stringtranslate.com

Хелатирование

Хелатирование — это тип связывания ионов и их молекул с ионами металлов. Оно включает в себя образование или наличие двух или более отдельных координационных связей между полидентатным (множественно связанным) лигандом и одним центральным атомом металла. [1] [2] Эти лиганды называются хелантами, хелаторами, хелатирующими агентами или секвестрирующими агентами. Обычно это органические соединения , но это не обязательно.

Слово хелатирование происходит от греческого χηλή, chēlē , что означает «клешня»; лиганды располагаются вокруг центрального атома, как клешни краба . Термин хелат был впервые применен в 1920 году сэром Гилбертом Т. Морганом и HDK Drew, которые заявили: «Прилагательное хелат, происходящее от большой клешни или chele (греч.) краба или других ракообразных, предлагается для групп, похожих на суппорт, которые функционируют как две ассоциированные единицы и прикрепляются к центральному атому, образуя гетероциклические кольца». [3]

Хелатирование полезно в таких областях, как обеспечение пищевыми добавками, хелатная терапия для удаления токсичных металлов из организма, в качестве контрастных агентов при МРТ-сканировании , в производстве с использованием гомогенных катализаторов , в химической очистке воды для содействия удалению металлов и в удобрениях .

Хелатный эффект

Лиганд этилендиамина, хелатирующий металл с 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 контрастным сродством меди (II) к этилендиамину (en) и метиламину .

В ( 1 ) этилендиамин образует хелатный комплекс с ионом меди. Хелатирование приводит к образованию пятичленного кольца CuC2N2 . В ( 2 ) бидентатный лиганд заменяется двумя монодентатными метиламиновыми лигандами примерно одинаковой донорной способности, что указывает на то, что связи Cu– N примерно одинаковы в двух реакциях.

Термодинамический подход к описанию хелатного эффекта учитывает константу равновесия реакции: чем больше константа равновесия, тем выше концентрация комплекса.

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

Константа равновесия K связана со стандартной свободной энергией Гиббса соотношением

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

Поскольку энтальпия должна быть приблизительно одинаковой для двух реакций, разница между двумя константами устойчивости обусловлена ​​эффектами энтропии. В уравнении ( 1 ) есть две частицы слева и одна справа, тогда как в уравнении ( 2 ) есть три частицы слева и одна справа. Эта разница означает, что меньше энтропии беспорядка теряется при образовании хелатного комплекса с бидентатным лигандом, чем при образовании комплекса с монодентатными лигандами. Это один из факторов, способствующих разнице энтропии. Другие факторы включают изменения сольватации и образование кольца. Некоторые экспериментальные данные, иллюстрирующие эффект, показаны в следующей таблице. [4]

Эти данные подтверждают, что изменения энтальпии приблизительно равны 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 в терминах изменений в растворе на молекулярном уровне, но ясно, что хелатный эффект является преимущественно эффектом энтропии.

Другие объяснения, включая объяснение Шварценбаха [5], обсуждаются в работах Гринвуда и Эрншоу ( см. выше ).

В природе

Многочисленные биомолекулы проявляют способность растворять определенные катионы металлов . Таким образом, белки , полисахариды и полинуклеиновые кислоты являются превосходными полидентатными лигандами для многих ионов металлов. Органические соединения, такие как аминокислоты глутаминовая кислота и гистидин , органические дикислоты, такие как малат , и полипептиды, такие как фитохелатин, также являются типичными хелаторами. В дополнение к этим дополнительным хелаторам, несколько биомолекул специально производятся для связывания определенных металлов (см. следующий раздел). [6] [7] [8] [9]

Практически все металлоферменты содержат металлы, которые хелатируются, обычно с пептидами или кофакторами и простетическими группами. [9] Такие хелатирующие агенты включают порфириновые кольца в гемоглобине и хлорофилле . Многие виды микроорганизмов производят водорастворимые пигменты, которые служат хелатирующими агентами, называемыми сидерофорами . Например, известно, что виды Pseudomonas секретируют пиохелин и пиовердин , которые связывают железо. Энтеробактин , вырабатываемый E. coli , является самым сильным известным хелатирующим агентом. Морские мидии используют хелатирование металлов, особенно хелатирование Fe 3+ с остатками ДОФА в белке-1 мидии, чтобы улучшить прочность нитей, которые они используют для закрепления на поверхностях. [10] [11] [12]

