Строение ФОС. Свойства фосфорорганических соединений
Полученные в последние годы основные закономерности биологического действия ФОС в зависимости от их структуры будут рассмотрены ниже.
Химическая структура и номенклатура ФОС подробно освещены О'Брайном, для ФОП — в Материалах ВОЗ.
Химическое строение большинства ФОС может быть выражено общей схематической формулой:
где R1 и R2 — одинаковые или различные алкильные, алкоксильные, алкиламинные, арильные или арилокси группы.
Группы R1 и R2 могут быть непосредственно присоединены к фосфору (в фосфинатах) или связаны через кислород или серу (в фосфатах). В фосфонатах R1 может иметь непосредственную связь с фосфором, a R2 связан с фосфором через кислород или серу. В фосфороамидатах углеродный атом группы R2 соединен с фосфором через NH-группу.
В качестве группы X может быть остаток неорганической или органической кислоты, соединенных непосредственно с фосфором, либо различные замещенные и разветвленные алифатические, ароматические или гетероциклические группы, сочиненные с фосфором обычно через кислород или серу. Группа X рассматривается как отходящая или отщепляемая группа, так как при взаимодействии с холинэстеразой она отщепляется, а остаток соединяется с молекулой фермента, фосфорилируя его. Атомом с двойной связью может быть кислород или сера, и соответствующие соединения именуются фосфатами или фосфоротиоатами (названия "тиофосфаты" или "тионофосфаты" в настоящее время используются реже).
По химическому строению ФОП можно разделить на 5 групп: производные фосфорной, тиофосфорной, дитиофосфорной, пирофосфорной и фосфоновых кислот.
В зависимости от различия в фосфорной группе ФОП выделяют 3 основные группы соединений: фосфаты (без атома серы), фосфоротиоаты (с одним атомом серы) и фосфородитиоаты (с двумя атомами серы).
Форма Р=0 сложного эфира тиоата может рассматриваться как оксон и часто включается в тривиальное наименование. Например, паратион является исходящим P=S соединением параоксона. ФОС формы P=S обладают большей внутренней стабильностью, чем Р=0, поэтому многие пестициды производятся в форме P=S, которая в тканях организма превращается в биологически активный оксон. Механизм этого превращения обсуждается ниже.
В настоящее время известны десятки тысяч отдельных ФОС, их число возрастает с каждым днем и дать их полный перечень не представляется возможным. Химическое строение, физико-химические и токсические свойства многих ФОС отражены в работах. Подробную информацию и легальный файл для большинства ФОС можно получить в Международном регистре потенциально токсичных химических веществ.
Фосфорорганические соединения могут находиться в различном агрегатном состоянии. Большинство из них представляют собой маслянистую жидкость либо кристаллический порошок, нерастворимы либо плохо растворимы в воде, хорошо растворимы в органических растворителях. Многие из них имеют неприятный специфический запах. Плотность ФОС находится в пределах 1,1—1,7.
Среди фосфорорганических соединений имеются вещества с различной степенью летучести. К веществам, обладающим очень высокой летучестью (насыщающая концентрация больше 10 мг/м3), относятся димефокс, ДДВФ, фосдрин, тионовый изомер метилмеркаптофоса, тимет, зарин, ронелл и др. Летучесть в данном ряду ФОС составляет 925; 145; 27; 23,3; 12,4; 12; 11 мг/м3 соответственно. К веществам с относительно высокой летучестью (1—10 мг/м3) относятся зоман, октаметил, табун, тиоловый изомер меркаптофоса, препарат М-81, меркаптофос, ТЭПФ, карбофос, диазинон и др. Летучесть их составляет 10; 9,5; 6; 4,5; 4; 3,67; 2,5; 2,26; 1,39 мг/м3 соответственно.
Фосфорорганические соединения со средней летучестью (0,1—1 мг/м3) являются метилнитрофос, байтекс, параоксон, фосфамидон, метафос, хлорофос, фосфамид и др., их летучесть составляет 0,82; 0,46; 0,41; 0,18; 0,14; 0,11; 0,11 мг/м3 соответственно. Низкой степенью летучести (менее 0,1 мг/м3) обладают паратион, хлортион, дикаптон, тритион, гузатион, фенкаптон и др., их летучесть — 0,09; 0,07; 0,05; 0,0057; 0,0042; 0,00085 мг/м3 соответственно. Следует отметить, что с возрастанием температуры летучесть ФОС значительно увеличивается.
Фосфорорганические соединения достаточно стабильны при нейтральной рН, легко гидролизуются в щелочных растворах (рН 8,0 и выше), в меньшей степени в кислых растворах (при рН 2,0 и ниже). Фосфороамидаты гидролизуются в ходе катализируемой кислотой реакции даже при рН 4,0—5,0 и после образования кислоты разложение ускоряется из-за автокатализа. На скорость гидролиза оказывают влияние такие факторы, как характер заместителей в молекуле ФОС, катализаторы (азотсодержащие соединения, гидроксамовые кислоты, хлор, медь и др.), растворители, изменение температуры и рН. Механизм и скорость гидролиза ФОС описаны у О'Брайна.
При хранении, нагревании и перегонке некоторые фосфорорганические соединения способны к изомеризации. Наиболее обычной является изомеризация фосфоротиоатов (тионфосфатов) типа (RO)2P(S)OX, где R — алкильная группа, X — может иметь различное строение. В результате изомеризации образуются продукты типа (RO)(RX)P(0)OX или (RO)2P(0)SX, которые более токсичны, чем исходное вещество.
В лабораторных условиях процесс изомеризации катализируется диметилформамидом. Для обеспечения полной изомеризации необходимо нагревание до 160 °С в течение нескольких часов. При хранении алкилфосфоротиоатов в теплых и влажных климатических условиях также наблюдается изомеризация, но протекает этот процесс медленней. Изомеризация ФОС ускоряется под влиянием тепла и света, а также под воздействием растворителей.
Процесс, типы изомеризации и другие неферментативные превращения фосфорорганических соединений описаны О'Брайном, У.Дотерманом, Фукуто и др.
Одним из первых препаратов, для которого показано в условиях in vitro повышение антихолинэстеразного действия под влиянием ультрафиолетового излучения (УФИ) и солнечного света, был паратион. Наряду с неизвестными продуктами превращения паратиона идентифицированы параоксон, S-этиловый и S-фениловый изомеры паратиона.
Под воздействием УФИ окисление EPN приводило к образованию его кислородного аналога и нитрофенола, что свидетельствует о разрыве связи р=О-арил. При изучении фората, дисульфотона и тиометона в качестве продуктов воздействия УФИ обнаружены соответствующие сульфоксиды и сульфоны. Влияние УФИ или солнечного света на хлорпирифос приводит к гидролизу с выделением 3,5,6-трихлор-2-пиридинола, который затем подвергается полному фотодехлорированию с образованием диолов, триолов и тетраолов.
Гидролиз и окисление некоторых ФОП в объектах окружающей среды под влиянием физических и химических факторов подробно освещены Н.Н.Мельниковым и соавт.