リン酸とリン酸塩

化学において、一般的な意味での リン酸は、各リン(P) 原子が酸化状態+5 であり、4 つの酸素(O) 原子と結合し、そのうちの 1 つは二重結合を介して四面体の頂点として配置されているリンのオキソ酸です。これらのPO ₄四面体の 2 つ以上が共有の単結合酸素によって接続され、直鎖または分岐鎖、サイクル、またはより複雑な構造を形成します。共有されていない単結合酸素原子は、酸性水素原子で完成します。リン酸の一般式はH _{n +2−2 x} P _n O _{3 n +1− x}です。ここで、nはリン原子の数、x は分子の構造内の基本サイクルの数で、0 から⁠ の間です。 2 + 2です/2⁠ .

k 個のヒドロキシル基–OHからプロトン( H ⁺ )を除去すると、一般にリン酸( k = n − 2 x + 2 の場合)またはリン酸水素( kが1 と n − 2 x + 1 の間の場合)と呼ばれるアニオンが残り、一般式は[H _{n −2 x +2− k} P _n O _{3 n +1− x} ] ^{k − です}。完全に解離したアニオン ( k = n − 2 x + 2 ) の式は[P _n O _{3 n − x +1} ] ^{( n −2 x +2)−}です。リン酸という用語は、有機化学では、1 つ以上の水素が他の基との結合で置き換えられたときに生じる 官能基に対しても使用されます。

これらの酸とその塩およびエステルには、生化学、鉱物学、農業、薬学、化学工業、化学研究において非常に重要な、最もよく知られたリン化合物がいくつか含まれています。

リン酸の中で最も単純でよく見られるのはオルトリン酸、H ₃ PO ₄です。実際、リン酸という用語はこの化合物を具体的に指すことが多いです（これは現在のIUPAC命名法でもあります）。^[要出典]

2 つ以上のオルトリン酸分子は、水の脱離による縮合によって結合し、より大きな分子になることがあります。少数のユニットを縮合するとオリゴリン酸が生成され、より大きな分子はポリリン酸と呼ばれます。(ただし、この 2 つの用語の区別は明確に定義されていません。)

例えば、ピロリン酸、三リン酸、四リン酸は、以下の反応によって得られる。 $${\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {2 H3PO4}}&\longrightarrow {\ce {H4P2O7 + H2O}}\\[2pt]{\ce {H4P2O7 + H3PO4}}&\longrightarrow {\ce {H5P3O10 + H2O}}\\[2pt]{\ce {H5P3O10 + H3PO4}}&\longrightarrow {\ce {H6P4O13 + H2O}}\end{aligned}}}$$

ポリリン酸分子の「骨格」は、P 原子と O 原子が交互に並んだ鎖です。縮合した余分なオルトリン酸単位ごとに、H (水素) 原子 1 個、P (リン) 原子 1 個、O (酸素) 原子 3 個が追加されます。ポリリン酸の一般式はH _{n +2} P _n O _{3 n +1}またはHO[−P(O)(OH)−O−] _n Hです。

ポリリン酸は有機合成において環化やアシル化に使用され、代替品としてイートン試薬が用いられる。^{[1] [2] [3]}

メタリン酸（HPO ₃）は、無色でガラス質の潮解性固体で、密度は2.2～2.5 g/ccで、加熱すると昇華します。エタノールに溶けます。^[4]

リン酸単位は、リング（環状構造）に結合できます。最も単純な化合物は、式H ₃ P ₃ O ₉のトリメタリン酸またはシクロトリリン酸です。その構造は図に示されています。末端が縮合しているため、式にはトリポリリン酸よりもH ₂ O（水）が 1 つ少なくなっています。

リン酸の一般式はH _{n −2 x +2} P _n O _{3 n − x +1}です。ここで、nはリン原子の数、x は分子構造内の基本サイクルの数、つまりすべてのサイクルを解消するために切断する必要がある結合の最小数です。

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  オルトリン酸H ₃ PO ₄
  
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  ピロリン酸H ₄ P ₂ O ₇
  
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  トリポリリン酸H ₅ P ₃ O ₁₀
  
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  テトラポリリン酸H ₆ P ₄ O ₁₃
  
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  トリメタリン酸H ₃ P ₃ O ₉
  
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  無水リン酸P ₄ O ₁₀
  

内部凝縮の極限ケースでは、酸素原子はすべて共有され、水素原子は存在しません（x = ⁠2 +2です/2⁠）は、無水物 P _{2 n} O _{5 n}、五酸化リンP ₄ O ₁₀です。

水素原子をプロトン H ⁺として除去すると、リン酸はリン酸アニオンに変わります。部分的に除去すると、さまざまな水素リン酸アニオンが生成されます。

オルトリン酸H ₃ PO ₄の陰イオンはオルトリン酸（一般に単に「リン酸」と呼ばれる）POである。3−4、リン酸水素一 HPO2−4、リン酸二水素 H ₂ PO−4。

