Fosfonati

I fosfonati o acidi fosfonici sono composti organici contenenti il gruppo C-PO(OH)₂ o C-PO(OR)₂, dove R può essere un gruppo alchile o arile. I bifosfonati furono i primi composti di questa classe ad essere sintetizzati nel 1897 da Baeyer e Hoffman, per le loro importanti qualità farmacologiche. Dalla seconda metà del ventesimo secolo, i fosfonati furono impiegati come importanti agenti chelanti: essi formano un legame molto forte con atomi metallici, eliminandone le proprietà catalitiche e trovando applicazione ad esempio nella desalinizzazione. I fosfonati hanno un'elevatà solubilità in acqua.

Abbondanza in natura

Il fosforo è un nutriente essenziale per tutti gli organismi viventi, necessario per la sintesi di acidi nucleici, fosfolipidi e numerosi altri metaboliti. Nella maggior parte degli organismi, la fonte preferita di fosforo è il fosfato inorganico (Pi). Tuttavia, poiché la maggior parte dei sali di fosfato è altamente insolubile, questo ione è raramente disponibile in concentrazioni che supportano la crescita dilagante. Pertanto, nonostante il fatto che il fosforo sia l'undicesimo elemento più abbondante nella crosta terrestre, è un nutriente limitante nella maggior parte degli ecosistemi.^[1] Di conseguenza, la natura ha sviluppato sistemi di trasporto del fosfato altamente efficienti, nonché sistemi per l'acquisizione del fosforo. essenzialmente da tutte le biomolecole note contenenti questo elemento.^[2] Tuttavia, studi recenti suggeriscono che anche altri composti del fosforo meno studiati possono essere importanti nella biosfera.^[3] Questi includono fosfonati e fosfinati, composti caratterizzati dalla presenza di legami carbonio-fosforo (C-P) altamente stabili al posto dei legami labili carbonio-ossigeno-fosforo presenti nelle più note biomolecole contenenti fosforo.

L'aminofosfonato naturale ciliatina (nome originale) o acido 2-amminoetilfosfonico (2-EPA), che è un analogo dell'amminoacido β-alanina e dell'aminosolfonato taurina, è stato il primo fosfonato identificato (nel 1959)^[4] ed è stato successivamente trovato il gruppo principale di fosfonolipidi prodotto da molti altri microrganismi, animali e persino piante, dove si trova nelle membrane.^[5] I fosfonati sono abbastanza comuni tra diversi organismi, dai procarioti agli eubatteri, funghi, molluschi, insetti e altri.^[6]

I dati indicano l'importanza più che probabile del P sotto forma di fosfonato nel ciclo biogeochimico globale del fosforo e, per estensione, il suo ruolo nella produttività marina e nella dinamica del carbonio e dell'azoto negli oceani.^[7] La scoperta del fatto che i fosfonati formano circa il 10% del fosforo disciolto e particolato negli oceani ha dimostrato che la disponibilità di fosforo è un determinante chiave della produttività del fitoplancton marino.^[8] Pertanto, sembrano essere una risorsa importante di questo elemento per gli organismi acquatici; tuttavia, la comprensione del suo utilizzo da parte del fitoplancton eucariotico è molto limitata. Molto probabilmente si presentano sotto forma di polisaccaridi esterificati con acido metilfosfonico e acido 2-idrossietilfosfonico. Questi composti sono stati trovati principalmente nel Nitrosopumilus maritimus, uno degli organismi più abbondanti del pianeta e residente nelle regioni ricche di ossigeno degli oceani aperti. Fino al 4% del metano sulla Terra proviene da acque ricche di ossigeno attraverso la scissione del legame carbonio-fosforo altamente non reattivo nel metilfosfonato.^[9]

Sintesi

Questa classe di composti viene sintetizzata tramite la reazione di Michaelis-Arbuzov, nella quale un alogenuro alchilico viene fatto reagire con un fosfito.

Vengono inoltre impiegati nella reazione di Horner-Wadsworth-Emmons, una procedura che consente di formare alcheni con un'alta selettività cis/trans.

