Хелатирование - Chelation

Хелаты / к я ˌ л ʃ ə н / представляет собой тип связывания ионов и молекул на ионы металлов. Он включает образование или наличие двух или более отдельных координационных связей между полидентатным (многосвязным) лигандом и одним центральным атомом металла. Эти лиганды называются хелатирующими агентами, хелатирующими агентами, хелатирующими агентами или связывающими агентами. Обычно это органические соединения , но в этом нет необходимости, как в случае цинка и его использования в качестве поддерживающей терапии для предотвращения абсорбции меди у людей с болезнью Вильсона .

Хелатирование полезно в таких приложениях, как обеспечение пищевых добавок, хелатная терапия для удаления токсичных металлов из организма, в качестве контрастных агентов при сканировании МРТ , в производстве с использованием гомогенных катализаторов , в химической очистке воды для удаления металлов и в удобрениях. .

Хелатный эффект

Этилендиаминный лиганд, образующий хелат с металлом двумя связями
Комплексы Cu 2+ с нехелатирующими метиламиновыми (слева) и хелатирующими этилендиаминовыми (справа) лигандами

Хелатный эффект заключается в большем сродстве хелатирующих лигандов к иону металла, чем у аналогичных нехелатирующих (монодентатных) лигандов к тому же металлу.

Термодинамические принципы, лежащие в основе хелатного эффекта, иллюстрируются контрастирующим сродством меди (II) к этилендиамину (en) по сравнению с метиламином .

Cu 2+ + en ⇌ [Cu (en)] 2+

 

 

 

 

( 1 )

Cu 2+ + 2 MeNH 2 ⇌ [Cu (MeNH 2 ) 2 ] 2+

 

 

 

 

( 2 )

В ( 1 ) этилендиамин образует хелатный комплекс с ионом меди. Хелатирование приводит к образованию пятичленного кольца CuC 2 N 2 . В ( 2 ) бидентатный лиганд заменен двумя монодентатными метиламиновыми лигандами примерно с одинаковой донорной способностью, что указывает на то, что связи Cu – N примерно одинаковы в двух реакциях.

Термодинамический подход к описанию хелатного эффекта считает , что константа равновесия для реакции: чем больше константа равновесия, тем выше концентрация комплекса.

[Cu (en)] = β 11 [Cu] [en]

 

 

 

 

( 3 )

[Cu (MeNH 2 ) 2 ] = β 12 [Cu] [MeNH 2 ] 2

 

 

 

 

( 4 )

Электрические заряды опущены для простоты обозначений. Квадратные скобки указывают концентрацию, а нижние индексы констант стабильности β указывают стехиометрию комплекса. Когда аналитическая концентрация метиламина вдвое больше, чем у этилендиамина и концентрация меди одинакова в обеих реакциях, концентрация [Cu (en)] намного выше, чем концентрация [Cu (MeNH 2 ) 2 ], поскольку β 11 β 12 .

Константа равновесия, К , относится к стандартной свободной энергии Гиббса , путем

где R - газовая постоянная, а T - температура в градусах Кельвина . - стандартное изменение энтальпии реакции и - стандартное изменение энтропии .

Поскольку энтальпия должна быть примерно одинаковой для двух реакций, разница между двумя константами устойчивости обусловлена ​​эффектами энтропии. В уравнении ( 1 ) две частицы слева и одна справа, тогда как в уравнении ( 2 ) три частицы слева и одна справа. Это различие означает, что при образовании хелатного комплекса с бидентатным лигандом теряется меньшая энтропия беспорядка, чем при образовании комплекса с монодентатными лигандами. Это один из факторов, влияющих на разницу энтропии. Другие факторы включают изменения сольватации и образование кольца. Некоторые экспериментальные данные, иллюстрирующие эффект, показаны в следующей таблице.

Равновесие журнал β
Cu 2+ + 2 MeNH 2 ⇌ Cu (MeNH 2 ) 2 2+ 6.55 −37,4 -57,3 19,9
Cu 2+ + en ⇌ Cu (en) 2+ 10,62 -60,67 -56,48 -4,19

Эти данные подтверждают, что изменения энтальпии примерно одинаковы для двух реакций и что основной причиной большей стабильности хелатного комплекса является энтропийный член, который гораздо менее неблагоприятен. В общем, трудно точно учесть термодинамические значения с точки зрения изменений в растворе на молекулярном уровне, но ясно, что хелатный эффект является преимущественно эффектом энтропии.

