Chelati: cosa sono, come funzionano e perché sono così importanti

Come si formano i complessi chelati?

Il processo di chelazione

Un complesso chelante è un tipo di composto di coordinazione in cui uno ione metallico è legato a un ligando attraverso molteplici legami di coordinazione (donatore-accettore), formando una struttura ad anello. Questo legame unico aumenta la stabilità del complesso metallico rispetto ai semplici complessi di coordinazione, il che è importante in varie reazioni chimiche e processi biologici.

La chelazione è un caso speciale della teoria della chimica di coordinazione. Un ligando bidentato o polidentato si lega a un metallo o a uno ione metallico, formando una struttura ad anello stabile chiamata anello chelato. Il modo in cui si forma il legame di coordinazione gioca un ruolo importante in questo caso. In questo caso, la coppia di elettroni condivisa proviene da uno solo degli atomi (che ha già una configurazione elettronica stabile). Nel processo di formazione del chelato, almeno due coppie di elettroni libere provenienti da diversi atomi donatori si coordinano con lo stesso ione centrale.

Proprietà dei chelati

La formazione di legami di coordinazione multipli da parte dei chelati, e in particolare la presenza di un anello nella molecola, determina le loro proprietà uniche. Le più importanti sono elencate di seguito:

• I complessi chelati sono generalmente più stabili dei complessi non chelati a causa del vantaggio entropico ottenuto formando legami multipli con il centro metallico.
• L’effetto chelato si riferisce alla maggiore stabilità dei complessi chelati rispetto ai complessi formati con leganti monodentati. Maggiore è il numero di chiusure ad anello attorno all’atomo metallico, più stabile è il composto.
• Le costanti di stabilità dei complessi chelati possono variare in modo significativo a seconda della natura sia dello ione metallico sia dei ligandi coinvolti.
• I chelati presentano buone proprietà tampone.
• La presenza di metallo e la struttura complessa conferiscono loro proprietà fluorescenti.

Chelati naturali – esempi dalla natura

Emoglobina

Emoglobina: un polipeptide presente nei globuli rossi, consente il trasporto dell’ossigeno nel sangue dai polmoni agli altri tessuti del corpo. Un singolo legante dell’eme contiene quattro atomi di azoto che si legano al ferro nell’emoglobina per formare un chelato. Le molecole di ossigeno vengono trasportate dall’emoglobina nel sangue, legandosi al centro del ferro. Quando l’emoglobina perde ossigeno, il suo colore cambia in blu-rosso. È importante notare che l’emoglobina trasporta ossigeno solo quando il ferro è nella forma Fe2+; l’ossidazione del ferro a Fe3+ impedisce il trasporto di ossigeno.

Clorofilla

La clorofilla è un pigmento verde presente nelle piante. È un componente estremamente importante della fotosintesi, in quanto assorbe l’energia luminosa e la converte in energia chimica. Lo ione centrale della clorofilla è il magnesio, che è legato a quattro atomi di azoto, formando così una struttura ad anello stabile.

Vitamina B12

La vitamina B12 è un composto naturale contenente cobalto. Questo metallo è lo ione centrale del chelato della vitamina B12. Quattro atomi di azoto sono legati in modo coordinato al cobalto, formando una struttura ad anello. La struttura chelata della vitamina B12 è fondamentale per le sue funzioni biologiche, in particolare per il suo ruolo enzimatico.

L’uso dei chelati in medicina, chimica e agricoltura

La struttura unica dei chelati, che conferisce loro proprietà straordinarie, ne determina l’ampia applicazione in molti campi. Questi composti sono utilizzati in medicina e in farmacia , soprattutto nel trattamento dell’avvelenamento da metalli pesanti. Gli agenti chelanti legano e rimuovono i metalli tossici dall’organismo. Questo gruppo comprende principalmente piombo e mercurio. Anche cadmio, cobalto, gallio, litio e zinco sono elencati in questa categoria, sebbene siano meno frequenti. Tutti gli elementi sopra menzionati, se ingeriti, agiscono come veleni metabolici, ma anche come teratogeni, ovvero sostanze che causano difetti congeniti. L’attività di questi elementi nell’organismo e la loro successiva rimozione dall’organismo avviene, tra le altre cose, attraverso la chelazione. In chimica analitica , i chelati vengono utilizzati per rilevare e determinare quantitativamente gli ioni metallici in vari campioni. Sono particolarmente importanti nell’analisi classica, ad esempio nelle titolazioni complessometriche. Hanno la capacità di legare selettivamente e stabilmente i metalli. Gli agenti chelanti sono utilizzati anche come estrattivi nella separazione dei metalli a livello industriale e di laboratorio e come tamponi e indicatori di ioni metallici nella chimica analitica. Molti coloranti commerciali e numerose sostanze biologiche, tra cui clorofilla ed emoglobina, sono composti chelati. I chelati svolgono anche importanti funzioni in agricoltura , ad esempio sotto forma di fertilizzanti che integrano carenze minerali o agenti per il controllo delle malattie delle piante.

Riepilogo

I chelati sono composti chimici con una struttura unica e un’ampia gamma di applicazioni. La loro capacità di formare complessi stabili con ioni metallici li rende indispensabili in biologia, medicina, chimica analitica e agricoltura. Grazie alla loro struttura e alle loro proprietà, svolgono un ruolo chiave in molti processi vitali e tecnologici.