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アスタチンは化学元素であり、記号 はAt、原子番号は85です。地殻中に存在する天然元素の中で最も希少な元素であり、様々な重元素の崩壊生成物としてのみ存在します。アスタチンの同位体はすべて半減期が短く、最も安定なのはアスタチン210で、半減期は8.1時間です。そのため、アスタチンの固体試料はこれまで発見されたことがありません。なぜなら、肉眼で見える試料は放射能による熱で瞬時に蒸発してしまうからです。
アスタチンのバルク特性は確実には分かっていません。その多くは、周期表上の位置から、安定な4つのハロゲン元素であるフッ素、塩素、臭素、ヨウ素のより重い類似元素として推定されています。しかし、アスタチンは金属と非金属の境界線上にほぼ位置しており、金属的な挙動も観察され、予測されています。アスタチンは暗い色または光沢のある外観を呈し、半導体または金属である可能性があります。化学的には、アスタチンのいくつかの陰イオン種が知られており、その化合物のほとんどはヨウ素の化合物に似ていますが、金属的な特性を示すこともあり、銀と類似点もいくつか見られます。
アスタチンの最初の合成は、1940年にカリフォルニア大学バークレー校のデール・R・コーソン、ケネス・ロス・マッケンジー、エミリオ・G・セグレによって行われた。彼らは古代ギリシャ語の「不安定な」を意味するástatos（ἄστατος ）からアスタチンと名付けた。その後、アスタチンの4つの同位体が自然界に存在することが発見されたが、地殻中には常に1グラム未満しか存在しない。最も安定な同位体であるアスタチン210と、医学的に有用なアスタチン211は自然界には存在せず、通常はビスマス209にアルファ粒子を照射することによって生成される。
アスタチンは極めて放射性の高い元素であり、その同位体はすべて半減期が8.1時間以下で、他のアスタチン同位体、ビスマス、ポロニウム、またはラドンに崩壊します。その同位体のほとんどは非常に不安定で、半減期は数秒以下です。周期表の最初の101元素のうち、フランシウムだけがアスタチンよりも不安定であり、最も寿命の長いフランシウム同位体（205～211At）よりも安定なアスタチン同位体はすべて合成されたもので、自然界には存在しません。[ 6 ]
アスタチンのバルク特性は確実にはわかっていません。[ 7 ]半減期が短いため、計量可能な量を生成することができないため、研究は制限されています。[ 8 ]目に見えるアスタチンの塊は、その強い放射能によって発生する熱のためにすぐに蒸発します。[ 9 ]十分に冷却すれば、マクロ量のアスタチンを薄膜として堆積させることができるかどうかはまだわかりません。[ 4 ]アスタチンは通常、非金属または半金属に分類されます。[ 10 ] [ 11 ]金属形成も予測されています。[ 4 ] [ 12 ]
アスタチンの物理的性質のほとんどは、理論的または経験的に導出された方法を使用して（補間または外挿によって）推定されています。 [ 13 ]例えば、ハロゲンは原子量が増加するにつれて色が濃くなります。フッ素はほぼ無色、塩素は黄緑色、臭素は赤褐色、ヨウ素は暗灰色/紫色です。アスタチンは、おそらく黒色の固体であると説明されることがあります（この傾向に従うと仮定した場合）、または金属のような外観を持つと説明されることがあります（それが半金属または金属である場合）。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]
アスタチンは予想通り、ヨウ素よりも蒸気圧が低いため昇華します。 [ 8 ]室温で清潔なガラス表面に置くと、一定量のアスタチンの半分が約1時間で蒸発します。[ a ]中紫外領域のアスタチンの吸収スペクトルには、6pから7sへの遷移を示唆する224.401 nmと216.225 nmの線があります。[ 18 ] [ 19 ]
固体アスタチンの構造は不明である。[ 20 ]ヨウ素の類似体として、二原子アスタチン分子からなる斜方晶系の結晶構造を持ち、半導体（バンドギャップは0.7 eV）である可能性がある。[ 21 ] [ 22 ]あるいは、凝縮したアスタチンが予測されているように金属相を形成する場合、単原子面心立方構造を持つ可能性があり、この構造では、ヨウ素の同様の高圧相と同様に超伝導体である可能性がある。 [ 4 ]金属アスタチンの密度は8.91～8.95 g/cm³であると予想される。[ 1 ]
