stringtranslate.com

Хелатирование

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

Этилендиаминовый лиганд, хелатирующий металл с двумя связями
Комплексы Cu 2+ с нехелатирующими метиламином (слева) и хелатирующими этилендиамином (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 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 объяснения Шварценбаха [5] , обсуждаются у Гринвуда и Эрншоу ( loc.cit ).

В природе

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]

Приложения

Кормовые добавки для животных

Синтетические хелаты, такие как этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА), оказались слишком стабильными и непригодными 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 другие минералы из организма. [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]

Стоматологическое использование

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

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]

Контрастные вещества

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]

Пищевые преимущества и проблемы

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 .

Очистка и умягчение 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. [ 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 .

Удобрения

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 эти 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]

Экономическая ситуация

Из-за их широких потребностей общий рост спроса на хелатирующие агенты составлял 4% ежегодно в течение 2009-2014 гг. [31] и эта тенденция, вероятно, будет увеличиваться. Хелаторы аминополикарбоновых кислот являются наиболее широко используемыми хелатирующими агентами; однако процент более экологичных альтернативных хелаторов в этой категории продолжает расти. [32] Потребление традиционных хелаторов аминополикарбоксилатов, в частности ЭДТА ( этилендиаминтетрауксусная кислота ) и НТА ( нитрилотриуксусная кислота ), 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 хеланты составляли примерно 15% от общей потребности в аминополикарбоновых кислотах. Ожидается, что к 2018 году этот показатель вырастет примерно до 21% за счет замены аминофосфоновых кислот, используемых в очистительных целях. [33] [32] [31] Примеры некоторых альтернативных хелатирующих агентов Greener включают этилендиаминдиянтарную кислоту (EDDS), полиаспарагиновую кислоту (PASA), метилглициндиуксусную кислоту (MGDA), глутаминдиуксусную кислоту (L-GLDA), цитрат , глюконовую кислоту , аминокислоты, растительные экстракты и т. д. [32] [34]

Разворот

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

Смотрите также

Рекомендации

 В эту статью включен текст Кааны Асемаве, доступный по лицензии CC BY 4.0.

