Фосфорорганические соединения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.5. Получение фосфорорганических соединений. 

 

     Общий путь синтеза фосфорорганических соединений включает три последоват. стадии: 1) получение элементарного фосфора из минер. сырья; 2) превращение фосфора в неорг. производные (P₄O₁₀, PCl₃, PCl₅, POCl₃); 3) получение фосфорорганических соединений взаимод. этих производных со спиртами, аминами, альдегидами, олефинами и др. Возможно также превращение фосфора в фосфорорганические соединения, минуя неорг. производные (напр., путем взаимод. элементарного P с алкилгалогенидами или спиртами).

Среди многочисленных способов синтеза  конкретных фосфорорганических соединений (они приведены в статьях о  группах соед.) выделяют методы, позволяющие  получать соед. со связью С — P. Эти  методы приведены ниже.

Фосфины и гидрофосфорильные (тиогидрофосфорильные) соед. в условиях гомолитич. р-ций легко присоединяются к олефинам с образованием связи C-P:

Эти же соед. в условиях гетеролитич. р-ций присоединяются по связям C = O, C = N, C = S, C = C с образованием разнообразных функционализир. фосфорорганических соединений:

При алкилировании и арилировании средних эфиров к-т трехвалентного P образуется новая связь C-P (р-ция Арбузова). Аналогично осуществляется р-ция с использованием металлич. солей гидрофосфорильных соед. (Михаэлиса - Бек-кера реакция):

Этот синтез целесообразно проводить  в условиях межфазного катализа. Галогенангидриды орг. к-т фосфора образуются при присоединении PCl₅ и родственных в-в к непредельным соед.:

Эта р-ция хорошо идет в случае использования виниловых эфиров.

При взаимод. алканов или алкенов с PCl₃ и кислородом образуются сложные смеси в-в, осн. компонентами к-рых являются дихлорангидриды фосфоновых к-т (см. также Окисли-лительное хлорфосфонирование):

Ароматич. соед. легко фосфорилируются PCl₃, P₂S₅ и др. электрофилами в условиях р-ции Фриделя - Крафтса:

Алкилгалогениды в присуг. к-т Льюиса алкилируют PCl₃ с образованием связи C-P (Клея - Киннера - Перрена реакция):

При нагр. белого или красного P с  арил- или алкилгалогенидами образуется смесь хлорфосфинов. Вариант этой р-ции, представляющий практич. значение,- алкилирование P в присут. иода.

Связь C-P образуется также при взаимод. галогенангид-ридов к-т фосфора с металлоорг. соед.; при этом один или неск. атомов галогена обмениваются на углеводородные радикалы:

В нек-рых случаях в  эти р-ции нуклеоф. замещения по атому P вступают и эфиры к-т фосфора.

II. Практическое значение фосфорорганических соединений 

 

 

 