В науке о Земле химическое выветривание приписывается органическим хелатирующим агентам (например, пептидам и сахарам ), которые извлекают ионы металлов из минералов и горных пород. [13] Большинство металлических комплексов в окружающей среде и в природе связаны в какой-либо форме хелатного кольца (например, с гуминовой кислотой или белком). Таким образом, хелаты металлов имеют отношение к мобилизации металлов в почве , поглощению и накоплению металлов в растениях и микроорганизмах . Избирательное хелатирование тяжелых металлов имеет отношение к биоремедиации (например, удалению 137 Cs из радиоактивных отходов ). [14]

Приложения

Добавки к корму для животных

Синтетические хелаты, такие как этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА), оказались слишком стабильными и не пригодными для питания. Если минерал был взят из лиганда ЭДТА, лиганд не мог быть использован организмом и был бы выведен. В процессе выведения лиганд ЭДТА случайным образом хелатировал и вымывал другие минералы из организма. [15] По данным Ассоциации американских должностных лиц по контролю за кормами (AAFCO), хелат металла и аминокислоты определяется как продукт, полученный в результате реакции ионов металла из растворимой соли металла с аминокислотами, с молярным соотношением в диапазоне 1–3 (предпочтительно 2) моль аминокислот на один моль металла. [ необходима цитата ] Средний вес гидролизованных аминокислот должен быть приблизительно 150, а полученный молекулярный вес хелата не должен превышать 800  Да . [ необходима цитата ] С момента ранней разработки этих соединений было проведено гораздо больше исследований, и они были применены к продуктам питания человека аналогично экспериментам по питанию животных, которые стали пионерами этой технологии. Бис-глицинат железа является примером одного из таких соединений, которое было разработано для питания человека. [16]

Использование в стоматологии

Дентиновые адгезивы были впервые разработаны и произведены в 1950-х годах на основе сомономерного хелата с кальцием на поверхности зуба и создавали очень слабую водостойкую химическую связь (2–3 МПа). [17]

Хелатная терапия

Хелатная терапия является противоядием при отравлении ртутью , мышьяком и свинцом . Хелатирующие агенты преобразуют эти ионы металлов в химически и биохимически инертную форму, которая может выводиться из организма. Хелатирование с использованием динатриевой соли кальция ЭДТА было одобрено Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) для серьезных случаев отравления свинцом . Оно не одобрено для лечения « токсичности тяжелых металлов ». [18] Хотя использование динатриевой соли ЭДТА (динатриевой соли эдетата) вместо динатриевой соли кальция ЭДТА полезно в случаях серьезного отравления свинцом, оно привело к летальным исходам из-за гипокальциемии . [19] Динатриевая соль ЭДТА не одобрена FDA для любого использования, [18] и все одобренные FDA продукты хелатной терапии требуют рецепта. [20]

Контрастные вещества

Хелатные комплексы гадолиния часто используются в качестве контрастных агентов при МРТ-сканировании , хотя также были исследованы комплексы хелатов частиц железа и марганца . [21] [22] Бифункциональные хелатные комплексы циркония , галлия , фтора , меди , иттрия , брома или йода часто используются для конъюгации с моноклональными антителами для использования в ПЭТ-визуализации на основе антител . [23] Эти хелатные комплексы часто используют использование гексадентатных лигандов , таких как десферриоксамин B (DFO), согласно Мейсу и др. , [24] , а комплексы гадолиния часто используют использование октадентатных лигандов, таких как DTPA, согласно Дезре и др . [25] Ауранофин , хелатный комплекс золота , используется при лечении ревматоидного артрита, а пеницилламин , который образует хелатные комплексы меди , используется при лечении болезни Вильсона и цистинурии , а также рефрактерного ревматоидного артрита. [26] [27]

Пищевые преимущества и проблемы

Хелатирование в кишечном тракте является причиной многочисленных взаимодействий между лекарственными средствами и ионами металлов (также известными как « минералы » в питании). Например, антибиотики семейства тетрациклинов и хинолонов являются хелаторами ионов Fe 2+ , Ca 2+ и Mg 2+ . [28] [29]

