คีเลตคืออะไร ทำงานอย่างไร และเหตุใดจึงสำคัญ

–

สารประกอบคีเลตเกิดขึ้นได้อย่างไร?

–

กระบวนการคีเลชั่น

สารประกอบเชิงซ้อนคีเลตเป็นสารประกอบโคออร์ดิเนชันชนิดหนึ่งที่ไอออนของโลหะเชื่อมต่อกับลิแกนด์ผ่านพันธะโคออร์ดิเนชันหลายพันธะ (donor-acceptor) ก่อให้เกิดโครงสร้างวงแหวน พันธะเฉพาะนี้ช่วยเพิ่มเสถียรภาพของสารประกอบเชิงซ้อนโลหะเมื่อเทียบกับสารประกอบเชิงซ้อนโคออร์ดิเนชันแบบง่าย ซึ่งมีความสำคัญในปฏิกิริยาเคมีและกระบวนการทางชีวภาพต่างๆ

คีเลตเป็นกรณีพิเศษของทฤษฎีเคมีโคออร์ดิเนชัน ลิแกนด์ไบเดนเตตหรือโพลีเดนเตตจะจับกับโลหะหรือไอออนของโลหะ ก่อให้เกิดโครงสร้างวงแหวนที่เสถียรที่เรียกว่าวงแหวนคีเลต วิธีการสร้างพันธะโคออร์ดิเนชันมีบทบาทสำคัญในกรณีนี้ ในกรณีนี้ คู่อิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันมาจากอะตอมเพียงอะตอมเดียว (ซึ่งมีโครงสร้างอิเล็กตรอนที่เสถียรอยู่แล้ว) ในกระบวนการสร้างคีเลต คู่อิเล็กตรอนอิสระอย่างน้อยสองคู่จากอะตอมผู้ให้ที่แตกต่างกันจะประสานกับไอออนกลางตัวเดียวกัน

คุณสมบัติของคีเลต

การก่อตัวของพันธะโคออร์ดิเนชันหลายพันธะโดยคีเลต โดยเฉพาะอย่างยิ่งการมีวงแหวนในโมเลกุล เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติเฉพาะของพันธะคีเลต พันธะที่สำคัญที่สุดมีดังนี้:

–
• โดยทั่วไปแล้วสารเชิงซ้อนคีเลตจะเสถียรกว่าสารเชิงซ้อนที่ไม่ถูกคีเลต เนื่องจากมีข้อได้เปรียบด้านเอนโทรปีที่ได้รับจากการสร้างพันธะหลายพันธะกับศูนย์กลางโลหะ

–

• ปรากฏการณ์คีเลตหมายถึงความเสถียรที่เพิ่มขึ้นของสารประกอบเชิงซ้อนคีเลตเมื่อเทียบกับสารประกอบเชิงซ้อนที่เกิดขึ้นจากลิแกนด์โมโนเดนเตต ยิ่งจำนวนวงปิดรอบอะตอมโลหะมากเท่าใด สารประกอบก็จะยิ่งเสถียรมากขึ้นเท่านั้น

–

• ค่าคงที่เสถียรภาพของสารเชิงซ้อนคีเลตอาจแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ขึ้นอยู่กับลักษณะของไอออนโลหะและลิแกนด์ที่เกี่ยวข้อง

–

• คีเลตมีคุณสมบัติในการบัฟเฟอร์ที่ดี

–

• การมีโลหะและโครงสร้างที่ซับซ้อนทำให้มีคุณสมบัติเรืองแสง

–

– –

คีเลตธรรมชาติ – ตัวอย่างจากธรรมชาติ

–

เฮโมโกลบิน

ฮีโมโกลบิน – โพลีเปปไทด์ที่พบในเม็ดเลือดแดง ทำหน้าที่ขนส่งออกซิเจนในเลือดจากปอดไปยังเนื้อเยื่ออื่นๆ ในร่างกาย ลิแกนด์ฮีมหนึ่งตัวประกอบด้วยอะตอมไนโตรเจนสี่อะตอมที่จับกับเหล็กในฮีโมโกลบินจนเกิดเป็นคีเลต โมเลกุลออกซิเจนจะถูกขนส่งโดยฮีโมโกลบินในเลือด โดยจับกับศูนย์กลางของเหล็ก เมื่อฮีโมโกลบินสูญเสียออกซิเจน สีจะเปลี่ยนเป็นสีน้ำเงินอมแดง ที่สำคัญ ฮีโมโกลบินจะขนส่งออกซิเจนเฉพาะเมื่อเหล็กอยู่ในรูป Fe2+ เท่านั้น การออกซิเดชันของเหล็กเป็น Fe3+ จะขัดขวางการขนส่งออกซิเจน