2. 1. Передача наследственной информации и энергии в живых клетках

Различают два  типа нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Эти биополимеры состоят из мономеров, называемых нуклеотидами. Мономеры-нуклеотиды ДНК и РНК сходны в основных чертах строения. Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов, соединенных прочными химическими связями.Нуклеотиды, входящие в состав РНК, содержат пяти-углеродный сахар — рибозу, одно из четырех органических соединений, которые называют азотистыми основаниями: аденин, гуанин, цитозин, урацил (А, Г, Ц, У) — и остаток фосфорной кислоты.Нуклеотиды, входящие в состав ДНК, содержат пяти-углеродный сахар — дезоксирибозу, одно из четырех азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, тимин (А, Г, Ц, Т)—и остаток фосфорной кислоты.В составе нуклеотидов к молекуле рибозы (или дезоксирибозы) с одной стороны присоединено азотистое основание, а с другой — остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды соединяются между собой в длинные цепи. Остов такой цепи образуют регулярно чередующиеся остатки сахара и органических фосфатов, а боковые группы этой цепи — четыре типа нерегулярно чередующихся азотистых оснований.Молекула ДНК представляет собой структуру, состоящую из двух нитей, которые по всей длине соединены друг с другом водородными связями. Такую структуру, свойственную только молекулам ДНК, называют двойной спиралью. Особенностью структуры ДНК является то, что против азотистого основания А в одной цепи лежит азотистое основание Т в другой цепи, а против азотистого основания Г всегда расположено азотистое основаниеЦ. А (аденин) — Т (тимин)     Т (тимин) — А (аденин) Г (гуанин) — Ц (цитозин)   Ц (цитозин) -Г (гуанин)Эти пары оснований называют комплиментарными основаниями (дополняющими друг друга). Нити ДНК, в которых основания расположены комплементарно друг другу - называют комплиментарными нитями. Расположение четырех типов нуклеотидов в цепях ДНК несет важную информацию. Набор белков (ферментов, гормонов и др.) определяет свойства клетки и организма. Молекулы ДНК хранят сведения об этих свойствах и передают их в поколения потомков. Другими словами, ДНК является носителем наследственной информации. Основные виды РНК. Наследственная информация, хранящаяся в молекулах ДНК, реализуется через молекулы белков. Информация о строении белка считывается с ДНК и передается особыми молекулами РНК, которые называются информационными (и-РНК). И-РНК переносится в цитоплазму, где с помощью специальных органоидов — рибосом — идет синтез белка. Именно и-РНК, которая строится комплементарно одной из нитей ДНК, определяет порядок расположения аминокислот в белковых молекулах. В синтезе белка принимает участие другой вид РНК — транспортная (т-РНК), которая подносит аминокислоты к рибосомам. В состав рибосом входит третий вид РНК, так называемая рибосомная РНК (р-РНК), которая определяет структуру рибосом. Молекула РНК в отличие от молекулы ДНК представлена одной нитью; вместо дезоксирибозы — рибоза и вместо тимина — урацил. Значение РНК определяется тем, что они обеспечивают синтез в клетке специфических для нее белков.Удвоение ДНК. Перед каждым клеточным делением при абсолютно точном соблюдении нуклеотидной последовательности происходит самоудвоение (редупликация) молекулы ДНК. Редупликация начинается с того, что двойная спираль ДНК временно раскручивается. Это происходит под действием фермента ДНК-полимеразы в среде, в которой содержатся свободные нуклеотиды. Каждая одинарная цепь по принципу химического сродства (А-Т, Г-Ц) притягивает к своим нуклеотидным остаткам и закрепляет водородными связями свободные нуклеотиды, находящиеся в клетке. Таким образом, каждая полинуклеотидная цепь выполняет роль матрицы для новой комплиментарной цепи. В результате получаются две молекулы ДНК, у каждой из них одна половина происходит от родительской молекулы, а другая является вновь синтезированной, т.е. две новые молекулы ДНК представляют собой точную копию исходной молекулы.

1. Энергетический обмен – совокупность реакций окисления органических веществ в клетке, синтеза молекул АТФ за счет ос вобождаемой энергии. Значение энергетического обмена – снаб жение клетки энергией, которая необходима для жизнедеятельности

  Систематическое наименование АТФ:

9-β-D-рибофуранозиладенин-5'-трифосфат,  или 9-β-D-рибофуранозил-6-амино-пурин-5'-трифосфат.

Химически АТФ представляет собой трифосфорный эфир аденозина, который является производным аденина и рибозы.

Пуриновое азотистое основание — аденин — соединяется β-N-гликозидной связью с 1'-углеродом рибозы. К 5'-углероду рибозы последовательно присоединяются три молекулы фосфорной кислоты, обозначаемые соответственно буквами: α, β и γ.

АТФ относится к так  называемым макроэргическим соединениям, то есть к химическим соединениям, содержащим связи, при гидролизе которых происходит освобождение значительного количества энергии. Гидролиз макроэргических связей молекулы АТФ, сопровождаемый отщеплением 1 или 2 остатков фосфорной кислоты, приводит к выделению, по различным данным, от 40 до 60кДж/моль.

