有機リン

有機化学において、有機リン化合物（リン酸エステル、OPEとも呼ばれる）は、O=P(OR) ₃という一般構造を持ち、中心のリン酸分子にアルキルまたは芳香族置換基を持つ有機リン化合物の一種である。^[1]リン酸のエステル と考えることができる。有機リン化合物は、殺虫剤として使用されることで最もよく知られている。

ほとんどの官能基と同様に、有機リン化合物は多様な形態で存在し、^[2]重要な例としては、DNA、RNA、ATPなどの主要な生体分子や、多くの殺虫剤、除草剤、神経ガス、難燃剤などがあります。OPE は、難燃剤、可塑剤、エンジンオイルの性能添加剤として、さまざまな製品に広く使用されています。生産コストが低く、さまざまなポリマーと適合性があるため、OPE は繊維、家具、電子機器などの業界で可塑剤や難燃剤として広く使用されています。これらの化合物は、化学結合ではなく物理的に最終製品に添加されます。^[3]このため、OPE は揮発、浸出、摩耗により環境に漏れやすくなります。^[4] OPE は、空気、ほこり、水、堆積物、土壌、生物サンプルなどのさまざまな環境コンパートメントで、より高い頻度と濃度で検出されています。^{[1] [4]}

OPEは、厳しく規制されている臭素系難燃剤の代替として難燃剤として人気を博しました。^[5]

有機リン化合物は、いくつかの異なるが密接に関連した官能基を含む化合物のクラスです。これらは主にリン酸のエステルであり、結合した有機基（下の図では「R」と略記）の数に応じてモノエステル、ジエステル、またはトリエステルになります。一般に、人工有機リン化合物はほとんどの場合トリエステルですが、生物学的有機リン化合物は通常モノエステルまたはジエステルです。トリエステルの加水分解によりジエステルとモノエステルが形成されます。^[6]

農薬の文脈では、有機チオリン酸塩（P=S）やホスホロジアミデート（PN）などの有機リン酸塩の誘導体は、有機リン酸塩として含まれます。その理由は、これらの化合物が生物学的に有機リン酸塩に変換されるためです。

生物学では、二リン酸と三リン酸のエステルは一般に有機リン酸塩に含まれます。その理由は、多くの細胞プロセスに同じ化合物のモノリン酸、ジリン酸、およびトリリン酸が関与しているため、これも実用的なものです。たとえば、アデノシンのリン酸( AMP、ADP、ATP ) は、多くの代謝プロセスで重要な役割を果たします。

オキシ塩化リンはアルコールと容易に反応して有機リン化合物を生成します。これは工業的に最も多く使用される経路であり、ほぼすべての有機リン化合物の生産に使用されています。

O=PCl ₃ + 3 ROH → O=P(OR) ₃ + 3 HCl

脂肪族アルコールを使用すると、副産物の HCl がリン酸エステルと反応して有機塩素化合物と低級エステルが生成されます。

O=P(OR) ₃ + HCl → O=P(OR) ₂ OH + RCl

この反応は通常望ましくなく、反応温度が高いと悪化します。塩基の使用またはスパージングによる HCl の除去によって抑制できます。

リン酸とアルコールのエステル化は、より一般的なカルボン酸のエステル化よりも進行が遅く、反応がリン酸モノエステルよりも先に進行することはめったにありません。反応には高温が必要で、その温度ではリン酸が脱水してポリリン酸を形成します。これらは非常に粘性が高く、線状ポリマー構造のためリン酸よりも反応性が低くなります。^{[7]これらの制限にもかかわらず、この反応は、}界面活性剤として使用されるモノアルキルリン酸の形成に工業的に使用されています。^[8]この経路の主な魅力は、リン酸がオキシ塩化リンに比べて安価であることです。

OP(OH) ₃ + ROH → OP(OH) ₂ (OR) + H ₂ O

P ₂ O _{5 は}リン酸の無水物であり、同様の働きをする。反応ではリン酸を含まず、等モル量のジエステルとモノエステルが得られる。このプロセスは主に第一級アルコールに限定されており、第二級アルコールは脱水などの望ましくない副反応を起こしやすい。^[9]

有機リン酸塩は簡単に酸化されて有機リン酸塩になります。これは一般的な工業的経路ではありませんが、プラスチックの抗酸化安定剤として大量の有機リン酸塩が製造されています。これらが徐々に酸化されると、人間の環境中に有機リン酸塩が発生します。^{[10] [11] [12]}

