Luftempfindliche Chemikalien werden häufig in akademischen und industriellen Chemielaboren verwendet. Beispiele für luftempfindliche Reagenzien sind organometallische Verbindungen wie Organolithium-, Organomagnesium-, Organozink- und Organoaluminium-Verbindungen; Hydride; Boran-Komplexe; sowie Alkalimetalle und mehrere Übergangsmetalle in ihrer Oxidationsstufe (0). Einige dieser Chemikalien sind zudem pyrophor und entzünden sich unter Standardbedingungen spontan bei Kontakt mit Luft.
Viele äußerst nützliche synthetische Reaktionen sind luftempfindlich, darunter Grignard-Reaktionen, Reduktionen mit Hydriden, Metallierungen und Transmetallierungen, Carbolithierung und viele mehr. Diese Reaktionen werden häufig zur Synthese von Feinchemikalien, Arzneimitteln, Polymeren und zahlreichen weiteren Produkten eingesetzt.
Die Exposition dieser Reaktionen gegenüber Luft, Sauerstoff oder Feuchtigkeit kann:
Nebenreaktionen begünstigen, die unerwünschte Produkte erzeugen
Reagenzien zersetzen, sodass keine Reaktion stattfindet
Brände, Explosionen oder andere gefährliche Situationen verursachen
Handhabung luftempfindlicher Reaktionen
Luftempfindlichkeit lässt sich in zwei Kategorien unterteilen: katalytisch und stöchiometrisch.
Ein typisches Beispiel für katalytische Luftempfindlichkeit, dargestellt in Abbildung 1a, ist die Entzündung von restlichen organischen Lösungsmitteln oder von an der Oberfläche eines reduzierten Pd(0)-Katalysators adsorbiertem H₂-Gas aufgrund seiner exothermen Oxidation in Gegenwart von atmosphärischem Sauerstoff. Stöchiometrische Luftempfindlichkeit ist bei vielen organometallischen Verbindungen sehr verbreitet, etwa die Bildung von Butangas durch die Reaktion von Butyllithium mit Wasser, wie in Abbildung 1b gezeigt, wobei große Wärmemengen freigesetzt werden, die leicht einen Brand verursachen können.
Die Handhabung katalytischer Luftempfindlichkeit erfordert spezielle Laborausrüstung: Vakuumlinien, Schlenk-Linien, Handschuhboxen mit Inertgasatmosphäre und spezielle Reaktoren. Die meisten synthetisch nützlichen Verbindungen gehören jedoch zur stöchiometrischen Kategorie und werden von der Mehrheit der Chemiker regelmäßig verwendet.
Extratrockene Lösungsmittel sind eine weitere Klasse luft- und feuchtigkeitsempfindlicher Produkte, weisen jedoch keine intrinsischen Gefahren auf. In ihrem Fall können unsachgemäße Handhabung und Lagerung dazu führen, dass sich das Produkt mit der Zeit zersetzt. Dies ist schwer zu erkennen, kann jedoch Experimente beeinträchtigen, Ergebnisse verfälschen und oftmals eine zeitaufwändige Fehlersuche erforderlich machen.
Sicherheitsaspekte im Labor
Während der Kontakt eines extratrockenen Lösungsmittels mit Feuchtigkeit an sich kein Risiko darstellt, kann die Verwendung eines wasserverunreinigten Lösungsmittels in luftempfindlichen Reaktionen zu sehr gefährlichen Situationen führen. Aus diesem Grund sollten extratrockene Lösungsmittel mit derselben Sorgfalt gelagert werden wie pyrophore Verbindungen oder Lösungen sowie andere gefährliche Stoffe.
Diese Überlegungen sind sehr wichtig, da die Laborsicherheit sowohl für industrielle als auch für akademische Forschende höchste Priorität hat. In den letzten fünfzehn Jahren gab es mehrere aufsehenerregende Unfälle, von denen einige vorschnell der Unerfahrenheit von Studierenden in akademischen Laboren zugeschrieben wurden. Unfälle lassen sich jedoch selten auf eine einzige Ursache zurückführen, und eine genauere Untersuchung zeigt oft mehrere beitragende Faktoren.
Es gibt keine umfassenden Datensätze über die Arten und Häufigkeiten von Unfällen und Beinaheunfällen, was laut dem in Nature Chemistry 2020 veröffentlichten Review von Dana Menard und John F. Trant¹ die Durchführung aussagekräftiger Sicherheitsforschung erschwert. Verfügbare Daten zeigen jedoch eine hohe Häufigkeit von Unfällen mit reaktiven Gasen und pyrophoren Materialien. Butyllithium beispielsweise ist bekannt dafür, in akademischen organisch-chemischen Laboren Probleme zu verursachen, in denen der korrekte Umgang mit Luftempfindlichkeit oft eine Herausforderung darstellt.