Другие объяснения, в том числе объяснения Шварценбаха , обсуждаются в Greenwood and Earnshaw ( loc.cit ).

В природе

Многие биомолекулы обладают способностью растворять катионы определенных металлов . Таким образом, белки , полисахариды и полинуклеиновые кислоты являются отличными полидентатными лигандами для многих ионов металлов. Органические соединения, такие как аминокислоты глутаминовая кислота и гистидин , органические двухосновные кислоты , такие как малат , и полипептиды, такие как фитохелатин , также являются типичными хелаторами. В дополнение к этим дополнительным хелаторам, несколько биомолекул специально продуцируются для связывания определенных металлов (см. Следующий раздел).

В биохимии и микробиологии

Практически все металлоферменты содержат металлы, которые хелатированы, обычно с пептидами или кофакторами и простетическими группами. Такие хелатирующие агенты включают порфириновые кольца в гемоглобине и хлорофилле . Многие виды микробов производят водорастворимые пигменты, которые служат хелатирующими агентами, называемыми сидерофорами . Например, известно, что виды Pseudomonas секретируют пиохелин и пиовердин , связывающие железо. Энтеробактин , продуцируемый E. coli , является сильнейшим известным хелатирующим агентом. Морские мидии используют хелатирующие металлы, особенно. Хелатирование Fe 3+ с остатками Dopa в протеине-1 мидийной стопы для повышения прочности нитей, которые они используют для прикрепления к поверхностям.

В геологии

В науках о Земле химическое выветривание приписывают органическим хелатирующим агентам (например, пептидам и сахарам ), которые извлекают ионы металлов из минералов и горных пород. Большинство комплексов металлов в окружающей среде и в природе связаны в той или иной форме хелатного кольца (например, с гуминовой кислотой или белком). Таким образом, хелаты металлов имеют отношение к мобилизации металлов в почве , поглощение и накопление металлов в растения и микроорганизмы . Селективное хелатирование тяжелых металлов имеет отношение к биоремедиации (например, удалению 137 Cs из радиоактивных отходов).

Медицинские приложения

Пищевые добавки

В 1960-х годах ученые разработали концепцию хелатирования иона металла перед тем, как скармливать этот элемент животному. Они полагали, что это создаст нейтральное соединение, защищающее минерал от образования комплексов с нерастворимыми солями в желудке, что сделало бы металл недоступным для абсорбции. Аминокислоты, являющиеся эффективными связующими с металлами, были выбраны в качестве предполагаемых лигандов, и были проведены исследования комбинаций металл-аминокислота. Исследования подтвердили, что хелаты металл-аминокислота способны увеличивать усвоение минералов.

В этот период разрабатывались синтетические хелаты, такие как этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА). Они применили ту же концепцию хелатирования и создали хелатные соединения; но эти синтетические материалы были слишком стабильны и не питательны. Если бы минерал был взят из лиганда EDTA, лиганд не мог бы использоваться организмом и был бы изгнан. Во время процесса изгнания лиганд EDTA произвольно хелатировал и лишал организм другого минерала.

По данным Ассоциации американских чиновников по контролю кормов (AAFCO), хелат металл-аминокислота определяется как продукт, образующийся в результате реакции ионов металла из растворимой соли металла с аминокислотами с мольным соотношением в диапазоне 1– 3 (предпочтительно 2) моля аминокислот на один моль металла. Средняя масса гидролизованных аминокислот должна составлять приблизительно 150, а результирующая молекулярная масса хелата не должна превышать 800 Да .

С самого начала разработки этих соединений было проведено гораздо больше исследований, и они были применены к продуктам питания человека аналогично экспериментам по питанию животных, в которых впервые появилась эта технология. Бис-глицинат железа является примером одного из этих соединений, разработанных для питания человека.

Стоматологическое и оральное применение

Дентиновые адгезивы были впервые разработаны и произведены в 1950-х годах на основе хелата сомономера с кальцием на поверхности зуба и образовали очень слабую водостойкую химическую связь (2–3 МПа).