P(OR) ₃ + [O] → OP(OR) ₃

より特殊な代替法として、アサートン・トッド反応があります。これは、ジアルキルホスファイトをホスホリルクロリドに変換します。次に、これをアルコールと反応させて、有機リン酸塩と HCl を生成します。

有機リン化合物の形成は生化学の重要な部分であり、生体システムはさまざまな酵素を使用してこれを実現します。リン酸化は嫌気呼吸と好気呼吸の両方のプロセスに不可欠であり、細胞内の「高エネルギー」交換媒体であるアデノシン三リン酸(ATP)の生成を伴います。タンパク質のリン酸化は、真核生物で最も多く見られる翻訳後修飾です。多くの酵素と受容体は、リン酸化と脱リン酸化によって「オン」または「オフ」に切り替わります。

有機リン化合物の結合については、長らく議論が続いてきた。リン原子は、オクテット則で許されるよりも多くの結合を持っているため、古典的には超原子価である。 ^{[13]議論の焦点は通常、}ホスホリルP=O結合の性質にあり、これは（一般的な描写に反して）非古典的な結合を示し、結合次数は1と2の間である。初期の論文では、超原子価はd軌道混成の観点から説明されており、電子を高エネルギー軌道に昇格させるエネルギーペナルティは、追加の結合の安定化によって相殺されている。^[14]その後の計算化学の進歩により、d軌道は結合においてほとんど重要な役割を果たしていないことが示された。^{[15] [16]}現在のモデルは、負の超共役^[17]、またはPからOへの配位型結合と酸素2p軌道からの逆供与を組み合わせたより複雑な配置に依存している。 ^{[16] [18]}これらのモデルは、ホスホリルがP-OR結合よりも短く^{[19]はるかに分極しているという実験的観察と一致する。より正確な描写は双極性（すなわち (RO)} ₃ P ⁺ -O ^-）であると主張されてきた^{[20] 。これは、}メチレントリフェニルホスホランなどのリンイリドの描写に似ている。しかし、イリドとは対照的に、ホスホリル基は非反応性であり、有機リン酸塩は、ホスホリル酸素の電荷濃度が高いにもかかわらず、求核剤としては貧弱である。分極は、対応する亜リン酸塩と比較してリン酸塩の融点がより高いことを部分的に説明する。五配位ホスホラン（すなわち P(OR) ₅ ）の結合は全く異なり、3中心4電子結合を伴う。

P-OH基を持つリン酸エステルは酸性である。最初のOH基のpKaは通常1〜2であるが、2番目のOHはpKa 6〜7で脱プロトン化する。 ^[21]そのため、リン酸モノエステルとジエステルは生理学的pHで負に帯電している。^[22]これは実用上非常に重要であり、負電荷間の静電反発により、これらの化合物は加水分解やその他の求核攻撃による分解に対してはるかに耐性がある。^[23]これはDNAやRNAなどのほぼすべての有機リン酸生体分子に影響を及ぼし、それらの高い安定性の一部を説明している。^[23]この負電荷の存在により、これらの化合物ははるかに水溶性になる。

有機リン酸塩の水溶性は、生物学、工業、環境の分野で重要な要素です。有機リン酸エステルに使用される多種多様な代替物は、物理的特性に大きなばらつきをもたらします。OPE は、オクタノール/水分配係数の広い範囲を示し、log Kow 値は -0.98 から 10.6 までの範囲です。^[5]モノエステルとジエステルは通常水溶性で、特に生体分子です。難燃剤や可塑剤などのトリエステルは、疎水性を示す 1.44 から 9.49 の範囲の正の log Kow 値を持ちます。^{[5] [24] [4] [25]}疎水性 OPE は、水生生態系で生体蓄積および生物濃縮される可能性が高くなります。^[3]ハロゲン化有機リン酸塩は水よりも密度が高く、沈む傾向があるため、堆積物に蓄積します。^[26]

有機リン系化合物は、農薬としての使用で最もよく知られています。その大部分は殺虫剤であり、作物を保護するため、または蚊などの昆虫によって広がる病気の伝染を減らすための媒介生物防除剤として使用されています。健康への懸念から、世紀の変わり目以降、その使用は大幅に減少しています。^{[27] [28]} グリホサートは有機リン系化合物と呼ばれることもありますが、実際にはホスホネートです。その化学的性質、毒性のメカニズム、除草剤としての最終用途は、有機リン系殺虫剤とは異なります。

