Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Общий эфир фосфоновой кислоты; Фактически, фосфор имеет формальный заряд +1, кислород над ним имеет формальный заряд -1, и связь между ними одинарная.

Фосфонаты и фосфоновые кислоты представляют собой фосфорорганические соединения, содержащие группы C-PO (OH) 2 или C-PO (OR) 2 (где R = алкил , арил ). Фосфоновые кислоты, с которыми обычно обращаются в виде солей, обычно представляют собой нелетучие твердые вещества, которые плохо растворимы в органических растворителях, но растворимы в воде и обычных спиртах. Многие коммерчески важные соединения представляют собой фосфонаты, в том числе глифосат (активная молекула гербицида «Раундап») и этифон , широко используемый регулятор роста растений. Бисфосфонаты - популярные препараты для лечения остеопороза . [1]

Клодроновая кислота - это бисфосфонат, используемый в качестве лекарственного средства для лечения остеопороза .

В биологии и медицинской химии фосфонатные группы используются в качестве стабильных биоизотеров для фосфата, например, в противовирусном аналоге нуклеотидов, тенофовире , одном из краеугольных камней терапии против ВИЧ . И есть указание на то, что производные фосфонатов являются «многообещающими лигандами для ядерной медицины ». [2]

Основные свойства [ править ]

Фосфонаты содержат тетраэдрические центры фосфора. Они структурно тесно связаны с фосфористой кислотой (и часто получают из нее ) . [3]

Фосфоновые кислоты и их производные химически и структурно родственны фосфористой кислоте.

Соли фосфонатов являются результатом депротонирования фосфоновых кислот, которые являются дипротонными кислотами:

RPO (OH) 2 + NaOH → H 2 O + RPO (OH) (ONa) (мононатрий фосфонат)
RPO (OH) (ONa) + NaOH → H 2 O + RPO (ONa) 2 (динатрий фосфонат)

Сложные эфиры фосфоновой кислоты являются результатом конденсации фосфоновых кислот со спиртами.

Синтез [ править ]

Существует несколько методов получения фосфоновых кислот и их солей.

Из фосфоновой кислоты [ править ]

Большинство процессов начинается с фосфористой кислоты (также известной как фосфоновая кислота, H 3 PO 3 ), использующей ее реактивную связь P-H. [1] [3]

Фосфоновую кислоту можно алкилировать в условиях Манниха с получением аминометилированных фосфонатов, которые полезны в качестве комплексообразователей. Одним из примеров является промышленный препарат нитрилотриса (метиленфосфоновой кислоты) :

NH 3 + 3 H 3 PO 3 + 3 CH 2 O → N (CH 2 PO 3 H 2 ) 3 + 3 H 2 O

Фосфоновая кислота также может быть алкилирована производными акриловой кислоты с образованием фосфоновых кислот, функционализированных карбоксильными группами. Эта реакция является вариантом добавления Майкла :

CH 2 = CHCO 2 R + 3 H 3 PO 3 → (HO) 2 P (O) CH 2 CH 2 CO 2 R

В муфтах Hirao диалкила фосфиты (который также можно рассматривать как ди-сложные эфиры фосфоновой кислоты: (O = РН (OR) 2 ) подвергаются катализируемым палладий реакция сочетания с арилгалогенидом с образованием фосфоната.

Реакция Михаэлиса-Арбузова [ править ]

Сложные эфиры фосфоновой кислоты получают с помощью реакции Михаэлиса – Арбузова . Например, метилиодид катализирует превращение триметилфосфита в диметилметилфосфонат сложного эфира фосфоновой кислоты :

P (OMe) 3 → MePO (OMe) 2

Эти сложные эфиры могут быть гидролизованы до кислоты (Me = метил):

MePO (OMe) 2 + H 2 O → MePO (OH) 2 + 2 MeOH

В реакции Михаэлиса-Беккера сначала депротонируется диэфир гидрофосфоновой кислоты, а образующийся анион алкилируется.

