Obecná chemická struktura organofosfátu
Organofosfát (někdy zkráceně OP) nebo fosfátový ester je obecný název pro estery kyseliny fosforečné. Fosfáty jsou pravděpodobně nejvíce pronikající organofosforové sloučeniny. Mnoho z nejdůležitějších biochemických látek jsou organofosfáty, včetně DNA a RNA a také mnoha kofaktorů, které jsou nezbytné pro život. Organofosfáty jsou základem mnoha insekticidů, herbicidů a nervových plynů. EPA uvádí organofosfáty jako velmi vysoce akutně toxické pro včely, volně žijící živočichy a lidi. Nedávné studie naznačují možnou souvislost s nepříznivými účinky na neurobehaviorální vývoj plodů a dětí, a to i při velmi nízkých úrovních expozice. Organofosfáty jsou široce používány jako rozpouštědla, změkčovadla a EP přísady.
Organofosfáty jsou široce využívány jak v přírodních, tak v syntetických aplikacích kvůli snadnosti, s jakou mohou být organické skupiny propojeny. Jelikož je kyselina triprotická, může kyselina fosforečná tvořit triestery, zatímco karboxylové kyseliny tvoří pouze monoestery. Esterifikace zahrnuje navázání organických skupin na fosfor pomocí kyslíkových vazeb. Předchůdci takových esterů jsou alkoholy. Alkoholy, zahrnující mnoho tisíc přírodních a syntetických sloučenin, jsou rozmanité a rozšířené.
Estery fosfátů nesoucí OH skupiny jsou kyselé a částečně deprotonované ve vodném roztoku. Například DNA a RNA jsou polymery typu [PO2(OR)(OR‘)-]n. Estery tvoří také polyfosfáty; důležitým příkladem esteru polyfosfátu je ATP, což je monoester kyseliny trifosforečné (H5P3O10).
Alkoholy lze z fosfátových esterů oddělit hydrolýzou, která je opakem výše uvedených reakcí. Z tohoto důvodu jsou fosfátové estery běžnými nosiči organických skupin v biosyntéze.
Organofosfátové pesticidy
Ve zdravotnictví, zemědělství a státní správě slovo „organofosfáty“ označuje skupinu insekticidů nebo nervových látek působících na enzym acetylcholinesterázu (skupina pesticidů karbamáty na tento enzym také působí, ale jiným mechanismem). Termín se často používá k popisu prakticky jakékoli organické sloučeniny obsahující fosfor(V), zejména při zacházení s neurotoxickými sloučeninami. Mnoho tzv. organofosfátů obsahuje vazby C-P. Například sarin je O-isopropyl methylfosfonofonofluoridát, který je formálně odvozen od kyseliny fosforité (HP(O)(OH)2), nikoli kyseliny fosforečné (P(O)(OH)3). Také mnoho sloučenin, které jsou deriváty kyseliny fosforečné, se používá jako neurotoxické organofosfáty.
Organofosfátové pesticidy (stejně jako sarin a nervová látka VX) nevratně inaktivují acetylcholinesterázu, která je nezbytná pro funkci nervů u hmyzu, lidí a mnoha dalších zvířat. Organofosfátové pesticidy ovlivňují tento enzym různými způsoby, a tedy i svým potenciálem otravy. Například parathion, jeden z prvních OP komercializovaných, je mnohonásobně účinnější než malathion, insekticid používaný v boji proti středomořským octomilkám (Med-fly) a komárům přenášejícím virus západonilské horečky.
Organofosfátové pesticidy se při vystavení slunečnímu záření, vzduchu a půdě rychle rozkládají hydrolýzou, i když v potravinách a pitné vodě lze zjistit malé množství. Díky své schopnosti rozkládat se staly atraktivní alternativou k perzistentním organochloridovým pesticidům, jako jsou DDT, aldrin a dieldrin. Ačkoli se organofosfáty rozkládají rychleji než organochloridy, mají větší akutní toxicitu, což představuje riziko pro osoby, které mohou být vystaveny velkému množství (viz bod Toxicita níže).