有機リン系殺虫剤の開発は1930年代に遡り、一般にゲルハルト・シュレーダーの功績とされている。^[29]当時の殺虫剤は主にヒ素塩（ヒ酸カルシウム、ヒ酸鉛、パリスグリーン）^[30]またはピレトリン植物抽出物に限られていたが、いずれも大きな問題を抱えていた。^[31]シュレーダーはより効果的な薬剤を探していたが、一部の有機リン剤は高等動物よりも昆虫にとってはるかに危険であることが判明した一方で、^{[32]他の薬剤の}化学兵器としての潜在的な有効性は見過ごされなかった。有機リン系殺虫剤と最も初期の神経ガスの開発は結びついており、シュレーダーは神経ガスのタブンとサリンも開発している。有機リン系殺虫剤は第二次世界大戦後まで商品化されなかった。パラチオンが最初に市場に投入され、マラチオンとアジンホスメチルが続いた。有機リン系殺虫剤は多量に使用されていたが、もともとDDT、ディルドリン、ヘプタクロルなどの有機塩素系殺虫剤ほど重要ではなかった。 『沈黙の春』の出版後、1970 年代に多くの有機塩素系殺虫剤が禁止されると、有機リン系殺虫剤は世界的に最も重要な殺虫剤となった。100 種類近くが商品化され、その一部は以下のとおりである。

有機リン系殺虫剤はアセチルコリンエステラーゼ阻害剤であり、曝露した生物の神経信号の伝達を阻害し、致命的な結果をもたらします。有機リン中毒による人間の死亡リスク^[33]は当初から明らかであり、昆虫に対する有効性を低下させずに哺乳類に対する毒性を低下させる取り組みにつながりました。^{[34] [35]}

有機リン系殺虫剤の大部分は有機チオリン酸塩（P=S）またはホスホロジアミデート（PN）であり、どちらも対応するリン酸塩（P=O）よりもかなり弱いアセチルコリンエステラーゼ阻害剤です。これらは、曝露された生物によって、P=SからP=Oへの酸化変換、^[36]水酸化、^{[37] [38]}または有機リン酸塩に変換されるその他の関連プロセスを介して生物学的に「活性化」されます。哺乳類では、これらの変換はほぼ肝臓でのみ発生しますが、^{[39]昆虫では腸と}脂肪体で発生します。^{[40] [41] [42]異なるクラスの生物では異なる}酵素によって変換が処理されるため、昆虫でより迅速かつ完全に活性化し、より標的を絞った致死作用を示す化合物が見つかる可能性があります。

この選択性は完璧からは程遠く、有機リン系殺虫剤は依然として人体に対して急性毒性があり、意図的な（自殺） ^[43]または意図しない中毒により、毎年何千人もが死亡していると推定されています。急性毒性以外にも、有機リン系への長期暴露は、有機リン誘発性遅発性神経障害（筋力低下）や発達性神経毒性など、多くの健康リスクと関連しています。^{[29] [44] [45]}マラチオンやダイアジノンなどの特定の化合物ががんを引き起こすという証拠は限られています。^[46]子供^[47]と農業労働者^[48]はより大きなリスクにさらされていると考えられています。

米国の農薬規制と欧州連合の農薬規制はどちらも、1990年代から特に作物保護に使用される有機リン系農薬に対する規制を強化してきた。それ以来、有機リン系農薬の使用は大幅に減少し、はるかに低い濃度で効果を発揮するピレスロイドやネオニコチノイドに取って代わられた。 ^[49]この期間中、米国で報告された有機リン中毒の症例は減少している。^{[50] [51]}南半球の規制はそれほど厳しくない可能性がある。^{[52] [53]}

2015年、米国で使用されている最も一般的な50種類の作物専用農薬のうち、有機リン系農薬（クロルピリホス、ベンスリド、アセフェート）はわずか3種類でした。^[54]これらのうち、クロルピリホスは2021年に禁止されました。 ^[55] 21世紀には新しい有機リン系農薬は商品化されていません。^[56]ベクター制御の状況は、リスクのトレードオフは異なりますが、ほぼ同じであり、^[57]有機リン系殺虫剤の世界的使用量は、2010年から2019年の間にほぼ半減しました。^[28] ピリミホスメチル、マラチオン、テメホスは、主にアジア太平洋地域でのマラリア制御のために依然として重要です。 ^{[28]これらの薬剤の継続使用は、}殺虫剤耐性の出現によって課題に直面しています。^[58]