ЭДТА, которая связывается с кальцием, используется для облегчения гиперкальциемии , которая часто является результатом полосчатой ​​кератопатии . Затем кальций может быть удален из роговицы , что позволяет пациенту немного улучшить ясность зрения. [ необходима цитата ]

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

Очистка и смягчение воды

Хелатирующий агент является основным компонентом некоторых составов для удаления ржавчины. Лимонная кислота используется для смягчения воды в мыле и стиральных порошках . Распространенным синтетическим хелатором является ЭДТА . Фосфонаты также являются хорошо известными хелатирующими агентами. Хелаторы используются в программах очистки воды и, в частности, в паровой технике. [ необходима цитата ] Хотя обработку часто называют «смягчением», хелатирование мало влияет на содержание минералов в воде, за исключением того, что оно делает ее растворимой и снижает уровень pH воды .

Удобрения

Металлические хелатные соединения являются обычными компонентами удобрений для обеспечения микроэлементами. Эти микроэлементы (марганец, железо, цинк, медь) необходимы для здоровья растений. Большинство удобрений содержат фосфатные соли, которые при отсутствии хелатирующих агентов обычно преобразуют эти ионы металлов в нерастворимые твердые вещества, которые не представляют никакой питательной ценности для растений. ЭДТА является типичным хелатирующим агентом, который сохраняет эти ионы металлов в растворимой форме. [30]

Экономическая ситуация

Из-за их широкой потребности общий рост хелатирующих агентов составлял 4% в год в период 2009–2014 гг. [31] , и эта тенденция, вероятно, будет увеличиваться. Хелаторы на основе аминополикарбоновых кислот являются наиболее широко потребляемыми хелатирующими агентами; однако процент более экологичных альтернативных хелаторов в этой категории продолжает расти. [32] Потребление традиционных хелаторов на основе аминополикарбоксилатов, в частности ЭДТА ( этилендиаминтетрауксусной кислоты ) и НТА ( нитрилотриуксусной кислоты ), снижается (-6% в год) из-за сохраняющихся опасений по поводу их токсичности и негативного воздействия на окружающую среду. [31] В 2013 году эти более экологичные альтернативные хелаторы составляли приблизительно 15% от общего спроса на аминополикарбоновые кислоты. Ожидается, что к 2018 году этот показатель вырастет примерно до 21%, заменив аминофосфоновые кислоты, используемые в чистящих средствах. [33] [32] [31] Примерами некоторых более экологичных альтернативных хелатирующих агентов являются этилендиаминдиянтарная кислота (EDDS), полиаспарагиновая кислота (PASA), метилглициндиуксусная кислота (MGDA), глутаминовая диуксусная кислота (L-GLDA), цитрат , глюконовая кислота , аминокислоты, растительные экстракты и т. д. [32] [34]

Обратный ход

Дехелатирование (или дехелатирование) представляет собой обратный процесс хелатирования, при котором хелатирующий агент восстанавливается путем подкисления раствора минеральной кислотой с образованием осадка. [35] : 7 

Смотрите также

Ссылки

 В данной статье использован текст Кааны Асемаве, доступный по лицензии CC BY 4.0.