Mezi běžně používané organofosfáty patří parathion, malathion, methyl parathion, chlorpyrifos, diazinon, dichlorvos, phosmet, fenitrothion, tetrachlorvinfos, azamethifos a azinfos methyl. Malathion je široce používán v zemědělství, obytné krajině, veřejných rekreačních oblastech a v programech ochrany veřejného zdraví proti škůdcům, jako je eradikace komárů. V USA je nejčastěji používaným organofosfátovým insekticidem. V USA je registrováno čtyřicet organofosfátových pesticidů, v zemědělských a obytných prostředích se používá nejméně 73 milionů liber.
Znepokojují jak vědce, tak regulátory, protože působí tak, že nevratně blokují enzym, který je kritický pro funkci nervů jak u hmyzu, tak u lidí. I při relativně nízkých hladinách mohou být organofosfáty nejnebezpečnější pro vývoj mozku plodů a malých dětí. EPA v roce 2001 zakázala většinu použití organofosfátů v domácnostech, ale stále se zemědělsky stříkají na ovoce a zeleninu. Používají se také k hubení škůdců, jako jsou komáři na veřejných prostranstvích, jako jsou parky. Mohou se vstřebávat plícemi nebo kůží nebo je jíst na jídle.
Organofosfáty jako nervové látky
Mezi první průkopníky v této oblasti patří Jean Louis Lssaigne (počátek 19. století) a Philippe de Clermont (1854). V roce 1932 německý chemik Willy Lange a jeho postgraduální student Gerde von Krueger poprvé popsali účinky cholinergních nervových systémů organofosfátů, přičemž zaznamenali dušení a ztlumení vidění po expozici. Tento objev později inspiroval německého chemika Gerharda Schradera ve společnosti IG Farben ve 30. letech k experimentům s těmito sloučeninami jako insekticidy. Jejich potenciální použití jako bojových chemických látek se brzy ukázalo a nacistická vláda pověřila Schradera vývojem organofosfátových (v širším slova smyslu) nervových plynů. Schraderova laboratoř objevila zbraně řady G, které zahrnovaly Sarin, Tabun a Soman. Nacisté produkovali velké množství těchto sloučenin, ačkoliv je během druhé světové války nepoužívali. Britští vědci během války experimentovali s vlastním cholinergním organofosfátem zvaným diisopropylfluorofosfát (DFP). Britové později na počátku 50. let, téměř 20 let poté, co Němci objevili sérii G, vyrobili nervovou látku VX, která byla mnohonásobně účinnější než série G.
Po druhé světové válce získaly americké firmy přístup k některým informacím ze Schraderovy laboratoře a začaly syntetizovat organofosfátové pesticidy ve velkém množství. Parathion byl mezi prvními uváděnými na trh, následován malathionem a azinfosmetylem. Popularita těchto insekticidů vzrostla poté, co bylo v 70. letech zakázáno mnoho organochlorových insekticidů jako DDT, dieldrin a heptachlor.
Strukturální vlastnosti organofosfátů
Terminální kyslík vs. terminální síra
Thiofosforylové sloučeniny, které mají funkci P=S, jsou mnohem méně toxické než příbuzné fosforylové deriváty, mezi něž patří sarin, VX a tetraethylpyrofosfát. Thiofosforylové sloučeniny nejsou aktivními inhibitory acetylcholinesterázy ani u savců, ani u hmyzu; u savců má metabolismus tendenci odstraňovat lipofilní postranní skupiny z atomu fosforu, zatímco u hmyzu má tendenci sloučeninu oxidovat, a tím odstraňovat terminální síru a nahrazovat ji terminálním kyslíkem, což umožňuje sloučenině účinněji působit jako inhibitor acetylcholinesterázy.
V rámci těchto požadavků bylo použito velké množství různých lipofilních a odcházejících skupin. Variace těchto skupin je jedním z prostředků jemného vyladění toxicity sloučeniny. Dobrým příkladem této chemie jsou sloučeniny P-thiokyanátu, které používají jako lipofilní skupiny arylovou (nebo alkylovou) skupinu a alkylaminovou skupinu. Thiokyanát je odcházející skupina.
