Fosfonato
Los fosfonatos, ácidos fosfónicos, ésteres de fosfito, organofosfitos o simplemente fosfitos son compuestos orgánicos organofosforados que pueden considerarse formalmente como las sales o los ésteres del ácido fosforoso (H3PO3). Son compuestos organofosforados caracterizados por un enlace estable de Carbono-Fósforo (C-P), que generalmente resiste la descomposición bioquímica, térmica y fotoquímica.
Debido a la tautomería que se da en el ácido fosforoso, podemos tener dos grupos de fosfonatos, los que contienen los grupos R-PO(OH)2 o R-PO(OR')2 (o su versiones "ácidas" con un H en vez de un radical R) o los que contienen el grupo P(OR')3(donde R'= alquilo, arilo...). Tradicionalmente, se han llamado indistintamente fosfitos y fosfonatos a ambos grupos, pero la IUPAC en 2005, decidió llamar al primer tautómero (H2PHO3) ácido fosfónico, y al segundo (H3PO3) ácido fosforoso, por lo que al primer grupo debería denominarse como fosfonatos o ácidos fosfónicos y al segundo como fosfitos o ésteres de fosfito.
Los bifosfonatos fueron sintetizados por primera vez en 1897 por Von Baeyer y Felix Hoffmann. Un ejemplo de bifosfonato es el HEDP. Desde el trabajo de Schwarzenbach en 1949, los ácidos fosfónicos son conocidos como efectivos agentes quelantes. La introducción de un grupo amino en la molécula para obtener aminofosfonatos (-NH2-C-PO(OH)2) aumenta las habilidades para atrapar metales por parte del fosfonato. Algunos ejemplos de tales compuestos son el EDTMP y el DTPMP. Estos fosfonatos comunes son los análogos estructurales de los bien conocidos aminopolicarboxilatos NTA, EDTA, y DTPA. La estabilidad de los complejos de metal se incrementa con el incremento en el número de grupos ácido fosfónico. Los fosfonatos son altamente solubles en agua, mientras que los ácidos fosfónicos son sólo ligeramente solubles. Los fosfonatos no son volátiles y son poco solubles en disolventes orgánicos.[1]
Existen multitud de compuestos comercialmente importantes dentro del grupo de los fosfonatos, destacando el glifosato (la molécula activa del herbicida "Roundup") y el etefón, un regulador del crecimiento vegetal ampliamente utilizado. Algunos bisfosfonatos son medicamentos populares para el tratamiento de la osteoporosis..[2] Además, debido a la versatilidad que da la química de los fosfonatos, se suelen utilizar como reactivos de partida para su posterior oxidación a fosfatos orgánicos, como es el caso de la síntesis del medicamento antiviral que se emplea para el tratamiento de la infección por el VIH, el tenofovir.
Abundancia en la naturaleza
El aminofosfonato natural ácido 2-aminoetilfosfónico, que es un análogo del aminoácido β-alanina y el aminosulfonato taurina, fue el primer fosfonato identificado (en 1959)[3] y se encontró posteriormente en plantas y muchos animales, donde está localizado en las membranas. Los fosfonatos son bastante comunes entre diferentes organismos, desde procariotas a eubacterias, fungi, moluscos, insectos y otros.[4] El rol biológico de los fosfonatos naturales aún está pobremente entendido. No se han encontrado en la naturaleza bifosfonatos o polifosfonatos.
La biosíntesis de una serie de fosfonatos comienza a partir de la reorganización del fosfoenolpiruvato en fosfonopiruvato, una reacción catalizada por la enzima fosfoenolpiruvato mutasa. En este proceso de equilibrio, la termodinámica favorece al fosfoenolpiruvato por un factor de al menos 500. Por lo tanto, el fosfonopiruvato tiene que convertirse rápidamente en compuestos metabólicamente útiles, favoreciendo ese desplazamiento mediante reacciones irreversibles. En consecuencia, es un sustrato clave en la biosíntesis de ácido 2-aminoetilfosfónico, fosfonoalalnina, ácido 2-hidroxietilfosfónico, fosfonoacetaldehído, ácido fosfonometilmálico y ácido 2-ceto-4-hidroxi-5-fosfonopentanoico. La mayoría de las enzimas involucradas en la producción de estos compuestos han sido aisladas y caracterizadas y revisadas exhaustivamente.[5]
Propiedades básicas
Las sales de fosfonato son el resultado de la desprotonación de ácidos fosfónicos, que son ácidos dipróticos:[1][6]
- (M= Na, K; fosfonato monosódico o monopotásico)
- (M= Na, K; fosfonato disódico o dipotásico)
El ion fosfito (HPO3-2) es un ion poliatómico con un átomo de fósforo en estado de oxidación +3. Tiene geometría tetraédrica. Las numerosas sales de fosfito, tales como el fosfito de potasio, son altamente solubles en agua. La unión puede explicarse utilizando estructuras resonantes (hay tres estructuras equivalentes que contienen un doble enlace), deslocalizando efectivamente las cargas negativas entre átomos de oxígeno equivalentes. Cuatro estructuras resonantes de un ion fosfito:[7]
Los ésteres de fosfonato son el resultado de la condensación de ácidos fosfónicos con alcoholes.