二原子アスタチン（At 2 ）の存在に関する証拠は乏しく、決定的なものではない。[ 23 ] [ 24] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]一部の情報源では、二原子アスタチンは存在しない、あるいは少なくともこれまで観測されたことがないと述べているが、[ 28 ] [ 29 ]他の情報源では、その存在を主張または示唆している。[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]このような論争にもかかわらず、二原子アスタチンの多くの特性が予測されている。[ 33 ]例えば、その結合長は300 ± 10 pm 、解離エネルギー <50 kJ/mol、[ 34 ]および蒸発熱(∆H vap ) 54.39 kJ/mol。[ 35 ]アスタチンの融点と沸点については多くの値が予測されているが、At 2のみである。[ 36 ]
アスタチンの化学は、「アスタチン実験が極めて低い濃度で行われてきたこと、不純物、壁やフィルター、放射能副生成物、その他の望ましくないナノスケールの相互作用との反応の可能性によって不明瞭になっている」[ 21 ] 。その明らかな化学的性質の多くは、極めて希薄なアスタチン溶液のトレーサー研究を使用して観察されており、 [ 32 ] [ 37 ]通常、10 −10 mol·L −1未満である。[ 38 ]陰イオン形成などのいくつかの性質は、他のハロゲンと一致している。[ 8 ]アスタチンには、陰極へのめっき[ b ]や塩酸中の金属硫化物との共沈[ 40 ]などの金属的性質もある。金属キレート剤であるEDTAと錯体を形成し、[ 41 ]抗体の放射性標識において金属として作用することができる。ある点では、+1状態のアスタチンは、同じ状態の銀に似ている。しかし、アスタチンの有機化学のほとんどは、ヨウ素の有機化学と類似している。[ 42 ]アスタチンは水溶液中で安定な単原子カチオンを形成できることが示唆されている。 [ 40 ] [ 43 ]
アスタチンの電気陰性度は、改訂ポーリング尺度で2.2であり、ヨウ素（2.66）よりも低く、水素と同じである。水素アスタチド（HAt）では、負電荷は水素原子上にあると予測されており、特定の命名法によれば、この化合物はアスタチン水素化物と呼ばれる可能性がある。[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]これは、オールレッド・ロッホウ尺度でのアスタチンの電気陰性度（1.9）が水素（2.2）よりも低いことと一致する。[ 48 ] [ c ]しかし、公式のIUPAC化学量論命名法は、周期表内の位置のみによって元素の相対的な電気陰性度を決定するという理想化された慣習に基づいている。この慣習によれば、アスタチンは、その真の電気陰性度に関係なく、水素よりも電気陰性度が高いかのように扱われる。アスタチンの電子親和力は 233 kJ mol −1で、ヨウ素のそれより 21% 低い。[ 50 ]比較すると、Cl (349) の値は F (328) より 6.4% 高く、Br (325) は Cl より 6.9% 低く、I (295) は Br より 9.2% 低い。At の顕著な減少は、スピン軌道相互作用によるものと予測された。[ 38 ]アスタチンの第一イオン化エネルギーは約 899 kJ mol −1で、ハロゲン族 (フッ素 1681、塩素 1251、臭素 1140、ヨウ素 1008) を下るにつれて第一イオン化エネルギーが減少する傾向が続いている。[ 3 ]
ヨウ素よりも反応性が低いアスタチンは、ハロゲンの中で最も反応性が低い元素です。[ 51 ]ただし、次に重い第17族元素であるテネシンの化学的性質はまだ調査されていません。 [ 52 ]アスタチン化合物はナノスケールで合成され、放射性崩壊する前に可能な限り集中的に研究されてきました。関連する反応は、通常、より多量のヨウ素と混合したアスタチンの希薄溶液でテストされています。キャリアとして作用するヨウ素は、実験室技術（ろ過や沈殿など）が機能するのに十分な物質があることを保証します。[ 53 ] [ 54 ] [ d ]ヨウ素と同様に、アスタチンは-1から+7までの奇数酸化状態をとることが示されています。[ 57 ]
