Фосфонат
При органической химии фосфонаты или фосфоновые кислоты - это органические соединения, содержащие соединения C - PO (OR) 2 группы , где R - органическая группа ( алкил , арил ). Если R - водород, то соединение представляет собой диалкилфосфит , который является другой функциональной группой. Фосфоновые кислоты, обычно обрабатываемые в виде солей, обычно представляют собой нелетуальные твердые вещества, которые плохо растворимы в органических растворителях , но растворимы в воде и общих спиртах .
Многие коммерчески важные соединения представляют собой фосфонаты, в том числе глифосат гербицидов (активная молекула раундопа ), и Ethephon , широко используемый регулятор роста растений. Бисфосфонаты являются популярными препаратами для лечения остеопороза . [ 1 ]
В биохимии и лекарственной химии фосфонатные группы используются в качестве стабильных биоизостеров для фосфата, например, в аналоге противовирусных нуклеотидов, Тенофовир , один из краеугольных камней терапии антигив . И существует признак того, что производные фосфоната являются «перспективными лигандами для ядерной медицины ». [ 2 ]
Основные свойства
[ редактировать ]Фосфонаты имеют тетраэдрические фосфорные центры. Они структурно тесно связаны с (и часто подготовлены из) фосфорной кислоты . [ 3 ]
Соли фосфоната являются результатом депротонирования фосфорновых кислот, которые являются прокротичными кислотами:
- RPO (OH) 2 + NaOH → H 2 O + RPO (OH) (ONA) (Monosodium Phosphonate)
- RPO(OH)(ONa) + NaOH → H 2 O + RPO(ONa) 2 (disodium phosphonate)
Эфиры фосфонатов являются результатом конденсации фосфорных кислот с спиртами.
Синтез
[ редактировать ]Существует несколько методов для приготовления фосфоновых кислот и их солей.
Из фосфорновой кислоты
[ редактировать ]Большинство процессов начинаются с фосфорной кислоты (он же фосфорновая кислота, H 3 PO 3 ), используя ее реактивную связь P - H. [ 1 ] [ 3 ]
Фосфоновая кислота может быть алкилированной через реакцию кабачника -поля или реакцию Пудовика , чтобы получить аминофосфонат , которые полезны в качестве хелатирующих агентов. Одним из примеров является промышленное приготовление нитрилотриса (метиленфосфоновая кислота) :
- 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 с производными акриловой кислотой с получением функционализированных карбоксильных фосфорных кислот. 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 2 R.
В связывающих Hirao диалкилфосфиты ( которые также можно рассматривать как Di-Esters фосфоновой кислоты: (O = PH (OR) 2 ) подвергаются катализируемой палладие реакции связи с арилгалогендом с образованием фосфоната.
Michaelis-Arbuzov reaction
[ редактировать ]Фосфонические сложные эфиры приготовлены с использованием реакции Михаэлиса -Арбузова . Например, метиловый йодид катализирует превращение триметилфосфита в фосфонатный эфир диметилметилфосфонат :
- P (OME) 3 → MEPO (OME) 2
Эти сложные эфиры могут быть гидролизированы в кислоту (ME = метил):
- Mepo (ome) 2 + h 2 o → mepo (OH) 2 + 2 meoh
В реакции Михаэлиса -Бекара диэстер водорода сначала депротонирован, а полученный анион алкилирован.
От фосфора трихлорида
[ редактировать ]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 позволить себе цель:
- CH 3 CH (CL) PO (OH) 2 → CH 2 = CHPO (OH) 2 + HCL
В реакционной реакции Киннир -Перена алкилфосфонильные дихлориды и эфиры генерируются алкилированием фосфора трихлорида в присутствии алюминиевого трихлорида . Алкилтрихлорфосфония соли являются промежуточными: [ 1 ]
- PCL 3 + RCL + ALCL 3 → RPCL +
3 + alcl −
4
RPCl +
3 продукт может затем быть разложено водой для получения алкилфосфонического дихлорида RP (= O) Cl 2 .
