ФОСФОНАТЫ

Описание
В органической химии фосфонаты или фосфоновые кислоты представляют собой фосфорорганические соединения, содержащие группы C−PO(OR)2 (где R = алкил, арил или просто водород).
Фосфоновые кислоты, с которыми обычно обращаются в виде солей, обычно представляют собой нелетучие твердые вещества, плохо растворимые в органических растворителях, но растворимые в воде и обычных спиртах.
Многие коммерчески важные соединения представляют собой фосфонаты, в том числе глифосат (активная молекула гербицида Раундап) и этефон, широко используемый регулятор роста растений. Бисфосфонаты являются популярными препаратами для лечения остеопороза.
В биохимии и медицинской химии фосфонатные группы используются в качестве стабильных биоизотеров фосфата, например, в противовирусном аналоге нуклеотидов, тенофовире, одном из краеугольных камней терапии против ВИЧ.
И есть указание на то, что производные фосфонатов являются «многообещающими лигандами для ядерной медицины».
Фосфонаты (или фосфоновые кислоты) представляют собой широкое семейство органических молекул, основанных на фосфоре (химический символ Р), углероде (С), кислороде (О) и водороде (Н).
Различные фосфонаты (включая многие аминофосфонаты) встречаются в природе и во многих различных типах организмов.
Метаболические функции фосфонатов в организмах включают передачу сигналов клетками, метаболизм молекул клеточных мембран и биологический синтез природных антибиотиков.
Некоторые бактерии, дрожжи и грибы могут расщеплять фосфонаты и использовать их в качестве источника пищи и/или фосфора.
Фосфонаты включают химическую группу: -CH2-PO3H2:
Группа –CH2-PO3 придает молекулам фосфонатов уникальные физические и химические свойства.

Благодаря этим свойствам фосфонаты проявляют:
Высокая растворимость в воде
Сильная адсорбция на различных минеральных поверхностях
Способность связывать (хелатировать) ионы металлов
Ингибирование или модификация отложений жесткости воды
Стойкость к коррозии или окислению
Стабильность в суровых условиях, таких как кислотность, щелочность или низкие/высокие температуры
Совместимость с другими химическими веществами и компонентами в рецептурах.

Фосфаты обычно используются в моющих средствах для борьбы с накипью.
Как простые фосфаты, такие как STPP (триполифосфат натрия), так и сложные фосфаты, такие как TSPP (пирофосфат тетранатрия), использовались в качестве модифицирующих добавок в моющих средствах для улучшения характеристик за счет хелатирования ионов кальция и магния в жесткой воде.
Однако фосфаты могут нанести серьезный экологический ущерб при попадании в водоток.
Фосфонаты, как правило, способны обеспечить такой же уровень контроля образования накипи, как и фосфаты, но могут быть включены в рецептуры в концентрациях на порядок ниже, чем у фосфатов.
Таким образом, гораздо меньше фосфонатов попадает в канализацию после процесса промывки.
При очистных сооружениях только первичной очистки более 50 % фосфонатов удаляются из воды в осадок сточных вод, а при вторичной очистке – 60 – 80 %.
Хотя фосфонаты, используемые в детергентах, плохо поддаются биологическому разложению, они не накапливаются в организме и не вызывают хронической или водной токсичности, что сводит на нет проблему способности к биоразложению.
Хотя фосфонаты не являются легко биоразлагаемыми, они не защищены от фотодеградации, гидролиза или биодеградации с течением времени.
Фосфонат-анион HPO32- является активной молекулой и является производным от фосфоната (HPO(OR)2).
Фосфонат размещается на рынке под более чем одним названием: фосфонат калия, дикалийфосфонат, монокалиймонокалиевый фосфонат, динатрийфосфонат, ...
Ион фосфоната (и/или соль) иногда неправильно называют «фосфитом».

Проблемы с фосфатом
Основная проблема, связанная с использованием фосфатов, заключается в том, что они могут нанести экологический ущерб рекам и озерам в результате эвтрофикации.
Когда фосфаты попадают в водоток, чаще всего из моющих средств, удобрений и сточных вод, они вызывают всплеск питательных веществ, необходимых для роста растений.
Фосфаты служат источником пищи для растений и водорослей, присутствующих в реках и ручьях.
Повышение уровня фосфатов может привести к всплеску роста, что часто приводит к цветению водорослей, которые покрывают поверхность воды, препятствуя проникновению солнечного света к организмам, находящимся внизу. После первоначального всплеска роста растений недостаток света для растений под поверхностью приводит к их гибели.
Поскольку бактерии работают над разрушением мертвых растений, они потребляют огромное количество кислорода, что приводит к серьезному обеднению кислородом воды в этом районе.
Истощение уровня кислорода в воде может вызвать массовую гибель животных и растений, эффективно создавая мертвую зону.
В свете этой проблемы многие отрасли промышленности пытались ограничить использование фосфатов, а компании по водоснабжению ввели строгие ограничения на допустимые уровни сброса.
Фосфонаты представляют собой тип соли из семейства фосфоновой кислоты.
Фосфонаты встречаются в природе, и они широко используются во многих отраслях промышленности из-за особой химической структуры, которая облегчает работу с ними.
Эти соли используются в промышленных очистителях, для образования других биологических соединений, фунгицидов, средств для удаления ржавчины, улучшения отбеливания для целлюлозно-бумажной промышленности, присутствуют на нефтяных месторождениях в качестве гелеобразователей и используются в качестве промежуточных продуктов при производстве синтетической ДНК.

