Из Википедии, свободной энциклопедии
  (Перенаправлено с Chelate )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья посвящена секвестрирующим агентам в целом. По химическим веществам, используемым в пищевой промышленности, см. Секвестрант .

Хелаты / к я ˌ л eɪ 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. [1] [2] 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 всасывания меди у людей с болезнью Вильсона . [3]

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 обработке воды для удаления металлов и в удобрениях. .

Хелатный эффект [ править ]

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 в два раза больше, чем у этилендиамина и концентрация меди одинакова в обеих реакциях, концентрация [Cu (en)] намного выше, чем концентрация [Cu (MeNH 2 ) 2 ], потому что 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. [4]

Равновесиежурнал β
Cu 2+ + 2 MeNH 2 ⇌ Cu (MeNH 2 ) 2 2+6.55−37,4-57,319,9
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, что и в том числе Шварценбах , [5] , обсуждаются в Гринвуд и Эрншоу ( loc.cit ).

В природе [ править ]

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). [6] [7] [8] [9]

В биохимии и микробиологии [ править ]

Практически все металлоферменты содержат металлы, которые хелатированы, 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, 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. Fe 3+хелатирование с остатками Dopa в протеине-1 мидий стопы для повышения прочности нитей, которые они используют для закрепления на поверхностях. [10] [11] [12]

В геологии [ править ]

В науках о Земле химическое выветривание приписывают органическим хелатирующим агентам (например, пептидам и сахарам ), 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 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, удаление 137 Cs из радиоактивных отходов). [14]

Медицинские приложения [ править ]

Пищевые добавки [ править ]

В 1960-х годах ученые разработали концепцию хелатирования иона металла перед тем, как скармливать этот элемент животному. Они считали, 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. [ необходима цитата ]

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. [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 мольным соотношением в диапазоне 1– 3 (предпочтительно 2) моля аминокислот на один моль металла. [ необходима цитата ] Средняя масса гидролизованных аминокислот должна быть приблизительно 150, а результирующая молекулярная масса хелата не должна превышать 800 Да . [ необходима цитата ]

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. [16]

Стоматологическое и оральное применение [ править ]

Дентиновые адгезивы первого поколения 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 [ править ]

Основная статья: Хелатотерапия

Хелатотерапия - это противоядие при отравлении 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». [18]

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

Фармацевтика [ править ]

Хелатные комплексы гадолиния часто используются в качестве контрастных агентов при МРТ-сканировании , 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] Эти хелатные комплексы часто используютгексадентатные лиганды, такие как десфериоксамин B (DFO), согласно Meijs et al. , [24] и комплексы гадолиния часто используют 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]

Другие медицинские приложения [ править ]

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. [28] [29]

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 [ править ]

Катализ [ править ]

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 [ править ]

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 [ править ]

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. [30]

Этимология [ править ]

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 ». [31]

См. Также [ править ]

  • Хелатотерапия

Ссылки [ править ]