Síntesis
A partir de PCl3
Los fosfitos se preparan típicamente tratando el tricloruro de fósforo con un alcohol. Dependiendo de los detalles sintéticos, esta alcoholisis puede dar a los dialquilfosfitos:[8]
Alternativamente, cuando la alcohólisis se realiza en presencia de aceptores de protones, se obtienen los derivados de trialcoxi de simetría C3:[9]
Por transesterificación
Los ésteres de fosfito también se pueden preparar por transesterificación, ya que experimentan intercambio de alcohol al calentarse con otros alcoholes.[10] Este proceso es reversible y puede usarse para producir fosfitos de alquilo mixtos. Los fosfonatos (y otros ésteres de fósforo) también pueden ser sintetizados vía una reacción de transesterificación catalizada por catalizadores orgánicos. Se ha reportado que los carbenos N-heterocíclicos catalizan la reacción eficientemente.[11]
A partir de ácido fosfónico
La mayoría de los procesos comienzan con ácido fosforoso (también conocido como ácido fosfónico, H3PO3), explotando su enlace reactivo P-H.[6][2]
El ácido fosfónico puede ser alquilado en condiciones de Mannich para dar fosfonatos aminometilados, que son útiles como complejos. Un ejemplo es la preparación industrial de ácido aminotris(metilenfosfónico) o ATMP:
El ácido fosfónico también puede ser alquilado con derivados del ácido acrílico para proporcionar ácidos fosfónicos funcionalizados con carboxilo. Esta reacción es una variante de la adición de Michael:
En el acoplamiento de Hirao, los dialquilfosfitos (que también pueden verse como diésteres de ácido fosfónico: (O=P(H)(OR)2) experimentan una reacción de acoplamiento catalizada por paladio con un haluro de arilo para formar un fosfonato.
Reacción de Michaelis-Arbuzov
Los ésteres fosfónicos pueden ser sintetizados usando la reacción de Michaelis-Arbuzov. En un estudio, un α-aminofosfonato es preparado por condensación de benzaldehído, anilina, y fosfito de trimetilo, catalizado por triflato de cobre en una síntesis en un solo reactor.[12]
Por ejemplo, el yoduro de metilo cataliza la conversión de trimetilfosfito en el éster de metilfosfonato de dimetilo (DMMP):
Estos ésteres pueden hidrolizarse al ácido (Me = metilo):
En la reacción de Michaelis-Becker, un diéster de hidrógenofosfonato se desprotona primero y el anión resultante es alquilado.
Reactividad
Hidrólisis
Los ésteres de fosfonato son generalmente susceptibles a la hidrólisis tanto en condiciones ácidas como básicas. La escisión del enlace P-C o P-H no es fácil de lograr.
Reacción de Horner–Wadsworth–Emmons
En síntesis orgánica, los fosfonatos son usados en la reacción de Horner-Wadsworth-Emmons. En la reacción de Horner-Wadsworth-Emmons, los dialquilfosfonatos se desprotonan para dar carbaniones estabilizados, que reaccionan con aldehídos para dar alquenos-E con la eliminación de un dialquilfosfato:
The Horner–Wadsworth–Emmons reaction
Subclases estructurales
En función del número de grupos fosfonato que tenga la molécula, o si se sustituye el átomo de oxígeno por otros heteroátomos, se pueden subclasificar en:
Bifosfonatos
Los compuestos que contienen 2 grupos fosfonato en la misma molécula se conocen como bisfosfonatos. Serían el equivalente a un ácido dicarboxílico, en el que se sustituyen los grupos carboxilo por fosfonato. Los bifosfonatos más destacados son geminales. Fueron sintetizados por primera vez en 1897 por Von Baeyer y Hofmann y ahora forman la base de una clase importante de medicamentos, utilizados para tratar la osteoporosis y enfermedades similares. Los ejemplos incluyen al ácido etidrónico (HEDP), que se prepara a partir de ácido fosforoso y anhídrido acético:[2]
Destacan también otros medicamentos para la osteoporosis: ibandronato, risedronato, alendronato, zoledronato...