  1. ^ Определение хелатирования по ИЮПАК.
  2. ^ Латинское chela , от греческого, обозначает коготь.
  3. ^ Morgan GT, Drew HD (1920). "CLXII.—Исследования остаточного сродства и координации. Часть II. Ацетилацетоны селена и теллура". Журнал химического общества, Труды . 117 : 1456–65. doi :10.1039/ct9201701456.
  4. ^ Гринвуд НН , Эрншоу А (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . стр. 910. ISBN 978-0-08-037941-8.
  5. ^ Шварценбах Г (1952). «Der Chelateffekt» [Эффект хелатирования]. Helvetica Chimica Acta (на немецком языке). 35 (7): 2344–59. дои : 10.1002/hlca.19520350721.
  6. ^ Krämer U, Cotter-Howells JD, Charnock JM, Baker AJ, Smith JA (1996). «Свободный гистидин как хелатор металлов в растениях, которые накапливают никель». Nature . 379 (6566): 635–8. Bibcode :1996Natur.379..635K. doi :10.1038/379635a0. S2CID  4318712.
  7. ^ Magalhaes JV (июнь 2006 г.). «Гены толерантности к алюминию сохраняются у однодольных и двудольных растений». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (26): 9749–50. Bibcode : 2006PNAS..103.9749M. doi : 10.1073/pnas.0603957103 . PMC 1502523. PMID  16785425 . 
  8. ^ Ha SB, Smith AP, Howden R, Dietrich WM, Bugg S, O'Connell MJ, Goldsbrough PB, Cobbett CS (июнь 1999 г.). «Гены фитохелатинсинтазы из Arabidopsis и дрожжей Schizosaccharomyces pombe». The Plant Cell . 11 (6): 1153–64. doi :10.1105/tpc.11.6.1153. PMC 144235. PMID  10368185 . 
  9. ^ ab Lippard SJ, Berg JM (1994). Принципы бионеорганической химии . Mill Valley, CA: University Science Books. ISBN 978-0-935702-73-6.. [ нужна страница ]
  10. ^ Das S, Miller DR, Kaufman Y, Martinez Rodriguez NR, Pallaoro A, Harrington MJ, Gylys M, Israelachvili JN, Waite JH (март 2015 г.). «Жесткие белки покрытия: тонкие вариации последовательностей модулируют сплоченность». Biomacromolecules . 16 (3): 1002–8. doi :10.1021/bm501893y. PMC 4514026 . PMID  25692318. 
  11. ^ Harrington MJ, Masic A, Holten-Andersen N, Waite JH, Fratzl P (апрель 2010 г.). «Железные волокна: биологическая стратегия на основе металла для жестких гибких покрытий». Science . 328 (5975): 216–20. Bibcode :2010Sci...328..216H. doi :10.1126/science.1181044. PMC 3087814 . PMID  20203014. 
  12. ^ Das S, Martinez Rodriguez NR, Wei W, Waite JH, Israelachvili JN (сентябрь 2015 г.). «Длина пептида и ДОФА определяют опосредованную железом когезию белков ног мидий». Advanced Functional Materials . 25 (36): 5840–5847. doi :10.1002/adfm.201502256. PMC 5488267 . PMID  28670243. 
  13. ^ Пидвирни М. «Введение в литосферу: выветривание». Университет Британской Колумбии, Оканаган.
  14. ^ Прасад М (2001). Металлы в окружающей среде: анализ по биоразнообразию . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Марсель Деккер. ISBN 978-0-8247-0523-7.[ нужна страница ]
  15. ^ Эшмид HD (1993). Роль аминокислотных хелатов в питании животных . Westwood: Noyes Publications.[ нужна страница ]
  16. ^ "Albion Ferrochel Website". Albion Laboratories, Inc. Архивировано из оригинала 3 сентября 2011 г. Получено 12 июля 2011 г.
  17. ^ Anusavice KJ (2012-09-27). "Глава 12: Связывание и связующие агенты". Phillips' Science of Dental Materials (12-е изд.). Elsevier Health. стр. 257–268. ISBN 978-1-4377-2418-9. OCLC  785080357.
  18. ^ ab "FDA выпускает предупреждение о хелатной терапии". 26 сентября 2008 г. Получено 14 мая 2016 г.
  19. ^ Центры по контролю и профилактике заболеваний (CDC) (март 2006 г.). «Смерти, связанные с гипокальциемией от хелаторной терапии — Техас, Пенсильвания и Орегон, 2003–2005 гг.». MMWR. Еженедельный отчет о заболеваемости и смертности . 55 (8): 204–7. PMID  16511441.
