufig als Lösemittel bei der HPLC eingesetzt. Der Kontakt durch alkoholische Getränke ist verhältnismässig geringer geworden. Die Gefahr bestand häufig durch selbstgebrannten Alkohol (EtOH) kombiniert mit Geiz oder Dummheit. Bei der Ethanolproduktion läuft am Anfang der sog. Vorlauf durch die Destillationsanlage. Hierbei handelt es sich um Methanol. Wird dieser Vorlauf aus Geiz oder Unwissenheit zum alkoholischen Getränk hinzugefügt kann es zu tödlichen Vergiftungen kommen. Daher wird in Verbindung mit billigem Alkohol häufig gefragt: "Gab es den Blindenstock auch gleich mit dazu?" - Dies spielt auf die augenschädigende Wirkung des Methanols an.
Anfang 2010 gab es einen größeren Skandal, als 3 Jugendliche aus Lübeck in der Türkei einer Methanolvergiftung erlagen. ([1] Spiegel vom 01.02.2010) Ende 2011 wurden die Alkoholpanscher dann zu 60 Jahren Gefängnis verurteilt ([2] Spiegel 11.11.11)
Eine orale Aufnahme von 0,1 g MeOH/kg KG führt schon zu schweren Vergiftungen. Ab einem Gramm pro kg KG endet das ganze dann tödlich.
Die Methanolvergiftung läuft in 3 Phasen ab:
1) Narkotische Wirkung: Vergleichbar mit Ethanol, jedoch milder.
2) 6 bis 36 Stunden nach Exposition oft symptomlos. Diese Latenzperiode entsteht durch den langsamen ersten Schritt, die Oxidation zum Aldehyd. Die Oxidation in zur Carbonsäure erfolgt dagegen sehr schnell.
3) Azidose und Neurotoxizität: Die gebildete Ameisensäure akkumuliert im Körper, da der Abbau zu CO2 durch Tetrahydrofolat sehr viel langsamer von statten geht als die Bildung. Die akkumulierte Menge ist proportional zur Schwere der Symptome. Sehstörungen treten bereits relativ früh auf. Es kommt zu Netzhautödemen mit Blutstauungen in den Gefäßen. Zusätzlich kommt es zu schweren Abdominalschmerzen, da die Bauchspeicheldrüse geschädigt wird.
Die Azidose führt zu einer Anionenlücke im Blut, Der pH-Wert sinkt auf unter 7,0.
Die Therapie besteht bei Erwachsenen die noch bei Bewusstsein sind in der Gabe von Alkohol. Da die ADH affiner für EtOH ist, wird MeOH verdrängt und nach und nach abgeatmet. Eine Gabe von 4-Methylpyrazol inhibiert die ADH, was auch zum gewünschten Effekt führt. Der pH-Wert des Blutes kann mi NHCO3 abgepuffert werden. Ein Besuch beim Augenarzt ist unberzichtbar.

Ethylenglykol[Bearbeiten]

Hier ist der Metabolismus von Ethylenglycol und die Strukturformael von Diethylenglykol zu sehen.

Ethylenglycol findet als Frostschutzmittel und Lösemittel Anwendung.
Er führt aber auch manchmal zu Verwechslungen mit Getränken und somit zu Vergiftungen. Ethylenglykol an sich ist wie Methanol ungiftig. Die Toxikologie geht auch hier von den entstehenden Metaboliten aus.
Ethylenglycol kann direkt renal ausgeschieden werden, es kommt jedoch auch zu Aktivierungsreaktionen. Der Abbau des Lösemittels erfolgt über die Zwischenstufen Glykolaldehyd (ADH), Glycolat (ALDH), Glyoxylat (Glykolat-Oxidase) zu Oxalat. Das fällt dann als schwerlösliches Calciumsalz in den Nierentubuli, bis zur vollständigen Harnsperre (Oxalatniere) aus.
Die Therapie zielt auf Unterbrechung der Umsetzung ab. Auch hier bestehen die Möglichkeiten EtOH zu konsumieren oder 4-Methylpyrazol (ADH-Inhibitor) zu verabreichen.
Um Azidosen zu verhindern wird der Harn mit NaHCO3 oder Trispuffer abgepuffert.

