Chélates : ce qu’ils sont, comment ils fonctionnent et pourquoi ils sont si importants

Comment se forment les complexes chélatés ?

Le processus de chélation

Un complexe chélaté est un type de composé de coordination dans lequel un ion métallique est relié à un ligand par de multiples liaisons de coordination (donneur-accepteur), formant une structure cyclique. Cette liaison unique accroît la stabilité du complexe métallique par rapport aux complexes de coordination simples, ce qui est important dans diverses réactions chimiques et processus biologiques. La chélation est un cas particulier de la théorie de la chimie de coordination. Un ligand bidentate ou polydentate se lie à un métal ou à un ion métallique, formant une structure cyclique stable appelée cycle chélaté. Le mode de formation de la liaison de coordination joue ici un rôle important. Dans ce cas, la paire d’électrons partagée provient d’un seul des atomes (qui possède déjà une configuration électronique stable). Lors de la formation d’un chélate, au moins deux paires d’électrons libres provenant d’atomes donneurs différents se coordonnent avec le même ion central.

Propriétés des chélates

La formation de multiples liaisons de coordination par les chélates, et en particulier la présence d’un cycle dans la molécule, détermine leurs propriétés uniques. Les plus importantes sont énumérées ci-dessous :

• Les complexes chélatés sont généralement plus stables que les complexes non chélatés en raison de l’avantage d’entropie obtenu en formant des liaisons multiples avec le centre métallique.
• L’effet chélate se réfère à la stabilité accrue des complexes chélatés par rapport aux complexes formés avec des ligands monodentates. Plus le nombre de cycles fermés autour de l’atome métallique est élevé, plus le composé est stable.
• Les constantes de stabilité des complexes chélatés peuvent varier considérablement en fonction de la nature de l’ion métallique et des ligands impliqués.
• Les chélates présentent de bonnes propriétés tampons.
• La présence de métal et la structure complexe leur confèrent des propriétés fluorescentes.

Chélates naturels – exemples de la nature

Hémoglobine

L’hémoglobine, un polypeptide présent dans les globules rouges, assure le transport de l’oxygène dans le sang, des poumons vers les autres tissus de l’organisme. Un ligand hémique contient quatre atomes d’azote qui se lient au fer de l’hémoglobine pour former un chélate. Les molécules d’oxygène sont transportées par l’hémoglobine dans le sang et se lient au centre ferreux. Lorsque l’hémoglobine perd de l’oxygène, sa couleur vire au bleu-rouge. Il est important de noter que l’hémoglobine ne transporte l’oxygène que lorsque le fer est sous forme Fe₂+ ; l’oxydation du fer en Fe₃+ empêche le transport de l’oxygène.

Chlorophylle

La chlorophylle est un pigment vert présent dans les plantes. Elle joue un rôle crucial dans la photosynthèse, absorbant l’énergie lumineuse et la convertissant en énergie chimique. L’ion central de la chlorophylle est le magnésium, lié à quatre atomes d’azote, formant ainsi une structure cyclique stable.

Vitamine B12

La vitamine B12 est un composé naturel contenant du cobalt. Ce métal est l’ion central du chélate de vitamine B12. Quatre atomes d’azote sont liés de manière coordonnée au cobalt, formant une structure cyclique. La structure chélatée de la vitamine B12 est essentielle à ses fonctions biologiques, notamment à son rôle enzymatique.

L’utilisation des chélates en médecine, en chimie et en agriculture

La structure unique des chélates, qui leur confère des propriétés remarquables, détermine leur large application dans de nombreux domaines. Ces composés sont utilisés en médecine et en pharmacie , notamment dans le traitement des intoxications aux métaux lourds. Les agents chélateurs lient et éliminent les métaux toxiques de l’organisme. Ce groupe comprend principalement le plomb et le mercure. Le cadmium, le cobalt, le gallium, le lithium et le zinc font également partie de cette catégorie, bien que moins fréquemment. Tous ces éléments, lorsqu’ils sont ingérés, agissent comme des poisons métaboliques, mais aussi comme des tératogènes, c’est-à-dire des substances responsables de malformations congénitales. L’activité de ces éléments dans l’organisme et leur élimination ultérieure s’effectuent, entre autres, par chélation. En chimie analytique , les chélates sont utilisés pour détecter et doser quantitativement les ions métalliques dans divers échantillons. Ils sont particulièrement importants dans les analyses classiques, par exemple les titrages complexométriques. Ils ont la capacité de lier les métaux de manière sélective et stable. Les agents chélateurs sont également utilisés comme agents d’extraction dans la séparation des métaux en industrie et en laboratoire, ainsi que comme tampons et indicateurs d’ions métalliques en chimie analytique. De nombreux colorants commerciaux et diverses substances biologiques, dont la chlorophylle et l’hémoglobine, sont des composés chélatés. Les chélates jouent également un rôle important en agriculture , par exemple comme engrais pour pallier les carences en minéraux ou comme agents de lutte contre les maladies des plantes.

Résumé

Les chélates sont des composés chimiques dotés d’une structure unique et d’un large éventail d’applications. Leur capacité à former des complexes stables avec des ions métalliques les rend indispensables en biologie, en médecine, en chimie analytique et en agriculture. Grâce à leur structure et à leurs propriétés, ils jouent un rôle clé dans de nombreux processus biologiques et technologiques.