Helacija

S Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu

Helacija (grč. χηλή – hēlē = kandža, kliješta, ligandi oko centralnog atoma poput lčiješta jastoga) je tip vezanja iona i molekula za metalne ione. Uključuje stvaranje ili prisustvo dvaju ili više odvojenih koordinatnih veza između polidentatnih (višestruko vezanih) liganda i jednog centralnog atoma.[1] Ti ligandi nazivaju se helanti, helatori, helatni agensi ili agensi za odvajanje. Obično su to organski spojevi, ali to nije nužno, kao u slučaju cinka i njegove upotrebe kao terapije održavanja za sprečavanje apsorpcije bakra u ljudi sa Wilsonovom bolešću.[2]. Termin "helat" prvi put primijenili su godine Sir Gilbert T. Morgan i HDK Drew, 1920., koji su izjavili: "Pridjev helat, izveden iz velike kandže ili "hele"(grčki jastog) ili drugih rakova, predlaže se za kaliperske grupe koje funkcioniraju kao dvije udružujuće jedinice i pričvršćuju se za centralni atom tako da proizvode heterocikličke prstenove.[3]

Helacija je korisna u aplikacijama kao što je pružanje dodataka hrani, u helac ijskoj terapiji za uklanjanje toksičnih metala iz tijela, kao kontrastna sredstva u MRI-skeniranjima, u proizvodnji pomoću homogenih katalizatora, u hemijskom tretmanu vode koji pomaže u uklanjanju metala i u gnojivima.

Helatni efekt[uredi | uredi izvor]

Etilenediaminski ligand helira metal sa dvije veze
Cu2+ kompleksi sa nehelacijskim metilaminom (lijevo) i helirajućim ligandima etilendiaminom (desno)

Helatni efekt je povećani afinitet helirajućih liganada za metalni jon u poređenju sa afinitetom kolekcije sličnih nehelirajućih (monodentatnih) liganada za isti metal.

Termodinamički principi na kojima se temelji helatni efekt ilustrirani su kontrastnim afinitetima bakra (II) za etilendiamin (en) u odnosu na metilamin.

Cu2+ + en ⇌ [Cu(en)]2+

 

 

 

 

( 1)

Cu2+ + 2 MeNH2 ⇌ [Cu(MeNH2)2]2+

 

 

 

 

( 2)

U (1 ) etilendiamin tvori helatni kompleks sa ionom bakra. Helacija rezultira formiranjem peteročlanog prstena CuC2N2. U(2 ) bidentatni ligand je zamijenjen s dva monodentatna metilaminska liganda približno iste donorske snage, što ukazuje da su veze Cu – N približno iste u dvije reakcije.

Termodinamički pristup opisivanju helatnog efekta uzima u obzir konstantu ravnoteže za reakciju: što je veća konstanta ravnoteže, to je veća koncentracija kompleksa.

[Cu(en)] = β11[Cu][en]

 

 

 

 

( 3)

[Cu(MeNH2)2] = β12[Cu][MeNH2]2

 

 

 

 

( 4)

Električni naboji su izostavljeni zbog jednostavnosti zapisa. Uglaste zagrade označavaju koncentraciju, a indeksi konstante stabilnosti, β, označavaju stehiometriju kompleksa. Kada je analitička koncentracija metilamina dvostruko veća od etilendiamina, a koncentracija bakra je ista u obje reakcije, koncentracija [Cu (en)] je mnogo veća od koncentracije [Cu(MeNH2)2] jer β11 ≫ β12.

Ravnotežna konstanta, K, je povezana sa standardom Gibbsove slobodne energije,

gdje R = plinska konstanta, a T = temperatura u kelvinima. = standardna entalpija promjena reakcije i = standardna promjena entropije.

Budući da bi entalpija trebala biti približno jednaka za dvije reakcije, razlika između dvije konstante stabilnosti posljedica je učinaka entropije. U jednačini (1 ) nalaze se dvije čestice s lijeve i jedna s desne strane, dok se u jednačini (2 ) nalaze tri čestice s lijeve i jedna s desne strane. Ova razlika znači da se manje entropije poremećaja gubi kada se helatni kompleks formira sa bidentatnim ligandom, nego kada se formira kompleks sa monodentatnim ligandima. Ovo je jedan od faktora koji doprinose razlici entropije. Ostali faktori uključuju promjene solvatacije i stvaranje prstena. Neki eksperimentalni podaci za ilustraciju učinka prikazani su u sljedećoj tabeli.

Ravnoteža log β
Cu2+ + 2 MeNH2 ⇌ Cu(MeNH2)22+ 6,55 −37,4 −57,3 19,9
Cu2+ + en ⇌ Cu(en)2+ 10,62 −60,67 −56,48 −4,19

Ovi podaci potvrđuju da su promjene entalpije približno jednake za dvije reakcije i da je glavni razlog veće stabilnosti helatnog kompleksa uticaj entropije, koji je mnogo manje nepovoljan. Općenito je teško precizno izračunati termodinamičke vrijednosti u smislu promjena u rastvoru na molekulskom nivou, ali je jasno da je helatni efekt pretežno učinak entropije.

