Введение

Тип химической связи с ионами металлов секвестрирующими агентами в целом.

Хелатирование – это тип связи ионов и молекул с ионами металлов. Оно включает образование или наличие двух или более отдельных координационных связей между полидентатным (многозубым) лигандом и одним центральным атомом металла. Эти лиганды называются хелатами, хелаторами, хелатирующими агентами или секвестрирующими агентами. Обычно это органические соединения, но это не обязательно. Слово «хелатирование» происходит от греческого χηλή (chēlē), означающего «коготь»; лиганды окружают центральный атом, подобно когтям краба. Термин «хелат» впервые был применен в 1920 году сэром Гилбертом Т. Морганом и Х. Д. К. Дрю, которые утверждали: «Прилагательное «хелат», происходящее от большого когтя или хелы (греческого) краба или других ракообразных, предлагается для групп, функционирующих как две объединяющие единицы и закрепляющихся на центральном атоме для образования гетероциклических колец». Хелатирование полезно в таких областях, как производство пищевых добавок, хелатная терапия для удаления токсичных металлов из организма, в качестве контрастных веществ при МРТ-сканировании, в производстве с использованием гомогенных катализаторов, в химической очистке воды для облегчения удаления металлов и в удобрениях.

В природе

Многочисленные биомолекулы обладают способностью растворять определенные металлические катионы. 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 дикислоты, такие как малат, и полипептиды, такие как фитокелатин, также являются типичными хелаторами. Помимо этих спонтанных хелаторов, некоторые биомолекулы специально производятся для связывания определенных металлов (см. следующий раздел). К таким хелатирующим агентам относятся порфириновые кольца в гемоглобине и хлорофилле. Многие виды микроорганизмов производят водорастворимые пигменты, служащие хелатирующими агентами, известные как сидерофоры. Например, известно, что виды Pseudomonas выделяют пиохелин и пиовердин, которые связывают железо. Энтеробактин, производимый E. coli, является самым сильным известным хелатирующим агентом. Морские мидии используют хелацию металлов, в особенности хелацию Fe3+ с остатками допы в белке 1 лапы мидии, для повышения прочности нитей, которые они используют для прикрепления к поверхностям. В науке о Земле химическое выветривание связывают с органическими хелатирующими агентами (например, пептидами и сахарами), которые извлекают ионы металлов из минералов и горных пород. Большинство металлокомплексов в окружающей среде и в природе связаны в той или иной форме хелатного кольца (например, с гуминовой кислотой или белком). Таким образом, хелаты металлов играют важную роль в мобилизации металлов в почве, их поглощении и накоплении в растениях и микроорганизмах. Селективная хелация тяжелых металлов имеет значение для биоремедиации (например, удаления 137Cs из радиоактивных отходов).

Добавки к корму животных

Синтетические хелаты, такие как этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА), оказались слишком стабильными и не обладали питательной ценностью. Если минерал отщеплялся от лиганда ЭДТА, то сам лиганд не мог быть использован организмом и выводился. В процессе выведения лиганд ЭДТА мог случайным образом образовывать хелаты и выводить другие минералы из организма. Согласно Ассоциации американских чиновников по контролю за кормами (AAFCO), хелат металла-аминокислоты определяется как продукт, полученный в результате реакции ионов металла из растворимой соли металла с аминокислотами, при мольном соотношении от 1:3 до 3:1 (предпочтительно 2:1) молей аминокислот на один моль металла. Средняя молекулярная масса гидролизованных аминокислот должна составлять приблизительно 150, а молекулярная масса полученного хелата не должна превышать 800 Да. С момента первых разработок этих соединений было проведено множество дополнительных исследований, и они стали применяться в продуктах питания для человека аналогично экспериментам по питанию животных, которые впервые заложили основу этой технологии. Железа бисглицинат является примером одного из таких соединений, разработанных для питания человека.

Стоматологическое применение

Дентинные адгезивы были впервые разработаны и произведены в 1950-х годах на основе сомономера, образующего хелат с кальцием на поверхности зуба, и обеспечивали очень слабую водостойкую химическую связь (2–3 МПа).

