Введение

химическое вещество этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА), также называемая кислотой ЭДТА по своей аббревиатуре, представляет собой аминополикарбоновую кислоту с формулой [CH2N(CH2CO2H)2]2. Это белое твердое вещество, нерастворимое в воде, широко используется для связывания ионов железа (Fe2+/Fe3+) и кальция (Ca2+), образуя водорастворимые комплексы даже при нейтральном pH. Благодаря этому оно применяется для растворения отложений, содержащих Fe и Ca, а также для обеспечения ионов железа в условиях, когда их оксиды нерастворимы. ЭДТА доступна в виде нескольких солей, в частности динатриевой соли ЭДТА, натрий-кальций-эдетата и тетранатриевой соли ЭДТА, но все они функционируют схожим образом.

Омягчатель воды

Снижение жесткости воды при стирке и растворение накипи в котлах основаны на использовании EDTA и родственных комплексообразователей для связывания Ca2+, Mg2+, а также других ионов металлов. После образования комплекса с EDTA, эти металлокомплексы реже образуют осадки и меньше препятствуют действию мыла и моющих средств. По этим же причинам EDTA часто входит в состав чистящих средств. Аналогично, EDTA применяется в цементной промышленности для определения содержания свободной извести и свободной магнезии в цементе и клинкерах. Растворение ионов Fe3+ при нейтральном pH и ниже может быть достигнуто с помощью EDTA. Это свойство полезно в сельском хозяйстве, в том числе в гидропонике. Однако, учитывая зависимость образования комплексов от pH, EDTA неэффективен для повышения растворимости железа в почвах с pH выше нейтрального. В противном случае, при нейтральном и более высоком pH, железо(III) образует нерастворимые соли, которые хуже усваиваются чувствительными видами растений.

Медицина

Эдетат натрия-кальция, производное ЭДТА, используется для связывания ионов металлов при проведении хелатной терапии, например, для лечения отравлений ртутью и свинцом. Он применяется аналогичным образом для удаления избытка железа из организма. Эта терапия используется для лечения осложнений, возникающих при повторных переливаниях крови, в том числе при талассемии.

Стоматология

Стоматологи и эндодонты используют растворы ЭДТА для удаления неорганических отложений (смазового слоя) и смазки корневых каналов в эндодонтии. Эта процедура помогает подготовить корневые каналы к обтурации. Кроме того, растворы ЭДТА с добавлением поверхностно-активного вещества размягчают кальцификаты внутри корневого канала, обеспечивая инструментальную обработку (формирование канала) и облегчая апикальное продвижение инструмента в узком или кальцифицированном корневом канале к апексу.

Капли для глаз

Он служит консервантом (обычно для усиления действия другого консерванта, например, хлорида бензалкония или тиомерсала) в глазных препаратах и глазных каплях.

Анализ

При медицинской диагностике и функциональных тестах органов (в частности, тесте функции почек) комплекс хрома(III) [Cr(EDTA)]− (в виде радиоактивного хрома-51 (⁵¹Cr)) вводится внутривенно, и контролируется его фильтрация с мочой. Этот метод полезен для оценки скорости клубочковой фильтрации (СКФ) в ядерной медицине. ЭДТА широко используется в анализе крови. Он является антикоагулянтом для образцов крови при проведении общего анализа крови (CBC/FBC), где ЭДТА хелатирует кальций, присутствующий в образце крови, останавливая процесс свертывания и сохраняя морфологию клеток крови. Пробирки, содержащие ЭДТА, маркируются крышками лавандового (фиолетового) или розового цвета. ЭДТА также содержится в пробирках с коричневыми крышками для определения содержания свинца и может использоваться в пробирках с крышками насыщенного синего цвета для определения микроэлементов.

Альтернативная медицина

Некоторые сторонники альтернативной медицины полагают, что ЭДТА действует как антиоксидант, предотвращая повреждение стенок кровеносных сосудов свободными радикалами и, таким образом, снижая риск атеросклероза. Эти утверждения не имеют научного обоснования и, по-видимому, противоречат современным общепринятым представлениям. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) не одобрило применение ЭДТА для лечения атеросклероза.

