Хелатирование - Chelation

Эта статья посвящена секвестрирующим агентам в целом. Для химикатов, используемых в пищевой промышленности, см. Секвестрант.

Хелатирование /ˈkяˌлeɪˈʃəп/ это тип склеивания ионы и молекулы в ионы металлов. Он предполагает образование или наличие двух или более отдельных координировать облигации между полидентатный (несколько скрепленных) лиганд и единственный центральный атом.[1][2] Эти лиганды называются хелатирующими агентами, хелатирующими агентами, хелатирующими агентами или связывающими агентами. Они обычно органические соединения, но это не обязательно, как в случае цинк и его использование в качестве поддерживающая терапия предотвратить поглощение медь в людях с Болезнь Вильсона.[3]

Хелатирование полезно в таких приложениях, как предоставление пищевых добавок, в хелатотерапия для выведения токсичных металлов из организма, так как контрастные вещества в МРТ сканирование, в производстве с использованием гомогенные катализаторы, в химической очистка воды для помощи в удалении металлов и в удобрения.

Хелатный эффект

Этилендиамин лиганд хелатирование металла с двумя связями
Cu2+ комплексы с нехелатирующим метиламин (осталось) и хелатирующий этилендиамин (справа) лиганды

Хелатный эффект представляет собой повышенное сродство хелатирующих лигандов к иону металла по сравнению со сродством набора аналогичных нехелатирующих (монодентатных) лигандов к тому же металлу.

Термодинамические принципы, лежащие в основе хелатного эффекта, иллюстрируются контрастирующим сродством медь (II) для этилендиамин (ru) vs. метиламин.

Cu2+ + en ⇌ [Cu (en)]2+

 

 

 

 

(1)

Cu2+ + 2 мен2 ⇌ [Cu (MeNH2)2]2+

 

 

 

 

(2)

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

В термодинамический подход к описанию хелатного эффекта учитывает константа равновесия для реакции: чем больше константа равновесия, тем выше концентрация комплекса.

[Cu (en)] = β11[Cu] [en]

 

 

 

 

(3)

[Cu (MeNH2)2] = β12[Cu] [MeNH2]2

 

 

 

 

(4)

Электрические заряды опущены для простоты обозначений. Квадратные скобки указывают концентрацию, а нижние индексы перед константы устойчивости, β, указывают стехиометрия комплекса. Когда аналитическая концентрация метиламина вдвое больше, чем этилендиамина, а концентрация меди одинакова в обеих реакциях, концентрация [Cu (en)] намного выше, чем концентрация [Cu (MeNH2)2] потому что β11 ≫ β12.

Константа равновесия, K, относится к стандарту Свободная энергия Гиббса, к

где р это газовая постоянная и Т это температура в кельвины. это стандарт энтальпия изменение реакции и это стандарт энтропия изменять.

Поскольку энтальпия должна быть примерно одинаковой для двух реакций, разница между двумя константами стабильности обусловлена ​​эффектами энтропии. В уравнении (1) две частицы слева и одна справа, тогда как в уравнении (2) три частицы слева и одна справа. Эта разница означает, что меньше энтропия беспорядка теряется, когда хелатный комплекс образуется с бидентатным лигандом, чем когда образуется комплекс 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.[4]

Равновесиебревно β
Cu2+ + 2 мен2 ⇌ Cu (MeNH2)22+6.55−37.4−57.319.9
Cu2+ + 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 Шварценбах,[5] обсуждаются в Greenwood и Earnshaw (loc.cit).

В природе

Многочисленные биомолекулы проявлять способность растворять определенный металл катионы. Таким образом, белки, полисахариды, и полинуклеиновые кислоты являются отличными полидентатными лигандами для многих ионов металлов. Органические соединения, такие как аминокислоты глютаминовая 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).[6][7][8][9]

В биохимии и микробиологии

Практически все металлоферменты содержат металлы, которые хелатированы, обычно с пептидами или кофакторами и простетическими группами.[9] Такие хелатирующие агенты включают порфирин звенит в гемоглобин и хлорофилл. Многие виды микробов производят водорастворимые пигменты, которые служат хелатирующими агентами, называемыми сидерофоры. Например, виды Псевдомонады известны секреты пиохелин и пиовердин которые связывают железо. Энтеробактин, произведено Кишечная палочка, является самым сильным известным хелатирующим агентом. Морской моллюски используйте хелатирование металлов, особенно Fe3+ хелатирование с Допа остатки в протеине-1 лапки мидий для повышения прочности нитей, которые они используют для прикрепления к поверхностям.[10][11][12]

