焦磷酸鹽

焦磷酸鹽
別名	二磷酸鹽
識別
CAS號	14000-31-8
PubChem	644102
ChemSpider	559142
SMILES	[O-]P(=O)([O-])OP(=O)([O-])[O-];
InChI	1/H4O7P2/c1-8(2,3)7-9(4,5)6/h(H2,1,2,3)(H2,4,5,6)/p-4;
InChIKey	XPPKVPWEQAFLFU-XBHQNQODAI
ChEBI	18361
DrugBank	DB04160
性質
化學式	P2O74-
	若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

焦磷酸鹽（英語：Pyrophosphate）是焦磷酸的鹽。焦磷酸鹽又稱二磷酸鹽或雙磷酸鹽（英語：Diphosphate）。在食品添加劑中，焦磷酸鹽的代號是E450。除了正鹽以外，也有一些焦磷酸的酸式鹽存在，比如Na₂H₂P₂O₇。

歷史

在多磷酸鹽（英語：polyphosphate）系列中，焦磷酸鹽是第一個被發現的。

焦磷酸四乙酯的合成是由菲利普·克萊蒙在1854年法國科學院的一次會議中首次報告的，它是最早被合成的含有磷的乙酰膽鹼酯酶抑制劑^[1]。

物理性質

焦磷酸鹽中都含有P₂O₇^4-離子，而各種鹽中P-O-P鍵的鍵角也各不相同，分佈在120°至180°之間。P-O-P鍵的鍵長也比離子末端的P-O鍵要長。下面列出部分數據：

β-Mg₂P₂O₇中P-O-P鍵鍵角為180°，鍵長為156pm，末端P-O鍵鍵長未知；
α-Mg₂P₂O₇中P-O-P鍵鍵角為144°，鍵長為157pm，末端P-O鍵鍵長為151pm；
Na₄P₂O₇中P-O-P鍵鍵角為127°，鍵長為163.6pm，末端P-O鍵鍵長為151.3pm；
KAlP₂O₇中P-O-P鍵鍵角為125°，鍵長為160.7pm，末端P-O鍵鍵長為150.9pm。^[2]^:325

化學性質

通常情況下，焦磷酸鹽在磷的含氧酸形成的鹽中有着最大的溶解度^[3]；另外，它還是一種良好的絡合劑（比如與鈣離子或許多過渡金屬離子配位）：

Cu₂P₂O₇ + P₂O₇^4- = 2[CuP₂O₇]^2-；

Mn₂P₂O₇ + P₂O₇^4- = [Cu₂(P₂O₇)₂]^4-。可以看出焦磷酸根過量時，難溶的焦磷酸鹽又轉化為配離子溶解。這些反應在化學工業上有許多用途，如可以用作無氰電鍍。^[4]^:545-546

製備

焦磷酸鹽最初是通過加熱磷酸鹽得到的（英文中的詞頭pyro來自於希臘語中的「火」）。將磷酸一氫鹽加熱至603-613K開始聚合，至773K^[2]^:323可以製得焦磷酸鹽：

2Na₂HPO₄ = Na₄P₂O₇ + H₂O^[4]^:545^[2]^:323

但此反應不能在玻璃容器中進行，因為焦磷酸鈉能夠腐蝕二氧化矽^[2]^:323。

含銨的磷酸鹽加熱也可製得一些二價金屬的焦磷酸鹽：

2NH₄NiPO₄·6H₂O = Ni₂P₂O₇ + 2NH₃ + 13H₂O^[2]^:325

工業用途

焦磷酸鹽在工業上常被用作食品添加劑。實驗表明焦磷酸鹽能夠對肉類食物的肌肉蛋白起到保水作用，其原理是焦磷酸鹽增大了蛋白質的離子強度，使得其離子排斥作用增強，蛋白之間空間增加。^[5]焦磷酸鹽還能明顯地改善豬肉丸的破裂特性、硬度等特點，並減小其蒸煮損失^[6]。焦磷酸二氫二鈉可以用作食品改良劑^[7]。