Косметика

В шампунях, чистящих средствах и других средствах личной гигиены соли ЭДТА используются в качестве секвестранта для повышения их стабильности на воздухе. ЭДТА также выступает в роли селективного ингибитора ферментов, гидролизующих dNTP (полимераза Taq, dUTPase, MutT), аргиназы печени и пероксидазы хрена, независимо от хелатирования ионов металлов. Эти данные требуют пересмотра использования ЭДТА в качестве биохимически инертного комплексообразователя ионов металлов в ферментативных экспериментах. В аналитической химии ЭДТА применяется в комплексометрическом титровании и анализе жесткости воды, а также в качестве маскирующего агента для связывания ионов металлов, которые могут мешать анализу. ЭДТА находит множество специализированных применений в биомедицинских лабораториях, например, в ветеринарной офтальмологии в качестве антиколлагеназы для предотвращения ухудшения язв роговицы у животных. В культуре клеток ЭДТА используется как хелатирующий агент, связывающий кальций и препятствующий соединению кадеринов между клетками, предотвращая слипание клеток, выращенных во взвешенном состоянии, или отделение прикрепленных клеток для пассирования. В гистопатологии ЭДТА может использоваться в качестве декальцинирующего агента, позволяющего получать срезы с помощью микротома после деминерализации образца ткани. ЭДТА также известен своей способностью ингибировать ряд металлопептидаз, механизм ингибирования заключается в хелатировании иона металла, необходимого для каталитической активности. ЭДТА также может использоваться для определения биодоступности тяжелых металлов в донных отложениях. Однако он может влиять на биодоступность металлов в растворе, что может вызывать опасения относительно его воздействия на окружающую среду, особенно учитывая его широкое использование и применение. ЭДТА также применяется для удаления продуктов коррозии (корродированных металлов) из топливных стержней в ядерных реакторах.

Номенклатура

Для описания ЭДТА и его различных протонированных форм химики различают ЭДТА4−, являющийся конъюгированным основанием и выступающим в роли лиганда, и H4EDTA, являющийся предшественником этого лиганда. При очень низком pH (в сильно кислых условиях) преобладает полностью протонированная форма H6EDTA2+, в то время как при очень высоком pH или в сильно щелочных условиях преобладает полностью депротонированная форма EDTA4−. В данной статье термин ЭДТА используется для обозначения H4−xEDTAx−, а в его комплексах EDTA4− обозначает тетраанионный лиганд.

Принципы координационной химии

В координационной химии, EDTA4− является членом семейства лигандов аминополикарбоновых кислот. EDTA4− обычно связывается с металлическим катионом через два амина и четыре карбоксилата, то есть является гексадентатным ("шестизъбным") хелатирующим агентом. Многие из полученных координационных соединений имеют октаэдрическую геометрию. Хотя для его применения это не имеет существенного значения, эти октаэдрические комплексы являются хиральными. Анион кобальта(III) [Co(EDTA)]− был разделен на энантиомеры. Многие комплексы EDTA4− образуют более сложные структуры либо за счет образования дополнительной связи с водой, то есть семикоординатных комплексов, либо за счет замещения одной карбоксилатной группы водой. Комплекс железа(III) с EDTA является семикоординатным. Первые работы по разработке EDTA были проведены Геральдом Шварценбахом в 1940-х годах. EDTA образует особенно прочные комплексы с Mn(II), Cu(II), Fe(III), Pb(II) и Co(III). Несколько особенностей комплексов EDTA важны для его применения. Во-первых, благодаря высокой дентатности этот лиганд обладает высоким сродством к металлокатионам:

[Fe(H2O)6]3+ + H4EDTA ⇌ [Fe(EDTA)]− + 6 H2O + 4 H+ Keq = 1025.1

В таком виде константа равновесия показывает, что ионы металлов конкурируют с протонами за связывание с EDTA. Поскольку ионы металлов плотно охвачены EDTA, их каталитические свойства часто подавляются. Наконец, поскольку комплексы EDTA4− являются анионными, они, как правило, обладают высокой растворимостью в воде. По этой причине EDTA способен растворять отложения оксидов и карбонатов металлов. Значения pKa свободной EDTA составляют 0, 1,5, 2, 2,66 (депротонирование четырех карбоксильных групп) и 6,16, 10,24 (депротонирование двух аминогрупп).

Абиотическая деградация

ЭДТА настолько широко используется, что возникли вопросы о том, можно ли считать его стойким органическим загрязнителем. Несмотря на то, что ЭДТА выполняет множество полезных функций в различных отраслях промышленности, фармацевтике и других сферах, его длительное сохранение в окружающей среде может представлять серьезную проблему. Разложение ЭДТА происходит медленно, в основном абиотически под воздействием солнечного света. Наиболее важным процессом удаления ЭДТА из поверхностных вод является прямой фотолиз при длинах волн менее 400 нм. В зависимости от условий освещения, период полураспада комплексов железа(III) с ЭДТА в поверхностных водах может варьироваться от 11,3 минут до более 100 часов. Разложение FeEDTA, но не самого ЭДТА, приводит к образованию комплексов железа с триацетатом (ED3A), диацетатом (EDDA) и моноацетатом (EDMA). 92% EDDA и EDMA биоразлагаются в течение 20 часов, в то время как ED3A демонстрирует значительно более высокую устойчивость к разложению. Многие распространенные в окружающей среде формы ЭДТА (например, комплексы с Mg2+ и Ca2+) обладают большей стойкостью.