金属との化合物は、ナトリウム[ 9 ] 、パラジウム、銀、タリウム、鉛のアスタチドの形で報告されているものだけである[ 58 ] 。銀とナトリウムのアスタチド、およびその他の仮説上のアルカリ金属とアルカリ土類金属のアスタチドのいくつかの特徴的な性質は、他の金属ハロゲン化物からの外挿によって推定されている[ 59 ] 。
水素とのアスタチン化合物の形成（通常は水素アスタチドと呼ばれる）は、アスタチン化学の先駆者たちによって注目された。[ 60 ]前述のように、この化合物をアスタチンヒドリドと呼ぶ根拠がある。これは容易に酸化され、希硝酸による酸性化によってAt 0またはAt +の形になり、その後の銀(I)の添加は、せいぜい部分的にアスタチンを銀(I)アスタチド（AgAt）として沈殿させるだけである。対照的に、ヨウ素は酸化されず、銀(I)ヨウ化物として容易に沈殿する。[ 8 ] [ 61 ]
アスタチンはホウ素[ 62 ] 、炭素、窒素[ 63 ]に結合することが知られています。At –B結合を持つ様々なホウ素ケージ化合物が調製されており、これらはAt–C結合よりも安定です[64]。アスタチンはベンゼンの水素原子を置換してアスタトベンゼンC6H5Atを形成することができ、これは塩素によってC6H5AtCl2に酸化される可能性があります。この化合物を次亜塩素酸塩のアルカリ溶液で処理すると、C6H5AtO2が生成されます[ 65 ] 。ジピリジン-アスタチン(I)カチオン[At(C5H5N ) 2 ] +は、過塩素酸塩[ 63 ] （非配位性アニオン[ 66 ] ）および硝酸塩[At( C5H5N ) 2 ]NO3とイオン化合物を形成します。[ 63 ]このカチオンは配位錯体として存在し、2つの配位共有結合がアスタチン(I)中心とそれぞれのピリジン環を窒素原子を介して別々に連結している。[ 63 ]
酸素の場合、水溶液中にAtO −および AtO +という種が存在することが証明されています。これらは、アスタチンと元素臭素などの酸化剤との反応、または（後者の場合）過塩素酸溶液中の過硫酸ナトリウムとの反応によって生成されます。[ 8 ] [ 67 ]以前はAtO − 2と考えられていた種は、その後AtO(OH) − 2であることが判明しました。これはAtO +の加水分解生成物です（別の加水分解生成物は AtOOH です）。[ 68 ]よく特徴付けられているAtO − 3アニオンは、例えば、水酸化カリウム溶液中で次亜塩素酸カリウムを用いてアスタチンを酸化することによって得られます。[ 65 ] [ 69 ]熱い Na 2 S 2 O 8溶液でアスタチンを酸化した後、三アスタチン酸ランタンLa(AtO 3 ) 3を調製することが報告されています。[ 70 ]キセノンジフルオリド（高温アルカリ溶液中）または過ヨウ素酸塩（中性またはアルカリ溶液中）によるAtO − 3のさらなる酸化により、過アスタチン酸イオンAtO − 4が生成する。これは中性またはアルカリ溶液中でのみ安定である。[ 71 ]アスタチンは、ヨウ素酸塩や二クロム酸塩などのオキシアニオンとの塩中でカチオンを形成する能力もあると考えられている。これは、酸性溶液中で、アスタチンの一価または中間的な正の状態が、ヨウ素酸銀(I)や二クロム酸タリウム(I)などの金属カチオンの不溶性塩と共沈するという観察に基づいている。[ 65 ] [ 72 ]
アスタチンは他のカルコゲンと結合を形成する可能性があり、これには硫黄とのS 7 At +およびAt(CSN) − 2 、セレンとの配位セレノ尿素化合物、およびテルルとのアスタチン-テルルコロイドが含まれる。[ 73 ]
アスタチンは、気相でより軽い同族元素であるヨウ素、臭素、塩素と反応することが知られています。これらの反応により、式 AtI、AtBr、AtCl の二原子ハロゲン間化合物が生成されます。 [ 55 ]最初の 2 つの化合物は水中でも生成できます。アスタチンはヨウ素/ヨウ化物溶液と反応して AtI を形成しますが、AtBr は (アスタチン以外に) ヨウ素/臭化ヨウ素/臭化物溶液を必要とします。ヨウ化物または臭化物の過剰はAtBr − 2およびAtI − 2イオンにつながる可能性があり、[ 55 ]塩化物溶液では、塩化物との平衡反応によりAtCl − 2またはAtBrCl −のような種を生成する可能性があります。 [ 56 ]二クロム酸塩 (硝酸溶液中) による元素の酸化では、塩化物を加えるとアスタチンが AtCl または AtOCl である可能性が高い分子に変化することが示されました。