Chelate – was sie sind, wie sie wirken und warum sie so wichtig sind

Wie entstehen Chelatkomplexe?

Der Chelatbildungsprozess

Ein Chelatkomplex ist eine Art Koordinationsverbindung, bei der ein Metallion über mehrere Koordinationsbindungen (Donor-Akzeptor-Bindungen) mit einem Liganden verbunden ist und so eine Ringstruktur bildet. Diese einzigartige Bindung erhöht die Stabilität des Metallkomplexes im Vergleich zu einfachen Koordinationskomplexen, was für verschiedene chemische Reaktionen und biologische Prozesse von Bedeutung ist.

Die Chelatbildung ist ein Sonderfall der Koordinationschemie. Ein zwei- oder mehrzähniger Ligand bindet sich an ein Metall oder Metallion und bildet eine stabile Ringstruktur, die als Chelatring bezeichnet wird. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Art und Weise, wie die Koordinationsbindung entsteht. In diesem Fall stammt das gemeinsame Elektronenpaar nur von einem der Atome (das bereits eine stabile Elektronenkonfiguration hat). Bei der Bildung von Chelaten koordinieren mindestens zwei freie Elektronenpaare aus verschiedenen Donoratomen mit demselben Zentralion.

Eigenschaften von Chelaten

Die Bildung von Mehrfachkoordinationsbindungen durch Chelate und insbesondere das Vorhandensein eines Rings im Molekül bestimmen ihre einzigartigen Eigenschaften. Nachfolgend sind die wichtigsten davon aufgeführt:

• Chelatkomplexe sind im Allgemeinen stabiler als nicht chelatierte Komplexe, da sie durch die Bildung mehrfacher Bindungen mit dem Metallzentrum einen Entropievorteil erzielen.
• Der Chelateffekt bezieht sich auf die erhöhte Stabilität von Chelatkomplexen im Vergleich zu Komplexen, die aus einzahnigen Liganden gebildet werden. Je größer die Anzahl der Ringverschlüsse um das Metallatom, desto stabiler ist die Verbindung.
• Die Stabilitätskonstanten von Chelatkomplexen können je nach Art des Metallions und der beteiligten Liganden stark variieren.
• Chelate weisen gute Puffereigenschaften auf.
• Das Vorhandensein von Metall und die komplexe Struktur verleihen ihnen fluoreszierende Eigenschaften.

Natürliche Chelate – Beispiele aus der Natur

Hämoglobin

Hämoglobin – ein in roten Blutkörperchen vorkommendes Polypeptid, ermöglicht den Transport von Sauerstoff im Blut von der Lunge zu anderen Geweben im Körper. Ein einzelner Hämligand enthält vier Stickstoffatome, die sich mit Eisen im Hämoglobin verbinden und einen Chelat bilden. Sauerstoffmoleküle werden durch Hämoglobin im Blut transportiert, indem sie sich an das Eisenzentrum binden. Wenn Hämoglobin Sauerstoff verliert, verfärbt es sich blau-rot. Wichtig ist, dass Hämoglobin nur dann Sauerstoff transportiert, wenn das Eisen in Form von Fe2+ vorliegt; die Oxidation von Eisen zu Fe3+ verhindert den Sauerstofftransport.

Chlorophyll

Chlorophyll ist ein grüner Farbstoff, der in Pflanzen vorkommt. Es ist ein äußerst wichtiger Bestandteil des Photosynthesevorgangs – es absorbiert Lichtenergie und wandelt sie in chemische Energie um. Das Zentralion im Chlorophyll ist Magnesium, das mit vier Stickstoffatomen verbunden ist – auf diese Weise entsteht eine stabile Ringstruktur.

Vitamin B12

Vitamin B12 ist eine natürlich vorkommende Verbindung, die Kobalt enthält. Dieses Metall ist das Zentralion des Vitamin-B12-Chelats. Mit Kobalt sind vier Stickstoffatome koordinativ verbunden und bilden eine Ringstruktur. Die Chelatstruktur von Vitamin B12 ist für seine biologischen Funktionen, insbesondere für seine enzymatischen Aufgaben, von entscheidender Bedeutung.

Anwendung von Chelaten in Medizin, Chemie und Landwirtschaft

Die einzigartige Struktur von Chelaten, die ihnen außergewöhnliche Eigenschaften verleiht, bestimmt ihre breite Anwendung in vielen Bereichen.

Diese Verbindungen werden in der Medizin (Arzneimittelindustrie) eingesetzt, insbesondere zur Behandlung von Schwermetallvergiftungen. Chelatbildende Faktoren binden und entfernen giftige Metalle aus dem Körper. Zu dieser Gruppe gehören vor allem Blei und Quecksilber. Cadmium, Kobalt, Gallium, Lithium und Zink werden ebenfalls in dieser Kategorie aufgeführt, kommen jedoch seltener vor. Alle oben genannten Elemente wirken nach der Aufnahme als Stoffwechselgifte, aber auch als Teratogene, also Substanzen, die Geburtsfehler verursachen. Die Aktivität dieser Elemente im Körper und ihre anschließende Ausscheidung aus dem Körper erfolgt unter anderem durch Chelatbildung.

In der analytischen Chemie werden Chelate zum Nachweis und zur quantitativen Bestimmung von Metallionen in verschiedenen Proben verwendet. Sie spielen insbesondere in der klassischen Analyse, z. B. bei komplexometrischen Titrationen, eine wichtige Rolle. Sie haben die Fähigkeit, Metalle selektiv und stabil zu binden.

Chelatbildner werden auch als Extraktionsmittel in der industriellen und labortechnischen Metalltrennung sowie als Puffer für Metallionen und Indikatoren in der analytischen Chemie eingesetzt. Viele kommerzielle Farbstoffe und eine Reihe von biologischen Substanzen, darunter Chlorophyll und Hämoglobin, sind Chelatverbindungen.

Auch in der Landwirtschaft erfüllen Chelate wichtige Funktionen, z. B. in Form von Düngemitteln, die Mineralstoffmängel ausgleichen, oder Mitteln zur Bekämpfung von Pflanzenkrankheiten.

Zusammenfassung

Chelate sind chemische Verbindungen mit einer einzigartigen Struktur und einem breiten Anwendungsspektrum. Ihre Fähigkeit, stabile Komplexe mit Metallionen zu bilden, macht sie in der Biologie, Medizin, analytischen Chemie und Landwirtschaft unersetzlich. Dank ihrer Struktur und Eigenschaften spielen sie eine Schlüsselrolle in vielen Lebens- und technologischen Prozessen.