Jeden z produktů reakce Fc2P2S4 s dimethylkyanamidem
V jednom německém patentu se tvrdilo, že reakcí 1,3,2,4-dithiadifosetan 2,4-disulfidů s dialkyl-kyanamidy vznikly přípravky na ochranu rostlin, které obsahovaly šest členěných (P-N=C-N=C-S-) kruhů. Reakcí diferrocenyl 1,3,2,4-dithiadifosetan 2,4-disulfidu (a Lawessonova činidla) s dimethyl-kyanamidem bylo v nedávné době prokázáno, že ve skutečnosti vzniká směs několika různých sloučenin obsahujících fosfor. V závislosti na koncentraci dimethyl-kyanamidu v reakční směsi vzniká jako hlavní produkt buď jiná sloučenina s šesti člennými kruhy (P-N=C-S-C=N-), nebo neheterocyklická sloučenina (FcP(S)(NR2)(NCS)); druhá sloučenina vzniká jako vedlejší produkt.
Kromě toho se v reakci tvoří i malé stopy jiných sloučenin. Je nepravděpodobné, že by sloučenina kruhu (P-N=C-S-C=N-) {nebo její izomer} působila jako prostředek na ochranu rostlin, ale sloučeniny (FcP(S)(NR2)(NCS)) mohou působit jako nervové jedy u hmyzu.
Mnohé organofosfáty jsou silnými nervovými látkami, které fungují tak, že inhibují působení acetylcholinesterázy (AChE) v nervových buňkách. Jsou jednou z nejčastějších příčin otrav na celém světě a často jsou záměrně používány při sebevraždách v zemědělských oblastech. Organofosforové pesticidy mohou být absorbovány všemi cestami, včetně vdechování, požití a dermální absorpce. Jejich toxicita se však neomezuje pouze na akutní fázi a chronické účinky byly zaznamenány již dlouho. Neurotransmitery, jako je acetylcholin (který je ovlivněn organofosfátovými pesticidy), jsou hluboce důležité pro vývoj mozku a mnohé OP mají neurotoxické účinky na vyvíjející se organismy, a to i při nízkých úrovních expozice. Jiné organofosfáty nejsou toxické, přesto jejich hlavní metabolity, jako jsou jejich oxony, toxické jsou.
Opakovaná nebo dlouhodobá expozice organofosfátům může vést ke stejným účinkům jako akutní expozice včetně opožděných příznaků. Mezi další účinky hlášené u pracovníků, kteří byli opakovaně vystaveni, patří poruchy paměti a soustředění, dezorientace, těžké deprese, podrážděnost, zmatenost, bolest hlavy, potíže s řečí, opožděná reakční doba, noční můry, náměsíčnost a ospalost nebo nespavost. Byl také hlášen stav podobný chřipce s bolestí hlavy, nevolností, slabostí, ztrátou chuti k jídlu a malátností.
Organofosfáty mohou být i při relativně nízkých hladinách nebezpečné pro lidské zdraví. Pesticidy působí na soubor chemických látek v mozku, které jsou blízce příbuzné těm, které se podílejí na ADHD, takže nejvíce ohroženy mohou být plody a malé děti, kde vývoj mozku závisí na přísném sledu biologických událostí. Mohou být vstřebávány plícemi nebo kůží nebo jejich konzumací v potravinách. Podle zprávy amerického ministerstva zemědělství z roku 2008 obsahovalo v reprezentativním vzorku produktů testovaných agenturou 28 procent zmrazených borůvek, 20 procent celeru, 27 procent zelených fazolí, 17 procent broskví, 8 procent brokolice a 25 procent jahod stopy organofosfátu.
Úřad pro ochranu životního prostředí Spojených států uvádí organofosfát parathion jako možný lidský karcinogen.
Studie z roku 2007 spojila organofosfátový insekticid chlorpyrifos, který se používá u některých druhů ovoce a zeleniny, se zpožděním v rychlosti učení, sníženou fyzickou koordinací a poruchami chování u dětí, zejména ADHD.
