Yttrium

Abbildung 1: Metallisches Yttrium

Historisches

Yttrium wurde erstmals von Johan Gadolin gegen Ende des 18. Jahrhunderts als Gemisch in einem Mineral gefunden. Dieses Gemisch, das man heute als Yttererden bezeichnet, enthält die Oxide der Seltenerdmetalle Yttrium, Scandium und der kleineren Lanthanoide Europium bis Lutetium. Die Benennung erfolgte nach dem Fundort nahe der schwedischen Stadt Ytterby. Bemerkenswert ist, dass vier Elemente, die in diesem Mineral enthalten sind, nach dem Ort Ytterby benannt wurden. Es handelt sich hierbei um Yttrium (Y), Erbium (Er), Terbium (Tb) und Ytterbium (Yb). Die schwierige Abtrennung der Seltenerden führte dazu, dass es erst 1843 Carl G. Mosander gelang, Yttriumoxid in reiner Form zu isolieren. Zuvor konnte bereits 1828 Friedrich Wöhler das Element als Metall, allerdings in verunreinigter Form, isolieren. Ähnlich bemerkenswert wie der Name Yttrium ist auch die Bezeichnung der Elementgruppe der Seltenerden, denen Yttrium angehört. Die Elemente kommen deutlich häufiger vor, als es der Name vermuten lässt. So ist Yttrium mit 31 ppm in der Erdkruste häufiger als z.B. Jod (0.14 ppm) oder Zinn (2.2 ppm). Der Name „Seltene Erden" beruht auf der Tatsache, dass ursprünglich nur vereinzelte Lagerstätten für Seltenerd-Mineralien bekannt waren.[1]

Yttrium ist ein Element, das nur wenige kennen, aber fast alle von uns verwenden. Die vertrauteste Anwendung von Yttriumverbindungen im Alltag sind Leuchtstoffe. Yttrium, das in seinen Verbindungen fast ausschließlich in der Oxidationsstufe +3 vorkommt, dient als geschlossenschaliges Ion selbst nicht als Leuchtstoff. Es bildet jedoch sogenannte anorganische Wirtsmaterialen für Leuchtstoffe. Dies sind Festkörperverbindungen, die mit anderen Elementen dotiert sind. Die so erhaltenen Leuchtstoffe können Energie, die z.B. in Form von UV Strahlung oder einem Elektronenstrahl zugeführt wurde, in sichtbares Licht umwandeln. Eine ältere Anwendung findet man in der klassischen Bildröhre von Farbfernsehern, in der die Elemente Europium und Terbium für die Erzeugung der Farbe verwendet wurden. So besteht der rote Leuchtpunkt in der Regel aus Eu3+, das in das Wirtsmaterial Y2O2S dotiert

wurde. Eine modernere Anwendung sind Energiesparlampen und LEDs. In Energiesparlampen erzeugt Eu3+-dotiertes Y2O3 den roten Spektralanteil. In weißen LEDs kombiniert man u.a. blaue LEDs mit einem Leuchtstoff, der gelbes Licht emittiert. Geeignet ist hierfür ein Cer-dotierter Yttrium/Gadolinium-Aluminium-Granat: (Y1-xGdx)Al5O12:Ce.[2]

Yttrium-Aluminium-Granat (YAG, Y3Al5O12) spielt zudem schon seit längerer Zeit als Wirtsgitter in den sogenannten Neodym-YAG Lasern eine zentrale Rolle. In diesen Feststofflasern werden während des Laservorgangs Nd3+-Ionen in den angeregten Zustand versetzt. Die Emissionswellenlänge liegt meistens bei 1064 nm und somit im Infrarotbereich. Mit Hochleistungs-Neodym-YAG Lasern kann eine Ausgangsleistung von mehreren kW erzielt werden, so dass der Laserstrahl zum Schweißen, Schneiden und Bohren von Blechen verwendet wird.[2] Im dermatologischen Bereich werden Neodym-YAG Laser mit unterschiedlichster Leistung u.a. zum Entfernen von Tätowierungen, zur Haarentfernung, zur Behandlung von zahlreichen Gefäßveränderungen sowie zur Entfernung von Alters- und Sonnenflecken eingesetzt.

Abbildung 2: links: Energiesparbirne; Mitte: Röhrenfernseher, rechts: Laser

Neben der Anwendung im Bereich der Leuchtstoffe ist Yttrium auch als Bestandteil des Hochtemperatursupraleiters YBa2Cu3O7-x zu finden. Bei diesem keramischen Werkstoff liegt die Sprungtemperatur, d.h. die Temperatur, bei der der elektrische Widerstand auf den Wert Null fällt, oberhalb des Siedepunkts von flüssigem Stickstoff (daher der Zusatz „Hochtemperatur"). Für diese Entdeckung wurden die Forscher Johannes G. Bednorz und Karl A. Müller 1987 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Die Chemie des Elements Yttrium lässt sich relativ leicht verstehen. Yttrium kommt in chemischen Verbindungen fast ausschließlich in der Oxidationsstufe +3 vor. Y3+-Ionen bilden die Edelgaskonfiguration [Kr] aus. Es kommt somit bis auf wenige Ausnahmen nie zu Redoxreaktionen. Aufgrund des harten Ionencharakters bilden Y3+-Ionen chemische Bindungen aus, die im Wesentlichen von elektrostatischen Effekten dominiert sind. Das bedeutet, dass klassische Bindungskonzepte der d-Metall Chemie, wie Donor-Akzeptor Synergismus oder die 18 VE-Regel, kaum eine Rolle spielen. Die Anzahl der Liganden am Yttriumatom wird hauptsächlich von sterischen Einflüssen dominiert. Somit werden häufig hohe Koordinationszahlen von 8 - 9 beobachtet. Obwohl Yttrium ein Element der 5. Periode ist, passt es vom chemischen Verhalten genau in die Reihe der