Note

^ Elser JJ, et al. (2007). «Global analysis of nitrogen and phosphorus limitation of primary producers in freshwater, marine and terrestrial ecosystems». Ecol Lett 10 (12): 1135–1142. PMID 17922835. doi:10.1111/j.1461-0248.2007.01113.x.
^ van Veen HW (1997). «Phosphate transport in prokaryotes: molecules, mediators and mechanisms». Antonie Van Leeuwenhoek 72 (4): 299-315. PMID 9442271. doi:10.1023/a:1000530927928.
^ Metcalf WW, van der Donk WA. (2009). «Biosynthesis of phosphonic and phosphinic acid natural products». Annu Rev Biochem 78: 65-94. PMID 19489722. doi:10.1146/annurev.biochem.78.091707.100215.
^ HORIGUCHI M, KANDATSU M. (1959). «Isolation of 2-aminoethane phosphonic acid from rumen protozoa.». Nature 184: 901–902. doi:10.1038/184901b0.
^ K.-S. Ju • J. R. Doroghazi • W. W. Metcalf (2014). «Genomics-enabled discovery of phosphonate natural products and their biosynthetic pathways». J Ind Microbiol Biotechnol 41: 345–356. doi:10.1007/s10295-013-1375-2.
^ James S. Kittredge, Eugene Roberts (1969). «A Carbon-Phosphorus Bond in Nature». Science 164 (3875): 37-42. doi:10.1126/science.164.3875.37.
^ Juan F. Villarreal-Chiu, John P. Quinn and John W. McGrath (2012). «The genes and enzymes of phosphonate metabolism by bacteria, and their distribution in the marine environment». Front. Microbiol. 3 (19). doi:10.3389/fmicb.2012.00019.
^ Dyhrman S.T., Benitez-Nelson C.R., Orchard E.D., Haley S.T., Pellechia P.J. «A microbial source of phosphonates in oligotrophic marine systems». Nature Geoscience 2 (10): 696-699. doi:10.1038/ngeo639.
^ W. W. Metcalf et al. (2012). «Synthesis of Methylphosphonic Acid by Marine Microbes: A Source for Methane in the Aerobic Ocean». Science 337 (6098): 1104-1107. doi:10.1126/science.1219875.

Voci correlate

Legame fosfo-estereo

Altri progetti

Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su Fosfonati

Portale Chimica: il portale della scienza della composizione, delle proprietà e delle trasformazioni della materia

[1] Elser JJ, et al. (2007). «Global analysis of nitrogen and phosphorus limitation of primary producers in freshwater, marine and terrestrial ecosystems». Ecol Lett 10 (12): 1135–1142. PMID 17922835. doi:10.1111/j.1461-0248.2007.01113.x.

[2] van Veen HW (1997). «Phosphate transport in prokaryotes: molecules, mediators and mechanisms». Antonie Van Leeuwenhoek 72 (4): 299-315. PMID 9442271. doi:10.1023/a:1000530927928.

[3] Metcalf WW, van der Donk WA. (2009). «Biosynthesis of phosphonic and phosphinic acid natural products». Annu Rev Biochem 78: 65-94. PMID 19489722. doi:10.1146/annurev.biochem.78.091707.100215.

[4] HORIGUCHI M, KANDATSU M. (1959). «Isolation of 2-aminoethane phosphonic acid from rumen protozoa.». Nature 184: 901–902. doi:10.1038/184901b0.

[5] K.-S. Ju • J. R. Doroghazi • W. W. Metcalf (2014). «Genomics-enabled discovery of phosphonate natural products and their biosynthetic pathways». J Ind Microbiol Biotechnol 41: 345–356. doi:10.1007/s10295-013-1375-2.

[6] James S. Kittredge, Eugene Roberts (1969). «A Carbon-Phosphorus Bond in Nature». Science 164 (3875): 37-42. doi:10.1126/science.164.3875.37.

[7] Juan F. Villarreal-Chiu, John P. Quinn and John W. McGrath (2012). «The genes and enzymes of phosphonate metabolism by bacteria, and their distribution in the marine environment». Front. Microbiol. 3 (19). doi:10.3389/fmicb.2012.00019.

[8] Dyhrman S.T., Benitez-Nelson C.R., Orchard E.D., Haley S.T., Pellechia P.J. «A microbial source of phosphonates in oligotrophic marine systems». Nature Geoscience 2 (10): 696-699. doi:10.1038/ngeo639.

[9] W. W. Metcalf et al. (2012). «Synthesis of Methylphosphonic Acid by Marine Microbes: A Source for Methane in the Aerobic Ocean». Science 337 (6098): 1104-1107. doi:10.1126/science.1219875.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]