同様に、AtOCl − 2またはAtCl − 2が生成される可能性がある。[ 55 ]ポリハロゲン化物 PdAtI 2、CsAtI 2、TlAtI 2、[ 74 ] [ 75 ] [ 76 ]および PbAtI [ 77 ]が沈殿したことが知られているか、または推定されている。プラズマイオン源質量分析計では、アスタチンを含むヘリウム充填セルに軽いハロゲン蒸気を導入することにより、イオン [AtI] +、[AtBr] +、および [AtCl] +が生成されており、プラズマイオン状態における安定な中性分子の存在を裏付けている。[ 55 ]アスタチンフッ化物はまだ発見されていない。その不在は、これらの化合物の極めて高い反応性、特に最初に生成されたフッ化物がガラス容器の壁と反応して不揮発性の生成物を形成することに起因すると推測されている。[ e ]したがって、アスタチンフッ化物の合成は可能であると考えられているが、ラドンフッ化物の特性評価にすでに使用されているように、液体ハロゲンフッ化物溶媒が必要になる可能性がある。[ 55 ] [ 71 ]
1869年、ドミトリ・メンデレーエフが周期表を発表した際、ヨウ素の下のスペースは空いていた。ニールス・ボーアが化学元素の分類の物理的基礎を確立した後、5番目のハロゲンがそこに属することが示唆された。正式に発見が認められる前は、ヨウ素の下の1つのスペースであることを示唆するために「エカヨウ素」（サンスクリット語のeka 「1」に由来）と呼ばれていた（エカケイ素、エカホウ素などと同様）。[ 81 ]科学者たちは自然界でそれを見つけようと試みたが、極めて稀なため、これらの試みはいくつかの誤った発見につながった。[ 82 ]
エカヨウ素の最初の発見は、 1931年にアラバマ工科大学（現在のオーバーン大学）のフレッド・アリソンとその同僚によってなされた。発見者たちは元素85を「アラバミン」と名付け、記号Abを割り当てた。この名称は数年間使用された。[ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] 1934年、カリフォルニア大学バークレー校のHGマクファーソンはアリソンの方法と彼の発見の正当性を否定した。[ 86 ] 1937年には化学者のラジェンドララル・デによる別の主張があった。イギリス領インドのダッカ（現在のバングラデシュのダッカ）で働いていた彼は、元素85に「ダキン」という名前を選び、ラジウム系列のラジウムF（ポロニウム210）のトリウム系列相当物として単離したと主張した。[ 87 ]彼が報告したダキンの特性はアスタチンの特性とは一致せず、[ 87 ]アスタチンの放射能のため、彼が主張した量を扱うことはできなかったはずです。[ 88 ]さらに、アスタチンはトリウム系列には存在せず、ダキンの正体は不明です。[ 87 ]
1936年、ルーマニアの物理学者ホリア・フルベイとフランスの物理学者イヴェット・コーショワのチームは、X線放出線を観測することで元素85を発見したと主張した。1939年には、以前のデータを裏付け、さらに拡張した論文を発表した。1944年、フルベイはそれまでに得たデータの要約を発表し、他の研究者の研究によって裏付けられていると主張した。彼は、おそらくルーマニア語で「平和への憧れ」を意味する「dor」という名前を選んだ。第二次世界大戦が始まってから5年が経っていたためである。フルベイはフランス語で執筆していたが、フランス語では元素に「-ine」という接尾辞は使用しないため、もし採用されていたら英語では「dorine」と訳されていた可能性が高い。1947年、フルベイの主張は、後に新元素の認定を担当するIUPAC委員会の委員長となるオーストリアの化学者フリードリヒ・パネトによって事実上否定された。フルベイのサンプルにはアスタチン218が含まれていたものの、彼がそれを検出した手段は現在の基準からすると弱すぎて正確な同定は不可能であった。さらに、彼はその元素の化学試験を行うこともできなかった。[ 88 ]また、彼は以前にも元素87（フランシウム）の発見に関する虚偽の主張に関与しており、これが他の研究者が彼の研究を軽視する原因になったと考えられている。[ 89 ]
