Хелатирование – это тип связывания ионов и молекул с ионами металлов. Он предполагает образование или наличие двух или более отдельных координатных связей между полидентатным (многосвязанным) лигандом и одним центральным атомом металла. [1] [2] Эти лиганды называются хелантами, хелаторами, хелатирующими агентами или изолирующими агентами. Обычно это органические соединения , но это не обязательно.
Слово хелатирование происходит от греческого χηλή, chēlē , что означает «коготь»; лиганды лежат вокруг центрального атома, как клешни краба . Термин «хелат» впервые был применен в 1920 году сэром Гилбертом Т. Морганом и HDK Дрю, которые заявили: «Прилагательное хелат, происходящее от большой клешни или челе ( греческого ) краба или других ракообразных, предлагается для групп, похожих на суппорты, которые функционируют как две ассоциированные единицы и присоединяются к центральному атому, образуя гетероциклические кольца». [3]
Хелатирование полезно в таких приложениях, как предоставление пищевых добавок, хелатная терапия для удаления токсичных металлов из организма, в качестве контрастных веществ при сканировании МРТ , в производстве с использованием гомогенных катализаторов , в химической очистке воды для удаления металлов и в удобрениях. .
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 противоположным сродством меди (II) к этилендиамину (эн) по сравнению с метиламином .
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 одинаковой донорной силы, что указывает на то, что связи Cu–N примерно одинаковы в обеих реакциях.
Термодинамический подход к описанию хелатного эффекта учитывает константу равновесия реакции: чем больше константа равновесия, тем выше концентрация комплекса.
Электрические заряды опущены для простоты обозначений. Квадратные скобки указывают концентрацию, а индексы у констант устойчивости β указывают на стехиометрию комплекса. Когда аналитическая концентрация метиламина в два раза превышает концентрацию этилендиамина, а концентрация меди одинакова в обеих реакциях, концентрация [Cu(en)] значительно превышает концентрацию [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 Кельвинах . – стандартное изменение энтальпии реакции, – стандартное изменение энтропии .
Поскольку энтальпия для двух реакций должна быть примерно одинаковой, разница между двумя константами стабильности обусловлена влиянием энтропии. В уравнении ( 1 ) есть две частицы слева и одна справа, тогда как в уравнении ( 2 ) есть 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, способствующих разнице энтропии. Другие факторы включают изменения сольватации и образование колец. Некоторые экспериментальные данные, иллюстрирующие эффект, показаны в следующей таблице. [4]
Эти данные подтверждают, что изменения энтальпии для обеих реакций примерно одинаковы и что основной причиной большей устойчивости хелатного комплекса является энтропийный член, который гораздо менее неблагоприятен. В целом трудно точно объяснить термодинамические величины с точки зрения изменений раствора на молекулярном уровне, но ясно, что хелатный эффект является преимущественно эффектом энтропии.
Другие объяснения, в том числе объяснение Шварценбаха [5] , обсуждаются у Гринвуда и Эрншоу ( loc.cit ).
Многие биомолекулы обладают способностью растворять катионы некоторых 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 двухкислотные кислоты, такие как малат , и полипептиды, такие как фитохелатин , также являются типичными хелаторами. Помимо этих дополнительных хелаторов, производятся несколько биомолекул, специально предназначенных 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 микробов производят водорастворимые пигменты, которые служат хелатирующими агентами, называемые сидерофорами . Например, известно, что виды Pseudomonas секретируют пиохелин и пиовердин , которые связывают железо. Энтеробактин , вырабатываемый кишечной палочкой , является самым сильным из известных хелатирующих агентов. Морские мидии используют хелатирование металлов, особенно. Хелатирование Fe 3+ с остатками дофа в белке-1 ножки мидий для повышения прочности нитей, которые они используют для прикрепления к поверхностям. [10] [11] [12]
В науках о Земле химическое выветривание связывают с органическими хелатирующими агентами (например, пептидами и сахарами ), которые извлекают ионы металлов из минералов и горных пород. [13] Большинство комплексов металлов в окружающей среде и 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 , поглощению и накоплению металлов растениями и микроорганизмами . Селективное хелатирование тяжелых металлов имеет отношение к биоремедиации (например, удалению 137 Cs из радиоактивных отходов ). [14]