生物化學用途

焦磷酸鹽在生物化學中有非常重要的地位。細胞中的ATP 水解為AMP時生成了P₂O₇^4-離子（簡寫為PP_i）：

ATP → AMP + PP_i

例如，當聚合酶正在把核苷酸聚合成DNA或是RNA鏈時，就會生成焦磷酸根離子（PP_i）。焦磷酸解是指DNA聚合反應的逆反應，即焦磷酸根與dNMP反應，把寡核苷酸轉化為對應的三磷酸（從DNA中釋放dNTP，從RNA中釋放NTP）。

P₂O₇^4-離子在水溶液中不穩定，會水解為磷酸一氫根：

P₂O₇^4- + H₂O → 2 HPO₄^2-

或簡記為：

PP_i + H₂O → 2 P_i

沒有酶催化時，除非在高濃度酸性介質中，否則含有多磷酸結構的物質，例如焦磷酸、三磷酸、ADP和ATP的水解一般進行得非常緩慢^[8]。

將ATP水解為沒有生物活性的AMP和PP_i的反應是不可逆的，這個反應體現了這類生物化學水解的不可逆性。

在關節液、血漿以及尿液中有許多PP_i來防止鈣化，且在細胞外液（ECF）中能夠抑制羥基磷灰石的形成^[9]。細胞會引導其內部的PP_i進入細胞外液^[10]。

ANKH（英語：ANKH）是一個無酶催化的生物質膜，能夠保持細胞外PP_i的濃度^[10]。這項功能若有缺陷，會導致PP_i的細胞外濃度過低以及細胞內濃度過高^[9]。核苷酸內焦磷酸酶/磷酸二酯酶1抗體（英語：Ectonucleotide pyrophosphatase/phosphodiesterase 1）（ENPP1）也能提高細胞外PP_i濃度^[10]。

從高能磷酸鹽（英語：High-energy phosphate）的角度來看，ATP水解成為AMP和PP_i需要斷裂兩根高能磷酸鍵，同理將AMP重組為ATP需要兩個磷酸化反應：

AMP + ATP → 2 ADP

2 ADP + 2 P_i → 2 ATP

參見

單磷酸腺苷
二磷酸腺苷
三磷酸腺苷
ATP酶
ATP水解（英語：ATP hydrolysis）
三磷酸腺苷合酶
生物化學
骨骼
焦磷酸鈣
軟骨鈣質沉着症（英語：Calcium pyrophosphate dihydrate deposition disease）
催化
DNA
高能磷酸鹽（英語：High-energy phosphate）
無機焦磷酸酶
核苷三磷酸
核苷酸
磷酸酯
氧化磷酸化
磷酸鹽
磷酸
含磷的酸與鹽（英語：Phosphoric acids and phosphates）
RNA
焦磷酸鈉
磷酸二氫鈣
硫胺素焦磷酸
牙齒
焦磷酸鋅