Челационная терапия

Челационная терапия является противоядием при отравлении ртутью, мышьяком и свинцом. Хелатирующие агенты превращают эти ионы металлов в химически и биохимически инертную форму, которая может быть выведена из организма. Келирование с использованием ЭДТА динатрия кальция одобрено Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) для лечения тяжелых случаев отравления свинцом. Оно не одобрено для лечения "токсичности тяжелыми металлами". Хотя и полезно при тяжелом отравлении свинцом, применение ЭДТА динатрия (эдетата динатрия) вместо ЭДТА динатрия кальция приводило к летальным исходам из-за гипокальциемии. ЭДТА динатрия не одобрен FDA для какого-либо применения.

Контрастные агенты

Челатные комплексы гадолиния часто используются в качестве контрастных веществ при МРТ, хотя также изучались комплексы железа и марганца. Бифункциональные хелатные комплексы циркония, галлия, фтора, меди, иттрия, брома или йода часто применяются для конъюгации с моноклональными антителами для использования в ПЭТ-визуализации на основе антител. В этих хелатных комплексах часто используются гексадентатные лиганды, такие как десферриоксамин B (DFO), согласно Meijs et al., а в гадолиниевых комплексах – октадентатные лиганды, такие как DTPA, согласно Desreux et al. Ауранофин, челатный комплекс золота, применяется для лечения ревматоидного артрита, а пеницилламин, образующий хелатные комплексы меди, – для лечения болезни Вильсона и цистинурии, а также рефрактерного ревматоидного артрита.

Пищевые преимущества и проблемы

Челация в кишечном тракте является причиной многочисленных взаимодействий между лекарственными средствами и ионами металлов (также известными как "минералы" в питании). В качестве примеров, антибиотики семейств тетрациклинов и хинолонов являются веществами, образующими хелаты с ионами Fe2+, Ca2+ и Mg2+. ЭДТА, связываясь с кальцием, используется для облегчения гиперкальциемии, часто возникающей при полосовой кератопатии. Кальций может быть удален из роговицы, что позволяет пациенту улучшить остроту зрения. Гомогенные катализаторы часто представляют собой хелатные комплексы. Типичным примером является использование BINAP (бидентатного фосфина) в асимметричной гидрогенизации и асимметричной изомеризации Нойори. Последняя имеет практическое применение в производстве синтетического (–)-ментола.

Очистка и смягчение воды

Хелатирующий агент является основным компонентом некоторых составов для удаления ржавчины. Лимонная кислота используется для смягчения воды в мылах и стиральных порошках. Распространенным синтетическим хелатором является ЭДТА. Фосфонаты также широко известны как хелатирующие агенты. Хелаторы применяются в программах водоподготовки и, в частности, в паровом хозяйстве. Хотя эту обработку часто называют "умягчением", хелатирование мало влияет на минеральный состав воды, за исключением того, что оно делает минералы растворимыми и понижает уровень pH воды.

Удобрения

Металлические хелатные соединения – распространенные компоненты удобрений, обеспечивающие растения микроэлементами. Эти микроэлементы (марганец, железо, цинк, медь) необходимы для их здоровья. Большинство удобрений содержат фосфатные соли, которые в отсутствие хелатирующих агентов обычно превращают эти ионы металлов в нерастворимые соединения, не имеющие питательной ценности для растений. ЭДТА является типичным хелатирующим агентом, поддерживающим эти ионы металлов в растворимом состоянии.

Экономическая ситуация

В связи с широким спектром их применения, общий рост рынка хелатирующих агентов составлял 4% в год в период с 2009 по 2014 год, и эта тенденция, вероятно, сохранится. Наиболее широко используемыми хелатирующими агентами являются хелаторы на основе аминополикарбоновых кислот, однако доля более экологичных альтернатив в этой категории продолжает расти. Потребление традиционных хелаторов аминополикарбоксилатов, в частности ЭДТА (этилендиаминтетрауксусная кислота) и НТА (нитрилотриуксусная кислота), снижается (на 6% в год) из-за сохраняющихся опасений по поводу их токсичности и негативного воздействия на окружающую среду.

Перевернуть

Дехеляция (или дехеляция) — обратный процесс хелатирования, в котором хелатирующий агент извлекается путем подкисления раствора минеральной кислотой с образованием осадка.