Bor

Bor ist ein chemisches Element mit dem Symbol B und der Ordnungszahl 5. Es wird ausschließlich durch Spallation der kosmischen Strahlung und Supernovae und nicht durch stellare Nukleosynthese erzeugt und ist ein Element mit geringer Häufigkeit im Sonnensystem und in der Erdkruste. Bor ist auf der Erde durch die Wasserlöslichkeit seiner häufigeren natürlich vorkommenden Verbindungen, den Borat-Mineralien, konzentriert. Diese werden industriell in Form von Evaporiten, wie Borax und Kernit, abgebaut. Die größten bekannten Borvorkommen befinden sich in der Türkei, dem größten Produzenten von Bormineralen.

Das elementare Bor ist ein Metalloid, das in geringen Mengen in Meteoroiden vorkommt, aber chemisch ungebundenes Bor kommt auf der Erde sonst nicht natürlich vor. Industriell wird sehr reines Bor wegen der feuerfesten Kontamination durch Kohlenstoff oder andere Elemente nur schwer hergestellt. Es gibt mehrere Allotrope von Bor: amorphes Bor ist ein braunes Pulver; kristallines Bor ist silbrig bis schwarz, extrem hart (etwa 9,5 auf der Mohs-Skala) und bei Raumtemperatur ein schlechter elektrischer Leiter. Die primäre Verwendung von elementarem Bor ist als Borfäden mit ähnlichen Anwendungen wie Kohlenstofffasern in einigen hochfesten Materialien.

Bor wird hauptsächlich in chemischen Verbindungen verwendet. Etwa die Hälfte des gesamten weltweit verbrauchten Bors ist ein Zusatz in Glasfasern für Isolierungen und Strukturmaterialien. Die nächste führende Verwendung ist die in Polymeren und Keramiken in hochfesten, leichten Struktur- und Feuerfestmaterialien. Borosilikatglas wird wegen seiner größeren Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit als gewöhnliches Kalk-Natron-Glas gewünscht. Bor als Natriumperborat wird als Bleichmittel verwendet. Eine geringe Menge Bor wird als Dotierstoff in Halbleitern und als Reagenzzwischenprodukt bei der Synthese organischer Feinchemikalien verwendet. Einige wenige borhaltige organische Pharmazeutika werden verwendet oder sind in der Studie. Natürliches Bor besteht aus zwei stabilen Isotopen, von denen eines (Bor-10) eine Reihe von Verwendungen als Neutroneneinfangmittel hat.

In der Biologie haben Borate eine geringe Toxizität bei Säugetieren (ähnlich wie Tafelsalz), sind aber toxischer für Arthropoden und werden als Insektizide verwendet. Borsäure ist leicht antimikrobiell, und mehrere natürliche borhaltige organische Antibiotika sind bekannt. Bor ist ein wesentlicher Pflanzennährstoff, und Borverbindungen wie Borax und Borsäure werden als Düngemittel in der Landwirtschaft verwendet, obwohl es nur in geringen Mengen benötigt wird, wobei ein Überschuss giftig ist. Borverbindungen spielen eine stärkende Rolle in den Zellwänden aller Pflanzen. Es gibt keinen Konsens darüber, ob Bor ein wesentlicher Nährstoff für Säugetiere, einschließlich des Menschen, ist, obwohl es einige Hinweise gibt, dass es die Knochengesundheit unterstützt.

Geschichte

Das Wort Bor wurde aus dem Mineral Borax, aus dem es isoliert wurde, in Analogie zum Kohlenstoff, dem Bor chemisch ähnelt, geprägt.

Borax, seine damals als Tincal bekannte Mineralform, wurde ab 300 n. Chr. in China glasiert, und ein Teil des rohen Borax gelangte in den Westen, wo es der perso-arabische Alchemist Jābir ibn Hayyān offenbar im Jahr 700 n. Chr. erwähnte. Marco Polo brachte im 13. Jahrhundert einige Glasuren nach Italien zurück. Agricola berichtet um 1600 von der Verwendung von Borax als Flussmittel in der Metallurgie. Im Jahr 1777 wurde Borsäure in den heißen Quellen (soffioni) in der Nähe von Florenz, Italien, erkannt und als Sal Sedativum bekannt, das vor allem in der Medizin verwendet wurde. Das seltene Mineral wird als Sassolith bezeichnet, der in Sasso, Italien, gefunden wird. Sasso war von 1827 bis 1872 die Hauptquelle für europäischen Borax, als amerikanische Quellen ihn ersetzten. Borverbindungen wurden relativ selten verwendet, bis Ende 1800, als Francis Marion Smiths Pacific Coast Borax Company erstmals populär wurde und sie in großen Mengen zu niedrigen Kosten produzierte.