คลอโรฟิลล์

คลอโรฟิลล์เป็นรงควัตถุสีเขียวที่พบในพืช เป็นองค์ประกอบสำคัญอย่างยิ่งในกระบวนการสังเคราะห์แสง ทำหน้าที่ดูดซับพลังงานแสงและเปลี่ยนเป็นพลังงานเคมี ไอออนกลางในคลอโรฟิลล์คือแมกนีเซียม ซึ่งจับกับอะตอมไนโตรเจนสี่อะตอม ทำให้เกิดโครงสร้างวงแหวนที่เสถียร

วิตามินบี 12

วิตามินบี 12 เป็นสารประกอบที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ ประกอบด้วยโคบอลต์ โลหะชนิดนี้เป็นไอออนกลางของคีเลตวิตามินบี 12 อะตอมไนโตรเจนสี่อะตอมจับตัวกันอย่างประสานกันกับโคบอลต์ ก่อให้เกิดโครงสร้างวงแหวน โครงสร้างคีเลตของวิตามินบี 12 มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อหน้าที่ทางชีวภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งบทบาททางเอนไซม์

การใช้คีเลตในทางการแพทย์ เคมี และการเกษตร

โครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์ของคีเลต ซึ่งให้คุณสมบัติที่โดดเด่น เป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดการนำไปใช้อย่างกว้างขวางในหลายสาขา

สารประกอบเหล่านี้ถูกนำมาใช้ในทางการแพทย์และ เภสัชกรรม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการรักษาพิษจากโลหะหนัก สารคีเลตทำหน้าที่จับและกำจัดโลหะที่เป็นพิษออกจากร่างกาย ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยตะกั่วและปรอท แคดเมียม โคบอลต์ แกลเลียม ลิเธียม และสังกะสี ก็อยู่ในหมวดหมู่นี้เช่นกัน แม้ว่าจะพบได้น้อยกว่า ธาตุทั้งหมดที่กล่าวมาข้างต้น เมื่อรับประทานเข้าไปจะทำหน้าที่เป็นสารพิษจากการเผาผลาญอาหาร แต่ยังเป็นสารก่อวิรูป (Teratogen) ซึ่งเป็นสารที่ทำให้เกิดความพิการแต่กำเนิด กิจกรรมของธาตุเหล่านี้ในร่างกายและการกำจัดออกจากร่างกายในภายหลัง เกิดขึ้นผ่านกระบวนการคีเลต

ใน เคมีวิเคราะห์ คีเลตถูกใช้เพื่อตรวจจับและวิเคราะห์ปริมาณไอออนของโลหะในตัวอย่างต่างๆ คีเลตมีความสำคัญอย่างยิ่งในการวิเคราะห์แบบดั้งเดิม เช่น การไทเทรตเชิงซ้อน สารคีเลตมีความสามารถในการจับยึดโลหะอย่างจำเพาะเจาะจงและเสถียร

สารคีเลตยังใช้เป็นสารสกัดในการแยกโลหะในอุตสาหกรรมและห้องปฏิบัติการ และใช้เป็นบัฟเฟอร์ไอออนโลหะและตัวบ่งชี้ทางเคมีวิเคราะห์ สีย้อมเชิงพาณิชย์หลายชนิดและสารชีวภาพหลายชนิด รวมถึงคลอโรฟิลล์และฮีโมโกลบิน ถือเป็นสารประกอบคีเลต

คีเลตยังมีบทบาทสำคัญใน ภาคเกษตรกรรม เช่น ในรูปของ ปุ๋ย ที่ช่วยเสริมแร่ธาตุที่ขาด หรือเป็นสารควบคุมโรคพืช

สรุป

คีเลตเป็นสารประกอบเคมีที่มีโครงสร้างเฉพาะตัวและใช้งานได้หลากหลาย ความสามารถในการสร้างสารประกอบเชิงซ้อนที่เสถียรกับไอออนโลหะทำให้คีเลตเป็นสารที่จำเป็นอย่างยิ่งในชีววิทยา การแพทย์ เคมีวิเคราะห์ และการเกษตร ด้วยโครงสร้างและคุณสมบัติของคีเลต คีเลตจึงมีบทบาทสำคัญในกระบวนการต่างๆ ของชีวิตและเทคโนโลยี