Из трихлорида фосфора [ править ]

Винилфосфоновая кислота может быть получена реакцией PCl 3 и ацетальдегида :

PCl 3 + CH 3 CHO → CH 3 CH (O - ) PCl+
3

Этот аддукт реагирует с уксусной кислотой:

CH 3 CH (O - ) PCl+
3
+ 2 CH 3 CO 2 H → CH 3 CH (Cl) PO (OH) 2 + 2 CH 3 COCl

Этот хлорид подвергается дегидрохлорированию, чтобы получить цель:

CH 3 CH (Cl) PO (OH) 2 → CH 2 = CHPO (OH) 2 + HCl

В реакцию Киннеар-Перрен alkylphosphonyl дихлорангидридов и сложные эфиры генерируются алкилированием из трихлорида фосфора в присутствии трихлорида алюмини . Соли алкилтрихлорфосфония являются промежуточными продуктами: [1]

PCl 3 + RCl + AlCl 3 → RPCl+
3
+ AlCl-
4

RPCl+
3
затем продукт можно разложить водой с получением дихлорида алкилфосфоновой кислоты RP (= O) Cl 2 .

Реакции [ править ]

Гидролиз [ править ]

Сложные эфиры фосфоновой кислоты обычно подвержены гидролизу как в кислых, так и в основных условиях. Расщепление связи ПК сложнее, но может быть достигнуто в агрессивных условиях.

O = PC (OR) 2 + 2 H 2 O → O = PC (OH) 2 + 2 ROH

Реакция Хорнера – Уодсворта – Эммонса [ править ]

В реакции Хорнер-Эммонс Уодсуорта- диалкил-фосфонаты депротонируют , чтобы дать стабилизированные карбанионы , которые реагируют с альдегидами с получением E-алкенов с отщеплением диалкил- фосфата . [4]

Структурные подклассы [ править ]

Бисфосфонаты [ править ]

Общая структура бифосфонатов

Соединения, содержащие 2 геминальные фосфонатные группы, известны как бисфосфонаты . Впервые они были синтезированы в 1897 году фон Байером и Хофманном и теперь составляют основу важного класса лекарств, используемых для лечения остеопороза и подобных заболеваний. Примеры включают HEDP (этидроновая кислота или дидронел), который получают из фосфористой кислоты и уксусного ангидрида : [1]

2 H 3 PO 3 + (CH 3 CO) 2 O → CH 3 C (OH) (PO 3 H 2 ) 2 + CH 3 CO 2 H

Тиофосфонаты [ править ]

VX (форма тиола)

Thiophosphonate группа представляет собой функциональная группа , связанная с фосфонатом путем замещением атома кислорода для серы. Они являются реактивным компонентом многих пестицидов и нервно-паралитических агентов . Замещенные тиофосфонаты могут иметь 2 основных структурных изомера, связывающихся через группы O или S, с образованием тионовой и тиоловой форм соответственно. Это свойство они разделяют со связанными функциональными группами, такими как тиокарбоновые кислоты и органотиофосфаты .

Фосфонамидаты [ править ]

Фосфонамидаты относятся к фосфонатам путем замещения атома кислорода на атом азота. Они представляют собой редко встречающуюся функциональную группу, например, нервно-паралитическое вещество Табун .

Встречаемость в природе [ править ]

Глифосат , входящий в состав гербицида «Раундап», представляет собой фосфонат.
2-аминоэтилфосфоновая кислота: первый идентифицированный природный фосфонат

Фосфонаты - один из трех источников поступления фосфатов в биологические клетки. [ необходима цитата ] Два других - неорганический фосфат и органофосфаты.

Встречающаяся в природе фосфонат-2-аминоэтилфосфоновая кислота была впервые обнаружена в 1959 году у растений и многих животных, где она локализуется в мембранах. Фосфонаты довольно распространены среди различных организмов, от прокариот до эубактерий и грибов , моллюсков , насекомых и других. Впервые о них сообщили в естественных почвах Ньюман и Тейт (1980). Биологическая роль природных фосфонатов все еще плохо изучена. Бис- или полифосфонаты не встречаются в природе.

Был идентифицирован ряд натуральных продуктов фосфонатных веществ с антибиотическими свойствами. [5] Натуральные фосфонатные антибиотики включают фосфомицин, одобренный FDA для лечения неосложненных инфекций мочевыводящих путей, а также несколько доклинических исследованных веществ, таких как фосмидомицин (ингибитор изопренилсинтазы), SF-2312 (ингибитор гликолитической фермент енолаза , [6] и вещества с неизвестным механизмом действия, такие как алахопцин. Хотя фосфонаты в значительной степени непроницаемы для клеток, природные фосфонатные антибиотики эффективны против ряда организмов, поскольку многие виды бактерий экспрессируют импортеры глицерин-3-фосфата и глюкозо-6-фосфата, которые могут быть захвачены фосфонатными антибиотиками. Устойчивые к фосфомицину бактериальные штаммы часто имеют мутации, инактивирующие эти переносчики; однако такие мутации не поддерживаются в отсутствие антибиотика из-за дороговизны, которую они накладывают.