Bor wurde erst als Element erkannt, als es von Sir Humphry Davy sowie von Joseph Louis Gay-Lussac und Louis Jacques Thénard isoliert wurde. 1808 beobachtete Davy, dass elektrischer Strom, der durch eine Boratlösung geschickt wurde, einen braunen Niederschlag auf einer der Elektroden erzeugte. In seinen nachfolgenden Experimenten verwendete er Kalium zur Reduktion von Borsäure anstelle der Elektrolyse. Er produzierte genug Bor, um ein neues Element zu bestätigen, und nannte das Element Boracium. Gay-Lussac und Thénard verwendeten Eisen, um Borsäure bei hohen Temperaturen zu reduzieren. Durch die Oxidation von Bor mit Luft zeigten sie, dass Borsäure ein Oxidationsprodukt von Bor ist. Jöns Jacob Berzelius identifizierte 1824 das Element Bor. Reines Bor wurde wohl erstmals 1909 von dem amerikanischen Chemiker Ezekiel Weintraub hergestellt.

Natürliches Vorkommen

Bor ist im Universum und im Sonnensystem aufgrund der Spurenbildung im Urknall und in den Sternen selten. Es wird in geringen Mengen bei der Spallationsnukleosynthese der kosmischen Strahlung gebildet und kann in kosmischem Staub und Meteoritenmaterialien unkombiniert gefunden werden.

In der sauerstoffreichen Umgebung der Erde findet man Bor immer vollständig zu Borat oxidiert. Bor kommt auf der Erde nicht in elementarer Form vor. Extrem kleine Spuren von elementarem Bor wurden im Lunar-Regolithen nachgewiesen.

Obwohl Bor ein relativ seltenes Element in der Erdkruste ist und nur 0,001% der Erdkrustenmasse ausmacht, kann es durch die Einwirkung von Wasser, in dem viele Borate löslich sind, hoch konzentriert werden. Es kommt in Verbindungen wie Borax und Borsäure (die manchmal in vulkanischen Quellwässern vorkommen) in natürlicher Weise kombiniert vor. Etwa hundert Borat-Mineralien sind bekannt.

Am 5. September 2017 berichteten Wissenschaftler, dass der Curiosity Rover auf dem Planeten Mars Bor, einen wesentlichen Bestandteil für das Leben auf der Erde, entdeckt hat. Ein solcher Befund, zusammen mit früheren Entdeckungen, dass Wasser auf dem alten Mars vorhanden gewesen sein könnte, unterstützt die mögliche frühe Bewohnbarkeit des Sturmkraters auf dem Mars weiter.

Produktion

Wirtschaftlich wichtige Quellen für Bor sind die Mineralien Colemanit, Rasorit (Kernit), Ulexit und Tincal. Diese machen zusammen 90% des abgebauten borhaltigen Erzes aus. Die weltweit größten bekannten Borax-Vorkommen, von denen viele noch unerschlossen sind, befinden sich in der Zentral- und Westtürkei, einschließlich der Provinzen Eskişehir, Kütahya und Balıkesir. Die weltweit nachgewiesenen Bormineralienreserven übersteigen eine Milliarde Tonnen, gegenüber einer Jahresproduktion von etwa vier Millionen Tonnen.

Die Türkei und die Vereinigten Staaten sind die größten Produzenten von Borprodukten. Die Türkei produziert etwa die Hälfte des weltweiten Jahresbedarfs über Eti Mine Works (türkisch: Eti Maden İşletmeleri), ein staatliches türkisches Bergbau- und Chemieunternehmen, das sich auf Borprodukte konzentriert. Es besitzt ein staatliches Monopol auf den Abbau von Boratmineralien in der Türkei, die 72% der weltweit bekannten Vorkommen besitzt. Im Jahr 2012 hielt es einen Anteil von 47% an der Produktion von Boratmineralien weltweit, noch vor seinem Hauptkonkurrenten, der Rio Tinto-Gruppe.