Свойства и использование
Фосфонаты обладают тремя основными свойствами: они являются эффективными хелатирующими агентами для ионов двух- и трехвалентных металлов, они подавляют рост кристаллов и образование накипи и достаточно стабильны в жестких химических условиях.
Важным промышленным применением фосфонатов является охлаждающая вода, системы опреснения и на нефтяных месторождениях для подавления образования накипи.
В целлюлозно-бумажной и текстильной промышленности они используются в качестве стабилизаторов пероксидного отбеливателя, выступая в качестве хелатирующих агентов для металлов, которые могут инактивировать пероксид.
В моющих средствах они используются в качестве комбинации хелатирующего агента, ингибитора накипи и стабилизатора отбеливателя.
Фосфонаты также все шире используются в медицине для лечения различных заболеваний костей и обмена кальция, а также в качестве носителей радионуклидов при лечении рака костей (см. Самарий-153-этилендиаминтетраметиленфосфонат).
В 1998 году потребление фосфонатов во всем мире составило 56 000 тонн, из них 40 000 тонн в США, 15 000 тонн в Европе и менее 800 тонн в Японии.
Спрос на фосфонаты стабильно растет на 3% в год. В моющих средствах они используются в качестве комбинации хелатирующего агента, ингибитора накипи и стабилизатора отбеливателя.
Фосфонаты также все чаще используются в медицине для лечения нарушений, связанных с формированием костей и метаболизмом кальция.
Фосфонаты также используются в качестве замедлителя схватывания бетона.
Они задерживают время схватывания цемента, позволяя увеличить время укладки бетона или распределить тепло гидратации цемента в течение более длительного периода времени, чтобы избежать слишком высокой температуры и возникающих в результате трещин.
Они также обладают хорошими диспергирующими свойствами и поэтому исследуются как возможный новый класс суперпластификаторов.
Однако в настоящее время фосфонаты коммерчески недоступны в качестве суперпластификаторов.
Суперпластификаторы — это добавки к бетону, предназначенные для повышения текучести и удобоукладываемости бетона или для уменьшения его водоцементного отношения (в/ц).
Снижая содержание воды в бетоне, фосфонаты уменьшают его пористость, улучшая, таким образом, механические свойства (прочность на сжатие и растяжение) и долговечность бетона (снижают транспортные свойства воды, газа и растворенных веществ).

Возникновение в природе
Первый природный фосфонат, 2-аминоэтилфосфоновая кислота, был идентифицирован в 1959 г. и встречается в растениях и многих животных, в основном в мембранах.
Фосфонаты довольно распространены среди различных организмов, от прокариот до эубактерий и грибов, моллюсков, насекомых и других.
Биологическая роль природных фосфонатов еще недостаточно изучена.
До сих пор не было обнаружено, что бис- или полифосфонаты встречаются в природе.

Экологическое поведение
Фосфонаты обладают свойствами, которые отличают их от других хелатирующих агентов и сильно влияют на их поведение в окружающей среде.
Фосфонаты очень сильно взаимодействуют с поверхностями, что приводит к их значительному удалению в технических и природных системах.
Из-за этой сильной адсорбции ожидается небольшая ремобилизация металлов или ее отсутствие.
Биодеградации фосфонатов при очистке воды не наблюдается, но фотодеградация комплексов Fe(III) происходит быстро.
Аминополифосфонаты также быстро окисляются в присутствии Mn(II) и кислорода с образованием стабильных продуктов распада, обнаруженных в сточных водах.
Отсутствие информации о фосфонатах в окружающей среде связано с аналитическими проблемами их определения в следовых количествах в природных водах.
Фосфонаты присутствуют в основном в виде комплексов кальция и магния в природных водах и, следовательно, не влияют на формирование и перенос металлов.

Биодеградация
В природе бактерии играют основную роль в биодеградации фосфонатов.
Из-за присутствия природных фосфонатов в окружающей среде бактерии развили способность метаболизировать фосфонаты в качестве источников питательных веществ.
Бактерии, способные расщеплять связь CP, могут использовать фосфонаты в качестве источника фосфора для роста.
Некоторые бактерии также могут использовать аминофосфонаты в качестве единственного источника азота.
Полифосфонаты, используемые в промышленности, сильно отличаются от природных фосфонатов, таких как 2-аминоэтилфосфоновая кислота, потому что они намного крупнее, несут высокий отрицательный заряд и образуют комплексы с металлами.
Испытания на биоразложение осадка муниципальных очистных сооружений с HEDP и NTMP не выявили каких-либо признаков разложения.
Исследование HEDP, NTMP, EDTMP и DTPMP в стандартных тестах на биоразложение также не выявило какого-либо биоразложения.
Фосфонаты, однако, были отмечены тем, что в некоторых испытаниях из-за высокого отношения ила к фосфонатам наблюдалось удаление испытуемого вещества из раствора, поскольку наблюдалась потеря DOC.
Фосфонаты были приписаны адсорбции, а не биоразложению.
Однако бактериальные штаммы, способные разлагать аминополифосфонаты и HEDP в условиях ограниченного содержания фосфора, были выделены из почв, озер, сточных вод, активного ила и компоста.