Die Anwesenheit erfahrenerer Forschender in Industrie- und Regierungslaboren kann diese Umgebungen etwas sicherer machen. Eine Studie von Schroder und Mitarbeitenden² ergab jedoch, dass standardisierte Risikobewertungen nicht routinemäßig verwendet wurden. Industrie- und Regierungslabore meldeten höhere Compliance-Raten als akademische Einrichtungen, aber diese bleiben insgesamt besorgniserregend niedrig bei 43% bzw. 36%.
Sichere Handhabung von luftempfindlichen Chemikalien
Die Verwendung luftempfindlicher Reagenzien in der chemischen Forschung ist nicht neu. Es gibt umfangreiche Literatur, die eine Grundlage für den sicheren Umgang und Betrieb bietet³. Eine geeignete Risikobewertung und ein korrektes Verfahren müssen auf den folgenden zwei Praktiken beruhen:
Die Verwendung von sauberer und trockener Glasware sowie trockenem Equipment
Die Verwendung von Spezialverpackungen, Spritzen und trockenen Inertgasen
Obwohl die erste Praxis unkompliziert ist, muss sie sehr ernst genommen werden. Reagenzien können bereits in Gegenwart kleinster Mengen Wasser heftig reagieren, und selbst eine geringe Luftfeuchtigkeit, die sich durch Temperaturunterschiede zwischen Laborgeräten und Umgebung niederschlägt, kann ausreichen, um einen Brand auszulösen.
Die zweite Praxis erfordert eine andere Art von Aufmerksamkeit. Viele luftempfindliche Reagenzien sowie ultrastrengt getrocknete Lösungsmittel und Lösungen werden speziell verpackt, um ihre Handhabung zu erleichtern.
AcroSeal-Verpackung
Die Marken Acros Organics und Alfa Aesar bieten die AcroSeal-Verpackung an, die branchenführende Lösung. Ihr mehrschichtiger Septumverschluss und die innovative manipulationssichere Kappe (mit großer Oberfläche) ermöglichen eine sichere und praktische Lagerung und Dosierung, während die Exposition gegenüber der Atmosphäre minimiert wird. Spritzen durchdringen das Septum problemlos und hinterlassen nur ein kleines Loch, das sich unter normalen Bedingungen schnell wieder verschließt.
Um Chemikalien aus AcroSeal-Verpackungen zu entnehmen, verwenden Sie eine Spritze mit einer Kanüle der Stärke 18 bis 21 sowie ein trockenes Inertgas wie Stickstoff oder Argon. Zuerst wird die Flasche durch Einspritzen des Gases unter Druck gesetzt, danach kann die gewünschte Menge Flüssigkeit entnommen werden. Alternativ kann eine doppelte oder doppelt gespitzte Kanüle verwendet werden — eine zum Entnehmen der Flüssigkeit und die andere zum Hinzufügen des Inertgases aus einer Gasleitung oder einem Ballon.
Bewährte Verfahren
Einige Protokolle empfehlen die Verwendung von Glasspritzen für pyrophore Reagenzien, aber neuere Studien⁴ zeigen, dass weniger erfahrene Anwender den Umgang mit Einweg-Polypropylenspritzen mit Luer-Lock-Verschluss einfacher finden.
Das Trocknen von Lösungsmitteln oder die Herstellung von Lösungen luftempfindlicher Reagenzien kann mühsam und zeitaufwendig sein und birgt häufig erhebliche Gefahren. Gebrauchsbereite Produkte in spezialisierten, sicheren Verpackungen bieten eine praktische, kosteneffiziente und sicherheitsorientierte Lösung.
Die AcroSeal-Technologie hat in ihren 25 Jahren auf dem Markt mehrere Innovationen durchlaufen. Mehr als 2.000 Produkte von Acros Organics und Alfa Aesar sind derzeit in AcroSeal-Verpackungen erhältlich.
Referenzen:
- A.D. Ménard and J.F. Trant, A review and critique of academic lab safety, Nature Chemistry 2020, 12, 17–25
- Schröder, I., Huang, D. Y. Q., Ellis, O., Gibson, J. H. & Wayne, N. L. Laboratory safety attitudes and practices: A comparison of academic, government, and industry researchers. J. Chem. Health Saf. 2016, 23, 12–23
- D.F. Shriver, M.A. Dredzdon, The manipulation of air sensitive compounds, John Wiley & Sons, 1986
- E.S. Von Nehring, V. Dragojlovic, Handling of Air-Sensitive and Moisture-Sensitive Reagents in an undergraduate Chemistry Laboratory: The Importance of the Syringe, J. Chem Ed. 2021, 98, 246-249