Использует [ редактировать ]

В 1998 году потребление фосфонатов во всем мире составило 56 000 тонн - 40 000 тонн в США, 15 000 тонн в Европе и менее 800 тонн в Японии. Спрос на фосфонаты неуклонно растет на 3% ежегодно.

Хеланты металлов [ править ]

Со времени работы Герольда Шварценбаха в 1949 году фосфоновые кислоты известны как эффективные хелатирующие агенты . Введение аминогруппы в молекулу для получения -NH 2 -C-PO (OH) 2 увеличивает способность фосфоната связывать металл. Примерами таких соединений являются NTMP, EDTMP и DTPMP. Эти фосфонаты являются структурными аналогами хорошо известного аминополикарбоксилата, такого как ЭДТА . Стабильность комплексов металлов увеличивается с увеличением количества групп фосфоновой кислоты. Фосфонаты хорошо растворимы в воде, тогда как фосфоновые кислоты очень слабо растворимы.

Фосфонаты - эффективные хелатирующие агенты. То есть они прочно связываются с ионами двух- и трехвалентных металлов, что полезно для смягчения воды.. Таким образом они предотвращают образование нерастворимых осадков (накипи). Связывание этих лигандов также подавляет каталитические свойства ионов металлов. Они устойчивы в суровых условиях. По этим причинам фосфонаты широко используются в промышленности в охлаждающих водах, системах опреснения и на нефтяных месторождениях для предотвращения образования накипи. Фосфонаты также регулярно используются в системах обратного осмоса в качестве антискалантов. Фосфонаты в системах охлаждающей воды также служат для контроля коррозии чугуна и стали. В производстве целлюлозы и бумаги и в текстильной промышленности они служат «стабилизаторами перекиси отбеливателя», хелатируя металлы, которые могут инактивировать перекись. В моющих средствах они используются как комбинация хелатирующего агента, ингибитора образования отложений и стабилизатора отбеливания.Фосфонаты также все чаще используются в медицине для лечения заболеваний, связанных с формированием костей и метаболизмом кальция. Кроме того, они служат переносчиками радионуклидов при лечении рака костей (см.самарий-153-этилендиаминтетраметиленфосфонат ).

Бетонные добавки [ править ]

Фосфонаты также используются в качестве замедлителей схватывания бетона. [7] [8]Они задерживают время схватывания цемента, позволяя дольше укладывать бетон или распределять тепло гидратации цемента в течение более длительного периода времени, чтобы избежать слишком высокой температуры и возникающих трещин. Они также обладают хорошими диспергирующими свойствами и поэтому исследуются как возможный новый класс суперпластификаторов. Однако в настоящее время фосфонаты не являются коммерчески доступными в качестве суперпластификаторов. Суперпластификаторы - это добавки к бетону, предназначенные для увеличения текучести и удобоукладываемости бетона или для уменьшения водоцементного (в / ц) отношения. Уменьшая содержание воды в бетоне, он уменьшает его пористость, улучшая таким образом механические свойства (прочность на сжатие и растяжение) и долговечность бетона (снижая свойства переноса воды, газа и растворенных веществ). [9]

Медицина [ править ]

В медицине фосфонаты и бисфосфонаты обычно используются в качестве ингибиторов ферментов, которые используют фосфаты и дифосфаты в качестве субстратов. В частности, эти ферменты включают те, которые производят промежуточные продукты биосинтеза холестерина. [10]

Аналоги фосфонатных нуклеотидов , такие как тенофовир , цидофовир и адефовир, являются важнейшими противовирусными препаратами, которые в различных пролекарственных формах используются для лечения ВИЧ , гепатита В и других.

Ниша использует [ править ]

В сочетании с органосиликатами фосфонаты также используются для лечения «внезапной гибели дуба», вызванной грибковым эукариотом Phytophthora ramorum .

Токсикология [ править ]

Токсичность фосфонатов для организмов, живущих в воде, невысока. Сообщенные значения для 48-часового значения LC 50 для рыбы составляют от 0,1 до 1,1 мМ. Также коэффициент биоконцентрации для рыб очень низкий.

