Кіріспе

Металл иондарымен химиялық байланыстың түрі – жалпы келация. Келация – иондар мен молекулалардың металл иондарымен байланысуының бір түрі. Ол полидентат (көп байланысты) лиганд пен бір орталық металл атомы арасында екі немесе одан көп жеке координаттық байланыстардың қалыптасуын немесе болуын қамтиды. Бұл лигандтар келанттар, келаторлар, келаттаушы агенттер немесе секвестрлеуші агенттер деп аталады. Олар көбінесе органикалық қосылыстар болып табылады, бірақ бұл міндетті емес. Келация сөзі грекше χηλή (chēlē) сөзінен шыққан, яғни "қысқыш" деген мағынаны білдіреді; лигандтар орталық атомның айналасында шабақтың қысқыштары сияқты орналасады. "Келат" терминін алғаш рет 1920 жылы сэр Гилберт Морган мен Х. Д. К. Дрю қолданды. Олар былай деді: "Шабақтың немесе басқа да қабықшалы жәндіктердің үлкен қысқышынан немесе келесінен алынған "келат" деген сөз, екі байланыс бірлігі ретінде жұмыс істейтін және гетероциклді сақиналарды құру үшін орталық атомға бекітілетін, калипер сияқты топтарға қолданылуы тиіс". Келация тағамдық қосымшаларды беруде, келациялық терапияда организмнен уытты металдарды шығаруда, МРТ сканеріндегі контрасттық заттар ретінде, гомогенді катализаторларды қолдана отырып өндірісте, химиялық су тазалауда металдарды жоюға көмектесуде және тыңайтқыштарда пайдалы.

Табиғатта

Көптеген биомолекулалар белгілі бір металл катиондарын еріту қабілетін көрсетеді. Осылайша, белоктар, полисахаридтер және полинуклеин қышқылдары көптеген металл иондары үшін өте жақсы полидентат лигандтар болып табылады. Глутамин қышқылы және гистидин сияқты амин қышқылдары, малат сияқты органикалық диакислоталар және фитокелатин сияқты полипептидтер де кәдімгі хелаторлар болып табылады. Осы кездейсоқ хелаторлардан басқа, кейбір металдарды байланыстыру үшін арнайы бірнеше биомолекулалар өндіріледі (келесі бөлімді қараңыз). Хелаттаушы заттардың қатарына гемоглобин мен хлорофиллдегі порфирин сақиналары жатады. Көптеген микробтық түрлер сидерофорлар деп аталатын хелат құраушы ретінде қызмет ететін суда еритін пигменттер шығарады. Мысалы, Pseudomonas түрлерінің темірді байланыстыратын пиохелин мен пиовердинді бөліп шығараты белгілі. E. coli бактериясы өндіретін энтеробактин – ең күшті хелат құрауышы. Теңіз шүмектері металл хелациясын, әсіресе Dopa қалдықтарымен Fe3+ хелациясын қолданады, бұл олардың бетке бекіну үшін пайдаланатын жіптердің беріктігін арттырады. Жер ғылымында химиялық тозу органикалық хелаттаушы агенттерге (мысалы, пептидтер мен қанттар) байланыстырылады, олар минералдар мен тау жыныстарынан металл иондарын шығарады. Табиғаттағы және қоршаған ортадағы металл кешендерінің көпшілігі қандай да бір формадағы хелат сақинамен (мысалы, гумид қышқылымен немесе белокпен) байланысқан. Осылайша, металл хелаттары топырақтағы металдардың жылжуына, өсімдіктер мен микроорганизмдерде металдардың сіңуіне және жинақталуына қатысты. Ауыр металдардың селективті хелациясы биоремедиация үшін маңызды (мысалы, радиоактивті қалдықтардан 137Cs алу).

Мал азығының қоспалары

Этилдиаминтетрауксус қышқылы (EDTA) сияқты синтетикалық хелаттар тым тұрақты және қоректік заттарды сіңіруге жарамсыз болып шықты. Егер минерал EDTA лигантінен алынса, лигант организм пайдалана алмайды және шығарылып жіберіледі. ЭДТА лиганті организмнен шығарылатын кезде кездейсоқ хелатталып, организмнен басқа минералдарды да алып тастайды. Американдық мал азығын бақылау жөніндегі шенеуніктер қауымдастығының (AAFCO) мәліметінше, металл-аминқышқыл хелаты – ерігіш металл тұзының металл иондарымен аминқышқылдарының арасындағы реакция нәтижесінде пайда болатын өнім, онда аминқышқылдарының мольдық қатынасы бір моль металға 1–3 (көбінесе 2) моль аралығында болуы керек. Гидролизделген аминқышқылдарының орташа салмағы шамамен 150-ге тең болуы тиіс, ал хелаттың молекулалық салмағы 800 Да-дан аспауы керек. Бұл қосылыстардың бастапқы даму кезеңінен бері көптеген зерттеулер жүргізілді және бұл технологияны алғаш зерттеген мал азығына жасалған тәжірибелерге ұқсас әдіспен адамдарға арналған тағамдық өнімдерге де қолданылды. Темір бисглицинаты – адамдарға арналған тағамдық өнімдерге қолданылатын осы қосылыстардың бір мысалы.

Тіс дәрігерлік қызметі

Дентин жабысқыштары алғаш рет 1950 жылдары тістің бетіндегі кальциймен комономерлі хелат негізінде жасалып, өндірілді және өте нашар суға төзімді химиялық байланыс (2–3 МПа) құрады.