Organická strava je účinný způsob, jak snížit expozici organofosforovým pesticidům, které se běžně používají v zemědělské výrobě. Hladiny metabolitů organofosfátu rychle klesají a u některých metabolitů se při konzumaci organické stravy stávají nedetekovatelnými v dětské moči.
Studie z roku 2010 zjistila, že expozice organofosfátům je spojena se zvýšeným rizikem Alzheimerovy choroby. Jiná studie z téhož roku zjistila, že každé desetinásobné zvýšení koncentrace metabolitů organofosfátů v moči bylo spojeno s 55% až 72% zvýšením pravděpodobnosti výskytu ADHD u dětí. Studie zjistila, že expozice organofosfátům je spojena se zvýšeným rizikem výskytu ADHD u dětí. Výzkumníci analyzovali hladiny reziduí organofosfátů v moči více než 1100 dětí ve věku 8 až 15 let a zjistili, že u dětí s nejvyššími hladinami dialkylfosfátů, což jsou produkty rozkladu pesticidů z organofosfátů, byl také nejvyšší výskyt ADHD. Celkově zjistili 35% zvýšení pravděpodobnosti vzniku ADHD s každým desetinásobným zvýšením koncentrace reziduí pesticidů v moči. Účinek byl pozorován i při nízkém konci expozice: u dětí, které měly v moči detekovatelnou, nadprůměrnou hladinu metabolitu pesticidů, byla dvakrát větší pravděpodobnost zaznamenání příznaků ADHD než u dětí s nedetekovatelnou hladinou.
Jiná studie z roku 2010 zjistila, že u dětí, které byly vystaveny organofosfátovým pesticidům ještě v matčině děloze, byla větší pravděpodobnost, že se u nich po letech rozvinou poruchy pozornosti. Výzkumníci hodnotili děti ve věku 3,5 a 5 let na příznaky poruch pozornosti a ADHD pomocí mateřských zpráv o chování dítěte, výkonu ve standardizovaných počítačových testech a hodnocení chování od zkoušejících. Každé desetinásobné zvýšení prenatálních metabolitů pesticidů souviselo s tím, že v pěti letech měly pětkrát vyšší pravděpodobnost, že dítě bude mít ADHD, což naznačuje větší pravděpodobnost, že dítě bude mít ADHD. Účinek se zdál být silnější u chlapců než u dívek.
Podle nevládní organizace Pesticide Action Network je organofosfát parathion jedním z nejnebezpečnějších pesticidů. Jen v USA bylo od roku 1966 otráveno více než 650 pracovníků v zemědělství, z nichž 100 zemřelo. V málo rozvinutých zemích trpělo smrtelnou a nefatální intoxikací mnohem více lidí. Světová zdravotnická organizace, PAN a četné ekologické organizace navrhují obecný a celosvětový zákaz. Jeho používání je zakázáno nebo omezeno ve 23 zemích a jeho dovoz je nelegální v celkem 50 zemích. Jeho používání bylo v USA zakázáno v roce 2000 a od roku 2003 se nepoužívá.
Jiné než pro zemědělské použití, organofosfát diazinon byl zakázán v USA. Zemědělsky, více než jeden milion liber diazinonu bylo použito v Kalifornii pro kontrolu zemědělských škůdců v roce 2000. Oblasti a plodiny, na kterých je diazinon nejvíce aplikován jsou strukturální ochrana proti škůdcům, mandle, hlávkový salát, listový salát a švestky.
V květnu 2006 přezkoumala Agentura pro ochranu životního prostředí používání organofosfátu dichlorvosu a navrhla jeho další prodej, navzdory obavám o jeho bezpečnost a značným důkazům, které naznačují, že je karcinogenní a škodlivý pro mozek a nervový systém, zejména u dětí. Ekologové obviňují, že poslední rozhodnutí bylo výsledkem zákulisních dohod s průmyslem a politickým vměšováním.
