Кіріспе
C–PO(OR)2 топтарын қамтитын органикалық қосылыс
Фосфор қышқылы және анионды біреулік санмен атау
Органикалық химияда фосфонаттар немесе фосфор қышқылы – C\sPO(OR)2 топтарын қамтитын органофосфорлық қосылыстар (мұнда R = алкил, арил немесе тек сутек). Фосфор қышқылы, көбінесе тұздар түрінде қолданылады, әдетте, органикалық еріткіштерде нашар еритін, бірақ су мен кәдімгі спирттерде жақсы еритін ұшпайтын қатты заттар болып табылады. Көптеген коммерциялық маңызды қосылыстар фосфонаттар болып табылады, оның ішінде глифосат (Roundup гербицидінің белсенді молекуласы) және өсімдіктердің өсуін реттеуге кеңінен қолданылатын этифон. Бисфосфонаттар – остеопорозды емдеуге қолданылатын танымал дәрілер. Биохимия және медициналық химияда фосфонат топтары фосфаттың тұрақты биоизостері ретінде қолданылады, мысалы, вирусқа қарсы нуклеотид аналогы Тенофовирде, ол ВИЧ-қа қарсы терапияның негізгі құрамының бірі. Сондай-ақ, фосфонат туындыларының "ядролық медицина үшін перспективті лигандтар" екенін көрсететін деректер бар.
Синтез
Фосфоно қышқылдарын және олардың тұздарын дайындаудың бірнеше тәсілдері бар.
Фосфоникалық қышқылдан
Көптеген процестер фосфор қышқылымен (фосфоновая қышқылы, H3PO3) басталады, оның реакцияға бейім P-H байланысын пайдалана отырып.
Бифосфонаттар
2 геминді фосфонат топтарын қамтитын қосылыстар бифосфонаттар деп аталады. Олар алғаш рет 1897 жылы Вон Баер және Хофманмен синтезделді, қазір остеопороз және оған ұқсас ауруларды емдеуге қолданылатын маңызды дәрілік заттардың негізін құрайды. Мысалдарға HEDP (этидронат қышқылы немесе дидронел) жатады, ол фосфор қышқылы мен сірке қышқылынан дайындалады: Фосфонат табиғи өнім антибиотиктеріне фосфомицин кіреді, ол АҚШ-тың Азық-дәрілік басқармасы (FDA) күрделі емес несеп жолдарының инфекциясын емдеуге бекіткен, сондай-ақ бірнеше клиникалық алдында зерттелген заттар, мысалы, фосмидомицин (изопренил синтетазаның ингибиторы), SF 2312 (гликолиз ферменті энолазаның ингибиторы) және әрекет ету механизмі белгісіз заттар, мысалы, алахопцин. Фосфонаттар жасушалар үшін өтімді болмаса да, табиғи фосфонат антибиотиктері көптеген организмдерге қарсы тиімді, себебі көптеген бактерия түрлері глицерол-3-фосфат және глюкоза-6-фосфат импорттаушыларын өндіреді, оларды фосфонат антибиотиктері пайдалана алады. Фосфомицинге төзімді бактерия штаммдарында көбінесе осы транспортерлерді істен шығаратын мутациялар кездеседі; алайда, антибиотик болмаған жағдайда олардың тудыратын зиянды салдарынан мұндай мутациялар сақталмайды.
Қолданылуы
1998 жылы фосфонаттардың әлемдік тұтынуы 56 000 тоннаны құрады, оның 40 000 тоннасы АҚШ-та, 15 000 тоннасы Еуропада және 800 тоннадан азы Жапонияда болды. Фосфонаттарға деген сұраныс жылына 3% өседі.
Металл келанттары
1949 жылы Герольд Шварценбахтың жұмысынан бастап фосфоникалық қышқылдар тиімді хелаттаушы заттар ретінде белгілі болды. Молекулаға -NH2−C−PO(OH)2 тобын қосу арқылы амин тобын енгізу фосфонаттың металлмен байланысу қабілетін арттырады. Мұндай қосылыстардың мысалдары: NTMP, EDTMP және DTPMP. Бұл фосфонаттар белгілі аминполикарбоксилаттарға, мысалы EDTA-ға құрылымдық аналогтар болып табылады. Металл кешендерінің тұрақтылығы фосфоноқышқыл топтарының санының артуымен бірге артады. Фосфонаттар суда өте жақсы ериді, ал фосфоникалық қышқылдар нашар ериді. Фосфонаттар – тиімді хелаттаушы заттар. Яғни, олар екі және үш валентті металл иондарымен берік байланысады, бұл суды жұмсартуда пайдалы. Осылайша, олар ерімейтін шөгінділердің (тақташалардың) пайда болуына кедергі келтіреді. Бұл лигандтардың байланысуы металл иондарының катализдік қасиеттерін де басады. Олар қатал жағдайларда да тұрақты. Осы себептерге байланысты фосфонаттарды суды салқындату, тұзды суды ажырату жүйелерінде және мұнай өндірісінде шашақ түзілуін тежеу үшін өнеркәсіптік қолдану кең таралған. Фосфонаттар кері осмостық жүйелерде антискаланттар ретінде де жиі қолданылады. Фосфонаттар салқындату су жүйелерінде темір мен болаттың коррозиясын бақылауға да көмектеседі. Олар қағаз және целлюлоза өндірісінде, сондай-ақ тоқыма өнеркәсібінде "пероксидті ағарту стабилизаторы" ретінде қолданылады, пероксидті деактивациялайтын металдарды хелаттайды. Олар жуғыш заттарда хелаттаушы зат, шашақ түзілуін тежегіш және ағарту стабилизаторы ретінде қолданылады. Фосфонаттар медицинада сүйек қалыптасуымен және кальций метаболизмімен байланысты ауруларды емдеу үшін де жиі қолданылады. Сонымен қатар, олар сүйек ісігін емдеуде радионуклидтерді тасымалдаушы ретінде қолданылады (самарий 153 этилендиамин тетраметилен фосфонатына қараңыз).