Биоразложение [ править ]

В природе бактерии играют главную роль в разложении фосфонатов. [11]Из-за присутствия в окружающей среде природных фосфонатов бактерии развили способность метаболизировать фосфонаты в качестве источников питательных веществ. Некоторые бактерии используют фосфонаты в качестве источника фосфора для роста. Аминофосфонаты также могут использоваться некоторыми бактериями в качестве единственного источника азота. Полифосфонаты, используемые в промышленности, сильно отличаются от природных фосфонатов, таких как 2-аминоэтилфосфоновая кислота, поскольку они намного крупнее, несут высокий отрицательный заряд и образуют комплекс с металлами. Тесты на биоразложение осадка от городских очистных сооружений с HEDP и NTMP не показали никаких признаков разложения. Исследование HEDP, NTMP, EDTMP и DTPMP в стандартных тестах на биоразложение также не позволило идентифицировать какое-либо биоразложение. Однако было отмечено, что в некоторых испытаниях из-за высокого отношения шлама к фосфонатамза удалением исследуемого вещества из раствора наблюдали потерю DOC. Этот фактор был связан с адсорбцией, а не с биоразложением. Однако бактериальные штаммы, способные разлагать аминополифосфонаты и HEDP в условиях ограниченного фосфора, были выделены из почв, озер, сточных вод, активного ила и компоста.

«Биоразложения фосфонатов во время очистки воды не наблюдается, но фотодеградация комплексов Fe (III) происходит быстро. Аминополифосфонаты также быстро окисляются в присутствии Mn (II) и кислорода, и образуются стабильные продукты разложения, которые были обнаружены в сточных водах. . Отсутствие информации о фосфонатах в окружающей среде связано с аналитическими проблемами их определения в следовых концентрациях в природных водах. Фосфонаты присутствуют в природных водах в основном в виде комплексов Ca и Mg и поэтому не влияют на состав или перенос металлов ». [12] Фосфонаты сильно взаимодействуют с некоторыми поверхностями, что приводит к их значительному удалению в технических и природных системах.

Фосфонатные соединения [ править ]

  • Тенофовир алафенамид : пролекарство нуклеотидного аналога тенофовира, имеющее решающее значение для лечения ВИЧ.
  • AMPA: аминометилфосфоновая кислота , продукт разложения глифосата.
  • Винилфосфоновая кислота : мономер
  • Диметилметилфосфонат (DMMP), один из простейших диэфиров фосфоновой кислоты.
  • Этидроновая кислота (HEDP): 1-гидроксиэтилиден-1,1-дифосфоновая кислота, используемая в моющих средствах, очистке воды, косметике и фармацевтике.
  • АТМФ : Aminotris (метиленфосфоновая кислота), хелатирующий агент
  • EDTMP : этилендиаминтетра (метиленфосфоновая кислота), хелатирующий агент
  • TDTMP: тетраметилендиаминтетра (метиленфосфоновая кислота), хелатирующий агент
  • HDTMP: гексаметилендиаминтетра (метиленфосфоновая кислота), хелатирующий агент
  • DTPMP : диэтилентриаминпента ( метиленфосфоновая кислота), хелатирующий агент
  • PBTC: фосфонобутантрикарбоновая кислота
  • PMIDA: N- (фосфонометил) иминодиуксусная кислота.
  • CEPA: 2-карбоксиэтилфосфоновая кислота
  • HPAA: 2-гидроксифосфонокарбоновая кислота
  • AMP: Aminotris (метиленфосфоновая кислота)
  • БПМГ: N , N- бис (фосфонометил) глицин
  • Глифосат : распространенный сельскохозяйственный гербицид.
  • Фоскарнет : для лечения герпеса
  • Перзинфотель : для лечения инсульта
  • SF2312 : натуральный фосфонатный антибиотик, ингибитор энолазы.
  • Сельфотел : брошенный экспериментальный препарат от инсульта

См. Также [ править ]

  • Фосфорорганические соединения
  • Оксид фосфина - OPR 3
  • Фосфинит - P (OR) R 2
  • Фосфонит - P (OR) 2 R
  • Фосфит - P (OR) 3
  • Фосфинат - OP (OR) R 2
  • Фосфат - OP (OR) 3