  1. ^ Определение хелатирования ИЮПАК.
  2. ^ Латинское chela от греческого означает коготь.
  3. ^ Морган GT, Дрю HD (1920). «CLXII.—Исследования остаточного сродства и координации. Часть II. Ацетилацетоны селена и теллура». Журнал Химического общества, Сделки . 117 : 1456–65. дои : 10.1039/ct9201701456.
  4. ^ Гринвуд NN , Эрншоу А (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . п. 910. ИСБН 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. ^ Кремер Ю, Коттер-Хауэллс Дж. Д., Чарнок Дж. М., Бейкер А. Дж., Смит Дж. А. (1996). «Свободный гистидин как хелатор металлов в растениях, накапливающих никель». Природа . 379 (6566): 635–8. Бибкод : 1996Natur.379..635K. дои : 10.1038/379635a0. S2CID  4318712.
  7. ^ СП Магальяйнс (июнь 2006 г.). «Гены толерантности к алюминию консервативны между однодольными и двудольными растениями». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (26): 9749–50. Бибкод : 2006PNAS..103.9749M. дои : 10.1073/pnas.0603957103 . ПМК 1502523 . ПМИД  16785425. 
  8. ^ Ха С.Б., Смит А.П., Хауден Р., Дитрих В.М., Багг С., О'Коннелл М.Дж., Голдсбро П.Б., Коббетт К.С. (июнь 1999 г.). «Гены фитохелатинсинтазы Arabidopsis и дрожжей Schizosaccharomyces pombe». Растительная клетка . 11 (6): 1153–64. дои : 10.1105/tpc.11.6.1153. ПМЦ 144235 . ПМИД  10368185. 
  9. ^ аб Липпард С.Дж., Берг Дж.М. (1994). Основы бионеорганической химии . Милл-Вэлли, Калифорния: Университетские научные книги. ISBN 978-0-935702-73-6.. [ нужна страница ]
  10. ^ Дас С., Миллер Д.Р., Кауфман Ю., Мартинес Родригес Н.Р., Паллаоро А., Харрингтон М.Дж., Гилис М., Исраэлахвили Дж.Н., Уэйт Дж.Х. (март 2015 г.). «Белки с прочным покрытием: тонкие изменения последовательности модулируют сплоченность». Биомакромолекулы . 16 (3): 1002–8. дои : 10.1021/bm501893y. ПМК 4514026 . ПМИД  25692318. 
  11. ^ Харрингтон М.Дж., Масик А., Холтен-Андерсен Н., Уэйт Дж.Х., Фратцл П. (апрель 2010 г.). «Железные волокна: биологическая стратегия на основе металлов для создания твердых гибких покрытий». Наука . 328 (5975): 216–20. Бибкод : 2010Sci...328..216H. дои : 10.1126/science.1181044. ПМК 3087814 . ПМИД  20203014. 
  12. ^ Дас С., Мартинес Родригес Н.Р., Вэй В., Уэйт Дж.Х., Исраэлачвили Дж.Н. (сентябрь 2015 г.). «Длина пептида и дофа определяют опосредованное железом слипание белков стопы мидий». Передовые функциональные материалы . 25 (36): 5840–5847. дои : 10.1002/adfm.201502256. ПМЦ 5488267 . ПМИД  28670243. 
  13. ^ Пидвирный М. «Введение в литосферу: выветривание». Университет Британской Колумбии Оканаган.
  14. ^ Прасад М (2001). Металлы в окружающей среде: анализ по биоразнообразию . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Марсель Деккер. ISBN 978-0-8247-0523-7.[ нужна страница ]
  15. ^ Эшмид HD (1993). Роль хелатов аминокислот в питании животных . Вествуд: Публикации Нойеса.[ нужна страница ]
  16. ^ "Сайт Альбион Феррошель" . Albion Laboratories, Inc. Архивировано из оригинала 3 сентября 2011 года . Проверено 12 июля 2011 г.
  17. ^ Анусавице К.Дж. (27 сентября 2012 г.). «Глава 12: Связывание и связующие вещества». Наука Филлипса о стоматологических материалах (12-е изд.). Эльзевир Здоровье. стр. 257–268. ISBN 978-1-4377-2418-9. ОСЛК  785080357.
  18. ^ ab «FDA выпускает предупреждение о хелатной терапии». 26 сентября 2008 года . Проверено 14 мая 2016 г.
  19. ^ Центры по профилактике заболеваний (CDC) (март 2006 г.). «Смерть, связанная с гипокальциемией в результате хелатной терапии - Техас, Пенсильвания и Орегон, 2003–2005 гг.». ММВР. Еженедельный отчет о заболеваемости и смертности . 55 (8): 204–7. ПМИД  16511441.
  20. ^ «Вопросы и ответы о неутвержденных хелатных продуктах» . FDA . 2 февраля 2016 г. Проверено 14 мая 2016 г.
  21. ^ Караван П., Эллисон Дж. Дж., Макмерри Т. Дж., Лауффер Р.Б. (сентябрь 1999 г.). «Хелаты гадолиния (III) как контрастные вещества для МРТ: структура, динамика и применение». Химические обзоры . 99 (9): 2293–352. дои : 10.1021/cr980440x. ПМИД  11749483.
  22. ^ Пан Д., Шмидер А.Х., Wickline SA, Lanza GM (ноябрь 2011 г.). «Контрастные вещества для МРТ на основе марганца: прошлое, настоящее и будущее». Тетраэдр . 67 (44): 8431–8444. дои : 10.1016/j.tet.2011.07.076. ПМК 3203535 . ПМИД  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 (07 января 2014 г.). «Сопоставление хелаторов с радиометаллами для радиофармпрепаратов». Обзоры химического общества . 43 (1): 260–290. дои : 10.1039/c3cs60304k. ISSN  1460-4744. ПМИД  24173525.
  25. ^ Парак-Фогт, Татьяна Н.; Кимпе, Кристоф; Лоран, Софи; Вандер Элст, Люси; Буртеа, Кармен; Чен, Фэн; Мюллер, Роберт Н.; Ни, Ичэн; Вербрюгген, Альфонс (6 мая 2005 г.). «Синтез, характеристика и фармакокинетическая оценка потенциального контрастного вещества для МРТ, содержащего два парамагнитных центра со сродством связывания альбумина». Химия: Европейский журнал . 11 (10): 3077–3086. дои : 10.1002/chem.200401207. ISSN  0947-6539. ПМИД  15776492.
  26. ^ Кин В.Ф., Харт Л., Бьюкенен В.В. (май 1997 г.). «Ауранофин». Британский журнал ревматологии . 36 (5): 560–72. дои : 10.1093/ревматология/36.5.560 . ПМИД  9189058.
  27. ^ Wax PM (декабрь 2013 г.). «Текущее использование хелаторов в американском здравоохранении». Журнал медицинской токсикологии . 9 (4): 303–307. дои : 10.1007/s13181-013-0347-2. ПМЦ 3846961 . ПМИД  24113860. 
  28. ^ Кэмпбелл Н.Р., Хасинофф Б.Б. (март 1991 г.). «Пищевые добавки: частая причина лекарственного взаимодействия». Британский журнал клинической фармакологии . 31 (3): 251–5. doi :10.1111/j.1365-2125.1991.tb05525.x. ПМЦ 1368348 . ПМИД  2054263. 
  29. ^ Ломаэстро Б.М., Бэйли Г.Р. (май 1995 г.). «Абсорбционное взаимодействие с фторхинолонами. Обновление 1995 г.». Безопасность лекарств . 12 (5): 314–33. дои : 10.2165/00002018-199512050-00004. PMID  7669261. S2CID  2006138.
  30. ^ Харт-младший (2011). «Этилендиаминтетрауксусная кислота и родственные хелатирующие агенты». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . дои : 10.1002/14356007.a10_095.pub2. ISBN 978-3527306732.
  31. ^ abc (2013) IHS Chemical, химический анализ и прогнозирование: хелатирующие агенты.
  32. ^ abc Диксон, Нью-Джерси (2012) Более экологичные хелатирующие агенты, В Справочнике по зеленой химии: Разработка более безопасных химикатов. Уайли 9: 281–307.
  33. ^ Колодиньска Д. (2011)Хелаторы нового поколения как альтернатива обычным хелаторам для удаления ионов тяжелых металлов из различных сточных вод. В «Расширении проблем опреснения», стр. 339-370.
  34. ^ Колодинская Д. (2013) Применение комплексообразователей нового поколения 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