V roce 2001 EPA zavedla nová omezení pro používání organofosfátů fosmetu a azinfos-methylu, aby zvýšila ochranu pracovníků v zemědělství. Mezi způsoby využití plodin, které byly v té době vykázány jako postupně ukončené do čtyř let, patřily způsoby využití mandlí, višní, bavlny, brusinek, broskví, pistácií a vlašských ořechů. Mezi plodiny s časově omezenou registrací patřily jablka/krab jablka, borůvky, sladké třešně, hrušky, sady s piniovými semeny, růžičkové klíčky, třtinové bobule a používání azinfos-methylu ve školkách pro karanténní požadavky. Označené způsoby využití fosmetu zahrnují vojtěšku, plodiny v sadech (např. mandle, vlašské ořechy, jablka, třešně), borůvky, citrusy, hrozny, okrasné stromy (nejsou určeny k použití v obytných, parkových nebo rekreačních oblastech) a nenesené ovocné stromy, vánoční stromky a jehličnany (stromové farmy), brambory a hrách. Azinfos-methyl je v Evropě zakázán od roku 2006.
Agonisté: 77-LH-28-1 • AC-42 • AC-260,584 • Aceklidin • Acetylcholin • AF30 • AF150(S) • AF267B • AFDX-384 • Alvamelin • AQRA-741 • Arekolin • Bethanechol • Butyrylcholin • Carbachol • CDD-0034 • CDD-0078 • CDD-0097 • CDD-0098 • CDD-0102 • Cevimelin • cis-Dioxolan • Ethoxysebacylcholin • LY-593,039 • L-689,660 • LY-2,033,298 • McNA343 • Methacholin • Milamelin • Muscarin • NGX-267 • Ocvimelin • Oxotremorin • PD-151,832 • Pilokarpin • RS86 • Sabcomelin • SDZ 210-086 • Sebacylcholin • Suberylcholin • Talsaclidin • Tazomelin • Thiokarpin • Vedaclidin • VU-0029767 • VU-0090157 • VU-0152099 • VU-0152100 • VU-0238429 • WAY-132,983 • Xanomelin • YM-796Antagonisté: 3-Quinuklidin • Benzilát • 4-DAMP • Aclidinium Bromid • Anisodin • Anisodin • Atropin • Atropin • Methonitrát • Benaktropin • Benzatropin • Benzydamin • BIBN 99 • Biperiden • Bornaprin • CAR-226,086 • CAR-301,060 • CAR-302,196 • CAR-302,282 • CAR-302,368 • CAR-302,537 • CAR-302,668 • CS-27349 • Cyklobenzaprin • Cyklopentolát • Darifenacin • DAU-5884 • Dimethinden • Dexetimid • DIBD • Dicyklomin (Dicykloverin) • Ditran • EA-3167 • EA-3443 • EA-3580 • EA-3834 • Elemicin • Etanautin • Etybenzatropin (Ethylbenztropin) • Flavoxat • Himbacin • HL-031,120 • Ipratropium bromid • J-104,129 • Hyoscyamin • Mamba Toxin 3 • Mamba Toxin 7 • Mazaticol • Mebeverin • Methoktramin • Metixen • Myristicin • N-Ethyl-3-Piperidyl Benzilát • N-Methyl-3-Piperidyl Benzilát • Orfenadrin • Otenzepad • Oxybutynin • PBID • PD-102,807 • Penehyklidin • Feng-lutarimid • Fenyldyltoloxamin • Pirenzepin • Piroheptin • Procyklidin • Profenamin • RU-47,213 • SCH-57,790 • SCH-72,788 • SCH-217,443 • Skopolamin (Hyoscin) • Solifenacin • Telenzepin • Tiotropium bromid • Tolterodin • Trihexyfenidyl • Tripitamin • Tropatepin • Tropikamid • WIN-2299 • Xanomelin • Zamifenacin; Ostatní: Antihistaminika 1. generace (Bromfeniramin, chlorfenamin, cyproheptadin, dimenhydrinát, difenhydramin, doxylamin, mepyramin/pyrilamin, fenindamin, feniramin, tripelennamin, triprolidin, atd.) • Tricyklická Antidepresiva (Amitriptylin, doxepin, trimipramin, atd.) • Tetracyklická Antidepresiva (Amoxapin, maprotilin, atd.) • Typická Antipsychotika (Chlorpromazin, thioridazin, atd.) • Atypická Antipsychotika (Clozapin, olanzapin, quetiapin, atd.)