В геологии

В науках о Земле химическая выветривание относится к органическим хелатирующим агентам (например, пептиды и сахара ) которые извлекают ионы металлов из минералов и горных пород.[13] Большинство комплексов металлов в окружающей среде и в природе связаны в той или иной форме хелатного кольца (например, с гуминовая кислота или белок). Таким образом, хелаты металлов имеют отношение к мобилизации металлы в почва, поглощение и накопление металлы в растения и микроорганизмы. Селективное хелатирование тяжелые металлы имеет отношение к биоремедиация (например, удаление 137CS от радиоактивных отходов).[14]

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.[нужна цитата ]

В этот период синтетические хелаты, такие как этилендиаминтетрауксусной кислоты (EDTA) разрабатывались. 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 случайным образом хелатировал и лишал организм другого минерала.[15]

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 мольное соотношение в диапазоне 1–3 (предпочтительно 2) молей аминокислот на один моль металла.[нужна цитата ] Средняя масса гидролизованных аминокислот должна составлять приблизительно 150, а результирующая молекулярная масса хелата не должна превышать 800. Да.[нужна цитата ]

С момента создания 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.[16]

Стоматологическое и оральное применение

Первое поколение дентин клеи были впервые разработаны и произведены в 1950-х годах. Эти системы основаны на хелате сомономера с кальцием на поверхности зуба и создают очень слабую водостойкую химическую связь (2–3 МПа).[17]

Детоксикация от тяжелых металлов

Основная статья: Хелаторная терапия

Хелатотерапия - противоядие при отравлении Меркурий, мышьяк, и вести. Хелатирующие агенты превращают ионы этих металлов в химически и биохимически инертную форму, которая может выводиться из организма. Хелатирование с использованием динатрий кальция EDTA был одобрен Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) в серьезных случаях отравления свинцом. Он не одобрен для лечения «отравления тяжелыми металлами».[18]

Хотя это полезно в случаях серьезного отравления свинцом, использование динатрия ЭДТА (динатрия эдетата) вместо ЭДТА динатрия кальция привело к летальному исходу из-за гипокальциемия.[19] Динатрий EDTA не одобрен FDA для любого использования,[18] и все продукты хелатной терапии, одобренные FDA, требуют рецепта.[20]

Фармацевтические препараты

Хелатные комплексы гадолиний часто используются как контрастные вещества в МРТ, несмотря на то что утюг частица и марганец хелатные комплексы также были исследованы.[21][22] Бифункциональные хелатные комплексы цирконий, галлий, фтор, медь, иттрий, бром, или йод часто используются для спряжения с моноклональные антитела для использования в основанных на антителах ПЭТ-визуализация.[23] Эти хелатные комплексы часто используют гексадентатные лиганды такие как десфериоксамин B (DFO), по словам Мейджса и другие.,[24] и комплексы гадолиния часто используют октадентатные лиганды, такие как DTPA, согласно Desreux и другие.[25] Ауранофин, хелатный комплекс золото, используется при лечении ревматоидного артрита, и пеницилламин, образующий хелатные комплексы медь, используется при лечении Болезнь Вильсона и цистинурия, а также рефрактерный ревматоидный артрит.[26][27]

Другие медицинские приложения

Хелатирование в кишечном тракте является причиной многочисленных взаимодействий между лекарственными средствами и ионами металлов (также известными как "минералы "в питании). Например, антибиотик наркотики из тетрациклин и хинолон семьи являются помощниками Fe2+, Ca2+, и Mg2+ ионы.[28][29]

ЭДТА, связывающаяся с кальцием, используется для облегчения гиперкальциемии, которая часто возникает из-за группа кератопатия. 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. Ярким примером является использование БИНАП (двузубый фосфин ) в Асимметричное гидрирование Нойори и асимметричная изомеризация. Последний имеет практическое применение изготовления синтетических (-)-ментол.