ピロリン酸H ₄ P ₂ O ₇の解離により4 つの陰イオン[H _{4− k} P ₂ O ₇ ] ^{k −}が生成されます。ここで、電荷k の範囲は 1 から 4 です。最後の陰イオンはピロリン酸[P ₂ O ₇ ] ⁴⁻です。ピロリン酸のほとんどは水溶性です。

同様に、トリポリリン酸H ₅ P ₃ O _{10 は}、少なくとも 5 つの陰イオン[H _{5− k} P ₃ O ₁₀ ] ^{k −}（kは 1 から 5 の範囲）を生成し、トリポリリン酸[P ₃ O ₁₀ ] ⁵⁻も含まれます。テトラポリリン酸H ₆ P ₄ O ₁₃は、少なくとも 6 つの陰イオンを生成し、テトラポリリン酸[P ₄ O ₁₃ ] ⁶⁻などが含まれます。各追加のリン酸単位は、1 つの余分な P 原子、3 つの余分な O 原子、および 1 つの余分な水素原子または余分な負電荷のいずれかを追加することに注意してください。

分岐ポリリン酸は同様に分岐したポリリン酸アニオンを与える。最も単純な例は、トリホスホノリン酸 [OP(OPO ₃ ) ₃ ] ⁹⁻とその部分的に解離したバージョンである。

このような（非環状）ポリリン酸アニオン（直鎖または分岐）の一般式は[H _{n +2− k} P _n O _{3 n +1} ] ^{k −}であり、電荷k は1 からn + 2まで変化する。一般に水溶液では、解離の程度または割合は溶液の pHに依存する。

環状ポリリン酸の塩またはエステルは、しばしば「メタリン酸塩」と呼ばれます。一般にトリメタリン酸塩と呼ばれるものは、実際にはさまざまなサイズの環が混在しています。このような環状化合物の一般式は[HPO ₃ ] _xで、x は分子内のリン酸単位の数です。

メタリン酸が水素をH ⁺として失うと、メタリン酸塩と呼ばれる環状陰イオンが形成されます。このような陰イオンを含む化合物の例としては、金属イオン封鎖剤や食品添加物として使用されるヘキサメタリン酸ナトリウム（Na ₆ P ₆ O ₁₈）があります。

これらのリン酸シリーズは、分子の極性を考慮すると、一般的に水溶性です。 アンモニウムおよびアルカリリン酸塩も水に非常に溶けます。アルカリ土類金属塩は溶解性が低下し始め、他のさまざまな金属のリン酸塩はさらに溶解性が低下します。

水溶液（水の溶液）では、十分な水があれば、水は徐々に（数時間かけて）ポリリン酸を小さなリン酸に加水分解し、最終的にはオルトリン酸になります。高温または酸性条件では、加水分解反応が大幅に加速される可能性があります。^[5]

逆に、ポリリン酸またはポリリン酸塩は、リン酸溶液を脱水することによって形成されることが多いです。言い換えれば、加熱して水分を蒸発させることによって、リン酸溶液から水分を除去することが多いのです。

オルト、ピロ、トリポリリン酸化合物は、洗剤（クリーナー）の配合によく使用されています。例えば、トリポリリン酸ナトリウムを参照してください。ピロリン酸、トリポリリン酸、テトラポリリン酸などは、特に生化学でリン酸エステルの一部である場合、二リン酸、三リン酸、四リン酸などと呼ばれることがあります。これらは、飲料水供給業者によるスケールや腐食の制御にも使用されます。^[6]腐食防止剤として、ポリリン酸はパイプの内面に保護膜を形成することによって機能します。^[7]

リン酸の −OH 基は、アルコールのヒドロキシル基と縮合してリン酸エステルを形成することもできます。オルトリン酸は3つの −OH 基を持っているため、1、2、または 3 個のアルコール分子とエステル化して、モノ、ジ、またはトリエステルを形成できます。下の左側にあるオルト (またはモノ) リン酸エステルの一般的な構造図を参照してください。ここで、 R基はいずれも水素または有機ラジカルです。ジおよびトリポリ (またはトリ) リン酸エステルなども考えられます。これらのエステル分子のリン酸上の−OH基はいずれも、溶液の pH に応じてH ⁺イオンを失ってアニオンを形成する可能性があります。生物の生化学では、多くの種類の (モノ) リン酸、ジリン酸、およびトリリン酸化合物 (基本的にエステル) があり、その多くはアデノシン二リン酸 (ADP)や三リン酸 (ATP)などの代謝に重要な役割を果たしています。

• Schröder HC, Kurz L, Muller WE, Lorenz B (2000 年 3 月). 「骨中のポリリン酸」(PDF) .生化学 (モスクワ) . 65 (3): 296– 303. PMID  10739471. 2011 年 8 月 25 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。

• 抑制導電率検出イオンクロマトグラフィーによるポリリン酸の測定、Dionex によるアプリケーション ノート 71
• US 3044851、Young、Donald C.、「リン酸アンモニウムおよびその製品の製造」、1962 年 7 月 17 日公開、Collier Carbon & Chemical Co. に譲渡。