Polifosfonatos
Al igual que los ácidos policarboxílicos, cuando hay más de dos grupos fosfonato en la misma molécula se pueden llamar polifosfonatos.
Tiofosfonatos
Existen diversos tiofosfonatos y ésteres de tiofosfonato. Este grupo funcional consiste en sustituir un átomo de oxígeno por un azufre. Son un componente reactivo de muchos pesticidas y agentes nerviosos. Los tiofosfonatos sustituidos pueden tener 2 isómeros estructurales principales, ya sea uniéndose el grupo orgánico a través del átomo de O o de S para dar las formas de tiona o tiol respectivamente. Esta es una propiedad que comparten con grupos funcionales relacionados, como los ácidos tiocarboxílicos y los organotiofosfatos.
Fosfonamidatos
Los fosfonamidatos están relacionados con los fosfonatos mediante la sustitución de un átomo de oxígeno por un nitrógeno. Son un grupo funcional raramente encontrado, el agente nervioso Tabun es un ejemplo.
Compuestos fosfonato
Cabe destacar los siguientes fosfonatos más característicos:
| Abreviatura | Nombre químico | Número CAS | Estructura química |
|---|---|---|---|
| AMPA | Ácido aminometilfosfónico | 1066-51-9 | 
|
| AEP | Ácido 2-aminoetilfosfónico | 2041-14-7 |
|
| DMMP | Metilfosfonato de dimetilo | 756-79-6 | 
|
| HEDP | Ácido 1-hidroxietiliden-1,1-difosfónico | 2809-21-4 | 
|
| ATMP | Ácido aminotris(metilenfosfónico) | 6419-19-8 | .png)
|
| EDTMP | Ácido etilendiaminotetra(metilenfosfónico) | Sal de sodio: 15142-96-8 |
|
| DTPMP | Ácido dietilentriaminopenta(metilenfosfónico) | Sal de sodio: 22042-96-2 |
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|
Otros fosfonatos conocidos son:
- TDTMP: Ácido tetrametilendiaminotetra(metilenfosfónico).
- HDTMP: Ácido hexametilendiaminotetra(metilenfosfónico).
- PBTC: Ácido fosfobutan-tricarboxílico.
- PMIDA: Ácido N-(fosfometil)iminodiacético.
- CEPA: Ácido 2-carboxietilfosfónico.
- HPAA: Ácido 2-hidroxifosfonocarboxílico.
- AMP: Ácido amino-tris-(metilen-fosfónico).
- Glifosato
- Fosmidomicina
- Foscarnet
Propiedades y usos
Los fosfonatos son agentes quelantes efectivos que se unen fuertemente a iones metálicos divalentes y trivalentes, evitando que formen precipitados insolubles, y eliminando sus propiedades catalíticas. Son estables bajo condiciones fuertes. Un uso industrial importante de los fosfonatos es en aguas de refrigeración, sistemas de desalinización, y en campos de petróleo para impedir la formación de precipitados. En la manufactura de pulpa y papel y en la industria textil, sirven como estabilizadores de blanqueadores peróxido, al quelar a los metales que podrían desactivar al peróxido. En detergentes, son usados como una combinación de agentes quelantes, inhibidores de escamas, y estabilizadores de blanqueadores. Los fosfonatos también tienen uso en medicina para tratar desórdenes asociados a la formación de huesos y metabolismo de calcio. Más aún, sirven como portadores de radionúclidos en tratamientos de cáncer a los huesos (ver etilendiaminotetrametilenfosfonato de samario-153.
En 1998, el consumo mundial de fosfonatos fue de 56000 toneladas - 40000 toneladas en USA, 15000 toneladas en Europa y menos de 800 toneladas en Japón. La demanda de fosfonatos ha crecido a un ritmo firme anual del 3%. Junto con los organosilicatos, los fosfonatos también son utilizados para tratar la muerte súbita causada por Phytophthora ramorum.
Toxicología
La toxicidad de los fosfonatos a organismos acuáticos es baja. Los valores reportados para LC50 y 48h para peces están entre 0,1 y 1,1 mM. También el factor de bioconcentración por los peces es muy bajo.