Реакция
[ редактировать ]Гидролиз
[ редактировать ]Эфиры фосфоната, как правило, 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
Хорнер -Уодсворт -Эммонс Реакция
[ редактировать ]В реакции Хорнера-Вадсворта-Эммона диалкил-фосфонаты депротонируются, чтобы дать стабилизированные карбанины , которые реагируют с альдегидами с получением e-alceenes с устранением диалкилфосфата . [ 4 ]
The Horner–Wadsworth–Emmons reaction
Структурные подклассы
[ редактировать ]Бисфосфонаты
[ редактировать ]
Соединения, содержащие 2 группы геминальных фосфонатов, известны как бисфосфонаты . Сначала они были синтезированы в 1897 году фон Байером и Хофманном , а теперь образовали основу для важного класса лекарств, используемых для лечения остеопороза и аналогичных заболеваний. Примеры включают HEDP (этидроновая кислота или диндонел), который готовятся из фосфорной 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
[ редактировать ]
Группа тиофосфоната - это функциональная группа, связанная с фосфонатом, заменяя атома кислорода на серу. Они являются реактивным компонентом многих пестицидов и нервных агентов . Замененные тиофосфонаты могут иметь две основные структурные изомеры , хотя и O или S, или S, чтобы получить формы тионы и тиола соответственно. Это свойство, которое они разделяют с соответствующими функциональными группами, такими как тиокарбоновые кислоты и органотиофосфаты .
Фосфонамидаты
[ редактировать ]Фосфонамидаты связаны с фосфонатами путем замены атома кислорода на азот. Это редко встречающаяся функциональная группа. Нервный агент Tabun является примером.
Появление в природе
[ редактировать ]
Фосфонаты являются одним из трех источников потребления фосфатов в биологических клетках. [ Цитация необходима ] Два других - неорганический фосфат и органофосфаты.
Природная фосфонат 2-аминоэтилфосфоновая кислота была впервые идентифицирована в 1959 году у растений и многих животных, где она локализована в мембранах. Фосфонаты довольно распространены среди разных организмов, от прокариот до эубактерий и грибов , моллюсков , насекомых и других. Впервые они сообщили в естественных почвах Ньюманом и Тейт (1980). Биологическая роль природных фосфонатов все еще плохо изучена. Бис- или полифосфонаты не обнаруживаются естественным образом.
ряд фосфорных веществ натурального продукта с антибиотическими свойствами. Был выявлен [ 5 ] Phosphonate natural product antibiotics include fosfomycin which is approved by FDA for the treatment of non-complicated urinary tract infection as well as several pre-clinically investigated substances such as Fosmidomycin (inhibitor isoprenyl synthase), SF-2312 (inhibitor of the glycolytic enzyme enolase , [ 6 ] и вещества неизвестного способа действий, таких как Алахопцин . Хотя фосфонаты глубоко являются клеточными непроницаемыми, антибиотики природного продукта эффективны против ряда организмов, потому что многие виды бактерий экспрессируют глицерол-3-фосфат и глюкозо-6-фосфатные импортеры, которые могут быть захвачены фосфонатными антибиотиками. Устойчивые к фосфомицину бактериальные штаммы часто имеют мутации, которые инактивируют эти переносчики; Однако такие мутации не поддерживаются в отсутствие антибиотиков из -за стоимости пригодности, которую они налагают.
Использование
[ редактировать ]В 1998 году потребление фосфонатов составило 56 000 тонн по всему миру - 40 000 тонн в США, 15 000 тонн в Европе и менее 800 тонн в Японии. Спрос фосфонатов неуклонно растет на 3% в год.
Металлические хеланты
[ редактировать ]С момента работы Герольда Шварценбаха в 1949 году фосфоновые кислоты известны как эффективные хелатирующие агенты . Введение аминной группы в молекулу для получения −nh 2 -c -po (OH) 2 увеличивает способность связывания металла фосфоната. Примерами таких соединений являются NTMP, EDTMP и DTPMP. Эти фосфонаты являются структурными аналогами хорошо известного аминополицилата, такого как ЭДТА . Стабильность металлических комплексов увеличивается с увеличением числа групп фосфоновой кислоты. Фосфонаты очень растворимы в воде, в то время как фосфоновые кислоты только экономно.