Fast ein Viertel (23%) der weltweiten Borproduktion stammt aus der einzigen Borax-Mine Rio Tinto (auch als US-Borax-Bor-Mine bekannt) 35°2′34.447″N 117°40′45.412″W in der Nähe von Boron, Kalifornien.

Markttrend

Die durchschnittlichen Kosten für kristallines Bor liegen bei $5/g. Freies Bor wird vor allem bei der Herstellung von Borfasern verwendet, wo es durch chemische Dampfabscheidung auf einem Wolframkern abgeschieden wird (siehe unten). Borfasern werden in leichten Verbundwerkstoffanwendungen, wie z.B. hochfesten Bändern, verwendet. Diese Verwendung macht nur einen sehr kleinen Teil der gesamten Borverwendung aus. Bor wird durch Ionenimplantation in Halbleiter als Borverbindungen eingebracht.

Der geschätzte weltweite Verbrauch von Bor (fast ausschließlich als Borverbindungen) betrug 2012 etwa 4 Millionen Tonnen B2O3. Die Kapazitäten für den Abbau und die Raffination von Bor werden als ausreichend angesehen, um das erwartete Wachstum im nächsten Jahrzehnt zu bewältigen.

Die Form, in der Bor verbraucht wird, hat sich in den letzten Jahren verändert. Der Einsatz von Erzen wie Colemanit ist aufgrund von Bedenken hinsichtlich des Arsengehalts zurückgegangen. Die Verbraucher sind zur Verwendung von raffinierten Boraten und Borsäure übergegangen, die einen geringeren Schadstoffgehalt aufweisen.

Die steigende Nachfrage nach Borsäure hat eine Reihe von Produzenten dazu veranlasst, in zusätzliche Kapazitäten zu investieren. Das staatliche türkische Bergwerk Eti Mine Works eröffnete 2003 in Emet eine neue Borsäureanlage mit einer Produktionskapazität von 100.000 Tonnen pro Jahr. Die Rio Tinto Group erhöhte die Kapazität ihrer Boranlage von 260.000 Tonnen pro Jahr im Jahr 2003 auf 310.000 Tonnen pro Jahr bis Mai 2005, wobei geplant ist, diese auf 366.000 Tonnen pro Jahr im Jahr 2006 zu erhöhen. Die chinesischen Borproduzenten waren nicht in der Lage, die rasch wachsende Nachfrage nach qualitativ hochwertigen Boraten zu befriedigen. Dies hat dazu geführt, dass sich die Einfuhren von Natriumtetraborat (Borax) zwischen 2000 und 2005 verhundertfacht haben und die Borsäureimporte im gleichen Zeitraum um 28% pro Jahr gestiegen sind.

Der Anstieg der weltweiten Nachfrage wurde durch hohe Wachstumsraten bei der Produktion von Glasfaser-, Glasfaser- und Borosilikatglaswaren angetrieben. Eine rasche Zunahme der Herstellung von borhaltigen Glasfasern in Asien hat die Entwicklung von borfreien Glasfasern in Europa und den USA ausgeglichen. Der jüngste Anstieg der Energiepreise könnte zu einem verstärkten Einsatz von Glasfasern mit Isolierqualität führen, was einen Anstieg des Borverbrauchs zur Folge hätte. Die Roskill Consulting Group prognostiziert, dass die weltweite Nachfrage nach Bor bis 2010 um 3,4% pro Jahr auf 21 Millionen Tonnen steigen wird. Das höchste Nachfragewachstum wird in Asien erwartet, wo die Nachfrage um durchschnittlich 5,7% pro Jahr steigen könnte.