Детоксикация от тяжелых металлов

Хелатотерапия - это противоядие от отравлений ртутью , мышьяком и свинцом . Хелатирующие агенты превращают ионы этих металлов в химически и биохимически инертную форму, которая может выводиться из организма. Хелатирование с использованием динатрия кальция EDTA было одобрено Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) для серьезных случаев отравления свинцом. Он не одобрен для лечения «отравления тяжелыми металлами».

Хотя это полезно в случаях серьезного отравления свинцом, использование динатрия ЭДТА (динатрия эдетата) вместо ЭДТА динатрия кальция привело к летальному исходу из-за гипокальциемии . Динатрий ЭДТА не одобрен FDA для любого использования, и все продукты хелатной терапии, одобренные FDA, требуют рецепта.

Фармацевтические препараты

Хелатные комплексы гадолиния часто используются в качестве контрастных агентов при МРТ-сканировании , хотя также изучались хелатные комплексы частиц железа и марганца . Бифункциональные хелатные комплексы циркония , галлия , фтора , меди , иттрия , брома или йода часто используются для конъюгации с моноклональными антителами для использования в визуализации ПЭТ на основе антител . В этих хелатных комплексах часто используются гексадентатные лиганды, такие как десфериоксамин B (DFO), согласно Meijs et al. , а комплексы гадолиния часто используют октадентатные лиганды, такие как DTPA, согласно Desreux et al . Ауранофин , хелатный комплекс золота , используется при лечении ревматоидного артрита, а пеницилламин , образующий хелатные комплексы меди , используется при лечении болезни Вильсона и цистинурии , а также рефрактерного ревматоидного артрита.

Другие медицинские приложения

Хелатирование в кишечном тракте является причиной многочисленных взаимодействий между лекарствами и ионами металлов (также известными как « минералы » в питании). В качестве примеров, антибиотические препараты этих тетрациклина и хинолонов семей Хелаторы Fe 2+ , Са 2+ и Mg 2+ ионов.

ЭДТА, которая связывается с кальцием, используется для облегчения гиперкальциемии, которая часто возникает в результате ленточной кератопатии . Затем кальций может быть удален из роговицы , что позволяет улучшить четкость зрения пациента.

Промышленное и сельскохозяйственное применение

Катализ

Гомогенные катализаторы часто представляют собой хелатные комплексы. Типичным примером является использование BINAP (бидентатного фосфина ) в асимметричном гидрировании Нойори и асимметричной изомеризации. Последний имеет практическое применение в производстве синтетического (-) - ментола .

Умягчение воды

Лимонная кислота используется для смягчения воды в мыле и средствах для стирки . Обычным синтетическим хелатором является ЭДТА . Фосфонаты также являются хорошо известными хелатирующими агентами. Хелаторы используются в программах очистки воды и, в частности, в паровой технике , например , в системе очистки котловой воды : Система очистки воды Chelant. Хотя лечение часто называют «умягчением», хелатирование мало влияет на содержание минералов в воде, кроме как делает ее растворимой и снижает уровень pH воды .

Удобрения

Хелатные соединения металлов являются обычными компонентами удобрений и обеспечивают их питательными микроэлементами. Эти микроэлементы (марганец, железо, цинк, медь) необходимы для здоровья растений. Большинство удобрений содержат фосфатные соли, которые в отсутствие хелатирующих агентов обычно превращают ионы этих металлов в нерастворимые твердые вещества, не имеющие питательной ценности для растений. ЭДТА является типичным хелатирующим агентом, который удерживает эти ионы металлов в растворимой форме.

Этимология

Слово «хелат» происходит от греческого χηλή, chēlē , что означает «коготь»; лиганды лежат вокруг центрального атома, как клешни омара . Термин хелат впервые был применен в 1920 году сэр Гилберт Т. Моргана и HDK Дрю, который заявил: «Прилагательное хелат, полученных от большого когтя или челе ( греческий ) из лобстера или других ракообразных, предлагается для caliperlike групп, функционируют как две связывающие единицы и прикрепляются к центральному атому с образованием гетероциклических колец ».

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

  • Словарное определение хелата в Викисловаре