Фосфонаты являются эффективными хелатирующими агентами. То есть они тесно связываются с ди- и тревалентными ионами металлов, что полезно при смягчении воды . Таким образом, они предотвращают образование нерастворимых осадков (масштаб). Связывание этих лигандов также подавляет каталитические свойства ионов металлов. Они стабильны в суровых условиях. По этим причинам важное промышленное использование фосфонатов заключается в охлаждающих водах, опреснительных системах и на нефтяных месторождениях для подавления формирования масштаба. Фосфонаты также регулярно используются в системах обратного осмоса в качестве антискалентных изделий. Фосфонаты в системах охлаждающей воды также служат для борьбы с коррозией железа и стали. В производстве целлюлозы и бумаги и в текстильной промышленности они служат «стабилизаторами пероксида отбеливателя», хелатирующими металлами, которые могут инактивировать пероксид. В моющих средствах они используются в качестве комбинации хелатирующего агента, ингибитора масштаба и стабилизатора отбеливателя. Фосфонаты также все чаще используются в медицине для лечения нарушений, связанных с образованием костей и метаболизмом кальция. Кроме того, они служат носителями для радионуклидов при лечении рака костей (см. Самарий-153-этилен диамин тетраметиленфосфонат ).
Бетонные примеси
[ редактировать ]Фосфонаты также используются в качестве бетонного замедления. [ 7 ] [ 8 ] Они откладывают время настройки цемента, позволяя более длительном времени размещать бетон или распределить тепло гидратации цемента за более длительный период времени, чтобы избежать слишком высокой температуры и полученных трещин. Они также обладают благоприятными диспергирующими свойствами, и поэтому исследуются как возможный новый класс суперпластических. Тем не менее, в настоящее время фосфонаты не являются коммерчески доступными в качестве суперпластификаторов. Суперпластификаторы-это бетонные примеси, предназначенные для увеличения бетонной текучести и работоспособности бетона или для уменьшения его соотношения воды к цементу (с C/C). Уменьшая содержание воды в бетоне, он уменьшает свою пористость, улучшая, поэтому механические свойства (сжатие и прочность на растяжение) и долговечность бетона (нижняя вода, газ и растворенные свойства переноса). [ 9 ]
Лекарство
[ редактировать ]В медицине фосфонаты и бисфосфонаты обычно используются в качестве ингибиторов ферментов, которые используют фосфаты и дифхосфаты в качестве субстратов. В частности, эти ферменты включают те, которые продуцируют промежуточные соединения биосинтеза холестерина. [ 10 ]
фосфоната, Аналоги нуклеотидов такие как тенофовир , цидофовир и адефовир, являются критическими противовирусными препаратами, которые в различных формах пролетных лекарств используются для лечения ВИЧ , гепатита В и других.
Ниша использует
[ редактировать ]В сочетании с органозиликатами фосфонаты также используются для лечения «внезапной смерти дубов», что вызвано грибкоподобным эукариот- фитофтора Раморум .
Токсикология
[ редактировать ]Токсичность фосфонатов для организмов, живущих в воде, низкая. Сообщенные значения для 48-часовых значений LC 50 для рыбы составляют от 0,1 до 1,1 мм. Также фактор биоконцентрации для рыбы очень низкий.
Биодеградация
[ редактировать ]В природе бактерии играют важную роль в деградации фосфонатов. [ 11 ] Из -за присутствия природных фосфонатов в окружающей среде бактерии развили способность метаболизировать фосфонаты в качестве источников питательных веществ. Некоторые бактерии используют фосфонаты в качестве источника фосфора для роста. Аминофосфонаты также могут использоваться в качестве единственного источника азота некоторыми бактериями. Полифосфонаты, используемые в промышленности, сильно отличаются от природных фосфонатов, таких как 2-аминоэтилфосфорная кислота, потому что они намного больше, несут высокий отрицательный заряд и комплексны с металлами. Биодеградационные тесты с осадками из муниципальных очистных сооружений с HEDP и NTMP не показали никаких признаков какого -либо деградации. Исследование HEDP, NTMP, EDTMP и DTPMP в стандартных тестах на биодеградацию также не смогли идентифицировать какую -либо биодеградацию. Однако было отмечено, что в некоторых тестах, вызванных высоким соотношением ила к фосфонату, наблюдалось удаление испытательного вещества из раствора, наблюдаемого в качестве потери DOC. Этот фактор был связан с адсорбцией, а не биодеградацией. Тем не менее, бактериальные штаммы, способные деградировать аминополифосфонаты и HEDP в условиях P-ограниченных, были выделены из почв, озер, сточных вод, активированного ила и компоста.