Biodegradación
En la naturaleza, las bacterias juegan un rol principal en la degradación de los fosfonatos. Debido a la presencia de fosfonatos naturales en el ambiente, las bacterias han evolucionado la habilidad de metabolizar fosfonatos como fuente de nutrientes. Algunas bacterias usan fosfonatos como una fuente de fósforo para su crecimiento. Los aminofosfonatos también pueden ser usados como fuente de nitrógeno del suelo por algunas bacterias. Los polifosfonatos usados en la industria difieren significativamente de los fosfonatos naturales, tales como el ácido 2-aminoetilfosfónico, porque son más grandes, portan una mayor carga negativa, y son complexados con los metales. Los ensayos de biodegradación con lodo de plantas de tratamiento de alcantarillado municipal con HEDP y NTMP no mostró señales de degradación. Una investigación del HEDP, NTMP, EDTMP, y DTPMP en ensayos de biodegradación estándar también ha fallado en identificar cualquier biodegradación. Sin embargo, se ha observado en algunos ensayos que, debido a la alta relación entre el lodo y el fosfonato, existe remoción de la sustancia de ensayo de la solución observada como pérdida de DOC. Este factor era atribuido a la adsorción en vez de la biodegradación. Sin embargo, se ha aislado cepas bacterianas capaces de degradar aminopolifosfonatos y HEDP bajo condiciones P-limitadas de suelos, lagos, desagües, lodo activado y compost.
No se ha observado biodegradación de fosfonatos durante el tratamiento de agua, pero la fotodegradación de los complejos de Fe(III) es rápida. Los aminopolifosfonatos también son rápidamente oxidados en presencia de Mn(II) y oxígeno, y son formados productos estables de la descomposición, en desagües. La falta de información acerca de fosfonatos en el ambiente está asociada a problemas analíticos de su determinación a concentraciones traza en aguas naturales. Los fosfonatos están presentes principalmente como complejos de Ca y Mg en las aguas naturales y, en consecuencia, no afectan la especiación del metal o su transporte.
Los fosfonatos son una de las tres fuentes de ingesta de fosfato en las células biológicas (siendo los otros dos el fosfato inorgánico y el organofosfato)
Véase también
- Compuestos de organofósforo
- Fosfina - PR3
- Óxido de fosfina - OPR3
- Fosfinito - P(OR)R2
- Fosfonito - P(OR)2R
- Fosfinato - OP(OR)R2
- Fosfato - OP(OR)3
- Ácido fosforoso - H3PO3
Referencias
- ↑ a b Crystal chemistry of inorganic phosphites, J. Loub, Acta Cryst. (1991), B47, 468—473, doi 10.1107/S0108768191002380
- ↑ a b c Svara, J.; Weferling, N.; Hofmann, T. "Phosphorus Compounds, Organic," in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2008. doi 10.1002/14356007.a19_545.pub2.
- ↑ HORIGUCHI M, KANDATSU M. (1959). «Isolation of 2-aminoethane phosphonic acid from rumen protozoa.». Nature 184: 901–902. doi:10.1038/184901b0.
- ↑ James S. Kittredge, Eugene Roberts (1969). «A Carbon-Phosphorus Bond in Nature». Science 164 (3875): 37-42. doi:10.1126/science.164.3875.37.
- ↑ Spencer C Peck; Wilfred A van der Donk (2013). «Phosphonate biosynthesis and catabolism: a treasure trove of unusual enzymology». Current Opinion in Chemical Biology 17 (4): 580-588. doi:10.1016/j.cbpa.2013.06.018.
- ↑ a b Modern Phosphonate Chemistry by Philippe Savignac and Bogdan Iorga, CRC Press, Boca Raton, FL, 2003. ISBN 0-8493-1099-7
- ↑ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan. (1997), Chemistry of the Elements (2nd ed.), Oxford: Butterworth-Heinemann, ISBN 0-08-037941-9
- ↑ Malowan, John E. (1953). «Diethyl phosphite». Inorganic Syntheses 4: 58-60. doi:10.1002/9780470132357.ch19.
- ↑ A. H. Ford-Moore (1963). "Triethyl Phosphite". Org. Synth.; Coll. Vol. 4: 955.
- ↑ Hoffmann, Friedrich W.; Ess, Richard J.; Usingef, Robert P. (November 1956). «The Transesterification of Trialkyl Phosphites with Aliphatic Alcohols». Journal of the American Chemical Society 78 (22): 5817-5821. doi:10.1021/ja01603a026.
- ↑ Synthesis of phosphorus esters by transesterification mediated by N-heterocyclic carbenes (NHCs), R. Singh, S. P. Nolan, Chem. Commun., 2005, 5456-5458.
- ↑ A novel Cu(OTf)2 mediated three component high yield synthesis of α-aminophosphonates Abhimanyu S. Paraskar and Arumugam Sudalai Arkivoc 06-1838EP) pp 183-189 2006 Article
Datos: Q422733
Multimedia: Phosphonates / Q422733