Cheláty – čo sú, ako fungujú a prečo sú také dôležité

Ako vznikajú chelátové komplexy?

Chelatačný proces

Chelátový komplex je typ koordinačnej zlúčeniny, v ktorej je kovový ión spojený s ligandom prostredníctvom viacerých koordinačných väzieb (donor-akceptor), čím vzniká kruhová štruktúra. Táto jedinečná väzba zvyšuje stabilitu kovového komplexu v porovnaní s jednoduchými koordinačnými komplexmi, čo je dôležité pri rôznych chemických reakciách a biologických procesoch.

Chelácia je špeciálnym prípadom teórie koordinačnej chémie. Bidentátny alebo polydentátny ligand sa viaže na kov alebo kovový ión a vytvára stabilnú kruhovú štruktúru nazývanú chelátový kruh. Dôležitú úlohu tu zohráva spôsob, akým sa koordinačná väzba tvorí. V tomto prípade zdieľaný elektrónový pár pochádza iba z jedného z atómov (ktorý už má stabilnú elektrónovú konfiguráciu). V procese tvorby chelátu sa aspoň dva voľné elektrónové páry z rôznych donorových atómov koordinujú s rovnakým centrálnym iónom.

Vlastnosti chelátov

Tvorba viacerých koordinačných väzieb chelátmi, a najmä prítomnosť kruhu v molekule, určuje ich jedinečné vlastnosti. Najdôležitejšie z nich sú uvedené nižšie:

• Chelátové komplexy sú vo všeobecnosti stabilnejšie ako nechelátové komplexy vďaka entropickej výhode získanej tvorbou viacnásobných väzieb s kovovým centrom.
• Chelátový efekt sa vzťahuje na zvýšenú stabilitu chelátových komplexov v porovnaní s komplexmi vytvorenými s monodentátnymi ligandmi. Čím väčší je počet uzavretých kruhov okolo atómu kovu, tým je zlúčenina stabilnejšia.
• Konštanty stability chelátových komplexov sa môžu výrazne líšiť v závislosti od povahy kovového iónu aj zúčastnených ligandov.
• Cheláty vykazujú dobré tlmiace vlastnosti.
• Prítomnosť kovu a zložitá štruktúra im dávajú fluorescenčné vlastnosti.

Prírodné cheláty – príklady z prírody

Hemoglobín

Hemoglobín – polypeptid nachádzajúci sa v červených krvinkách umožňuje transport kyslíka v krvi z pľúc do iných tkanív v tele. Jeden hemový ligand obsahuje štyri atómy dusíka, ktoré sa viažu na železo v hemoglobíne za vzniku chelátu. Molekuly kyslíka sú transportované hemoglobínom v krvi a viažu sa na železné centrum. Keď hemoglobín stráca kyslík, jeho farba sa zmení na modročervenú. Dôležité je, že hemoglobín transportuje kyslík iba vtedy, keď je železo vo forme Fe2+; oxidácia železa na Fe3+ bráni transportu kyslíka.

Chlorofyl

Chlorofyl je zelený pigment nachádzajúci sa v rastlinách. Je mimoriadne dôležitou súčasťou fotosyntézy, absorbuje svetelnú energiu a premieňa ju na chemickú energiu. Centrálnym iónom v chlorofyle je horčík, ktorý je viazaný na štyri atómy dusíka, čím vytvára stabilnú kruhovú štruktúru.

Vitamín B12

Vitamín B12 je prirodzene sa vyskytujúca zlúčenina obsahujúca kobalt. Tento kov je centrálnym iónom chelátu vitamínu B12. Štyri atómy dusíka sú koordinačne viazané na kobalt a tvoria kruhovú štruktúru. Chelátová štruktúra vitamínu B12 je kľúčová pre jeho biologické funkcie, najmä pre jeho enzymatickú úlohu.

Použitie chelátov v medicíne, chémii a poľnohospodárstve

Unikátna štruktúra chelátov, ktorá im dáva pozoruhodné vlastnosti, určuje ich široké uplatnenie v mnohých oblastiach.

Tieto zlúčeniny sa používajú v medicíne a farmácii , najmä pri liečbe otravy ťažkými kovmi. Chelátové činidlá viažu a odstraňujú toxické kovy z tela. Do tejto skupiny patria najmä olovo a ortuť. V tejto kategórii sú uvedené aj kadmium, kobalt, gálium, lítium a zinok, hoci sa vyskytujú menej často. Všetky vyššie uvedené prvky po požití pôsobia ako metabolické jedy, ale aj ako teratogény, teda látky, ktoré spôsobujú vrodené chyby. Aktivita týchto prvkov v tele a ich následné odstránenie z tela prebieha okrem iného prostredníctvom chelácie.

V analytickej chémii sa cheláty používajú na detekciu a kvantitatívne stanovenie kovových iónov v rôznych vzorkách. Sú obzvlášť dôležité v klasickej analýze, napr. komplexometrických titráciách. Majú schopnosť selektívne a stabilne viazať kovy.

Chelátové činidlá sa tiež používajú ako extrakčné činidlá pri priemyselnej a laboratórnej separácii kovov a ako tlmivé roztoky a indikátory kovových iónov v analytickej chémii. Mnohé komerčné farbivá a množstvo biologických látok vrátane chlorofylu a hemoglobínu sú chelátové zlúčeniny.

Cheláty tiež plnia dôležité funkcie v poľnohospodárstve , napr. vo forme hnojív , ktoré dopĺňajú nedostatok minerálov, alebo činidiel na kontrolu chorôb rastlín.

Zhrnutie

Cheláty sú chemické zlúčeniny s jedinečnou štruktúrou a širokým spektrom použitia. Ich schopnosť tvoriť stabilné komplexy s kovovými iónmi ich robí nenahraditeľnými v biológii, medicíne, analytickej chémii a poľnohospodárstve. Vďaka svojej štruktúre a vlastnostiam zohrávajú kľúčovú úlohu v mnohých životných a technologických procesoch.