Wirtschaftliche Nutzung

Nahezu das gesamte aus der Erde gewonnene Borerz ist zur Veredelung zu Borsäure und Natriumtetraborat-Pentahydrat bestimmt. In den Vereinigten Staaten werden 70% des Bors für die Herstellung von Glas und Keramik verwendet. Die weltweit größte industrielle Nutzung von Borverbindungen (etwa 46% der Endnutzung) erfolgt bei der Herstellung von Glasfasern für borhaltige Isolier- und Strukturglasfasern, insbesondere in Asien. Bor wird dem Glas als Borax-Pentahydrat oder Boroxid zugesetzt, um die Festigkeit oder die Fließeigenschaften der Glasfasern zu beeinflussen. Weitere 10% der weltweiten Borproduktion entfallen auf Borosilikatglas, das in hochfesten Glaswaren verwendet wird. Etwa 15% des globalen Bors werden in Bor-Keramiken verwendet, einschließlich der unten besprochenen superharten Materialien. Die Landwirtschaft verbraucht 11% der weltweiten Borproduktion und etwa 6% Bleich- und Reinigungsmittel.

Elementare Bor-Faser

Borfasern (Borfilamente) sind hochfeste, leichte Materialien, die vor allem für fortschrittliche Luft- und Raumfahrtstrukturen als Bestandteil von Verbundwerkstoffen sowie für Konsum- und Sportartikel mit begrenzter Produktion wie Golfschläger und Angelruten verwendet werden. Die Fasern können durch chemische Abscheidung von Bor auf einem Wolframfaden aus der Gasphase hergestellt werden.

Borfasern und kristalline Borfedern in Sub-Millimeter-Größe werden durch lasergestützte chemische Gasphasenabscheidung hergestellt. Die Translation des fokussierten Laserstrahls ermöglicht die Herstellung selbst komplexer wendelförmiger Strukturen. Solche Strukturen weisen gute mechanische Eigenschaften auf (Elastizitätsmodul 450 GPa, Bruchdehnung 3,7%, Bruchspannung 17 GPa) und können als Verstärkung von Keramiken oder in mikromechanischen Systemen eingesetzt werden.

Borierte Glasfaser

Fiberglas ist ein faserverstärktes Polymer aus glasfaserverstärktem Kunststoff, das üblicherweise in eine Matte gewebt wird. Die in dem Material verwendeten Glasfasern bestehen aus verschiedenen Glasarten, je nach der Verwendung von Glasfasern. Diese Gläser enthalten alle Siliciumdioxid oder Silikat, mit unterschiedlichen Mengen an Oxiden von Calcium, Magnesium und manchmal Bor. Das Bor liegt als Borsilikat, Borax oder Boroxid vor und wird hinzugefügt, um die Festigkeit des Glases zu erhöhen oder als Flussmittel, um die Schmelztemperatur des Silikas zu senken, das zu hoch ist, um in seiner reinen Form leicht zu Glasfasern verarbeitet werden zu können.

Die hoch borierten Gläser, die in Glasfasern verwendet werden, sind E-Glas (benannt nach “Elektrik”, aber heute die am häufigsten verwendete Glasfaser für den allgemeinen Gebrauch). E-Glas ist Alumino-Borosilikatglas mit weniger als 1 Gew.-% Alkalioxiden, das hauptsächlich für glasfaserverstärkte Kunststoffe verwendet wird. Andere gebräuchliche Borgläser sind C-Glas, ein Alkali-Kalk-Glas mit hohem Boroxidgehalt, das für Glasstapelfasern und Isolierung verwendet wird, und D-Glas, ein Borosilikatglas, das wegen seiner niedrigen Dielektrizitätskonstante benannt wurde).

Nicht alle Glasfasern enthalten Bor, aber im globalen Maßstab enthalten die meisten der verwendeten Glasfasern Bor. Aufgrund der allgegenwärtigen Verwendung von Glasfasern im Bauwesen und in der Isolierung verbrauchen borhaltige Glasfasern die Hälfte der weltweiten Borproduktion und sind der größte kommerzielle Bor-Einzelmarkt.