Биоразложение

На многих промышленных очистных сооружениях удаление ЭДТА может достигать 80% с помощью микроорганизмов. Образующиеся побочные продукты – ED3A и иминодиацетиновая кислота (IDA), что указывает на атаку как основной цепи, так и ацетильных групп. Некоторые микроорганизмы способны даже превращать ЭДТА в нитраты, однако их оптимальная активность наблюдается в умеренно щелочной среде при pH 9,0–9,5. Ряд штаммов бактерий, выделенных из очистных сооружений, эффективно разлагают ЭДТА. К специфическим штаммам относятся Agrobacterium radiobacter ATCC 55002 и подтипы Pseudomonadota, такие как BNC1, BNC2 и штамм DSM 9103. Эти три штамма обладают схожими свойствами аэробного дыхания и классифицируются как грамотрицательные бактерии. В отличие от фотолиза, для разложения не требуется, чтобы хелатированный комплекс содержал исключительно железо(III). Скорее, каждый штамм уникальным образом использует различные металл-ЭДТА комплексы посредством нескольких ферментативных путей. Agrobacterium radiobacter разлагает только комплексы Fe(III)-ЭДТА, при этом комплексы ЭДТА требуют диссоциации перед разложением.

Альтернативы EDTA

Интерес к экологической безопасности вызвал обеспокоенность в отношении биоразлагаемости аминополикарбоксилатов, таких как ЭДТА. Эта обеспокоенность стимулирует изучение альтернативных аминополикарбоксилатов.

Иминодисукциновая кислота (IDS)

Коммерчески используемая с 1998 года, имминодисукциновая кислота (IDS) биоразлагается примерно на 80% всего за 7 дней. IDS исключительно хорошо связывается с кальцием и образует стабильные соединения с другими ионами тяжелых металлов. Помимо снижения токсичности после хелатирования, IDS разлагается бактерией Agrobacterium tumefaciens (BY6), которую можно культивировать в больших масштабах. Ферменты, участвующие в этом процессе – IDS-эпимераза и C-N-лиаза – не требуют кофакторов.

Полиаспарагиновая кислота

Полиаспарагиновая кислота, как и IDS, связывается с кальцием и другими ионами тяжелых металлов. Она имеет множество практических применений, включая ингибиторы коррозии, добавки для очистки сточных вод и сельскохозяйственные полимеры. Стиральный порошок на основе полиаспарагиновой кислоты стал первым в мире, получившим экологическую маркировку «Европейский цветок». Способность полиаспарагиновой кислоты связывать кальций используется для доставки наноносителей, загруженных лекарственными средствами, в костную ткань. Создание гидрогелей на основе полиаспарагиновой кислоты в различных физических формах, от волокон до частиц, потенциально может обеспечить простое отделение хелатированных ионов из раствора. Таким образом, несмотря на то, что полиаспарагиновая кислота менее эффективна, чем EDTA, она все же может рассматриваться как жизнеспособная альтернатива благодаря этим свойствам, а также биосовместимости и биоразлагаемости.

S,S-этилендиамин-N,N′-дисукциновая кислота (EDDS)

Структурный изомер ЭДТА, этилендиамин N,N'-дисукциновая кислота (ЭДДС) быстро и легко биоразлагается в S,S-форме.

Метилглицинодиацетическая кислота (MGDA)

Тринатриевый дикарбоксиметил аланинат, также известный как метилглицинедиоцетовая кислота (MGDA), обладает высокой степенью биоразложения – более 68%, но, в отличие от многих других комплексообразователей, способен разлагаться без участия адаптированных бактерий. Кроме того, в отличие от EDDS или IDS, MGDA сохраняет высокую стабильность при более высоких температурах и во всем диапазоне pH. Показано, что MGDA является эффективным комплексообразователем, обладающим мобилизационной способностью, сравнимой с нитрилотриацетатной кислотой (NTA), и может применяться в воде для промышленного использования, а также для удаления оксалата кальция из мочи у пациентов с камнями в почках.

Методы обнаружения и анализа

Наиболее чувствительным методом обнаружения и количественного определения ЭДТА в биологических образцах является селективный мониторинг реакций капиллярного электрофореза с масс-спектрометрией (SRM CE/MS), который имеет предел обнаружения 7,3 нг/мл в плазме человека и предел количественного определения 15 нг/мл. Этот метод позволяет работать с объемами образцов всего 7–8 нл.

В популярной культуре

В фильме "Блэйд" (1998) ЭДТА используется как оружие для уничтожения вампиров, взрываясь при контакте с их кровью.