Chelaty – czym są, jak działają i dlaczego są tak ważne

Jak powstają kompleksy chelatowe?

Proces chelatowania

Kompleks chelatowy to rodzaj związku koordynacyjnego, w którym jon metalu jest połączony z ligandem, poprzez wielokrotne wiązania koordynacyjne (donorowo-akceptorowe), tworząc strukturę pierścieniową. To unikalne wiązanie zwiększa stabilność kompleksu metalu, w porównaniu z prostymi kompleksami koordynacyjnymi, co ma istotne znaczenie w różnych reakcjach chemicznych i procesach biologicznych.

Chelatowanie jest szczególnym przypadkiem teorii chemii koordynacyjnej. Ligand dwu- lub wielozębowy wiąże się z metalem lub jonem metalu, tworząc stabilną strukturę pierścieniową zwaną pierścieniem chelatowym. Ważną rolę odgrywa tutaj sposób utworzenia wiązania koordynacyjnego. W tym przypadku wspólna para elektronowa pochodzi tylko od jednego z atomów (posiadającego już trwałą konfigurację elektronową). W procesie tworzenia chelatów, co najmniej dwie wolne pary elektronowe z różnych atomów będących donorami, koordynuje z tym samym jonem centralnym.

Właściwości chelatów

Tworzenie wielokrotnych wiązań koordynacyjnych przez chelaty, a w szczególności obecność pierścienia w cząsteczce, decyduje o ich wyjątkowych właściwościach. Poniżej przytoczono najważniejsze z nich:

• Kompleksy chelatowe są na ogół bardziej stabilne niż kompleksy niechelatowane ze względu na przewagę entropii uzyskaną dzięki tworzeniu wiązań wielokrotnych z centrum metalicznym.
• Efekt chelatowy odnosi się do zwiększonej stabilności kompleksów chelatowych w porównaniu z kompleksami utworzonymi z ligandami jednozębowymi. Im większa liczba zamknięć pierścienia wokół atomu metalu – tym stabilniejszy jest związek.
• Stałe stabilności kompleksów chelatowych mogą się znacznie różnić w zależności od charakteru zarówno jonu metalu, jak i zaangażowanych ligandów,
• Chelaty wykazują dobre właściwości buforowe,
• Obecność metalu i kompleksowa struktura zapewniają im fluorescencyjne właściwości.

Naturalne chelaty – przykłady z przyrody

Hemoglobina

Hemoglobina – polipeptyd występujący w czerwonych krwinkach, umożliwia transport tlenu we krwi, z płuc do innych tkanek w organizmie. Pojedynczy ligand hemu zawiera cztery atomy azotu, które łączą się z żelazem w hemoglobinie, tworząc chelat. Cząsteczki tlenu są transportowane przez hemoglobinę we krwi, wiążąc się z centrum żelazowym. Gdy hemoglobina traci tlen, jej kolor zmienia się na niebiesko-czerwony. Co ważne, hemoglobina transportuje tlen tylko wtedy, gdy żelazo jest w postaci Fe2+; utlenianie żelaza do Fe3+ uniemożliwia transport tlenu.

Chlorofil

Chlorofil – to zielony pigment występujący w roślinach. Składnik niezwykle ważny dla procesu fotosyntezy – pochłania energię świetlną i przekształca ją w energię chemiczną. W chlorofilu jonem centralnym jest magnez, który związany jest z czterema atomami azotu – w ten sposób tworzy się stabilna, pierścieniowa struktura.

Witamina B12

Witamina B12 – jest to naturalnie występujący związek, zawierający kobalt. Metal ten jest jonem centralnym chelatu witaminy B12. Z kobaltem związane są koordynacyjnie cztery atomy azotu, tworząc strukturę pierścieniową. Chelatowa struktura witaminy B12 ma kluczowe znaczenie dla jej funkcji biologicznych, a w szczególności roli enzymatycznych.

Zastosowanie chelatów w medycynie, chemii i rolnictwie

Wyjątkowa struktura chelatów, nadająca im niezwykłe właściwości, determinuje ich szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach.

Związki te są stosowane w medycynie i farmacji, szczególnie w leczeniu zatruć metalami ciężkimi. Czynniki chelatujące wiążą i usuwają toksyczne metale z organizmu. Do tej grupy zaliczają się głównie ołów i rtęć. Kadm, kobalt, gal, lit i cynk są wymienione w tej kategorii, choć występują rzadziej. Wszystkie powyższe pierwiastki, po spożyciu, działają, jako trucizny metaboliczne, ale również teratogeny, czyli substancje powodujące wady wrodzone. Aktywność tych pierwiastków w organizmie i ich późniejsze usuwanie z organizmu odbywa się m.in. poprzez chelatowanie.

W chemii analitycznej chelaty są wykorzystywane do wykrywania i ilościowego oznaczania jonów metali w różnych próbkach. Duże znaczenie odgrywają szczególnie w analizie klasycznej, np. miareczkowaniach kompleksometrycznych. Mają zdolność do selektywnego i stabilnego wiązania metali.

Środki chelatujące są również stosowane, jako ekstrahenty w przemysłowej i laboratoryjnej separacji metali oraz jako bufory jonów metali i wskaźniki w chemii analitycznej. Wiele komercyjnych barwników i szereg substancji biologicznych, w tym chlorofil i hemoglobina, to związki chelatowe.

Również ważne funkcje chelaty spełniają w rolnictwie, np. w postaci nawozów uzupełniających niedobory składników mineralnych czy środków do zwalczania chorób roślin.

Podsumowanie

Chelaty to związki chemiczne o wyjątkowej budowie i szerokim zastosowaniu. Ich zdolność do tworzenia stabilnych kompleksów z jonami metali sprawia, że są niezastąpione w biologii, medycynie, chemii analitycznej i rolnictwie. Dzięki swojej strukturze i właściwościom, odgrywają kluczową rolę w wielu procesach życiowych i technologicznych.