1940年、スイスの化学者ウォルター・ミンダーは、元素85がラジウムA（ポロニウム218）のベータ崩壊生成物であると発表し、「ヘルベチウム」（スイスのラテン語名Helvetiaに由来）と名付けた。ベルタ・カーリックとトラウデ・ベルネルトは彼の実験を再現できず、その後、ミンダーの結果はラドン流の汚染によるものだと考えた（ラドン222はポロニウム218の親同位体である）。[ 90 ] [ f ] 1942年、ミンダーはイギリスの科学者アリス・リー・スミスと共同で、元素85の別の同位体を発見したと発表した。これはトリウムA（ポロニウム216）のベータ崩壊生成物であると推定された。彼らはこの物質を「アングロ・ヘルベチウム」と名付けたが、[ 91 ]カーリックとベルネルトは再びこれらの結果を再現できなかった。[ 53 ]
その後、1940年にデール・R・コーソン、ケネス・ロス・マッケンジー、エミリオ・セグレはカリフォルニア大学バークレー校でこの元素を単離した。科学者たちは自然界でこの元素を探すのではなく、サイクロトロン（粒子加速器）でビスマス209にアルファ粒子を照射し、2つのニュートロンを放出させてアスタチン211を生成することでこの元素を作り出した。[ 92 ]しかし、発見者たちはすぐにこの元素に名前を付けなかった。その理由は、当時、自然界でまだ発見されていない「目に見えない量」で合成された元素は、完全に有効な元素とは見なされていなかったからである。さらに、化学者たちは放射性同位体を安定同位体と同じように正当に認めることに消極的だった。[ 93 ] 1943年、アスタチンは、ベルタ・カーリクとトラウデ・ベルネルトによって、2つの自然発生的な崩壊系列の生成物として発見された。最初はいわゆるウラン系列で、次にアクチニウム系列で発見された。[ 94 ] [ 95 ]（その後、アスタチンは3番目の崩壊系列であるネプツニウム系列でも発見された。[ 96 ]） 1946年、フリードリヒ・パネートは、合成元素を最終的に認めるよう呼びかけ、その理由の一つとして、最近自然発生が確認されたことを挙げ、新たに発見された無名の元素の発見者がこれらの元素に名前を付けることを提案した。1947年初頭、ネイチャー誌は発見者の提案を掲載した。コーソン、マッケンジー、セグレからの手紙では、「アスタチン」という名前が提案された[ 93 ]。これは、放射性崩壊を起こしやすい性質から、 「不安定」を意味する古代ギリシャ語のástatos（ἄστατος）に由来し、以前に発見された4つのハロゲンの名前に見られる語尾「-ine」が付いている。この名前は、元素の性質を表す名前が付けられていた4つの安定なハロゲンの伝統を引き継ぐためにも選ばれた[ 97 ] 。
コーソンとその同僚は、分析化学に基づいてアスタチンを金属に分類した。[ 98 ]その後の研究者たちは、ヨウ素のような[ 99 ] [ 100 ]陽イオン性[ 101 ] [ 102 ] 、または両性挙動を報告した。[ 53 ] [ 103 ] 2003年の回顧録で、コーソンは「アスタチンのいくつかの性質はヨウ素に似ている ...また、金属的な性質も示し、金属の隣人であるPoやBiに似ている」と書いた。[ 97 ]
アスタチンの同位体はすべて寿命が短く、最も安定なのはアスタチン-210で、半減期は8.1時間です。アスタチンには質量数188と190～229の同位体が41種類知られています。 [ 104 ] [ 105 ]理論モデルでは、さらに約37種類の同位体が存在する可能性があると示唆されています。[ 104 ]安定または長寿命のアスタチン同位体は観測されておらず、今後も存在するとは予想されていません。[ 106 ]
アスタチンのアルファ崩壊エネルギーは、他の重元素と同じ傾向を示します。[ 106 ]軽いアスタチン同位体はアルファ崩壊エネルギーが非常に高く、原子核が重くなるにつれて低くなります。アスタチン-211 は、中性子数が 126 個で、中性子殻が満たされていることを示す魔法数であるため、前の同位体よりもエネルギーが著しく高くなっています。半減期は前の同位体とほぼ同じ ( アスタチン-210 は 8.1 時間、 アスタチン-211 は 7.2 時間) ですが、アルファ崩壊確率は後者の方がはるかに高く、41.81% であるのに対し、前者はわずか 0.18% です。[ 6 ] [ h ]次の 2 つの同位体はさらに多くのエネルギーを放出し、アスタチン-213 が最も多くのエネルギーを放出します。このため、アスタチン同位体の中で最も寿命が短くなっています。[ 106 ]より重いアスタチン同位体は放出するエネルギーが少ないにもかかわらず、ベータ崩壊（電子放出）の役割が増大しているため、長寿命のアスタチン同位体は存在しない。[ 106 ]この崩壊モードはアスタチンにとって特に重要である。1950 年という早い時期に、この元素のすべての同位体がベータ崩壊を起こすと仮定されたが、[ 107 ]核質量測定によると、215 At はA = 215のすべての同重体の中で最も質量が小さいため、実際にはベータ安定である。 [ 6 ]アスタチン 210 とほとんどの軽い同位体はベータプラス崩壊（陽電子放出）を示し、アスタチン 217 とアスタチン 218 を除くより重い同位体はベータマイナス崩壊を示し、アスタチン 211 は電子捕獲を起こす。[ 5 ]