Diethylenglykol[Bearbeiten]

Diethylenglycol ist ein Derivat (Abkömmling) der Ethylenglycols. Es kann sowohl zu den Alkoholen als auch zu den Ethern gezählt werden. Aufgrund der Ähnlichkeit zu Ethclenglycol wird es hier unter den Alkoholen behandelt-
Die letale Dosis von Diethylenglykol ist eine der wenigen die direkt am Menschen ermittelt werden konnten/musste. Tierversuche an Ratten zeigten einen LD50-Wert von 15 -30 g/kg KG. Im Jahr 1937 kamen dann 105 von 355 Menschen durch Nierenversagen um, weil ein Pharmakonzern das Lösemittel Diethylenglykol nicht angegeben hatte bzw. sich erst später rausstellte, dass der LD50-Wert im Menschen bei 1 - 2 g/kg KG liegt. Dies Speziesunterschiede in der Toxikologie sind also gewaltig. Der Mensch ist hier die sensitivste Spezies (vielleicht nicht von allen Viechern auf dem Planeten aus gesehen, aber im Vergleich mit den Tierstudienergebnissen.
In Zusammenhang mit Lebensmitteln wurde es 1985 unter dem mediengetragenen Titel "Glykolwein-Skandal" bekannt. Der süße Geschmack des diethylenglykols verbessert den Wein nicht nur geschmacklich, sondern steigert auch noch den Extraktgehalt, wodurch der Wein qualitativ höher eingestuft werden kann (Qualitätswein mit Prädikat ist hier das Stichwort)
Das Verpanschen im Wein nahm keinen tödlichen Ausgang, da hier gleich Alkohol mitkonsumiert wurde. Dies bespaßte dann sozusagen die ADH.

Halogenierte Kohlenwasserstoffe[Bearbeiten]

Halogenierte bzw. eigentlich nur chlorierte Kohlenwasserstoff und einige ihrer Metabolite

Halogenierte Alkane und Alkene werden durch Fluor oder Chlor sehr gut stabilisiert und haben eine gesteigerte Fettlösekräfte. Tetrachlorkohlenstoff ist am besten fettlsend. Alle halogenierten Kohlenwasserstoffe entfalten narkotische Wirkung. Ob sie noch andere Aktivitäten ausfweisen kommt in der Regel auf die Substanz und den entsprechenden Metabolismus an.
Häufig sind sie jedoch nieren- oder lebertoxisch.

Tri- und Tetrachlorethen[Bearbeiten]

Beide sind aufgrund ihrer geringen Giftigkeit und der schweren Entflammbarkeit sehr geschätzt. Während Trichlorethen eher zur Metallentfettung eingesetzt wird, findet Tetrachlorethen, auch Perchlorethen genannt eher Einsatz in der chemischen Reinigung.
Auf den Menschen wirken sie narkotisch. Dies kann bis zum Tod durch Atemlähmung gehen.
Einmal aufgenommen werden beide Substanzen gut resorbiert, teilweise ins Fettgewebe eingelagert, großteils aber relativ schnell wieder ausgeschieden.
Die Umsetzung im Körper erfolgt mit Cytochrom P-450. Trichlorethen wird erst epoxidiert und in Chloral und anschließend in Chloralhydrat umgewandelt. Noch eine Oxidation zur Trichloressigsäure und schon kann das Zeug an Plasmaproteine binden und wird nur sehr langsam ausgeschieden.
Auch Perchlorethen wird auch epoxidiert und in Trichloressigsäure umgewandelt. Eine weitere Konjugation mit Glutathion erfolgt nur in sehr geringem Ausmaß. Wenn es aber passiert stellt dies eine Aktivierung dar. (siehe Abbildung) Es entstehen Thioketene, die in der Lage sind Makromoleküle zu acylieren. In Ratten ist das Konjugat nierentoxisch.
Je nach Bedingungen kann aus dem Epoxid jedoch auch Oxalsäure entstehen, welches mit Calcium schwerlösliche Salze bildet.