Borosilikatglas

Borosilikatglas, das typischerweise aus 12-15 % B2O3, 80 % SiO2 und 2 % Al2O3 besteht, hat einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, was ihm eine gute Beständigkeit gegen Wärmeschock verleiht. Duran” von Schott AG und Pyrex von Owens-Corning sind zwei wichtige Markennamen für dieses Glas, das sowohl in Laborglas als auch in Koch- und Backgeschirr für Verbraucher verwendet wird, vor allem wegen dieser Beständigkeit. Borcarbid-Keramik

Mehrere Borverbindungen sind für ihre extreme Härte und Zähigkeit bekannt. Borcarbid ist ein keramisches Material, das durch Zersetzung von B2O3 mit Kohlenstoff in einem Elektroofen gewonnen wird:

2 B2O3 + 7 C → B4C + 6 CO

Die Struktur von Borcarbid ist nur annähernd B4C, und es zeigt eine deutliche Abreicherung von Kohlenstoff aus diesem vorgeschlagenen stöchiometrischen Verhältnis. Dies ist auf seine sehr komplexe Struktur zurückzuführen. Die Substanz ist mit der empirischen Formel B12C3 zu sehen (d.h. mit B12-Dodecaedern als Motiv), aber mit weniger Kohlenstoff, da die vorgeschlagenen C3-Einheiten durch C-B-C-Ketten ersetzt werden, und einige kleinere (B6) Oktaeder sind ebenfalls vorhanden (siehe den Artikel über Borcarbid zur Strukturanalyse). Die sich wiederholende Polymer- und teilkristalline Struktur von Borcarbid verleiht ihm eine große strukturelle Festigkeit pro Gewicht. Es wird in Panzerpanzern, kugelsicheren Westen und zahlreichen anderen strukturellen Anwendungen verwendet.

Die Fähigkeit von Borcarbid, Neutronen zu absorbieren, ohne langlebige Radionuklide zu bilden (insbesondere wenn es mit zusätzlichem Bor-10 dotiert ist), macht das Material als Absorptionsmittel für die in Kernkraftwerken entstehende Neutronenstrahlung attraktiv. Zu den nuklearen Anwendungen von Borcarbid gehören Abschirmungen, Kontrollstäbe und Abschalt-Pellets. Innerhalb von Kontrollstäben wird Borcarbid oft pulverisiert, um seine Oberfläche zu vergrößern.

Metallurgie

Bor wird den Borstählen in einer Menge von einigen wenigen Teilen pro Million hinzugefügt, um die Härtbarkeit zu erhöhen. Aufgrund der Neutronenabsorptionsfähigkeit von Bor werden Stähle, die in der Nuklearindustrie verwendet werden, zu höheren Prozentsätzen zugefügt.

Bor kann auch die Oberflächenhärte von Stählen und Legierungen durch Borieren erhöhen. Zusätzlich werden Metallboride für die Beschichtung von Werkzeugen durch chemische oder physikalische Abscheidung aus der Dampfphase verwendet. Die Implantation von Bor-Ionen in Metalle und Legierungen durch Ionenimplantation oder Ionenstrahlabscheidung führt zu einer spektakulären Erhöhung des Oberflächenwiderstandes und der Mikrohärte. Für den gleichen Zweck wurde auch das Laserlegieren erfolgreich eingesetzt. Diese Boride sind eine Alternative zu diamantbeschichteten Werkzeugen, und ihre (behandelten) Oberflächen haben ähnliche Eigenschaften wie die des Bulk-Borids.

Rheniumdiborid kann beispielsweise bei Umgebungsdruck hergestellt werden, ist aber wegen des Rheniums ziemlich teuer. Die Härte von ReB2 weist aufgrund seiner hexagonalen Schichtstruktur eine beträchtliche Anisotropie auf. Sein Wert ist vergleichbar mit dem von Wolframkarbid, Siliziumkarbid, Titandiborid oder Zirkoniumdiborid. Ähnlich besitzen AlMgB14 + TiB2-Verbundwerkstoffe eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit und werden entweder in Massenform oder als Beschichtungen für Bauteile verwendet, die hohen Temperaturen und Verschleißbelastungen ausgesetzt sind.

Waschmittelformulierungen und Bleichmittel

Borax wird in verschiedenen Haushaltswasch- und -reinigungsprodukten verwendet, darunter der Wäschebooster “20 Mule Team Borax” und die pulverisierte Handseife “Boraxo”. Es ist auch in einigen Zahnbleichformeln enthalten.