Келяциялық терапия

Келациялық терапия – сынап, мырыш және қорғасынмен улануға қарсы дәрі. Келаттағыш заттар осы металл иондарын организмнен шығарылатын химиялық және биохимиялық тұрақсыз түрге айналдырады. АҚШ-тың Азық-түлік және дәрі-дәрмек басқармасы (FDA) ауыр қорғасын улану жағдайларында кальций динатрий EDTA қолдану арқылы келациялық терапияны мақұлдады. Ол "ауыр металл улануын" емдеу үшін мақұлдалмаған. Ауыр қорғасынмен улану кезінде пайдалы болғанымен, кальций динатрий EDTA орнына динатрий EDTA (эдетат динатрийі) қолдану гипокальциемияға байланысты өлімге әкелді. Динатрий EDTA ешқандай қолдану үшін FDA-ның мақұлдауы жоқ.

Контраст агенттері

Гадолинийдің хелат кешендері жиі МРТ сканерлеулерде контраст заттары ретінде қолданылады, бірақ темір бөлшектері мен марганец хелат кешендері де зерттелген. Цирконий, галлий, фтор, мыс, иттрий, бром немесе йодтың екі функционалды хелат кешендері көбінесе моноклоналды антиденелерге қосылу үшін антиденеге негізделген ПЭТ-суреттемеде қолданылады. Бұл хелат кешендері көбінесе Мейс және авторлардың айтуынша, десферриоксамин В (ДФО) сияқты гексадентат лигандтарды пайдаланады, ал гадолиний кешендері көбінесе Дерекс және авторлардың айтуынша, ДТПА сияқты октадентат лигандтарды пайдаланады. Алтынның хелат кешені – ауранофин ревматоидты артритті емдеуде қолданылады, ал мыстың хелат кешендерін құрайтын пеницилламин Вильсон ауруы мен цистинурияны, сондай-ақ нашар емделетін ревматоидты артритті емдеуде қолданылады.

Тамақ қорындағы артықшылықтар мен мәселелер

Ішек жолындағы хелация дәрілер мен металл иондары арасындағы көптеген өзара әрекеттесулердің себебі болып табылады (тағамдық құрамында "минералдар" деп те аталады). Мысалы, тетрациклин және хинолон отбасына жататын антибиотиктер Fe2+, Ca2+ және Mg2+ иондарын хелациялайды. Кальцийге байланысатын EDTA, жолақты кератопатия салдарынан туындайтын гиперкальциемияны жеңілдету үшін қолданылады. Осы арқылы кальций мүйіз қабығынан алынып, науқастың көру қабілетінің жақсаруына мүмкіндік туады. Гомогенді катализаторлар көбінесе хелатталған кешендер болып табылады. Мысалы, Нойори асимметриялық сутектілігі мен асимметриялық изомерлендіруінде BINAP (бидентатты фосфин) қолданылады. Соңғысы синтетикалық (-) ментол өндірісінде практикалық маңызға ие.

Тазалау және суды жұмсарту

Келаттағыш зат – кейбір тоттан тазарту құрамының басты құралы болып табылады. Лимон қышқылы сабын мен кір жуғыш заттарда суды жұмсарту үшін пайдаланылады. Көп қолданылатын синтетикалық хелатор – EDTA. Фосфонаттар да кең таралған келаттағыш заттар. Келаттағыштар суды тазарту жүйелерінде және әсіресе бу машиналарын қызмет көрсетуде қолданылады. Бұл өңдеу көбінесе "жұмсарту" деп аталғанымен, келаттау судың минералдық құрамына тек оны ерігіш ету және судың pH деңгейін төмендетуден басқа ешқандай әсер тигізбейді.

Тыңайтқыштар

Металл келат қосылыстары микроэлементтерді қамтамасыз ететін тыңайтқыштардың көптеген құрауыштары болып табылады. Бұл микроэлементтер (марганец, темір, мырыш, мыс) өсімдіктердің сау болуы үшін қажет. Көптеген тыңайтқыштарда фосфат тұздары болады, олар келаттаушы заттардың болмауы жағдайында, әдетте, осы металл иондарын өсімдіктерге пайдасы жоқ ерімейтін қатты заттарға айналдырады. EDTA – осы металл иондарын ерітілген күйде ұстап тұратын әдеттегі келаттаушы зат.

Экономикалық жағдай

Олардың кең қажеттіліктеріне байланысты, 2009-2014 жылдар аралығында келаттаушы заттардың жалпы өсуі жылына 4% құрады, және бұл тенденцияның артуы мүмкін. Аминполикарбон қышқылының келаттаушылары – ең көп қолданылатын келаттаушы заттар; алайда, осы санаттағы экологиялық таза балама келаттаушылардың үлесі артып келеді. Әсіресе, этилендиаминтетраацетат қышқылы (EDTA) және нитрилтриацетат қышқылы (NTA) сияқты дәстүрлі аминполикарбонат келаттаушылардың қолданылуы азайып барады (жылына 6%), себебі олардың уыттылығы және қоршаған ортаға тигізетін зиянды әсеріне қатысты алаңдаушылықтар сақталып тұр.

Қайтару

Дехеляция (немесе дехеляция) – келатацияның кері процесі, онда келатор минералды қышқылмен ерітіндіні қышқылдандыру арқылы түрлендіріліп, шөккін түзеді.