Lanthanoide. Aufgrund seines Ionenradius kann man es etwa zwischen den Elementen Holmium und Erbium einordnen. Es verwundert deshalb kaum, dass Yttrium in der Natur mit den schweren Seltenerden vergesellschaftet zu finden ist.[3]

Im Gegensatz zu den meisten Seltenerden ist Yttrium zusammen mit Sc, La und Lu in seinen Molekülverbindungen als dreiwertige Verbindung aufgrund der Edelgaskonfiguration diamagnetisch. Dies erleichtert die Untersuchung der Verbindungen mittels NMR-Spektroskopie und erlaubt häufig Rückschlüsse auf das Verhalten ähnlicher paramagnetischer Seltenerdverbindungen in Lösung. Als Besonderheit kommt hinzu, dass Yttrium im natürlichen Zustand nur ein Isotop (89Y) hat, welches selbst einen Kernspin von I = 1/2 besitzt. Trotz dieser Möglichkeiten wurde die 89Y-NMR Spektroskopie früher nur wenig genutzt, da lange T1-Relaxationszeiten zu sehr großen Messzeiten führen. Durch die Verwendung moderner Pulssequenzen kann dieses Problem heute in vielen Fällen gut umgangen werden.

Neben dem natürlichen Nuklid 89Y gibt es zudem zahlreiche Yttrium-Isotope, von denen sich vor allem 90Y und in geringerem Umfang 86Y für die medizinische Diagnostik und Therapie durchgesetzt haben. Bei 90Y wird in der Krebstherapie vor allem die Eigenschaft als β--Strahler ausgenutzt. Ein Vorteil dieses Isotops ist es, keine γ-Begleitstrahlung zu emittieren, wodurch die Strahlenbelastung sowohl für den Patienten als auch für das Krankenhauspersonal reduziert wird.[4] 90Y wird in der zielgerichteten Krebs-Therapie in Form von Mikrosphären, monoklonalen Antikörpern oder verschiedenen chemischen Komplexverbindungen eingesetzt.[5]

Eine Anwendung von 90Y ist die Behandlung von Leberkrebs. Leberkrebs ist eine häufige Form der Krebserkrankung, die entweder in Form von primären Lebertumoren auftritt oder oft auch durch Metastasen anderer Tumore in die Leber hervorgerufen wird (sekundäre Lebertumore).[5b] In den USA sind 2015 nach Schätzungen 35.660 Männer und Frauen neu an primärem Leber- und intrahepatischem Gallengangkrebs erkrankt.[6] In der so genannten SIRT-Behandlung (Selective Internal Radiation Therapy) von Leberkrebs wird eine große Anzahl von Mikrosphären, die 90Y enthalten, selektiv in ausgewählte Zweige der Leberarterie injiziert. Dadurch werden lokal hohe Strahlendosen erzielt, die den Tumor schrumpfen lassen.[5b] Aktuell werden vor allem Glas-Mikrosphären (TheraSphere™) und Harz-Mikrosphären (SIR-Spheres™) verwendet.[7] 86Y wird als β+-Strahler üblicherweise vor der eigentlichen Therapie für die patienten- und substanzspezifischen Dosisabschätzungen mittels PET (Positronen-Emissions-Tomografie) für 90Y-enthaltende Therapeutika eingesetzt.

Literatur

[1] N. N. Greenwood, A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, 2 ed., Elsevier Ltd, Oxford, 1997.

[2] E. Riedel, C. Janiak, Anorganische Chemie, Walter de Gruyter GmbH & Co. KG, Berlin, 2015.

[3] S. Cotton, Lanthanide and Actinide Chemistry, 2 ed., John Wiley & Sons, West Sussex, 2006.

[4] T. J. Wadas, E. H. Wong, G. R. Weisman, C. J. Anderson, Chem. Rev. (Washington, DC, U. S.) 2010, 110, 2858.

[5] a) F. Rösch, S. M. Qaim, G. Stöcklin, Appl. Radiat. Isot. 1993, 44, 677; b) A. A. Attarwala, F. Molina-Duran, K. A. Busing, S. O. Schonberg, D. L. Bailey, K. Willowson, G. Glatting, PloS one 2014, 9, e110401.

[6] R. L. Siegel, K. D. Miller, A. Jemal, CA: a cancer journal for clinicians 2015, 65, 5.

[7] C. E. Barbier, U. Garske-Roman, M. Sandstrom, R. Nyman, D. Granberg, European journal of nuclear medicine and molecular imaging 2015.