Natriumperborat dient als Quelle von aktivem Sauerstoff in vielen Wasch- und Reinigungsmitteln sowie in Wäschebleichmitteln. Trotz seines Namens enthält das “Borateem”-Waschmittel jedoch keine Borverbindungen mehr, sondern verwendet Natriumpercarbonat als Bleichmittel. Insektizide

Borsäure wird als Insektizid verwendet, insbesondere gegen Ameisen, Flöhe und Schaben.

Halbleiter

Bor ist ein nützlicher Dotierstoff für Halbleiter wie Silizium, Germanium und Siliziumkarbid. Da es ein Valenzelektron weniger als das Wirtsatom hat, spendet es ein Loch, was zu einer p-Typ-Leitfähigkeit führt. Die traditionelle Methode zur Einführung von Bor in Halbleiter ist die atomare Diffusion bei hohen Temperaturen. Bei diesem Prozess werden entweder feste (B2O3), flüssige (BBr3) oder gasförmige Borquellen (B2H6 oder BF3) verwendet. Nach den 1970er Jahren wurde er jedoch größtenteils durch die Ionenimplantation ersetzt, die sich hauptsächlich auf BF3 als Borquelle stützt. Bortrichloridgas ist auch eine wichtige Chemikalie in der Halbleiterindustrie, jedoch nicht zur Dotierung, sondern eher zum Plasmaätzen von Metallen und deren Oxiden. Auch Triethylboran wird als Borquelle in Aufdampfreaktoren injiziert. Beispiele sind die Plasmaabscheidung von borhaltigen Hartkohlenstoffschichten, Siliziumnitrid-Bornitrid-Schichten und die Dotierung von Diamantschichten mit Bor.

Magnete

Bor ist ein Bestandteil von Neodym-Magneten (Nd2Fe14B), die zu den stärksten Dauermagneten gehören. Diese Magnete finden sich in einer Vielzahl von elektromechanischen und elektronischen Geräten, wie z.B. in medizinischen Bildgebungssystemen mit Magnetresonanztomographie (MRI), in kompakten und relativ kleinen Motoren und Aktuatoren. Beispielsweise sind Computer-HDDs (Festplattenlaufwerke), CD- (Compact Disk) und DVD- (Digital Versatile Disk) Abspielgeräte auf Neodym-Magnetmotoren angewiesen, um intensive Drehkraft in einem bemerkenswert kompakten Gehäuse zu liefern. In Mobiltelefonen liefern “Neo”-Magnete das Magnetfeld, das es den winzigen Lautsprechern ermöglicht, eine beachtliche Audioleistung zu liefern. Abschirmung und Neutronenabsorber in Kernreaktoren

Die Borabschirmung wird als Kontrolle für Kernreaktoren verwendet, wobei ihr hoher Querschnitt für den Neutroneneinfang ausgenutzt wird.

In Druckwasserreaktoren wird eine variable Konzentration von Borsäure im Kühlwasser als Neutronengift verwendet, um die variable Reaktivität des Brennstoffs auszugleichen. Wenn neue Stäbe eingesetzt werden, ist die Konzentration von Boronsäure maximal und wird während der Lebensdauer reduziert.

Andere nicht-medizinische Anwendungen

  • Wegen seiner charakteristischen grünen Flamme wird amorphes Bor in pyrotechnischen Fackeln verwendet.
  • Klebstoffe auf Stärke- und Kaseinbasis enthalten Natriumtetraborat-Decahydrat (Na2B4O7-10 H2O).
  • Einige Korrosionsschutzsysteme enthalten Borax.
  • Natriumborate werden als Flussmittel zum Löten von Silber und Gold und mit Ammoniumchlorid zum Schweißen von Eisenmetallen verwendet. Sie sind auch feuerhemmende Zusätze zu Kunststoffen und Gummiartikeln.
  • Borsäure (auch als Orthoborsäure bekannt) H3BO3 wird bei der Herstellung von Textilglasfasern und Flachbildschirmen sowie in vielen Klebstoffen auf PVAc- und PVOH-Basis verwendet.
  • Triethylboran ist eine Substanz, die den JP-7-Kraftstoff der Pratt & Whitney J58-Turbinen/Ramjet-Triebwerke, die die Lockheed SR-71 Blackbird antreiben, entzündet. Es wurde auch zur Zündung der F-1-Triebwerke der Saturn-V-Rakete verwendet, die von 1967 bis 1973 von den NASA-Programmen Apollo und Skylab eingesetzt wurden. Heute verwendet SpaceX sie zur Zündung der Triebwerke ihrer Falcon 9-Rakete. Triethylboran eignet sich dafür aufgrund seiner pyrophoren Eigenschaften, insbesondere der Tatsache, dass es mit einer sehr hohen Temperatur brennt. Triethylboran ist ein industrieller Auslöser für radikale Reaktionen, wobei es auch bei niedrigen Temperaturen wirksam ist.
  • Borate werden als umweltfreundliche Holzschutzmittel verwendet.