最も安定な同位体はアスタチン-210で、半減期は8.1 時間です。主な崩壊モードはベータプラスで、比較的寿命の長い（アスタチン同位体と比較して）アルファ放出核種であるポロニウム-210になります。合計で、半減期が1時間を超える同位体は5つだけです（アスタチン-207～-211）。最も不安定な基底状態の同位体はアスタチン-213で、半減期は125ナノ秒です。これはアルファ崩壊を起こし、非常に寿命の長いビスマス-209になります。[ 6 ]
アスタチンには24種類の核異性体が知られており、これらは1つ以上の核子（陽子または中性子）が励起状態にある原子核です。核異性体は「メタ状態」とも呼ばれ、これはシステムが「基底状態」（可能な限り低い内部エネルギーを持つ状態）よりも内部エネルギーが高いことを意味し、前者が後者に崩壊する可能性が高くなります。各同位体には複数の異性体が存在する場合があります。これらの核異性体の中で最も安定なのはアスタチン-202m1 [ i ]で、半減期は約3分であり、同位体203～211および220を除くすべての基底状態の半減期よりも長くなっています。最も不安定なのはアスタチン-213m1で、その半減期は110ナノ秒であり、最も寿命の短い基底状態であるアスタチン-213の125ナノ秒よりも短くなっています。[ 5 ]
アスタチンは、天然に存在する元素の中で最も希少な元素です。[ j ]地殻中のアスタチンの総量（質量は2.36 × 10 25グラムと推定）[ 108 ]は、ある時点では1グラム未満であると推定されています。[ 8 ]他の情報源では、地球上に常に存在する一時的なアスタチンの量は、最大で1オンス（約28グラム）であると推定されています[ 109 ]。
地球の形成時に存在していたアスタチンはとうの昔に消滅しており、代わりに、4 つの天然同位体 (アスタチン-215、-217、-218、-219) [ 110 ]が、放射性トリウムおよびウラン鉱石の崩壊と微量のネプツニウム-237の結果として継続的に生成されています。北アメリカと南アメリカの陸塊を合わせて、深さ 16 キロメートル (10 マイル) までには、常に約 1 兆個のアスタチン-215 原子 (約 3.5 × 10 −10グラム) しか存在しません。[ 111 ]アスタチン-217 は、ネプツニウム-237 の放射性崩壊によって生成されます。後者の同位体の原始的な残骸は、半減期が 214 万年と比較的短いため、もはや地球上には存在しません。しかし、微量はウラン鉱石の核変換反応の生成物として自然に存在します。[ 112 ]アスタチン-218 は、自然界で最初に発見されたアスタチン同位体です。[ 113 ]半減期が 56 秒のアスタチン-219 は、自然界に存在する同位体の中で最も寿命が長いものです。[ 6 ]
アスタチンの同位体は、そのような同位体が存在しないという誤解[ 103 ]や文献の矛盾[ 114 ]のために、天然に存在するものとしてリストされていないことがある。アスタチン-216は天然に存在する同位体として数えられているが、その観測報告[ 115 ]（疑わしいとされている）は確認されていない[ 116 ] 。
アスタチンは、ビスマス209に高エネルギーアルファ粒子を照射することによって初めて生成され、これは現在でも比較的寿命の長い同位体であるアスタチン209からアスタチン211を生成する主要な方法である。アスタチンはごく微量しか生成されず、現代の技術では最大6.6ギガベクレル[ 119 ]（約86ナノグラムまたは2.47 × 10⁻⁶ ）の生産が可能となっている。 14原子）。この方法によるアスタチンの大量合成は、適切なサイクロトロンの利用可能性が限られていることと、ターゲットが溶融する可能性があることによって制約される。 [ 119 ] [ 122 ] [ l ]アスタチン崩壊の累積効果による溶媒の放射線分解[ 124 ]は関連する問題である。極低温技術では、トリウムまたはウランに陽子を照射してラドン 211 を生成し、それがアスタチン 211 に崩壊することによって、マイクログラム量のアスタチンを生成できる可能性がある。アスタチン 210 による汚染がこの方法の欠点になると予想される。 [ 125 ]
