Fosfonáty

Fosfonáty a fosfonové kyseliny jsou v organické chemii sloučeniny, v jejichž molekulách se nachází skupiny C−PO(OH)₂ nebo C−PO(OR)₂ (R může být alkyl nebo aryl). Fosfonové kyseliny se obvykle vyrábějí jako soli a jedná se o netěkavé kapaliny málo rozpustné v organických rozpouštědlech, ovšem rozpustné ve vodě a alkoholech. K fosfonátům patří mnoho významných látek, jako je herbicid glyfosát. Bisfosfonáty, molekuly se dvěma fosfonátovými skupinami, jsou součástí některých léčiv proti osteoporóze.^[1] V lékařské chemii se fosfonátové skupiny používají jako náhrady fosfátových skupin v léčivech; příkladem je tenofovir, používaný při léčbě HIV.

Molekuly fosfonátů mají tvar tetradedru s atomem fosforu ve středu. Strukturou se podobají kyselině fosfonové, z níž se také často připravují.^[2]

Fosfonátové soli vznikají z fosfonových kyselin, které jsou dvojsytné:

RPO(OH)₂ + NaOH → H₂O + RPO(OH)(ONa) (monosodný fosfonát)

RPO(OH)(ONa) + NaOH → H₂O + RPO(ONa)₂ (disodný fosfonát)

Fosfonátové estery lze připravit reakcí fosfonové kyseliny s příslušným alkoholem.

Existuje několik způsobů přípravy fosfonových kyselin a jejich solí.

Nejběžnější metody přípravy fosfonátů vycházejí z kyseliny fosfonové (H₃PO₃), která je stabilnějším tautomerem kyseliny fosforité, přičemž se využívá reaktivita vazby P-H.^[1][2]

Fosfonové kyseliny lze alkylovat Mannichovou reakcí za vzniku aminoalkylovaných fosfonátů, které se dají použít jako komplexační činidla; příkladem může být průmyslová výroba kyseliny nitrilotris(methylen)fosfonové:

NH₃ + 3 H₃PO₃ + 3 CH₂O → (CH₂PO₃H₂)₃ + 3 H₂O

Další možností je alkylace deriváty kyseliny akrylové za tvorby karboxylovaných fosfonových kyselin; tato reakce je variantou Michaelovy adice:

CH₂=CHCO₂R + 3 H₃PO₃ → (HO)₂P(O)CH₂CH₂CO₂R

Při Hiraově reakci reagují dialkylfosfity (které lze považovat za diestery kyseliny fosfonové, s obecným vzorcem (O=PH(OR)₂)) s arylhalogenidy za přítomnosti palladiového katalyzátoru, přičemž vznikají fosfonáty.

Estery fosfonových kyselin se připravují Michaelisovou–Arbuzovovou reakcí. Příkladem je přeměna trimethylfosfitu na dimethylmethylfosfonát za katalýzy jodmethanem:

P(OMe)₃ → MePO(OMe)₂

Tyto estery je možné hydrolyzovat na kyseliny

CH₃PO(OMe)₂ + H₂O → CH₃PO(OH)₂ + 2 CH₃OH

Při Michaelisově–Beckerově reakci je nejprve deprotonován hydrogenfosfonátový diester a vzniklý anion se poté alkyluje.

Vinylfosfonové kyseliny se dají připravit reakcí chloridu fosforitého s acetaldehydem:

PCl₃ + CH₃CHO → CH₃CH(O⁻)PCl +
3 

Takto vzniklý adukt reaguje s kyselinou octovou:

CH₃CH(O⁻)PCl +
3  + 2 CH₃CO₂H → CH₃CH(Cl)PO(OH)₂ + 2 CH₃COCl

Připravený chlorid se nakonec dechloruje za vzniku konečného produktu:

CH₃CH(Cl)PO(OH)₂ → CH₂=CHPO(OH)₂ + HCl

V Kinnearově–Perrenově reakci se tvoří alkyldifosfonylové estery a chloridy za přítomnosti chloridu hlinitého. Meziprodukty jsou alkyltrichlorfosfoniové soli.^[1]

PCl₃ + RCl + AlCl₃ → RPCl +
3  + AlCl -
4 

Produkt této reakce (RPCl +
3 ) je možné hydrolyzovat na alkylfosfoniumdichlorid RP(=O)Cl₂.

Fosfonátové estery podléhají hydrolýze, a to v kyselém i zásaditém prostředí.

O=PC(OR)₂ + 2 H₂O → O=PC(OH)₂ + 2 ROH

Rozštěpení vazby P-C je obtížnější, ale v agresivnějších podmínkách jej lze provést.