難燃剤は、燃焼を防ぎ、点火後の火の広がりを遅らせるために材料に添加されます。有機リン系難燃剤は、無機塩に加えて、有機ホスホン酸エステルやホスフィン酸エステルを含む、より広範なリン系薬剤のグループに属します。 ^{[59] [60]} 2000年代初頭にいくつかの有名な臭素系難燃剤が禁止されたとき、リン系薬剤がより安全な代替品として推進されました。これにより、リン系薬剤の使用が大幅に増加し、2018年には推定100万トンの有機リン系難燃剤が生産されました。^[61]その後、これらの試薬のいくつかについて安全性の懸念が提起され、^{[62] [63]}いくつかは規制当局の監視下にあります。^{[64] [65]}

有機リン系難燃剤は、20世紀前半にトリフェニルホスフェート、トリクレジルホスフェート、トリブチルホスフェートの形で初めて開発され、セルロースニトレートやセルロースアセテートなどのプラスチックに使用されました。^[66]セルロース製品での使用は今でも重要ですが、最も大きな応用分野は現在、主にPVCなどの可塑化ビニルポリマーです。より新しい有機リン系難燃剤には、塩素化脂肪族化合物と芳香族二リン酸の​​2つの主要なタイプがあります。^[59]塩素化化合物TDCPP、TCPP、およびTCEPはすべて不揮発性液体であり、その中でTCPPがおそらく最も重要です。これらは、ポリウレタン（断熱材、室内装飾品）、PVC（電線とケーブル）、フェノール樹脂、エポキシ樹脂（ワニス、コーティング、接着剤）に使用されます。二リン酸エステルの中で最も重要なものはビスフェノールAビス（ジフェニルホスフェート）であり、レゾルシノールとハイドロキノンをベースとした類似体があります。これらはPPO / HIPSやPC / ABSなどのエンジニアリングプラスチックのポリマーブレンドに使用され、^[67]テレビ、コンピューター、家電製品などの電気製品のケースを作るのによく使用されます。

有機リン酸塩は、ガス相と凝縮相（固体）の両方で多機能的に作用して火災を遅らせます。ハロゲン化有機リン酸塩は、分解生成物がガス相で直接燃焼を妨げるため、全体的に活性が高くなります。すべての有機リン酸塩は、炭化を促進するリン酸を形成し、表面を熱と空気から遮断することで、凝縮相で活性を持ちます。

有機リン酸塩はもともと臭素系難燃剤の安全な代替品であると考えられていましたが、現在では健康リスクが明らかであるため、多くの有機リン酸塩が規制圧力にさらされています。^{[65] [68] [69]塩素化有機リン酸塩は発がん性がある可能性があり、}トリクレシルリン酸などの他のものは壊死毒性があります。^[70] ビスフェノールAビス(ジフェニルリン酸)は加水分解されてビスフェノールAを形成し、内分泌かく乱化学物質の可能性があるとして厳重に調査されています。それらの名前は単一の化学物質であることを示唆していますが、一部(すべてではありません)は複雑な混合物として製造されています。たとえば、商用グレードのTCPPには7つの異なる異性体が含まれる可能性があり、^[71]トリクレシルリン酸には最大10の異性体が含まれる可能性があります。 ^[72]これにより、異なる製造元の材料は異なる組成を持つ可能性があるため、安全性プロファイルを確認することが難しくなります。^[73]

可塑剤はポリマーやプラスチックに添加され、柔軟性や加工性を向上させ、より柔らかく変形しやすい材料にする。このようにして脆いポリマーの耐久性を高めることができる。最も頻繁に可塑化されるポリマーは、ビニル（PVC、PVB、PVA、PVCA）とセルロースプラスチック（セルロースアセテート、ニトロセルロース、セルロースアセテートブチレート）である。^[74] PVCは市場を独占しており、世界の可塑剤生産の80〜90％を消費している。 ^{[74] [75] PVCは大量の可塑剤を受け入れることができる。製品の質量に対する可塑剤含有量は0〜50％が一般的であるが、}プラスチゾルの場合は70〜80％にもなる。^[76]

純粋なPVCは質量の60％以上が塩素で、燃えにくいが、可塑化が進むにつれて可燃性が増す。^[77]有機リン酸塩は多機能であるため、主に可塑化作用があるが難燃性も付与するため使用されている。化合物は典型的にはトリアリールまたはアルキルジアリールリン酸であり、それぞれクレシルジフェニルリン酸と2-エチルヘキシルジフェニルリン酸が重要な例である。^[78]これらは両方とも高沸点の液体である。有機リン酸塩は従来の可塑剤よりも高価であるため、他の可塑剤や難燃剤と組み合わせて使用​​される傾向がある。^[79]