АТФ + H₂O → АДФ + H₃PO₄ + энергия

АТФ + H₂O → АМФ + H₄P₂O₇ + энергия

Высвобожденная энергия  используется в разнообразных процессах, протекающих с затратой энергии.

     Роль в организме .Главная роль АТФ в организме связана с обеспечением энергией многочисленных биохимических реакций. Являясь носителем двух высокоэнергетических связей, АТФ служит непосредственным источником энергии для множества энергозатратных биохимических и физиологических процессов. Всё это реакции синтеза сложных веществ в организме: осуществление активного переноса молекулчерез биологические мембраны, в том числе и для создания трансмембранного электрического потенциала;   

     Помимо энергетической АТФ выполняет в организме ещё ряд других не менее важных функций:

     Вместе с другими нуклеозидтрифосфатами АТФ является исходным продуктом при синтезе нуклеиновых кислот;  Кроме того, АТФ отводится важное место в регуляции множества биохимических процессов. Являясь аллостерическим эффектором ряда ферментов, АТФ, присоединяясь к их регуляторным центрам, усиливает или подавляет их активность.АТФ является также непосредственным предшественником синтеза циклического аденозинмонофосфата — вторичного посредника передачи в клетку гормонального сигнала.

Также известна роль АТФ  в качестве медиатора в синапсах.

Пути синтеза.      В организме АТФ синтезируется путём фосфорилирования АДФ:

АДФ + H₃PO₄ + энергия → АТФ + H₂O.

      Фосфорилирование АДФ возможно двумя способами: субстратное фосфорилирование и окислительное фосфорилирование(используя энергию окисляющихся веществ). Основная масса АТФ образуется на мембранах митохондрий в ходе окислительного фосфорилирования H-зависимой АТФ-синтазой. Субстратное фосфорилирование АТФ не требует участия мембранных ферментов, оно происходит в процессе гликолиза или путём переноса фосфатной группы с других макроэргических соединений.

     Реакции фосфорилирования АДФ и последующего использования АТФ в качестве источника энергии образуют циклический процесс, составляющий суть энергетического обмена.

     В организме АТФ является одним из самых часто обновляемых веществ, так у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин. В течение суток одна молекула АТФ проходит в среднем 2000—3000 циклов ресинтеза (человеческий организм синтезирует около 40 кг АТФ в день), то есть запаса АТФ в организме практически не создаётся, и для нормальной жизнедеятельности необходимо постоянно синтезировать новые молекулы АТФ [4].

 

 

2.2 Применение фосфорорганических соединений 

 

     Фосфорорганические соединения широко используют в технике, сельском хщзяйсве и медицине. Многие из них в качестве комплексонов и экстрагентов применяются при получении цветных и редких металлов; для борьбы с коррозией и отложением солей в технических водах; в качестве стабилизаторов и пластификаторов полимеров; в качестве мономеров для ионообменных и термостабильных полимеров, присадок для смазочных масел и гидравлических жидкостей. Многие фосфорорганические соединения- лекарственные средства, пестициды, ПАВ; некоторые фосфаты и фосфины, в т.ч. обладающие оптической активностью, применяют для получения металлокомплексных катализаторов. Среди фосфорорганических соединений имеются отравляющие вещества.     Фосфорорганические соединения  используются как эффективные нгибиторы и пламегасители.