Умягчение воды

Лимонная кислота используется, чтобы смягчить воду в мыло и прачечная моющие средства. Обычный синтетический хелатор - это EDTA. Фосфонаты также хорошо известные хелатирующие агенты. Хелаторы используются в программах очистки воды и особенно в паровая техника, например, система 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 ее pH уровень.

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 представляющие питательной ценности для растений. EDTA представляет собой типичный хелатирующий агент, который удерживает эти ионы металлов в растворимой форме.[30]

Этимология

Слово «хелатирование» происходит от Греческий χηλή, челе, что означает «коготь»; лиганды лежат вокруг центрального атома, как когти Омар. Период, термин хелат был впервые применен в 1920 году сэром Гилбертом Т. Морганом и Х. Д. К. Дрю, которые заявили: «Прилагательное хелат, образованное от большого когтя или Chele (Греческий ) из Омар или других ракообразных, предлагается для калипероподобных групп, которые функционируют как две связывающие единицы и прикрепляются к центральному атому, чтобы производить гетероциклический кольца ".[31]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Определение хелатирования IUPAC.
  2. ^ латинский чела с греческого означает коготь.
  3. ^ «Цинк». Книжная полка NCBI. Bethesda (MD): Национальный институт диабета, болезней органов пищеварения и почек. 2015-01-10. PMID  31643536. Получено 2020-03-24.
  4. ^ Гринвуд NN, Эрншоу А. (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. п. 910. ISBN  978-0-08-037941-8.
  5. ^ Шварценбах Г (1952). «Der Chelateffekt» [Эффект хелатирования]. Helvetica Chimica Acta (на немецком). 35 (7): 2344–59. Дои:10.1002 / hlca.19520350721.
  6. ^ Кремер У., 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. Bibcode:1996Натура 379..635K. Дои:10.1038 / 379635a0.
  7. ^ СП Magalhaes (июнь 2006 г.). «Гены устойчивости к алюминию сохраняются между однодольными и двудольными». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 103 (26): 9749–50. Bibcode:2006ПНАС..103.9749М. Дои:10.1073 / pnas.0603957103. ЧВК  1502523. PMID  16785425.
  8. ^ Ха С.Б., Смит А.П., Хауден Р., Дитрих В.М., Багг С., О'Коннелл М.Дж., Голдсбро П.Б., Коббетт С.С. (июнь 1999 г.). «Гены фитохелатинсинтазы из Arabidopsis и дрожжей Schizosaccharomyces pombe». Растительная клетка. 11 (6): 1153–64. Дои:10.1105 / tpc.11.6.1153. ЧВК  144235. PMID  10368185.
  9. ^ а б Липпард SJ, Берг JM (1994). Принципы биоинорганической химии. Милл-Вэлли, Калифорния: Университетские научные книги. ISBN  978-0-935702-73-6..[страница нужна ]
  10. ^ Das S, Miller DR, Kaufman Y, Martinez Rodriguez NR, Pallaoro A, Harrington MJ, Gylys M, Israelachvili JN, Waite JH (март 2015 г.). «Прочные белки покрытия: тонкое изменение последовательности модулирует сплоченность». Биомакромолекулы. 16 (3): 1002–8. Дои:10.1021 / bm501893y. ЧВК  4514026. PMID  25692318.
  11. ^ Харрингтон MJ, Masic A, Holten-Andersen N, Waite JH, Fratzl P (апрель 2010 г.). «Волокна в железной оболочке: биологическая стратегия на основе металлов для твердых гибких покрытий». Наука. 328 (5975): 216–20. Bibcode:2010Sci ... 328..216H. Дои:10.1126 / science.1181044. ЧВК  3087814. PMID  20203014.
  12. ^ Дас С., Мартинес Родригес Н. Р., Вэй В., Уэйт Дж. Х., Исраэлашвили Дж. Н. (сентябрь 2015 г.). «Длина пептида и допа определяют железо-опосредованную когезию белков стопы мидий». Современные функциональные материалы. 25 (36): 5840–5847. Дои:10.1002 / adfm.201502256. ЧВК  5488267. PMID  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, Нью-Йорк: Марсель Деккер. ISBN  978-0-8247-0523-7.[страница нужна ]