Agonisté: 5-HIAA • A-84,543 • A-366,833 • A-582,941 • A-867,744 • ABT-202 • ABT-418 • ABT-560 • ABT-894 • Acetylcholin • Altiniklin • Anabasin • Anatoxin-a • AR-R17779 • Butyrylcholin • Carbachol • Cotinin • Cytisin • Decamethonium • Desformylflustrabromin • Dianiclin • Dimethylfenylpiperazinium • Epiboxidin • Epiboxidin • Ethanol • Ethoxysebacylcholin • EVP-4473 • EVP-6124 • Galantamin • GTS-21 • Isproniclin • Lobelin • MEM-63,908 (RG-3487) • Nikotin • NS-1738 • PHA-543,613 • PHA-709,829 • PNU-120,596 • PNU-282,987 • Pozaniklin • Rivaniklin • Sazetidin A • Sebacylcholin • SIB-1508Y • SIB-1553A • SIB-1553A • SIB-180,711 • Suberylcholin • TC-1698 • TC-1734 • TC-1827 • TC-2216 • TC-5214 • TC-5619 • TC-6683 • Tebaniclin • Tropisetron • UB-165 • Vareniklin • WAY-317,538 • XY-4083Antagonisté: 18-Methoxycoronaridin • α-Bungarotoxin • Alcuronium • Amantadin • Anatruxonium • Atracurium • Bupropion (Amfebutamon) • Chandonium • Chlorisondamin • Cisaturium • Coclaurin • Koronaridin • Dakuronium • Dextromethorfan • Dextropropoxyfen • Dextrorfan • Diadonium • DHβE • Dimethyltuboklurarin (Metoklurin) • Dipyrandium • Dizocilpin (MK-801) • Doxacurium • Duador • Esketamin • Fazadinium • Gallamin • Hexafluronium • Hexamethonium (Benzohexonium) • Ibogain • Isofluran • Ketamin • Kyselina kynurenová• Laudexium (Laudolissin) • Levacetylmethadol • Malouetin • Mecamylamin • Methadon • Methorphan (Racemethorphan) • Methyllycaconitin • Mivacurium • Morphanol (Racemorphanol) • Nitrous Oxid • Pancuronium • Pempidin • Pentamin • Pentolinium • Phencyclidine • Pipecuronium • Radafaxin • Rapacuronium • Rocuronium • Surugatoxin • Suxamethonium (Succinylcholin) • Thioklosid • Toxiferin • Tropeinium • Tubocurarin • Vecuronium • Xenon
Hemicholinium-3 (hemicholin; HC3) • Triethylcholin
1-(-Benzoylethyl)pyridinium • 2-(α-Naftoyl)ethyltrimethylamonium • 3-Chloro-4-stillbazol • 4-(1-Naftylvinyl)pyridin • Acetylseco hemicholinium-3 • Acryloylcholin • AF64A • B115 • BETA • CM-54,903 • N,N-Dimethylaminoethylacrylát • N,N-Dimethylaminoethylchloroacetát
Cymserin * Mnoho z výše uvedených inhibitorů acetylcholinesterázy působí jako inhibitory butyrylcholinesterázy.
Cholin (Lecithin) • Citikolin • Cyprodenan • Dimethylethanolamin (DMAE, deanol) • Glycerofosfocholin • Meklofenoxát (Centrofenoxin) • Fosfatidylcholin • Fosfatidylethanolamin • Fosforylcholin • Pirisudanol
Kyselina octová • Acetylkarnitin • Acetyl-coA • Vitamin B5 (Pantethin, Pantethein, Panthenol)
Látky uvolňující acetylcholin: α-Latrotoxin • β-Bungarotoxin; Inhibitory uvolňující acetylcholin: Botulotoxin (Botox); Reaktivátory acetylcholinesterázy: Asoxim • Obidoxim • Pralidoxim