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2.1. Фосфорорганические соединения, как эффективные ингибиторы и пламегасители [5]

 

       В настоящее время фосфорорганические соединения (ФОС) интенсивно изучаются как эффективные и перспективные пламегасители. Создание эффективной технологии пожаротушения с применением ФОС не возможно без понимания механизма их действия и знания ряда важнейших параметров (минимальные гасящие концентрации, влияние на пределы распространения и др.). В этой связи большое научное и практическое значение приобретают численные методы расчета с применение моделей на основе детальной кинетики. Механизмы, способные предсказывать и моделировать различные сценарии гашения пожаров, нуждаются в проверке путем сравнения экспериментальных и расчетных данных. Изучение физико-химических процессов, лежащих в основе ингибирования и гашения пламени, является важной и актуальной научной проблемой.   Проведенные испытания позволили получить следующие результаты:  
     1. Добавка триметилфосфата (ТМФ) сужает КПР пламени. Обнаружено, что малые добавки ТМФ (до 0.4 %) эффективнее влияют на концентрационные пределы распространения пламени, чем добавки CF₃Br в той же концентрации.

     2. Обнаружено, что в пламенах углеводородов с добавкой ТМФ расчет и эксперимент показывают резкое уменьшение эффективности ингибирования с ростом коэффициента избытка горючего (φ) от 1.2÷1.3 до 1.4÷1.6, тогда как в водородовоздушном пламени эффективность ингибирования возрастает с ростом φ от 1.5 до 4.5, что связано с изменением важности реакций взаимодействия радикалов с конечными фосфорсодержащими соединениями. Показано, что при ингибировании бедных пламен наиболее значимы реакции PO₂+H+M=HOPO+M и HOPO₂+H=PO₂+H₂O для пропановоздушного пламени и та же реакция HOPO₂+H=PO₂+H₂O для водородовоздушного пламени. В богатых же пламенах более важными становятся реакции HOPO+OH=PO₂+H₂O (пропановоздушное пламя) и HOPO+H=H₂+PO₂ (водородовоздушное пламя). Эти реакции обусловливают различия в поведении эффективности действия ТМФ.

2.2.2.Фосфорорганические пестициды

    Эфиры тиофосфорной кислоты (тиофос, метафос, ...вещества – метилмеркаптофос, фосфамид, ДДВФ, базудин, антио, цидеал,фталофос( [О,О-Диметил(N-фталимидометил)дитнофосфат, имидан], бензофосфат - (ЛД50 - 50-200 мг/кг), являются высокотоксичными соединениями. Их действие проявляется быстро, часто признаки интоксикации прогрессивно нарастают. Наряду с этими и другими высокотоксичными ФОС имеются препараты с умеренной и низкой токсичностью (дифос, валексон) [5].

       Данная группа веществ принадлежит к наиболее широко применяемым пестицидам. Для этой группы характерна способность быстро гидролизоваться, с чем связан их слабый кумулятивный эффект. В основе действия ФОС на организм лежит способность угнетать ацетилхолин (локализованный в нервной ткани и эритроцитах) и псевдохолинэстеразу (находящуюся в печени и плазме крови).

      Снижая активность эстераз, ФОС приводят к накоплению ацетилхолина, который парализует проведение нервных импульсов в холинергических синапсах ЦНС, соматических нервных волокнах, синапсах двигательных нейронов, парасимпатических и некоторых симпатических нервных окончаниях. ФОС являются, таким образом, ядами с действием, направленным на центральную и вегетативную нервную системы. В условиях производства и применения ФОС могут поступать в организм через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт, неповрежденную кожу.

      В ранних стадиях интоксикации ФОС отмечаются кашель (с обильным выделением мокроты), болевые ощущения в грудной клетке, сердцебиение, одышка. При осмотре находят гиперемию конъюнктивы, слезотечение, усиленное потоотделение. Для интоксикации ФОС характерны двухфазные изменения функционального состояния ЦНС. В начале отравления развиваются возбуждение, ощущение беспокойства, головокружение, повышается рефлекторная возбудимость, возникают фибриллярные подергивания отдельных групп мышц, нарушается сон. Затем наступает угнетение ЦНС — апатия, замкнутость, развиваются состояние депрессии, сонливость, снижается концентрация внимания, речь становится смазанной, нарушается походка. Для тяжелых случаев отравлений, которые могут сразу протекать с явлениями угнетения и паралича ЦНС без стадии возбуждения, характерно развитие комы, возможно появление отека легких.