Aktivierung von ungesättigten chlorierten Kohlenwasserstoffen durch Glutathion (GSH)

Tetrachlorkohlenstoff[Bearbeiten]

CCl4, teilweise auch einfach nur Tetra genannt, ist das beste Fettlösemittel das es gibt. Früher wurde es häufig eingesetzt, weil es billig produziert werden konnte. Es ist eines der wenigen Kohlenwasserstoff das nur sehr geringe narkotische Wirkung hat. Bei akuten Vergiftungen sorgt es jedoch für massive Leberschäden. Nach exposition kommt es zu einer gesteigerten Aktivität der Leberfunktionsanzeigenden Enzyme die medizinisch bestimmt werden kann. Es kommt zur Fettleber, die relativ druckempfindlich ist. Wenn bei der Leber nichts mehr kaputt zu machen ist, ist dann die Niere dran und man stirbt an Nierenversagen.
Bei einer chronischen Exposition ist der Lebertumor ziemlich sicher. Dies liegt vor allem daran, das in der Leber dem Tetra ein Chloratom durch Cytochrom entzogen wird. Das entstandene Trichlorradikal führt zur radikalischen Kettenreaktion und so zur Peroxidation der Membranfettsäuren.
Alkohol verstärkt die Toxizität von Tetrachlorkohlenstoff, indem es die CYP 2E1 induziert. Das führt wiederum zu mehr CCl3-Radikalen.

Chloroform[Bearbeiten]

Chloroform oder Trichlormethan wurde früher als Inhalationsnarkotikum verwendet. Da es jedoch häufiger zu "Zwischenfällen" kam, wird es heutzutage durch bessere Narkotika ersetzt. In Filmen sieht man die Anwendung eines chloroformgetränkten Tuches um ein Opfer zu betäuben immer noch relativ häufig. Herz, Leber und andere innere Organe werden durch Chloroform geschadet. Es steht außerdem unter Verdacht, krebserregend zu sein.
Hohe Konzentrationen führen eingeatmet wie erwähnt zur Narkose. Wird Chloroform oral über einen längeren Zeitraum eingenommen kann man Veränderungen in Leber und Niere feststellen. Aufgenommen führt die Oxidation durch CYP zu Phosgen zu Tumoren. Da Phosgen sehr elektrophil ist, kann es an zelluläre Makromoleküle binden und so den Zellstoffwechsel auf unterschiedliche Weise stören. Der Endpunkt der Metabolisierung ist Kohlenstoffdioxid.

Kohlenwasserstoffe[Bearbeiten]

n-Hexan[Bearbeiten]

n-Hexan wird bevorzugt in der Farbindustrie eingesetzt, kommt aber auch für Extraktionen und Verdünnungen in Frage.
Von akuten Vergiftungen ist wenig zu hören, wesentlich schlimmer ist die chronische Exposition die zur Neuropathie führt. Anfangs ist diese reversibel doch je länger die Exposition andauert, desto irreversibler werden die Schäden.
Das Hexan wird durch CYP in entsprechende Alkohole umgewandelt welche weiter ocidiert werden können. Besonders schädigend ist das 2,5-Hexandion, welches zu Proteinvernetzungen führt. Dadurch wird der axonale Proteintransport und die elektrische Impulsweiterleitung blockiert.
Bei Gemischen aus Toluol und n-Hexan wird das toxische Potential von n-Hexan reduziert.