Pharmazeutische und biologische Anwendungen

Borsäure hat antiseptische, antimykotische und antivirale Eigenschaften und wird aus diesen Gründen als Wasserklärungsmittel bei der Wasseraufbereitung in Schwimmbädern eingesetzt. Milde Lösungen von Borsäure wurden als Augen-Antiseptika verwendet.

Bortezomib (vermarktet als Velcade und Cytomib). Bor erscheint als aktives Element in seinem ersten zugelassenen organischen Arzneimittel in der pharmazeutischen Bortezomib, einer neuen Klasse von Medikamenten, die als Proteasom-Inhibitoren bezeichnet werden, die beim Myelom und einer Form von Lymphom aktiv sind (es befindet sich derzeit in experimentellen Versuchen gegen andere Arten von Lymphom). Das Boratom in Bortezomib bindet die katalytische Stelle des 26S-Proteasoms mit hoher Affinität und Spezifität.

  • Eine Reihe potenzieller borhaltiger Pharmazeutika, die Bor-10 verwenden, wurden für den Einsatz in der Bor-Neutroneneinfangtherapie (BNCT) vorbereitet.
  • Einige Borverbindungen sind vielversprechend bei der Behandlung von Arthritis, obwohl bisher noch keine allgemein für diesen Zweck zugelassen wurden.

Tavaborol (vermarktet als Kerydin) ist ein Aminoacyl-tRNA-Synthetasehemmer, der zur Behandlung von Fußnagelpilz eingesetzt wird. Er wurde im Juli 2014 von der FDA zugelassen.

Die Dioxaborolan-Chemie ermöglicht die radioaktive Fluorid (18F)-Markierung von Antikörpern oder roten Blutkörperchen, was die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) zur Darstellung von Krebs bzw. Blutungen ermöglicht. Ein vom Menschen abgeleitetes, genetisches, Positronen emittierendes und fluoreszierendes (HD-GPF) Reporter-System verwendet ein menschliches Protein, PSMA und nicht-immunogen, und ein kleines Molekül, das Positronen emittiert (borgebundenes 18F) und fluoreszierend ist, für die duale Modalität der PET- und Fluoreszenz-Bildgebung von genommodifizierten Zellen, z.B. Krebs, CRISPR/Cas9 oder CAR T-Zellen, in einer ganzen Maus.

Biologie

Bor ist ein wesentlicher Pflanzennährstoff, der in erster Linie für die Aufrechterhaltung der Integrität der Zellwände benötigt wird. Hohe Bodenkonzentrationen von mehr als 1,0 ppm führen jedoch zu Rand- und Spitzennekrosen in den Blättern sowie zu einer schlechten Gesamtwachstumsleistung. Schon Werte von 0,8 ppm erzeugen dieselben Symptome bei Pflanzen, die besonders empfindlich auf Bor im Boden reagieren. Fast alle Pflanzen, auch die etwas toleranten, zeigen zumindest einige Symptome der Bortoxizität, wenn der Borgehalt im Boden höher als 1,8 ppm ist. Wenn dieser Gehalt 2,0 ppm überschreitet, werden nur wenige Pflanzen gute Leistungen erbringen, und einige werden möglicherweise nicht überleben.

Man nimmt an, dass Bor bei Tieren, einschließlich des Menschen, mehrere wesentliche Rollen spielt, aber die genaue physiologische Rolle ist kaum bekannt. In einer kleinen, 1987 veröffentlichten Studie am Menschen wurde über postmenopausale Frauen berichtet, bei denen zunächst ein Bormangel auftrat und die dann mit 3 mg/Tag satt wurden. Eine Borsubstitution reduzierte die Kalziumausscheidung im Urin deutlich und erhöhte die Serumkonzentration von 17 Beta-Estradiol und Testosteron.