參考文獻

^ 李俊旭. 神經毒氣:毒扁豆也瘋狂. 中國新聞周刊. 2013-09. 2013(36). 86
^ ^2.0 ^2.1 ^2.2 ^2.3 ^2.4 張青蓮. 无机化学丛书第四卷. 1995-01-01. ISBN 9787030305480.
^ C.Michael Hogan. 2011. Phosphate. Encyclopedia of Earth. Topic ed. Andy Jorgensen. Ed.-in-Chief C.J.Cleveland. National Council for Science and the Environment. Washington DC （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
^ ^4.0 ^4.1 吳國慶等. 无机化学 (第四版). 2002-08 [2014-07-05]. ISBN 9787040115833.
^ 韩敏义, 李巧玲, 陈红叶. 复合磷酸盐在食品中的应用. 中国食品添加剂. 2004 (3). (PDF). [2014-07-05]. （原始內容 (PDF)存檔於2016-03-04）.
^ 王秀霞等. 多聚磷酸盐对猪肉丸质构特性的影响研究. 肉类工业. 2006 (3). 17.. [2014-07-05]. （原始內容存檔於2021-04-11）.
^ 彭永, 左都华, 邓小兵, 赵乾康, 向莉. 磷酸盐工业. 2005.. [2014-07-05]. （原始內容存檔於2021-04-11）.
^ Huebner PWA, Milburn RM. Hydrolysis of pyrophosphate to orthophosphate promoted by cobalt(III). Evidence for the role of polynuclear species. Inorg Chem. May 1980, 19 (5): 1267–72. doi:10.1021/ic50207a032.
^ ^9.0 ^9.1 Ho AM, Johnson MD, Kingsley DM. Role of the mouse ank gene in control of tissue calcification and arthritis. Science. Jul 2000, 289 (5477): 265–70. PMID 10894769. doi:10.1126/science.289.5477.265.
^ ^10.0 ^10.1 ^10.2 Rutsch F, Vaingankar S, Johnson K, Goldfine I, Maddux B, Schauerte P, Kalhoff H, Sano K, Boisvert WA, Superti-Furga A, Terkeltaub R. PC-1 nucleoside triphosphate pyrophosphohydrolase deficiency in idiopathic infantile arterial calcification. Am J Pathol. Feb 2001, 158 (2): 543–54. PMC 1850320  . PMID 11159191. doi:10.1016/S0002-9440(10)63996-X.

拓展閱讀

Schröder HC, Kurz L, Muller WEG, Lorenz B. Polyphosphate in bone (PDF). Biochemistry (Moscow). Mar 2000, 65 (3): 296–303. （原始內容 (PDF)存檔於2011-08-25）.

外部連結

醫學主題詞表（MeSH）：焦磷酸鹽

[1] 李俊旭. 神經毒氣:毒扁豆也瘋狂. 中國新聞周刊. 2013-09. 2013(36). 86

[inorg04-2] 2.0 ^2.1 ^2.2 ^2.3 ^2.4 張青蓮. 无机化学丛书第四卷. 1995-01-01. ISBN 9787030305480.

[3] C.Michael Hogan. 2011. Phosphate. Encyclopedia of Earth. Topic ed. Andy Jorgensen. Ed.-in-Chief C.J.Cleveland. National Council for Science and the Environment. Washington DC （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）

[inorg-4] 4.0 ^4.1 吳國慶等. 无机化学 (第四版). 2002-08 [2014-07-05]. ISBN 9787040115833.

[5] 韩敏义, 李巧玲, 陈红叶. 复合磷酸盐在食品中的应用. 中国食品添加剂. 2004 (3). (PDF). [2014-07-05]. （原始內容 (PDF)存檔於2016-03-04）.

[6] 王秀霞等. 多聚磷酸盐对猪肉丸质构特性的影响研究. 肉类工业. 2006 (3). 17.. [2014-07-05]. （原始內容存檔於2021-04-11）.

[7] 彭永, 左都华, 邓小兵, 赵乾康, 向莉. 磷酸盐工业. 2005.. [2014-07-05]. （原始內容存檔於2021-04-11）.

[Huebner-8] Huebner PWA, Milburn RM. Hydrolysis of pyrophosphate to orthophosphate promoted by cobalt(III). Evidence for the role of polynuclear species. Inorg Chem. May 1980, 19 (5): 1267–72. doi:10.1021/ic50207a032.

[Ho-9] 9.0 ^9.1 Ho AM, Johnson MD, Kingsley DM. Role of the mouse ank gene in control of tissue calcification and arthritis. Science. Jul 2000, 289 (5477): 265–70. PMID 10894769. doi:10.1126/science.289.5477.265.

[Rutsch-10] 10.0 ^10.1 ^10.2 Rutsch F, Vaingankar S, Johnson K, Goldfine I, Maddux B, Schauerte P, Kalhoff H, Sano K, Boisvert WA, Superti-Furga A, Terkeltaub R. PC-1 nucleoside triphosphate pyrophosphohydrolase deficiency in idiopathic infantile arterial calcification. Am J Pathol. Feb 2001, 158 (2): 543–54. PMC 1850320  . PMID 11159191. doi:10.1016/S0002-9440(10)63996-X.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]