"Биодеградация фосфонатов во время обработки воды не наблюдается, но фотодеградация Fe (III) -комплексов является быстрой. Аминополифосфонаты также быстро окисляются в присутствии Mn (II) и кислород и стабильные продукты разбивки, которые были обнаружены в сточных водах . Отсутствие информации о фосфонатах в окружающей среде связано с аналитическими проблемами их определения в концентрациях следов в природных водах. [ 12 ] Фосфонаты сильно взаимодействуют с некоторыми поверхностями, что приводит к значительному удалению в технических и природных системах.
Фосфонатные соединения
[ редактировать ]- Тенофовир алафенамид : прозаднай нуклеотидного аналога тенофовира , критический для лечения ВИЧ.
- AMPA: аминометилфосфоновая кислота , продукт деградации глифосата
- Винилфосфоновая кислота : мономер
- Диметилметилфосфонат (DMMP), один из самых простых фосфонатных диеров
- Этидроновая кислота (HEDP): 1-гидроксиэтилиден-1,1-дифосфоновая кислота, используемая в моющих средствах, обработке воды, косметике и фармацевтических препаратах
- ATMP : аминотрис (метиленфосфоновая кислота), хелатирующий агент
- EDTMP : этилендиаминтетра (метиленфосфорная кислота), хелатирующий агент
- TDTMP: тетраметилендиаминтетра (метиленфосфоновая кислота), хелатирующий агент
- HDTMP: гексаметилендиаминеттра (метиленфосфоновая кислота), хелатирующий агент
- DTPMP : диэтилентриаминепента (метиленфосфоновая кислота), хелатирующий агент
- PBTC: фосфонобутанетрикарбоновая кислота
- PMIDA: N- (фосфонономил) иминодиациатическая кислота
- CEPA: 2-карбоксиэтилфосфоновая кислота
- HPAA: 2-гидроксифосфонокарбоновая кислота
- AMP: аминотрис (метиленфосфоновая кислота)
- BPMG: N , N -BIS (фосфонономил) глицин
- Глифосат : общий сельскохозяйственный гербицид
- Foscarnet : для лечения герпеса
- Perzinfotel : для лечения инсульта
- SF2312 : ингибитор антибиотиков натурального продукта энолазы
- Эльпотел : заброшенный экспериментальный препарат для инсульта
Смотрите также
[ редактировать ]- органофосфора Соединения
- Оксид фосфина - OPR 3
- Фосфинит - p (или) r 2
- Фосфонит - p (или) 2 r
- Фосфит - p (или) 3
- Фосфинат - Op (OR) R 2
- Фосфат - OP (OR) 3
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый Свара, Дж.; Уход, N.; Hofmann, T. "Phosphorus Compounds, Organic", в Энциклопедии промышленной химии Уллмана , Wiley-VCH, Weinheim, 2008. Два : 10.1002/14356007.a19_545.pub2 .
- ^ Пацдерова, Люсия; Дэвид, Томас; Hlinová, Вероника; Плутнар, Ян; Котек, Ян; Любал, Пхэмисл; Кубичик, Войтхч; Германн, Петр (2020-06-15). «Процестрированный цикл с фосфонатом и фосфинатными подвесными руками: хелаторы для медных радиоизотопов с быстрым комплексообразом» . Неорганическая химия . 59 (12): 8432–8443. Doi : 10.1021/acs.inorgchem.0c00856 . ISSN 0020-1669 . PMID 32437603 . S2CID 218834212 .