  20. ^ «Вопросы и ответы по неодобренным продуктам хелатирования». FDA . 2 февраля 2016 г. Получено 14 мая 2016 г.
  21. ^ Caravan P, Ellison JJ, McMurry TJ, Lauffer RB (сентябрь 1999 г.). «Хелаты гадолиния (III) как контрастные агенты для МРТ: структура, динамика и применение». Chemical Reviews . 99 (9): 2293–352. doi :10.1021/cr980440x. PMID  11749483.
  22. ^ Pan D, Schmieder AH, Wickline SA, Lanza GM (ноябрь 2011 г.). «Контрастные агенты для МРТ на основе марганца: прошлое, настоящее и будущее». Tetrahedron . 67 (44): 8431–8444. doi :10.1016/j.tet.2011.07.076. PMC 3203535 . PMID  22043109. 
  23. ^ Восян М.Дж., Перк Л.Р., Виссер Г.В., Бадде М., Юрек П., Кифер Г.Е., ван Донген Г.А. (апрель 2010 г.). «Конъюгация и радиоактивное мечение моноклональных антител цирконием-89 для ПЭТ-визуализации с использованием бифункционального хелата п-изотиоцианатобензил-десферриоксамина». Протоколы природы . 5 (4): 739–43. дои : 10.1038/nprot.2010.13. PMID  20360768. S2CID  5087493.
  24. ^ Прайс, Эрик В.; Орвиг, Крис (2014-01-07). «Соответствие хелаторов радиометаллам для радиофармацевтических препаратов». Chemical Society Reviews . 43 (1): 260–290. doi :10.1039/c3cs60304k. ISSN  1460-4744. PMID  24173525.
  25. ^ Parac-Vogt, Tatjana N.; Kimpe, Kristof; Laurent, Sophie; Vander Elst, Luce; Burtea, Carmen; Chen, Feng; Muller, Robert N.; Ni, Yicheng; Verbruggen, Alfons (2005-05-06). "Синтез, характеристика и фармакокинетическая оценка потенциального контрастного агента для МРТ, содержащего два парамагнитных центра со сродством к связыванию альбумина". Chemistry: A European Journal . 11 (10): 3077–3086. doi :10.1002/chem.200401207. ISSN  0947-6539. PMID  15776492.
  26. ^ Kean WF, Hart L, Buchanan WW (май 1997 г.). «Ауранофин». British Journal of Rheumatology . 36 (5): 560–72. doi : 10.1093/rheumatology/36.5.560 . PMID  9189058.
  27. ^ Wax PM (декабрь 2013 г.). «Текущее использование хелатирования в американском здравоохранении». Журнал медицинской токсикологии . 9 (4): 303–307. doi :10.1007/s13181-013-0347-2. PMC 3846961. PMID  24113860 . 
  28. ^ Кэмпбелл NR, Хасинофф BB (март 1991). «Добавки железа: частая причина взаимодействия лекарств». British Journal of Clinical Pharmacology . 31 (3): 251–5. doi :10.1111/j.1365-2125.1991.tb05525.x. PMC 1368348. PMID  2054263 . 
  29. ^ Lomaestro BM, Bailie GR (май 1995 г.). «Взаимодействие при абсорбции с фторхинолонами. Обновление 1995 г.». Drug Safety . 12 (5): 314–33. doi :10.2165/00002018-199512050-00004. PMID  7669261. S2CID  2006138.
  30. ^ Hart JR (2011). "Этилендиаминтетрауксусная кислота и родственные хелатирующие агенты". Энциклопедия промышленной химии Ульмана . doi :10.1002/14356007.a10_095.pub2. ISBN 978-3527306732.
  31. ^ abc (2013) IHS Chemical, Chemical Insight and Forecasting: Хелатирующие агенты.
  32. ^ abc Dixon NJ (2012) Более экологичные хелатирующие агенты, в Справочнике по зеленой химии: Разработка более безопасных химикатов. Wiley 9: 281-307.
  33. ^ Колодинская Д. (2011) Хелатирующие агенты нового поколения как альтернатива обычным хелаторам для удаления ионов тяжелых металлов из различных сточных вод. В Expanding Issues in Desalination, стр. 339-370.
  34. ^ Колодинская Д (2013) Применение нового поколения комплексообразователей для удаления ионов тяжелых металлов из различных отходов. Env Sci Pollut Res 20: 5939-5949.
  35. ^ Рычковский, Януш (2019). «ЭДТА – синтез и избранные применения». Annales Universitatis Марии Кюри-Склодовской . 74 . ISSN  2083-358X.

Внешние ссылки