  1. ^ Определение хелатирования IUPAC.
  2. ^ Латинское chela от греческого означает коготь.
  3. ^ "Цинк" . Книжная полка NCBI . Bethesda (MD): Национальный институт диабета, болезней органов пищеварения и почек. 2015-01-10. PMID  31643536 . Проверено 24 марта 2020 .
  4. Перейти ↑ Greenwood NN , Earnshaw A (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . п. 910. ISBN 978-0-08-037941-8.
  5. ^ Шварценбах G (1952). «Der Chelateffekt» [Эффект хелатирования]. Helvetica Chimica Acta (на немецком языке). 35 (7): 2344–59. DOI : 10.1002 / hlca.19520350721 .
  6. ^ Кремер U, Коттер-Хоуэллс JD, Charnock JM, Baker AJ, Smith JA (1996). «Свободный гистидин как хелатор металлов в растениях, накапливающих никель». Природа . 379 (6566): 635–8. Bibcode : 1996Natur.379..635K . DOI : 10.1038 / 379635a0 .
  7. ^ Magalhaes СП (июнь 2006). «Гены устойчивости к алюминию сохраняются между однодольными и двудольными» . 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). «Гены фитохелатинсинтазы из Arabidopsis и дрожжей Schizosaccharomyces pombe» . Растительная клетка . 11 (6): 1153–64. DOI : 10.1105 / tpc.11.6.1153 . PMC 144235 . PMID 10368185 .  
  9. ^ а б Липпард SJ, Берг JM (1994). Основы биоинорганической химии . Милл-Вэлли, Калифорния: Научные книги университета. ISBN 978-0-935702-73-6.. [ требуется страница ]
  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. DOI : 10.1021 / bm501893y . PMC 4514026 . PMID 25692318 .  
  11. ^ Харрингтон MJ, Месич A, Холтен-Andersen N, Уэйт JH, Fratzl P (апрель 2010). «Волокна в железной оболочке: биологическая стратегия на основе металлов для твердых гибких покрытий» . Наука . 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 допа определяют железо-опосредованную когезию белков стопы мидий» . Современные функциональные материалы . 25 (36): 5840–5847. DOI : 10.1002 / adfm.201502256 . PMC 5488267 . PMID 28670243 .  
  13. ^ Пидвирный М. "Введение в литосферу: выветривание" . Университет Британской Колумбии Оканаган.
  14. Перейти ↑ Prasad M (2001). Металлы в окружающей среде: анализ биоразнообразия . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Марсель Деккер. ISBN 978-0-8247-0523-7.[ требуется страница ]
  15. Перейти ↑ Ashmead HD (1993). Роль аминокислотных хелатов в питании животных . Вествуд: Публикации Нойес.[ требуется страница ]
  16. ^ "Сайт Albion Ferrochel" . Albion Laboratories, Inc . Проверено 12 июля 2011 года .
  17. ^ Anusavice KJ (2012-09-27). «Глава 12: Связующие и связывающие агенты». Филлипс "Наука стоматологических материалов" (12-е изд.). Elsevier Health. С. 257–268. ISBN 978-1-4377-2418-9. OCLC  785080357 .
  18. ^ a b «Предупреждение FDA о хелатной терапии» . 26 сентября 2008 . Проверено 14 мая, 2016 .
  19. ^ Центры по профилактике заболеваний (CDC) (март 2006 г.). «Смерти, связанные с гипокальциемией в результате хелатной терапии - 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 . Проверено 14 мая, 2016 .
  21. Перейти ↑ Caravan P, Ellison JJ, McMurry TJ, Lauffer RB (сентябрь 1999 г.). «Хелаты гадолиния (III) в качестве контрастных агентов МРТ: структура, динамика и приложения». Химические обзоры . 99 (9): 2293–352. DOI : 10.1021 / cr980440x . PMID 11749483 . 
  22. ^ Pan D, Schmieder AH, Wickline SA, Lanza GM (ноябрь 2011). «Контрастные вещества для МРТ на основе марганца: прошлое, настоящее и будущее» . Тетраэдр . 67 (44): 8431–8444. DOI : 10.1016 / j.tet.2011.07.076 . PMC 3203535 . PMID 22043109 .  
  23. ^ Vosjan MJ, Перк LR, Виссер GW, Budde M, Юрек P, Кифер GE, ван Донген GA (апрель 2010). «Конъюгация и радиоактивная метка моноклональных антител с цирконием-89 для ПЭТ-визуализации с использованием бифункционального хелата п-изотиоцианатобензил-десферриоксамина». Протоколы природы . 5 (4): 739–43. DOI : 10.1038 / nprot.2010.13 . PMID 20360768 . 
  24. ^ Цена, Эрик В .; Орвиг, Крис (07.01.2014). «Согласование хелаторов с радиометаллами для радиофармпрепаратов». Обзоры химического общества . 43 (1): 260–290. DOI : 10.1039 / c3cs60304k . ISSN 1460-4744 . PMID 24173525 .  
  25. ^ Parac-Vogt, Tatjana N .; Кимпе, Кристоф; Лоран, Софи; Вандер Эльст, 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 со сродством связывания альбумина». Химия: Европейский журнал . 11 (10): 3077–3086. DOI : 10.1002 / chem.200401207 . ISSN 0947-6539 . PMID 15776492 .  
  26. ^ Кина WF, Hart L, Buchanan WW (май 1997). «Ауранофин» . Британский журнал ревматологии . 36 (5): 560–72. DOI : 10.1093 / ревматологических / 36.5.560 . PMID 9189058 . 
  27. ^ Wax PM (декабрь 2013 г.). «Текущее использование хелатирования в американском здравоохранении» . Журнал медицинской токсикологии . 9 (4): 303–7. DOI : 10.1007 / s13181-013-0347-2 . PMC 3846961 . PMID 24113860 .  
  28. ^ Campbell NR, Hasinoff BB (март 1991). «Добавки железа: частая причина лекарственного взаимодействия» . Британский журнал клинической фармакологии . 31 (3): 251–5. DOI : 10.1111 / j.1365-2125.1991.tb05525.x . PMC 1368348 . PMID 2054263 .  
  29. ^ Lomaestro Б.М., Бэйли GR (май 1995). «Взаимодействие абсорбции с фторхинолонами. Обновление 1995 г.». Безопасность лекарств . 12 (5): 314–33. DOI : 10.2165 / 00002018-199512050-00004 . PMID 7669261 . 
  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. ^ 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. DOI : 10.1039 / ct9201701456 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Словарное определение хелата в Викисловаре