- ^ Jump up to: а беременный Современная химия фосфоната Филиппа Сэвиденак и Богдан Иорга, CRC Press, Boca Raton, FL, 2003. ISBN 0-8493-1099-7
- ^ Бутаги, Джон; Томас, Ричард (февраль 1974 г.). «Олефиновый синтез с органическими фосфонатными карбанионами». Химические обзоры . 74 (1): 87–99. doi : 10.1021/cr60287a005 .
- ^ Ju KS, Doroghazi JR, Metcalf WW (2014). «Обнаружение натуральных продуктов с поддержкой геномики и их биосинтетических путей» . J. Ind. Microbiol. Биотехнол . 41 (2): 345–356. doi : 10.1007/s10295-013-1375-2 . PMC 3946943 . PMID 24271089 .
- ^ Леонард П.Г., Сатани Н., Максвелл Д., Линь Й.Х., Хаммуди Н., Пенг З., Пизанеши Ф., Линк Т.М., Ли Г.Р., Сан Д., Прасад Б.А., Ди Франческо М.Е., Чузако Б., Асара Дж. М., Ван Я. RA, Muller FL (декабрь 2016 г.). «SF2312 является естественным ингибитором фосфоната энолазы» . Природная химическая биология . 12 (12): 1053–1058. doi : 10.1038/nchembio.2195 . PMC 5110371 . PMID 27723749 .
- ^ Рамачандран, против; Лоури, MS; Мудрый, т.; Polomark, GM (1993). «Роль фосфонатов в гидратации портлендского цемента» . Материалы и конструкции . 26 (7): 425–432. doi : 10.1007/bf02472943 . ISSN 0025-5432 . S2CID 97857221 .
- ^ Кольер, Николас С.; Веха, Нил Б.; Трэвис, Карл П.; Gibb, Fergus.gf (2016). «Влияние органических замедлителей на утолщение затирки и установку во время глубокого утилизации радиоактивных отходов высокого уровня» . Прогресс в ядерной энергии . 90 : 19–26. doi : 10.1016/j.pnucene.2016.02.021 . ISSN 0149-1970 .
- ^ Флэтт, Р.; Шобер И. (2012). «Суперпластификаторы и реология бетона». Понимание реологии бетона . С. 144–208. doi : 10.1533/9780857095282.2.144 . ISBN 9780857090287 .
- ^ Wiemer, AJ; Холь, Р.Дж.; Wiemer, DF (июнь 2009 г.). «Промежуточные ферменты метаболизма изопреноида в качестве противоопухолевых мишеней». Противораковые агенты в лекарственной химии . 9 (5): 526–42. doi : 10.2174/187152009788451860 . PMID 19519294 .
- ^ Huang J, Su Z, Xu Y (ноябрь 2005 г.). «Эволюция микробных путей деградации фосфоната». Журнал молекулярной эволюции . 61 (5): 682–90. Bibcode : 2005jmole..61..682H . doi : 10.1007/s00239-004-0349-4 . PMID 16245012 . S2CID 13414302 .
- ^ Nowack Bernd (2003). «Экологическая химия фосфонатов». Водные исследования . 37 (11): 2533–2546. Bibcode : 2003watre..37.2533n . doi : 10.1016/s0043-1354 (03) 00079-4 . PMID 12753831 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Newman RH, Tate KR (1980). "Почва характеризуется 31 P ядерный магнитный резонанс ». Коммуникации в науке о почве и анализе растений . 11 : 835–842. DOI : 10.1080/00103628009367083 .
- Abhimanyu S. Paraskar & Arumugam Sudalai (2006). «Новый Cu (OTF) 2 опосредовал три компонента высокого синтеза высокого урожая α-аминофосфонатов» (PDF) . Arkivoc (1838ep): 183–9. [ Постоянная мертвая ссылка ]
- Сингх Р., Нолан С.П. (ноябрь 2005 г.). «Синтез эфиров фосфора путем переэтерификации, опосредованной N -гетероциклическими карбенами (NHC)». Химическая связь (43): 5456–8. doi : 10.1039/b509783e . PMID 16261245 .