Lanthanoid
Synonym: Lanthanid
Englisch: lanthanides, lanthanoid series elements
Definition
Als Lanthanoide bezeichnet man eine Gruppe von 15 chemischen Elementen mit den Ordnungszahlen 57 (Lanthan) bis 71 (Lutetium), die im Periodensystem der Elemente eine eigene Reihe bilden. Gemeinsam mit Scandium und Yttrium werden sie häufig als Seltene-Erd-Elemente (SEE) zusammengefasst, obwohl die meisten von ihnen in der Erdkruste nicht besonders selten sind.
Chemische Eigenschaften
Alle Lanthanoide sind Metalle und gehören zur Gruppe der f-Block-Elemente, da sie ihre äußerste Auffüllung im 4f-Orbital erfahren. Sie weisen untereinander sehr ähnliche chemische Eigenschaften auf, da ihre Elektronenkonfiguration im Außenbereich weitgehend identisch ist ([Xe] 4fn 5d0–1 6s2).
Typische Eigenschaften der Lanthanoide sind:
- Silber-weißes bis graues Erscheinungsbild
- Vorwiegende Oxidationsstufe +3 (selten auch +2 oder +4, z.B. Cer und Europium)
- Paramagnetismus durch ungepaarte 4f-Elektronen
- Lanthanoidenkontraktion: stetige Abnahme des Ionenradius mit zunehmender Ordnungszahl
Lanthanoidenkontraktion
Die Lanthanoidenkontraktion beschreibt die sukzessive Verkleinerung der Ionenradien innerhalb der Lanthanoidreihe von La3+ bis Lu3+. Ursache ist die unvollständige Abschirmung der Kernladung durch die 4f-Elektronen, wodurch sich die Außenelektronen mit jeder Stufe enger an den Kern ziehen. Dieses Phänomen hat weitreichende Konsequenzen für die Trennung einzelner Lanthanoide sowie für ihre physikalischen Eigenschaften.
Übersicht der Lanthanoide
| Ordnungszahl | Symbol | Name | Anmerkungen |
|---|---|---|---|
| 57 | La | Lanthan | Namensgeber der Gruppe |
| 58 | Ce | Cer | häufigste Lanthanoid; Oxidationsstufe +4 möglich |
| 59 | Pr | Praseodym | grüne Farbgebung in Gläsern |
| 60 | Nd | Neodym | Magnete (Nd₂Fe₁₄B) |
| 61 | Pm | Promethium | kein stabiles Isotop, nur künstlich hergestellt |
| 62 | Sm | Samarium | Sm-Co-Dauermagnete |
| 63 | Eu | Europium | Leuchtstoffe, Biosensoren |
| 64 | Gd | Gadolinium | MRT-Kontrastmittel |
| 65 | Tb | Terbium | Leuchtstoffe |
| 66 | Dy | Dysprosium | Hochleistungsmagnete |
| 67 | Ho | Holmium | Lasermedizin |
| 68 | Er | Erbium | Glasfasertechnik, Dermatologie |
| 69 | Tm | Thulium | portables Röntgengerät |
| 70 | Yb | Ytterbium | Upconversion-Nanopartikel |
| 71 | Lu | Lutetium | Radioonkologie (Lu-177) |
Medizinische Bedeutung
In der Medizin und Biomedizin spielen Lanthanoide eine wachsende Rolle. Lanthanidkomplexe und -nanopartikel werden dabei in verschiedenen Bereichen eingesetzt.[1]
Bildgebung und Diagnostik
Gadolinium-haltige Komplexe sind seit den 1980er Jahren klinisch etablierte Kontrastmittel in der Magnetresonanztomographie (MRT). Ihre paramagnetischen Eigenschaften verkürzen die Relaxationszeit der umgebenden Wasserprotonen und erhöhen so den Bildkontrast.
Darüber hinaus ermöglichen Lanthanoid-haltige Upconversion-Nanopartikel (UCNPs) neuartige bildgebende Verfahren. Sie werden durch nahinfrarotes Licht angeregt und emittieren sichtbares Licht mit höherer Energie, was Hintergrundfluoreszenz minimiert und eine erhebliche Eindringtiefe in Gewebe erlaubt.[2]
Cer-Oxid-Nanopartikel (Nanoceria)
Nanopartikel aus Cerdioxid (CeO₂, Nanoceria) besitzen aufgrund eines einzigartigen Redox-Wechsels zwischen Ce³⁺ und Ce⁴⁺ ausgeprägte antioxidative Eigenschaften. Sie ahmen Enzymaktivitäten wie Katalase, Superoxiddismutase und Peroxidase nach und werden als potenzielle Therapeutika bei oxidativem Stress, Diabetes mellitus und verschiedenen Karzinomen untersucht.[3]
Weitere therapeutische Anwendungen
Lanthanidkomplexe werden darüber hinaus erforscht als:
- Anti-Biofilm-Agenzien
- Entzündungsinhibitoren
- Drug-Delivery-Systeme
- Mittel in der photodynamischen Therapie
Lutetium-177 (177Lu) findet klinische Anwendung in der Radioligandentherapie, z.B. bei neuroendokrinen Tumoren und dem metastasierten Prostatakarzinom (PSMA-Therapie).
Toxikologie
Die biologische Toxizität der Lanthanoide hängt von der Applikationsform, der Konzentration und der physikalisch-chemischen Speziation ab. Im Allgemeinen gelten Lanthanoide in geringen Mengen als wenig toxisch; bei höheren Konzentrationen oder in Nanopartikelform können sie jedoch zelluläre und systemische Schäden verursachen.
Nanoceria wurden von der OECD seit 2010 prioritär auf ihre Toxizität hin untersucht. Studien weisen auf mögliche Wirkungen auf die Plazentaschranke hin, wobei Auswirkungen auf Schwangerschaftsverläufe und fetale Entwicklung noch unzureichend charakterisiert sind.[4]
Bei der medizinischen Anwendung gadoliniumhaltiger MRT-Kontrastmittel besteht das Risiko einer nephrogenen systemischen Fibrose (NSF) bei Patienten mit schwerer Niereninsuffizienz. Makrozyklische Gadolinium-Komplexe sind stabiler als lineare und weisen ein deutlich geringeres Freisetzungsrisiko auf.
Quellen
- ↑ Bakhti A et al. Modulation of proteins by rare earth elements as a biotechnological tool. Int J Biol Macromol. 2023;258(Pt 2):129072.
- ↑ Zhou J et al. Upconversion nanophosphors for small-animal imaging. Chem Soc Rev. 2011;41(3):1323-49.
- ↑ Saifi MA et al. Nanoceria, the versatile nanoparticles: Promising biomedical applications. J Control Release. 2021;338:164-189.
- ↑ Deval G et al. On Placental Toxicology Studies and Cerium Dioxide Nanoparticles. Int J Mol Sci. 2021;22(22):12266.