Kelater – vad de är, hur de fungerar och varför de är så viktiga

Hur bildas kelatkomplex?

Kelateringsprocessen

Ett kelatkomplex är en typ av koordinationsförening där en metalljon är kopplad till en ligand genom flera koordinationsbindningar (donator-acceptor), vilket bildar en ringstruktur. Denna unika bindning ökar stabiliteten hos metallkomplexet jämfört med enkla koordinationskomplex, vilket är viktigt i olika kemiska reaktioner och biologiska processer.

Kelering är ett specialfall av koordinationskemiteori. En bidentat eller polydentat ligand binder till en metall- eller metalljon och bildar en stabil ringstruktur som kallas en kelatring. Sättet på vilket koordinationsbindningen bildas spelar en viktig roll här. I detta fall kommer det delade elektronparet från endast en av atomerna (som redan har en stabil elektronkonfiguration). I processen för kelatbildning koordinerar minst två fria elektronpar från olika donatoratomer med samma centrala jon.

Egenskaper hos kelater

Bildandet av multipla koordinationsbindningar av kelater, och i synnerhet närvaron av en ring i molekylen, avgör deras unika egenskaper. De viktigaste av dessa listas nedan:

• Kelatkomplex är generellt mer stabila än icke-kelaterade komplex på grund av den entropifördel som uppnås genom att bilda multipla bindningar med metallcentrumet.
• Kelateffekten avser den ökade stabiliteten hos kelatkomplex jämfört med komplex som bildas med monodentata ligander. Ju fler ringslutningar runt metallatomen, desto stabilare är föreningen.
• Stabilitetskonstanterna för kelatkomplex kan variera avsevärt beroende på beskaffenheten hos både metalljonen och de involverade liganderna.
• Kelater uppvisar goda buffrande egenskaper.
• Närvaron av metall och den komplexa strukturen ger dem fluorescerande egenskaper.

Naturliga kelater – exempel från naturen

Hemoglobin

Hemoglobin – en polypeptid som finns i röda blodkroppar, möjliggör transport av syre i blodet från lungorna till andra vävnader i kroppen. En enda hemligand innehåller fyra kväveatomer som binder till järn i hemoglobin för att bilda ett kelat. Syremolekyler transporteras av hemoglobin i blodet och binder till järncentrum. När hemoglobin förlorar syre ändras dess färg till blåröd. Viktigt är att hemoglobin endast transporterar syre när järn är i Fe2+-form; oxidation av järn till Fe3+ förhindrar syretransport.

Klorofyll

Klorofyll är ett grönt pigment som finns i växter. Det är en extremt viktig komponent i fotosyntesen, det absorberar ljusenergi och omvandlar den till kemisk energi. Den centrala jonen i klorofyll är magnesium, som är bunden till fyra kväveatomer och därmed bildar en stabil ringstruktur.

Vitamin B12

Vitamin B12 är en naturligt förekommande förening som innehåller kobolt. Denna metall är den centrala jonen i vitamin B12-kelatet. Fyra kväveatomer är koordinativt bundna till kobolt och bildar en ringstruktur. Vitamin B12:s kelatstruktur är avgörande för dess biologiska funktioner, särskilt dess enzymatiska roll.

Användningen av kelater inom medicin, kemi och jordbruk

Kelaternas unika struktur, som ger dem anmärkningsvärda egenskaper, avgör deras breda tillämpning inom många områden.

Dessa föreningar används inom medicin och läkemedelsindustrin , särskilt vid behandling av tungmetallförgiftning. Kelaterande medel binder och avlägsnar giftiga metaller från kroppen. Denna grupp inkluderar huvudsakligen bly och kvicksilver. Kadmium, kobolt, gallium, litium och zink listas också i denna kategori, även om de förekommer mer sällan. Alla ovanstående element fungerar, vid förtäring, som metaboliska gifter, men också som teratogener, dvs. ämnen som orsakar fosterskador. Aktiviteten hos dessa element i kroppen och deras efterföljande avlägsnande från kroppen sker bland annat genom kelering.

Inom analytisk kemi används kelater för att detektera och kvantitativt bestämma metalljoner i olika prover. De är särskilt viktiga vid klassisk analys, t.ex. komplexometriska titreringar. De har förmågan att selektivt och stabilt binda metaller.

Kelaterande medel används också som extraktionsmedel vid industriell och laboratoriemässig metallseparation och som metalljonbuffertar och indikatorer inom analytisk kemi. Många kommersiella färgämnen och ett antal biologiska ämnen, inklusive klorofyll och hemoglobin, är kelatföreningar.

Kelater utför också viktiga funktioner inom jordbruket , t.ex. i form av gödningsmedel som kompletterar mineralbrister eller medel för att bekämpa växtsjukdomar.

Sammanfattning

Kelater är kemiska föreningar med en unik struktur och ett brett användningsområde. Deras förmåga att bilda stabila komplex med metalljoner gör dem oumbärliga inom biologi, medicin, analytisk kemi och jordbruk. Tack vare sin struktur och sina egenskaper spelar de en nyckelroll i många livs- och teknologiska processer.