Бетон қоспалары
Фосфонаттар бетонды баяулатушы ретінде де қолданылады. Олар цементтің қатаю уақытын ұзартады, бұл бетонды орналастыруға немесе цемент гидратациясының жылуын ұзақ мерзімге таратуға мүмкіндік береді, тым жоғары температура мен одан туындайтын жарықтарды болдырмау үшін. Сонымен қатар, олардың дисперсиялық қасиеттері жақсы болғандықтан, суперпластификаторлардың жаңа класы ретінде зерттелуде. Дегенмен, қазіргі таңда фосфонаттар суперпластификатор ретінде коммерциялық түрде қолжетімді емес. Суперпластификаторлар – бетонның ағымдалылығы мен жұмыс істеуге қолайлылығын арттыруға немесе су мен цемент арақатынасын (w/c) төмендетуге арналған бетонға қосылатын материалдар. Бетон құрамындағы су мөлшерін азайту арқасында оның кеуектілігі төмендеп, осылайша механикалық қасиеттері (сығу және керілу беріктігі) мен бетонның төзімділігі жақсарады (судың, газдың және ерітілген заттардың тасымалдану қасиеттері азаяды).
Медицина
Медицинада фосфонаттар мен бифосфонаттар фосфаттар мен дифосфаттарды субстрат ретінде пайдаланатын ферменттердің тежегіштері ретінде жиі қолданылады. Атап айтқанда, бұл ферменттер холестериннің биосинтезі аралықтарын құратын ферменттерді қамтиды. Тенофовир, цидофовир және адефовир сияқты фосфонат нуклеотидтерінің аналогтары – маңызды вирустық қарсы препараттар, олар түрлі про-дәрілік формаларда ВИЧ, В гепатиті және басқа ауруларды емдеу үшін қолданылады.
Арнайы мақсаттағы пайдалану
Органосиликаттармен қатар, фосфонаттар да "көктемгі еменнің кенеттен қырылуы" ауруын емдеу үшін қолданылады, оның себебі – Phytophthora ramorum сияқты еукариотты саңырауқұлақ.
Токсикология
Фосфонаттардың суда тіршілік ететін организмдерге уыттылығы төмен. Балықтарға қатысты хабарланған 48 сағаттық LC50 мәндері 0,1 мен 1,1 мМ аралығында. Сондай-ақ, балықтардың биожинақталу коэффициенті де өте төмен.
Биологиялық ыдырау
Табиғатта бактериялар фосфонаттардың ыдырауында маңызды рөл атқарады. Қоршаған ортада табиғи фосфонаттардың болуына байланысты, бактериялар фосфонаттарды қоректік заттар ретінде метаболизмдеуге қабілеттілікке ие болды. Кейбір бактериялар өсу үшін фосфонаттарды фосфор көзі ретінде пайдаланады. Аминофосфонаттар кейбір бактериялар үшін жалғыз азот көзі ретінде де қолданылуы мүмкін. Өнеркәсіпте қолданылатын полифосфонаттар, мысалы, 2-аминоэтилфосфоно қышқылы сияқты табиғи фосфонаттардан айтарлықтай өзгеше, себебі олар әлдеқайда ірі, жоғары теріс зарядталған және металдармен кешенді байланысқа түседі. Қалалық сарқынды суларды тазарту станцияларынан алынған шламды HEDP және NTMP-мен сынау нәтижесінде ешқандай ыдырау белгілері байқалмады. HEDP, NTMP, EDTMP және DTPMP стандартты биологиялық ыдырау сынақтарында да ыдырау анықталған жоқ. Дегенмен, кейбір сынақтарда шлам мен фосфонат арақатынасының жоғары болуына байланысты сынамалық заттың ерітіндіден жоғалуы, яғни DOC жоғалуы байқалды. Бұл фактор ыдыраудың орнына адсорбцияға байланысты деп есептелді. Алайда, P тапшылығы жағдайында аминополифосфонаттарды және HEDP-ті ыдырата алатын бактериялық штаммдар топырақтан, көлдерден, сарқынды сулардан, белсенді шламнан және компосттан бөліп алды. "Суды тазарту кезінде фосфонаттардың биологиялық ыдырауы байқалмайды, бірақ Fe(III) кешендерінің фото ыдырауы жылдам жүреді. Аминполифосфонаттар Mn(II) және оттегінің қатысуында тез тотығады және тұрақты ыдырау өнімдері пайда болады, олар сарқынды суларда анықталды. Қоршаған ортадағы фосфонаттар туралы ақпараттың жетіспеуі табиғи суларда оларды іздеу концентрациясында анықтаудағы аналитикалық қиындықтармен байланысты. Фосфонаттар табиғи суларда негізінен Ca және Mg кешендері түрінде кездеседі, сондықтан металдардың түріне және тасымалына әсер етпейді". Фосфонаттар кейбір беттермен күшті өзара әрекеттеседі, бұл техникалық және табиғи жүйелерде олардың айтарлықтай жоғалуына әкеледі.