Benzol[Bearbeiten]

Benzol (oben) und dessen Metabolismus

Mit Benzol kommen relativ viele Leute in Berührung. Es ist mit bis zu 3% in bleifreiem Benzin enthalten, Zigarettenrauch enthält es auch und zu guter Letzt sei noch die Abluft von Heizungen zu nennen.
Es hat wie viele Lösemittel narkotische Wirkung. Die Metabolite (Chinone und Mucondialdehyd) sind hämatotoxisch.
Benzol wird über alle Wege gut resorbiert. Die inhalative Aufnahme ist aufgrund des hohen Dampfdruckes jedoch die wichtigste. Eine akute Vergiftung zeigt sich durch rauschartiges, euphorisches Verhalten. Es folgen Kopfschmerzen, Übelkeit und Erbrechen. Der Tod wird durch Atemlähmung oder Kreislaufversagen ausgelöst.
Auf lange sich verursacht Benzol nicht nur Leberschäden sondern ist auch ein ausgesprochenes Blutgift. Es hemmt die Bildung von Blutbestandteilen, wie rote und weiße Blutkörperchen und Blutplättchen. Dieses veränderte Blutmuster bleibt auch noch Jahre nach der Exposition erhalten. Es kann auch zu der sogenannten Benzolleukämie kommen die sich durch eine Entartung der weißen Blutzellen zeigt.
Der Metabolismus ist konzentrationsabhängig. Bei geringen Konzentrationen liegt der metabolische Anteil bei 50%. Im Knochenmark macht sich Benzol auch kanzerogen bemerkbar. Da hier eine geringe metabolische Aktivität vorherrscht nimmt man an, das die Metabolite aus der Leber ins Knochenmark transportiert werden.

Toluol[Bearbeiten]

Toluol, auch Methylbenzol genannt, ist weit weniger toxisch als Benzol. Größere Konzentrationen wirkt narkotisch, verändern aber nicht das Blutbild. Geringere Konzentrationen führen zu unspezifischen Symptomen wie Müdigkeit, Unwohlsein, Empfindungsstörungen, Störungen der Bewegungskoordination und Bewusstseinverlust. Bei regelmäßigem Kontakt kann es zu einer Toluolsucht kommen, die mit Heiterkeits- und Erregungsräuschen einhergeht.
Resorbiertes Toluol wird zunächst durch Cytochrom P 450 an der Methylgruppe hydroxyliert. Anschließend folgt eine Oxidationsreaktion durch Alkoholdehydrogenase zum Aldehyd. Und eine weitere Oxidation zur Benzoesäure, katalysiert durch Aldehyddehydrogenase. Die Säure kann durch Reaktion mit Glycin zur Hippursäure weiterreagieren.
Es treten nur geringe Konzentrationen an elektrophilen Zwischenstufen auf, diese können mittels Glutathion eliminiert werden.

Benzin und Kerosin[Bearbeiten]

Als Benzin wird eine Mischung aus gesättigten und gesättigten und aromatischen Kohlenwasserstoffen bezeichnet. Für PKWs und auch das sogenannte Waschbenzin gehört zu den Leichtbenzinen da es sich hierbei hauptsächlich um Hexan-, Heptan- und Octanisomere handelt. Akute Vergiftungen sind wegen der geringen Toxizität selten. Bei Konzentrationen von mehr als 2000 ppm tritt eine narkotische Wirkung auf. Auch orale Vergiftungen kommen sehr selten vor. Hier sind auch wieder die Kinder gefährdet. Sollte es jedoch mal dazu kommen so löst Benzin starkes Erbrechen aus. Tröpfchen des Benzins können dabei in die Lunge gelangen und so zur Benzinpneumonie, einer starken schmerzhaften Entzündung der Lunge, führen.
Benzin welchem früher Bleisalze als Antiklopfmittel zugesetzt wurden ist heute generell bleifrei. Dadurch konnte die Bleizirkulation in der Umwelt minimiert werden. Nur Flugbenzin darf heute noch verbleit werden.
Benzin wird ab und an auch im Labor verwendet: z.B. für die Fettgehaltsbestimmung nach Weibull. Kerosine sind jeweils ein enger Fraktionierschnitt aus dem leichten Mitteldestillat der Erdölraffination, versehen mit Additivpaketen zur Erreichung der jeweiligen Spezifikation. Sie werden vor allem als Treibstoff für die Gasturbinentriebwerke von Düsen- und Turbopropflugzeugen sowie Hubschraubern eingesetzt.