Das U.S. Institute of Medicine hat nicht bestätigt, dass Bor ein essentieller Nährstoff für den Menschen ist, so dass weder eine empfohlene Diät-Zulassung (Recommended Dietary Allowance, RDA) noch eine angemessene Aufnahme festgelegt wurde. Die ernährungsbedingte Aufnahme von Erwachsenen wird auf 0,9 bis 1,4 mg/Tag geschätzt, wobei etwa 90% davon absorbiert werden. Was absorbiert wird, wird größtenteils mit dem Urin ausgeschieden. Die tolerierbare obere Aufnahmemenge für Erwachsene beträgt 20 mg/Tag.

Eine Hypothese aus dem Jahr 2013 legt nahe, dass Bor und Molybdän möglicherweise die Produktion von RNA auf dem Mars katalysiert haben, wobei vor etwa 3 Milliarden Jahren Leben über einen Meteoriten zur Erde transportiert wurde.

Es sind mehrere borhaltige natürliche Antibiotika bekannt. Das erste, das gefunden wurde, war Boromycin, das aus Streptomyceten isoliert wurde.

Die angeborene endotheliale Dystrophie Typ 2, eine seltene Form der Hornhautdystrophie, ist mit Mutationen im SLC4A11-Gen verbunden, das für einen Transporter kodiert, der angeblich die intrazelluläre Konzentration von Bor reguliert.

Analytische Quantifizierung

Zur Bestimmung des Borgehalts in Lebensmitteln oder Materialien wird die kolorimetrische Kurkuminmethode verwendet. Dabei wird Bor in Borsäure oder Borate umgewandelt und bei der Reaktion mit Curcumin in saurer Lösung entsteht ein rot gefärbter Bor-Chelat-Komplex, das Rosocyanin.

Toxizität

Elementares Bor, Boroxid, Borsäure, Borate und viele Organoborverbindungen sind für Mensch und Tier relativ ungiftig (mit einer Toxizität, die der von Tafelsalz ähnelt). Die LD50 (Dosis, bei der eine 50%ige Mortalität vorliegt) beträgt bei Tieren etwa 6 g pro kg Körpergewicht. Substanzen mit einer LD50 über 2 g gelten als ungiftig. Eine Aufnahme von 4 g/Tag Borsäure wurde ohne Zwischenfall gemeldet, aber mehr als diese gilt in mehr als einigen Dosen als toxisch. Eine Aufnahme von mehr als 0,5 g pro Tag über 50 Tage verursacht geringfügige Verdauungs- und andere Probleme, die auf eine Toxizität hindeuten. Eine Nahrungsergänzung mit Bor kann für das Knochenwachstum, die Wundheilung und die antioxidative Aktivität hilfreich sein, und eine unzureichende Menge an Bor in der Nahrung kann zu einem Bormangel führen.

Medizinische Einzeldosen von 20 g Borsäure für die Neutroneneinfangtherapie wurden ohne übermäßige Toxizität verwendet.

Borsäure ist für Insekten toxischer als für Säugetiere und wird routinemäßig als Insektizid eingesetzt.

Die Borane (Bor-Wasserstoff-Verbindungen) und ähnliche gasförmige Verbindungen sind ziemlich giftig. Wie üblich ist es kein an sich giftiges Element, aber ihre Toxizität hängt von der Struktur ab. Die Borane sind zudem leicht entzündlich und erfordern besondere Sorgfalt bei der Handhabung. Natriumborhydrid stellt aufgrund seines reduzierenden Charakters und der Freisetzung von Wasserstoff bei Kontakt mit Säure eine Brandgefahr dar. Borhalogenide sind korrosiv.

Bor ist für das Pflanzenwachstum notwendig, aber ein Überschuss an Bor ist für Pflanzen giftig und kommt vor allem in sauren Böden vor. Es zeigt sich als eine Vergilbung von der Spitze nach innen der ältesten Blätter und schwarze Flecken in Gerstenblättern, kann aber mit anderen Belastungen wie Magnesiummangel bei anderen Pflanzen verwechselt werden.