有機リン酸塩は可塑剤としての使用と同様に、低い凝固点と高い沸点、耐火性、非腐食性、優れた境界潤滑特性、良好な全般的な化学的安定性のため、油圧作動油としての使用に適しています。トリアリールリン酸が最も重要なグループであり、トリクレジルリン酸が1940年代に最初に商品化され、その後すぐにトリキシリルリン酸が続きました。ブチルフェニルジフェニルリン酸とプロピルフェニルジフェニルリン酸は1960年以降に利用可能になりました。^[80]

有機リン酸塩（トリクレジルリン酸）と金属有機チオリン酸塩（ジチオリン酸亜鉛）は、油圧ベースストックとして使用されるほか、潤滑剤の耐摩耗添加剤や極圧添加剤としても使用され、高温でも効果を発揮します。^{[81] [82] [83]}

有機リン酸塩は、貴重な希土類金属を鉱石から取り出すために、抽出冶金の分野で長い間使用されてきた。^[84]ジ（2-エチルヘキシル）リン酸とトリブチルリン酸は、鉱床の浸出によって形成される酸性混合物からこれらの元素を液液抽出するために使用される。^[85]同じ化合物は、PUREXプロセスの一部として、原子力再処理にも使用されている。^[86]

アルコールのモノリン酸エステルおよびジリン酸エステル（またはアルコールエトキシレート）は、界面活性剤（洗剤）として作用する。 ^[87]これらは生物学ではリン脂質として非常に一般的であるが、工業用途は主に特定のニッチな分野に限定されている。より一般的な硫黄ベースのアニオン界面活性剤（ LASやSLESなど）と比較すると、リン酸エステル界面活性剤はより高価で、泡立ちが少ない。^[87]利点としては、極端なpHでも安定性が高く、皮膚刺激が少なく、溶解した塩に対する耐性が高いことが挙げられる。^[88] 農業の現場では、混和性が低いまたは不溶性の農薬を水に分散させることができる脂肪族アルコールエトキシレートのモノエステルが使用されている。これらは泡立ちが少ないため、これらの混合物を畑に効果的に散布することができ、また塩に対する耐性が高いため、農薬と無機肥料の共散布が可能となる。^[89] 低濃度のリン酸モノエステル、例えばセチルリン酸カリウムは、化粧品クリームやローションに使用されています。^{[90]水中油型製剤中のこれらの成分は主に非イオン性界面活性剤をベースにしており、アニオン性リン酸は乳化安定剤として作用します。}リン酸トリブチルなどのリン酸トリエステルは、塗料やコンクリートの 消泡剤として使用されています。

コリンエステラーゼ阻害剤として作用することが確認された最初のリン化合物は有機リン化合物であったが、^[91]神経剤の大部分はPC結合を含むホスホネートである。1930年代から1960年代にかけて開発された有機リン系神経剤は、ジイソプロピルフルオロリン酸、VG、NPFなどほんの一握りであった。1971年から1993年にかけてソ連は、一般にノビチョク剤として知られる多くの新しい潜在的な神経剤を開発した。^{[92]これらの一部は、}フルオロリン酸の誘導体であり、（広義の）有機リン化合物と見なすことができる。例としては、 A-232、A-234、A-262、C01-A035、C01-A039などがある。これらの中で最も有名なのはA-234で、 2018年にソールズベリー（英国）でセルゲイ・スクリパリとユリア・スクリパリ夫妻を毒殺したとされている。^[93]

南極のような遠く離れた場所の空気中でOPEが1 ng/m ³前後の濃度で検出されたことは 、それらが空気中で残留し、長距離輸送される可能性があることを示唆している。^[25] OPEは空気中と水中で高頻度に測定され、北半球に広く分布している。^{[94] [95]}都市部のサンプリング地点では塩素化OPE（TCEP、TCIPP、TDCIPP）が、農村部ではTBOEPのような非ハロゲン化OPEが、複数の地点にわたる環境で頻繁に測定された。ローレンシャン五大湖では、OPEの総濃度が、同様の空気中で測定された臭素化難燃剤の濃度よりも2～3桁高いことが判明した。^[95]ドイツ、オーストリア、スペインの河川水では、TBOEPとTCIPPの最高濃度が一貫して記録されている。^[25]これらの研究から、空気と水のサンプル中のOPE濃度は他の難燃剤よりも桁違いに高いことが多く、濃度はサンプル採取場所に大きく依存し、都市部の汚染された場所では濃度が高くなることが明らかになっています。