Phosphonate

Phosphonate sind Salze und organische Verbindungen der Phosphonsäure. Als Salze existieren primäre (M'H₂PO₃) und sekundäre (M'₂HPO₃) Phosphonate. (M': einwertiges Metall)

Die organischen Verbindungen dieser Stoffgruppe haben die allgemeinen Struktur R-PO(OH)₂ (R = alkyl oder aryl) und unterscheiden sich von den Estern der Phosphorsäure durch die direkte Bindung des Phosphors mit Kohlenstoff (C-P-Bindung). Bei Phosphaten liegen hingegen C-O-P-Bindungen vor, die sich im Vergleich zu C-P-Bindungen viel leichter hydrolysieren lassen. In Verbindungen diesen Typs sind die Eigenschaften eines Salzes (bzw. einer Säure) mit den Eigenschaften von organischen Verbindung verknüpft sind. So gibt es viele Verbindungen diesen Typs, die löslich in Wasser sind.

Einige technisch wichtige Phosphonate tragen Amino-Gruppe(n) in der Art NR₂-(CH₂)_x-PO(OH)₂ (R = alkyl oder H). Einige diese Aminophosphonate haben strukturelle Ähnlichkeiten mit Komplexbildnern wie EDTA, NTA oder DTPA und haben eine ähnliche Funktion. Sie können Kationen wie beispielsweise Ca²⁺ in der Lösung ummanteln und das chemische Verhalten des Kations verändern. Im Fall von Calcium verschwindet die Eigenschaft Wasserhärte zu bilden. Auch andere Kationen können "ummantelt" und vor chemischen Reaktionen gehemmt zu werden.

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Natürliches Vorkommen

1959 wurde mit 2-Aminoethylphosphonsäure die erste natürliche Phosphonsäure identifiziert. Sie kommt in Pflanzen und vielen Tieren vor, vor allem in Membranen. Phosphonate sind ziemlich weit verbreitet in vielen verschiedenen Organismen, z. B. in Prokaryoten, Eubakterien, Pilzen, Mollusken und Insekten. Die biologische Rolle der Phosphonate ist noch nicht gut verstanden. Bis jetzt wurde keine natürlich Bis- oder andere Polyphosphonate entdeckt.

Technische Anwendungen

Ein wichtiger industrieller Gebrauch von Phosphonaten ist in Kühlwassersystemen, Entsalzungsanlagen und bei der Oelförderung, wo sie die Ausfallüng von Salzen verhindern. In der Papier- und Textilindustrie werden sie als Stabilisator für die Peroxidbleiche eingesetzt und komplexieren dort Metalle, welche sonst das Peroxid inaktivieren würden.

In Waschmitteln werden sie als eine Kombination von Komplexbildnern, zur Verhinderung von Ausfällungen und als Bleichmittelstabilisator eingesetzt. Sie können ähnliche Eigenschaften wie EDTA haben und als Ersatz von Pentanatriumtriphosphat dienen. Sie sind Komplexbildner und dienen vor allem als Wasserenthärter. Als Builder können sie den Ionentauscher bzw. den Enthärter Zeolith A als Carrier unterstützen. Sie können als Korrosionsinhibitoren mitwirken oder als Stabilisator für Peroxide (z.B. in Bleichmitteln) dienen.

1998 wurden weltweit etwa 56'000 Tonnen Phosphonate verwendet - 40'000 Tonnen in den USA, 15'000 Tonnen in Europa und weniger als 800 Tonnen in Japan.

Beispiele

Herbizide

  Eines der bekanntesten Phosphonate ist Glyphosat (RoundUp (TM)), ein Herbizid, welches eine Phosphonat-, eine Carboxylat- und eine Amingruppe enthält.

Toxikologie

Die Toxizität der in den Beispielen genannten Phosphonate ist gering. LC50 Werte für Fische sind zwischen 0.1 und 1 mM. Auch werden sie praktisch nicht bioakkumuliert. Diese Phosphonate werden im Magen-Darm-Trakt nur sehr schlecht resorbiert und der größte Teil der absorbierten Menge wird über die Nieren wieder ausgeschieden. Die Humantoxizität aller Phosphonate ist sehr gering. Phosphonate sind den Phosphaten ähnlich, außer dass sie eine P-C anstelle der C-O-P Bindung haben. Diese Ähnlichkeit führt häufig dazu, dass Phoshonsäureester als Inhibitoren von vielen Enzymen dienen können.

Biologischer Abbau

Bakterien spielen in der Natur eine wichtige Rolle beim Abbau von Phosphonaten. Da Phosphonate natürlich vorkommen, haben Bakterien die Eigenschaft entwickelt, Phosphonate zu metabolisieren. Bakterien, welche die C-P Bindung spalten können, können mit Phosphonaten als alleiniger P-Quelle überleben. Aminophosphonate können von manchen Organismen auch als Stickstoffquelle genutzt werden. Die in der Industrie genutzten Polyphosphonate unterscheiden sich von den natürlichen Phosphonaten, da sie viel größer sind, eine starke negative Ladung tragen und mit Metallen komplexiert sind. Abbautests mit Klärschlamm haben gezeigt, dass HEDP und NTMP nicht abgebaut werden. Auch in Standardtests zeigte sich kein Abbau von HEDP, NTMP, EDTMP und DTPMP. Aus verschiedenen Umweltkompartimenten (Böden, Wasser, Klärschlamm, Kompost) konnten Bakterien isoliert werden, welche unter P-Mangel HEDP abzubauen vermögen.

Umweltverhalten

Die in den Beispielen genannten Phosphonate haben einige Eigenschaften, welche sie von anderen Komplexbildnern unterscheiden und welche ihr Umweltverhalten bestimmen. Phosphonate reagieren äußerst stark mit Oberflächen, was zu einer starken Elimination in technischen und natürlichen Systemen durch Adsorption führt, obwohl sie biologisch nicht abbaubar sind. Deswegen führen Phosphonate kaum zu einer Metallmobilisierung in der Umwelt. Der photochemische Abbau von Fe(III)-Phosphonaten ist schnell. Aminopolyphosphonate werden in Gegenwart von Mangan (II) und Sauerstoff schnell oxidiert; die stabilen Produkte dieser Reaktion wurden in Kläranlagen identifiziert. Der Mangel an Daten über das Umweltverhalten oder Konzentrationen von Phosphonaten in der Umwelt kommt von analytischen Problemem mit der Spurenanalyse. In natürlichen Wässern kommen Phosphonate hauptsächlich als Ca- und Mg-Komplexe vor.

In der Medizin

  Phosphonate werden in der Medizin verwendet, vor allem zur Behandlung von Knochenkrankheiten und von Ca-Metabolismus-Störungen. Unter Bisphosphonaten wird in der Medizin Verbindungen der Phosphonsäure mit der allgemeinen Konstitutionsformel ((O₃P)₂-C-R¹R²)^4- verstanden. Sie sind Analoga zu Diphosphaten (Pyrophosphate) (O₃P-O-PO₃)^4- und greifen in die Calcium-Homöostase ein. Sie werden daher zur Behandlung der Osteoporose eingesetzt.

Synthese

Synthesen sind über die Michaelis-Arbuzov-Reaktion möglich.