4-substituerade fentanylderivat har syntetiserats, och deras prestationsnedsättande förmåga samt verkningssätt har studerats på råtta. Samtliga fyra fentanylderivat bör klassificeras som extremt potenta morfinlika substanser. Deras smärtlindrande (analgetiska) förmåga är cirka 5 000 ggr större än morfins. Höga doser (10µg/kg) av fentanylderivaten framkallar ett hypnotiskt och orörligt tillstånd (katalepsi). Upprepad tillförsel ger tolerans i likhet med morfin. Fentanylderivaten och morfin är korstoleranta, vilket tyder på gemensam verkningsmekanism. Samtliga farmakologiska effekter av fentanylderivaten liksom morfin kunde blockeras med den välkända opiatantagonisten naloxon. Den gemensamma verkningsmekanismen för morfin och fentanylderivaten som antyds av resultaten in vivo, bekräftades av bindningsstudier in vitro. I förhållande till morfin hade fentanylderivaten 10-30 ggr större bindningsförmåg (affinitet) till opiatreceptorns hög-affinitetsställe i rätthjärna. Fentanylderivaten hade däremot relativt ringa bindningsförmåga till opiatreceptorns låg-affinitetsställe (som anses mediera andningsdepression). Detta återspeglar möjligen fentanylderivatens höga säkerhetsmarginal (LD 50/ED50 = 6 000-20 000). De undersökta fentanylderivatens expremt höga biologiska potens är sannolikt en kombination av gynnsam farmakokinetik och hög opiatreceptor-affinitet.