Při Hornerově–Wadsworthově–Emmonsově reakci se dialkylfosfonáty deprotonují za vzniku stabilních karboaniontů, které reagují s aldehydy na E-alkeny za současného odštěpení dialkylfosfátu.^[3]

Sloučeniny, které mají na stejný atom uhlíku navázány dvě fosfonátové skupiny, se nazývají bisfosfonáty. Poprvé je připravili v roce 1897 Adolf von Baeyer a Fritz Hofmann; v současnosti se bisfosfonátové skupiny využívají jako součásti molekul některých léčiv na osteoporózu, jako je kyselina etidronová, jež se připravuje reakcí kyseliny fosforečné s acetanhydridem:^[1]

2 H₃PO₃ + (CH₃CO)₂O → CH₃C(OH)(PO₃H₂)₂ + CH₃CO₂H

• 
  kyselina O-ethyl-methylfosfonothiová (thionová forma)
• 
  VX (thiolová forma)

Thiofosfonátová skupina je od fosfonátové formálně odvozena náhradou kyslíkového atomu atomem síry. Je častou složkou pesticidů a nervových jedů. Substituované thiofosfonáty mohou mít dva strukturní izomery - pokud je na fosfor dvojnou vazbou napojen atom síry, jedná se o thionovou formu, pokud je takto napojen kyslík, jde o formu thiolovou; podobná vlastnost existuje například u thiokarboxylových kyselin a organothiofosfátů.

Fosfonamidátovou skupinu lze od fosfonátové odvodit nahrazením kyslíkového atomu dusíkovým. Jde o poměrně málo používanou funkční skupinu, která se nachází například v molekule tabunu.

V roce 1959 byla u některých rostlin a živočichů objevena kyselina 2-aminoethylfosfonová, která je přírodním fosfonátem, vyskytujícím se v buněčných membránách. Fosfonáty se vyskytují například v bakteriích, houbách, měkkýších a hmyzu. V půdě byly přírodní fosfonáty poprvé nalezeny v roce 1980. Jejich biologické funkce dosud nejsou dobře známy. Bisfosfonáty a polyfosfonáty se v přírodě nevyskytují.

Je známo několik přírodních fosfonátů s antibiotickými vlastnostmi,^[4] například fosfomycin, používaný při léčbě infekcí močových cest, nebo fosmidomycin (inhibitor isoprenylsyntázy), SF-2312 (inhibitor enolázy)^[5] a látky, jejichž účinek není přesně znám, jako například alahopcin. Tato antibiotika jsou účinná proti velkému počtu bakterií, protože ty často mají přenašeče glycerol-3-fosfátu a glukóza-6-fosfátu, jejich funkci lze narušit fosfonáty. Kmeny bakterií odolné vůči fosfomycinu mívají mutace, které tyto přenašeče deaktivují.

Gerold Schwarzenbach v roce 1949 zjistil, že fosfonáty jsou účinná chelatační činidla. Schopnost fosfonátu vázat kovy je možné vylepšit připojení aminové skupiny (−NH₂) na molekulu fosfonátu za vzniku −NH₂−C−PO(OH)₂; takovými látkami jsou například NTMP, EDTMP a DTPMP, které jsou strukturními analogy aminopolykarboxylátů, jako je kyselina ethylendiamintetraoctová. Stabilita komplexů se zvyšuje s počtem fosfonátových skupin.

Fosfonáty na sebe mohou navázat dvojmocné a trojmocné ionty , čehož lze využít k odstraňování tvrdosti vody; tímto způsobem lze i vylepšit katalytické vlastnosti iontů. Z těchto důvodů se fosfonáty využívají k zamezení tvorby vodního kamene v průmyslu nebo v přístrojích provádějících reverzní osmózu. Tam, kde se voda používá jako chladivo, také zabraňují korozi. Při výrobě papíru stabilizují peroxidy (používané k bělení) tím, že zachytávají ionty kovů, které by mohly způsobovat rozklad peroxidů. Jako chelatační činidla a k omezení tvorby vodního kamene se používají i v tenzidech.

V lékařství se monofosfonáty a bisfosfonáty používají jako inhibitory enzymů, které katalyzují reakce fosfátů a bisfosfátů, jako jsou například enzymy podílející se na syntéze cholesterolu.^[6]

Fosfonátové analogy nukleotidů, například tenofovir, cidofovir a adefovir se používají jako antivirotika mimo jiné při léčbě HIV nebo hepatitidy B.

Fosfonáty nejsou příliš toxické pro vodní organismy. Hodnoty LC₅₀ při 48hodinovém vystavení těmto látkám se pohybují mezi 0,1 a 1,1 mmol/l.

• Tenofovir alafenamid - proléčivo tenofoviru, používaného při léčbě HIV
• Kyselina aminomethylfosfonová - produkt rozkladu glyfosátu
• Kyselina vinylfosfonová - surovina na výrobu polymerů
• Dimethylmethylfosfonát - jeden z nejjednodušších fosfonátových diesterů
• Kyselina etidronová (1-hydroxyethyliden-1,1-difosfonová) - používá se jako tenzid při úpravě vody, výrobě kosmetických přípravků a léčiv
• Kyselina ethylendiamintetra(methylenfosfonová), chelatační činidlo
• Kyselina tetramethylendiamintetra(methylenfosfonová), chelatační činidlo
• Kyselina hexamethylendiamintetra(methylenfosfonová), chelatační činidlo
• Kyselina diethylentriaminpenta(methylenfosfonová), chelatační činidlo
• Glyfosát, herbicid

• Fosfinoxidy
• Fosfinity
• Fosfonity
• Fosfity
• Fosfináty
• Organofosfáty

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Fosfonáty na Wikimedia Commons

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Phosphonate na anglické Wikipedii.