  15. ^ Ашмид HD (1993). Роль хелатов аминокислот в питании животных. Вествуд: Публикации Нойеса.[страница нужна ]
  16. ^ "Веб-сайт Albion Ferrochel". Albion Laboratories, Inc. Получено 12 июля, 2011.
  17. ^ Анусавице К.Дж. (27.09.2012). «Глава 12: Связующие и связывающие агенты». Филлипс "Наука о стоматологических материалах" (12-е изд.). Elsevier Health. С. 257–268. ISBN  978-1-4377-2418-9. OCLC  785080357.
  18. ^ а б «Предупреждение FDA о хелатной терапии». 26 сентября 2008 г.. Получено 14 мая, 2016.
  19. ^ Центры по профилактике заболеваний (CDC) (март 2006 г.). «Смертельные случаи, связанные с гипокальциемией от хелатотерапии - Техас, Пенсильвания и Орегон, 2003–2005 годы». MMWR. Еженедельный отчет о заболеваемости и смертности. 55 (8): 204–7. PMID  16511441.
  20. ^ «Вопросы и ответы о неразрешенных хелатных продуктах». FDA. 2 февраля 2016 г.. Получено 14 мая, 2016.
  21. ^ Караван П., Эллисон Дж. Дж., Макмерри Т. Дж., Лауффер Р. Б. (сентябрь 1999 г.). «Хелаты гадолиния (III) в качестве контрастных агентов МРТ: структура, динамика и приложения». Химические обзоры. 99 (9): 2293–352. Дои:10.1021 / cr980440x. PMID  11749483.
  22. ^ Пан Д., Шмидер А.Х., Виклайн С.А., Ланца Г.М. (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. ЧВК  3203535. PMID  22043109.
  23. ^ Vosjan MJ, Perk LR, Visser GW, Budde M, Jurek P, Kiefer GE, van Dongen GA (апрель 2010 г.). «Конъюгация и радиоактивная мечение моноклональных антител с 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.
  24. ^ Прайс, Эрик В .; Орвиг, Крис (07.01.2014). «Согласование хелаторов с радиометаллами для радиофармпрепаратов». Обзоры химического общества. 43 (1): 260–290. Дои:10.1039 / c3cs60304k. ISSN  1460-4744. PMID  24173525.
  25. ^ Parac-Vogt, Tatjana N .; Кимпе, Кристоф; Лоран, Софи; Вандер Элст, Люси; Буртя, Кармен; Чен, Фэн; Мюллер, Роберт Н .; Ни, Ичэн; Вербрюгген, Альфонс (2005-05-06). «Синтез, характеристика и фармакокинетическая оценка потенциального контрастного агента для МРТ, содержащего два парамагнитных центра с аффинностью связывания альбумина». Химия: европейский журнал. 11 (10): 3077–3086. Дои:10.1002 / chem.200401207. ISSN  0947-6539. PMID  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. PMID  9189058.
  27. ^ Wax PM (декабрь 2013 г.). «Текущее использование хелатирования в американском здравоохранении». Журнал медицинской токсикологии. 9 (4): 303–7. Дои:10.1007 / s13181-013-0347-2. ЧВК  3846961. PMID  24113860.
  28. ^ Кэмпбелл Н.Р., Хасинофф Б.Б. (март 1991 г.). «Добавки железа: частая причина лекарственного взаимодействия». Британский журнал клинической фармакологии. 31 (3): 251–5. Дои:10.1111 / j.1365-2125.1991.tb05525.x. ЧВК  1368348. PMID  2054263.
  29. ^ Ломаэстро Б.М., Бейли Г.Р. (май 1995 г.). «Взаимодействие абсорбции с фторхинолонами. Обновление 1995 г.». Безопасность лекарств. 12 (5): 314–33. Дои:10.2165/00002018-199512050-00004. PMID  7669261.
  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. ^ Морган GT, Дрю HD (1920). «CLXII. - Исследования по остаточному сродству и координации. Часть II. Ацетилацетон селена и теллура». Журнал химического общества, Сделки. 117: 1456–65. Дои:10.1039 / ct9201701456.

внешняя ссылка

  • Словарное определение хелат в Викисловарь