В 1960-х годах ученые разработали концепцию хелатирования иона металла перед скармливанием этого элемента животному. Они считали, что это создаст нейтральное соединение, защищающее минерал от образования комплекса с нерастворимыми солями в желудке, что сделает металл недоступным для всасывания. В качестве перспективных лигандов были выбраны аминокислоты, являющиеся эффективными связующими металлов, и проведены исследования комбинаций металлов с аминокислотами. Исследования подтвердили, что хелаты металлов и аминокислот способны улучшать усвоение минералов. [ нужна цитация ] В этот период разрабатывались синтетические хелаты, такие как этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА). Они применили ту же концепцию хелатирования и действительно создали хелатные соединения; но эти синтетики были слишком стабильными и не пригодными для питания. Если бы минерал был взят из лиганда ЭДТА, лиганд не мог бы использоваться организмом и был бы выведен из организма. В процессе изгнания лиганд ЭДТА случайным образом хелатирует и выводит из организма другой минерал. [15] По данным Ассоциации американских чиновников по контролю за кормами (AAFCO), хелат металла и аминокислот определяется как продукт, образующийся в результате реакции ионов металла из растворимой соли металла с аминокислотами, с молярным соотношением в диапазоне на один моль металла приходится 1–3 (предпочтительно 2) моля аминокислот. [ нужна цитата ] Средний вес гидролизованных аминокислот должен составлять приблизительно 150, а результирующая молекулярная масса хелата не должна превышать 800 Да . [ нужна цитата ] С момента ранней разработки этих соединений было проведено гораздо больше исследований, которые применялись к продуктам питания человека аналогично экспериментам по питанию животных, которые стали пионерами этой технологии. Бис-глицинат железа является примером одного из этих соединений, разработанного для питания человека. [16]
Дентинные адгезивы были впервые разработаны и произведены в 1950-х годах на основе хелата сомономера с кальцием на поверхности зуба и создавали очень слабую водостойкую химическую связь (2–3 МПа). [17]
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 динатрия кальция ЭДТА было одобрено Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) для серьезных случаев отравления свинцом . Он не одобрен для лечения «токсичности тяжелых металлов». [18] Хотя использование динатрия ЭДТА (динатрия эдетат) полезно в случаях серьезного отравления свинцом, вместо динатрия кальция ЭДТА приводило к смертельным случаям из-за гипокальциемии . [19] Динатриевая ЭДТА не одобрена FDA для любого использования, [18] и все одобренные FDA продукты хелатной терапии требуют рецепта. [20]
Хелатные комплексы гадолиния часто используются в качестве контрастных веществ при МРТ , хотя также изучались хелатные комплексы 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] В этих хелатных комплексах часто используются гексадентатные лиганды , такие как десферриоксамин B (DFO), согласно Meijs et al. , [24] и в комплексах гадолиния часто используются октадентатные лиганды, такие как DTPA, согласно Desreux et al . [25] 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. [26] [27]
Хелатирование в кишечном тракте является причиной многочисленных взаимодействий между лекарствами и ионами металлов (также известных 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 возникает в результате ленточной кератопатии . Затем кальций можно удалить из роговицы , что позволяет пациенту немного повысить четкость зрения. [ нужна цитата ]
Гомогенные катализаторы часто представляют собой хелатные комплексы. Характерным примером является использование BINAP (бидентатного фосфина ) в асимметричном гидрировании и асимметричной изомеризации Нойори. Последний имеет практическое применение при производстве синтетического (–)-ментола .
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 особенно в паровой технике. [ нужна цитата ] Хотя обработку часто называют «смягчением», хелатирование мало влияет на содержание минералов в воде, за исключением того, что она делает ее растворимой и снижает уровень pH воды .
Металлохелатные соединения являются обычными компонентами удобрений, обеспечивающими микроэлементы. Эти микроэлементы (марганец, железо, цинк, медь) необходимы для здоровья растений. Большинство удобрений содержат фосфатные соли, которые в отсутствие хелатирующих агентов обычно превращают ионы металлов в нерастворимые твердые вещества, не имеющие питательной ценности для растений. ЭДТА является типичным хелатирующим агентом, который удерживает ионы металлов в растворимой форме. [30]
Хелатирующий агент является основным компонентом некоторых составов для удаления ржавчины.
Дехелатирование (или дехелатирование) представляет собой процесс, обратный хелатированию, при котором хелатирующий агент восстанавливается путем подкисления раствора минеральной кислотой с образованием осадка. [31] : 7