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Svara, J .; Weferling, N .; Хофманн, Т. «Соединения фосфора, органические», в Энциклопедии промышленной химии Ульмана , Wiley-VCH, Weinheim, 2008. doi : 10.1002 / 14356007.a19_545.pub2 .
  2. ^ Паздерова, Люсия; Давид, Томаш; Глинова, Вероника; Плутнар, Ян; Котек, Ян; Любаль, Пршемысл; Кубичек, Войтех; Германн, Петр (15.06.2020). "Перекрестно-мостиковые циклам с фосфонатами и фосфинатами подвесные кронштейны: хелаторы для радиоизотопов меди с быстрым комплексообразованием" . Неорганическая химия . 59 (12): 8432–8443. DOI : 10.1021 / acs.inorgchem.0c00856 . ISSN  0020-1669 .
  3. ^ a b Современная химия фосфонатов Филиппа Савиньяка и Богдана Йорга, CRC Press, Бока-Ратон, Флорида, 2003. ISBN 0-8493-1099-7 
  4. ^ Boutagy, Джон; Томас, Ричард (февраль 1974 г.). «Синтез олефинов с карбанионами органических фосфонатов». Химические обзоры . 74 (1): 87–99. DOI : 10.1021 / cr60287a005 .
  5. ^ Ю. К., Doroghazi JR, Меткаф WW (2014). «Открытие с помощью геномики натуральных фосфонатных продуктов и путей их биосинтеза» . J. Ind. Microbiol. Biotechnol . 41 (2): 345–356. DOI : 10.1007 / s10295-013-1375-2 . PMC 3946943 . PMID 24271089 .  
  6. ^ Леонард П.Г., Сатани Н., Максвелл Д., Лин Й.Х., Хаммуди Н., Пэн З., Писанески Ф., Линк TM, Ли Г.Р., Сан Д., Прасад Б.А., Ди Франческо М.Э., Чако Б., Асара Дж. М., Ван Я., Борнманн В., ДеПиньо Р.А., Мюллер Флорида (декабрь 2016 г.). «SF2312 - природный фосфонатный ингибитор енолазы» . Природа Химическая биология . 12 (12): 1053–1058. DOI : 10.1038 / nchembio.2195 . PMC 5110371 . PMID 27723749 .  
  7. ^ Рамачандран, VS; Лоури, MS; Мудрый, Т .; Поломарк, GM (1993). «Роль фосфонатов в гидратации портландцемента» . Материалы и конструкции . 26 (7): 425–432. DOI : 10.1007 / BF02472943 . ISSN 0025-5432 . S2CID 97857221 .  
  8. ^ Кольер, Николас С .; Milestone, Neil B .; Трэвис, Карл П .; Гибб, Фергус, GF (2016). «Влияние органических замедлителей схватывания на сгущение и схватывание раствора при захоронении высокоактивных радиоактивных отходов в глубоких скважинах» . Прогресс в атомной энергетике . 90 : 19–26. DOI : 10.1016 / j.pnucene.2016.02.021 . ISSN 0149-1970 . 
  9. ^ Flatt, R .; Шобер И. (2012). «Суперпластификаторы и реология бетона». Понимание реологии бетона . С. 144–208. DOI : 10.1533 / 9780857095282.2.144 . ISBN 9780857090287.
  10. ^ Wiemer, AJ; Hohl, RJ; Вимер, Д. Ф. (июнь 2009 г.). «Промежуточные ферменты метаболизма изопреноидов как противораковые мишени». Противораковые средства в медицинской химии . 9 (5): 526–42. DOI : 10.2174 / 187152009788451860 . PMID 19519294 . 
  11. Хуан Дж, Су З, Сюй Y (ноябрь 2005 г.). «Эволюция микробных путей деградации фосфонатов». Журнал молекулярной эволюции . 61 (5): 682–90. Bibcode : 2005JMolE..61..682H . DOI : 10.1007 / s00239-004-0349-4 . PMID 16245012 . S2CID 13414302 .  
  12. ^ Новак Бернд (2003). «Экологическая химия фосфонатов». Исследования воды . 37 (11): 2533–2546. DOI : 10.1016 / S0043-1354 (03) 00079-4 . PMID 12753831 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Ньюман Р. Х., Тейт К. Р. (1980). «Почва, характеризующаяся ядерным магнитным резонансом 31 P». Коммуникации в области почвоведения и анализа растений . 11 : 835–842. DOI : 10.1080 / 00103628009367083 .
  • Абхиманью С. Параскар и Арумугам Судалай (2006). «Новый Cu (OTf) 2 опосредует трехкомпонентный синтез α-аминофосфонатов с высоким выходом» (PDF) . Аркивок (1838EP): 183–9.[ постоянная мертвая ссылка ]
  • Сингх Р., Нолан С.П. (ноябрь 2005 г.). «Синтез сложных эфиров фосфора путем переэтерификации, опосредованной N- гетероциклическими карбенами (NHC)». Химические коммуникации (43): 5456–8. DOI : 10.1039 / b509783e . PMID  16261245 .