最も重要な同位体はアスタチン-211で、商業的に使用されているのはこれだけです。ビスマスターゲットを製造するには、金属を金、銅、またはアルミニウムの表面に1平方センチメートルあたり50～100ミリグラムでスパッタリングします。代わりに酸化ビスマスを使用することもできます。これは銅板と強制的に融合されます。[ 126 ]ターゲットは化学的に中性の窒素雰囲気下に保たれ、[ 127 ]アスタチンの早期蒸発を防ぐために水で冷却されます。[ 126 ]サイクロトロンなどの粒子加速器で、[ 128 ]アルファ粒子がビスマスと衝突します。使用されるビスマス同位体は1つ（ビスマス-209）だけですが、反応は3つの方法で起こり、アスタチン-209、アスタチン-210、またはアスタチン-211が生成される可能性があります。エネルギーを高くするとアスタチン-211の生成量は増えますが、同時に毒性のあるポロニウム-210に崩壊する望ましくないアスタチン-210も生成されます。そのため、粒子加速器の最大エネルギーは、アスタチン-210の生成量を許容レベルに抑えつつアスタチン-211の生成量を最大化するために、アスタチン-210の生成閾値以下またはわずかに上になるように設定されています。[ 118 ] [ 119 ]
アスタチンは合成の主生成物であるため、生成後は標的と重大な不純物から分離するだけでよい。いくつかの方法が利用可能であるが、「それらは一般的に、乾式蒸留または標的の[湿式]酸処理とその後の溶媒抽出という2つのアプローチのいずれかに従う」。以下に要約する方法は、KuglerとKellerによってレビューされた古い手順の現代的応用である。[ 129 ] [ m ] 1985年以前の技術では、共生成する有毒なポロニウムの除去がより頻繁に取り上げられていたが、この要件は現在、サイクロトロン照射ビームのエネルギーを制限することによって緩和されている。[ 119 ]
アスタチンを含むサイクロトロンターゲットは、約650 ℃まで加熱されます。アスタチンは揮発し、（通常）コールドトラップで凝縮されます。約850℃までの高温では 収率が向上する可能性がありますが、同時に揮発するビスマスによる汚染のリスクがあります。ビスマスの存在を最小限に抑えるために、凝縮液の再蒸留が必要になる場合があります[ 131 ] （ビスマスはアスタチン標識反応を妨害する可能性があるため）。アスタチンは、水酸化ナトリウム、メタノール、クロロホルムなどの1つ以上の低濃度溶媒を使用してトラップから回収されます。約80%までのアスタチン収率を達成できます。化学的に有用な形態のアスタチンを製造するために最も一般的に使用される方法は、乾式分離です。[ 122 ] [ 132 ]
照射されたビスマス（または場合によっては三酸化ビスマス）ターゲットは、まず濃硝酸または過塩素酸などに溶解されます。この最初のステップの後、酸を蒸留除去すると、ビスマスと目的のアスタチン生成物の両方を含む白色の残留物が残ります。この残留物は、次に塩酸などの濃酸に溶解されます。アスタチンは、ジブチルエーテル、ジイソプロピルエーテル（DIPE）、またはチオセミカルバジドなどの有機溶媒を使用して、この酸から抽出されます。液液抽出を使用すると、アスタチン生成物を塩酸などの酸で繰り返し洗浄し、有機溶媒層に抽出することができます。硝酸を使用した場合の分離収率は93%と報告されていますが、精製手順（硝酸の蒸留、残留窒素酸化物のパージ、液液抽出を可能にするための硝酸ビスマスの再溶解）が完了する頃には72%に低下しています。[ 133 ] [ 134 ]湿式法は「複数の放射能処理ステップ」を伴うため、大量のアスタチンを分離するには適していないと考えられてきました。しかし、湿式抽出法はより一貫性を提供できると考えられているため、大量のアスタチン-211の製造に使用するために検討されています。[ 134 ]湿式抽出法は特定の酸化状態のアスタチンの製造を可能にし、実験放射化学においてより大きな適用性を持つ可能性があります。[ 119 ]
新たに生成されたアスタチン-211は、核医学において現在も研究が続けられている。[ 135 ]半減期が7.2 時間と短いため、迅速に使用する必要がある。この半減期は、多段階標識戦略を可能にするのに十分な長さである。アスタチン-211は、アルファ粒子の放出（ビスマス-207へ）[ 136 ]または電子捕獲（極めて短寿命の核種であるポロニウム-211へ、さらにアルファ崩壊を起こす）によって崩壊し、非常に速やかに安定な孫娘核種である鉛-207に到達するため、標的アルファ粒子療法に利用できる可能性がある。電子捕獲分岐の結果として放出される77～92 keVの範囲のポロニウムX線は、動物や患者におけるアスタチンの追跡を可能にする。[ 135 ]アスタチン-210は半減期がわずかに長いものの、通常はベータプラス崩壊を起こして極めて毒性の強いポロニウム-210になるため、全く不向きである。[ 137 ]
アスタチン-211とヨウ素-131（医療にも使用される放射性ヨウ素同位体）の主な医学的違いは、ヨウ素-131が高エネルギーのベータ粒子を放出するのに対し、アスタチンは放出しないことである。ベータ粒子は、はるかに重いアルファ粒子よりも組織を透過する力がはるかに大きい。アスタチン-211から放出される平均的なアルファ粒子は、 周囲の組織を最大70μm通過することができる。ヨウ素-131から放出される平均エネルギーのベータ粒子は、その約30倍の距離、約2mmまで通過することができる 。[ 126 ]アルファ放射線の半減期が短く、組織を透過する力が限られていることは、「腫瘍負荷が低い場合、および/または悪性細胞集団が必須の正常組織のすぐ近くに位置している場合」に利点となる。[ 119 ]ヒト癌の細胞培養モデルでは、細胞あたり1～10個のアスタチン-211原子を結合させることで、有意な病原性が達成されている。[ 138 ]
アスタチンは 製造が非常に困難で、取り扱いも非常に難しい。[ 139 ]
がん治療のためのアスタチン系放射性医薬品の開発には、いくつかの障害がありました。第二次世界大戦により、研究は10年近く遅れました。初期の実験結果から、がん選択的なキャリアの開発が必要であることが示され、この目的のためにモノクローナル抗体が利用可能になったのは1970年代になってからのことでした。ヨウ素とは異なり、アスタチンは、特にsp3炭素部位[ n ] （ sp2部位ではそれほどではない）において、このような分子キャリアから脱ハロゲン化する傾向があります。体内に蓄積・保持されたアスタチンの毒性を考えると、アスタチンが宿主分子に結合したままであることを確保する必要性が強調されました。代謝が遅いアスタチンキャリアは有効性を評価することができますが、代謝が速いキャリアは、核医学におけるアスタチンの評価において依然として大きな障害となっています。アスタチン誘発性放射線分解による標識化学およびキャリア分子への影響を軽減することも、さらなる開発が必要な分野です。アスタチンを癌治療薬として実用化すれば、膨大な数の患者に適用できる可能性があるが、必要な量のアスタチンを製造することが依然として課題となっている。[ 125 ] [ 140 ] [ o ]
動物実験では、アスタチンはヨウ素と同様に（ただし程度は低いが、おそらくわずかに金属的な性質のため）甲状腺に優先的に（そして危険なほど）濃縮されることが示されている[ 109 ]。ヨウ素とは異なり、アスタチンは肺や脾臓にも取り込まれる傾向があり、これは体内でのAt−からAt+への酸化によるものと考えられる[ 42 ] 。放射性コロイドの形で投与すると、肝臓に濃縮される傾向がある。ラットやサルでの実験では、アスタチン211はヨウ素131よりも甲状腺に大きな損傷を与え、この核種の繰り返し注射によって甲状腺内に壊死や細胞異形成が生じることが示唆されている[ 141 ] 。初期の研究では、雌のげっ歯類にアスタチンを注射すると乳腺組織に形態学的変化が生じることが示唆された[ 142 ]が、この結論は長年議論の的となっていた。後に、これは乳房組織への放射線照射と卵巣への放射線照射によるホルモン変化が組み合わさった影響が原因である可能性が高いという一般的な合意が得られた。[ 139 ]微量のアスタチンは、十分に換気されたドラフトチャンバー内で安全に取り扱うことができるが、この元素の生物学的取り込みは避けなければならない。[ 29 ]
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