Ostala objašnjenja, uključujući objašnjenje Schwarzenbachovo, ,[4] raspravljaju se u citiranim Greenwoodu i Earnshawu.

U prirodi[uredi | uredi izvor]

Brojne biomolekule pokazuju sposobnost rastvaranja određenih metalnih kationa. Dakle, proteini, polisaharidi i polinukleinske kiseline izvrsni su polidentatni ligandi za mnoge metalne ione. Organski spojevi poput aminokiselina glutamata i histidina, organske kiseline kao što je malat i polipeptida poput fitohelatina. također su tipski helatori. Pored ovih slučajnih helatora, nekoliko biomolekula je posebno proizvedeno da vežu određene metale (vidi sljedeći odjeljak).[5][6][7][8]

U biohemiji i mikrobiologiji[uredi | uredi izvor]

Gotovo svi metaloenzimi sadrže metale koji su helatirani, obično na peptide ili kofaktore i protetske grupe.[8] Takva helatna sredstva uključuju porfirinske prstenove u hemoglobinu i hlorofilu. Mnoge mikrobne vrste proizvode pigmente topive u vodi koji služe kao helatni agensi, nazvani siderofori. Naprimjer, poznato je da vrste roda Pseudomonas luče piohelin i pioverdin koji vežu gvožđe. Enterobaktin, proizveden u E. coli, je najjače poznato helatno sredstvo. Morski školjkaši koriste helaciju metala, specijalno Fe3+helaciju sa ostacima Dopa u proteinu stopala dagnji da se poboljša čvrstoće niti koje koriste da bi se učvrstili na površinama.[9][10][11]

U geologiji[uredi | uredi izvor]

U nauci o Zemlji, hemijske vremenske prilike pripisuju se organskim helatnim agensima (npr. peptidi i šećeri, koji izvlače metalne ione iz minerala i stijena.[12] Većina metalnih kompleksa u okolini i prirodi vezani su u nekom obliku helatnog prstena (npr. s huminskom kiselinom ili proteinom). Dakle, metalni helati su relevantni za mobilizaciju metala u tlu, usvajanje i akumulaciju metala u biljkama i mikroorganizmima. helektivna kelacija teških metala relevantna je za bioremedijaciju (npr. uklanjanje 137Cs iz radioaktivnog otpada). Većina metalnih kompleksa u okolini i prirodi vezani su u nekom obliku helatnog prstena (npr.[13]

Medicinska primjena[uredi | uredi izvor]

Prehrambeni dodaci[uredi | uredi izvor]

Šezdesetih godina prošlog stoljeća naučnici su razvili koncept heliranja metalnog iona prije nego što su element dodali životinji. Vjerovali su da će to stvoriti neutralno jedinjenje, štiteći mineral od kompleksa s nerastvorljivim solima u želucu, što će metal učiniti nedostupnim za apsorpciju. Aminokiseline, kao efikasna vezivna sredstva za metal, odabrane su kao potencijalni ligandi, a sprovedeno je istraživanje kombinacija metal-aminokiselina. Istraživanje je podržalo da su helati metala i aminokiselina u stanju da pojačaju apsorpciju minerala.

Tokom tog perioda razvijali su sintetski helati, kao što je etilendiaminoteraacetatna kiselina (EDTA). Oni su primijenili isti koncept helacije i stvorili helirane spojeve; ali ova sintetika je bila previše stabilna i nije bila održiva za ishranu. Ako je mineral preuzet iz EDTA liganda, tijelo ne bi moglo koristiti ligand i on bi bio izbačen. Tokom procesa protjerivanja, EDTA ligand je nasumično helirao i oduzeo još jedan mineral iz tijela.

Prema Udruženju američkih službi za kontrolu hrane (AAFCO), helat metal-aminokiselina definiran je kao proizvod koji proizlazi iz reakcije metalnih iona iz topljive soli metala s aminokiselinama, sa molskim omjerom u rasponu od 1–3 (poželjno 2) mola aminokiselina na jedan mol metala. Prosječna masa hidroliziranih aminokiselina mora biti približno 150, a rezultujuća molekulska težina helata ne smije prelaziti 800 Da.

Od ranog razvoja ovih spojeva, provedeno je mnogo više istraživanja koja su primijenjena na proizvode za ljudsku prehranu na sličan način kao i eksperimenti s prehranom životinja koji su pioniri u tehnologiji. Željezni bis-glicinat je primjer jednog od ovih spojeva, koji je razvijen za ljudskun ishranu.[14]

Zubna i oralna primjena[uredi | uredi izvor]

Ljepila prve generacije dentina prvi put su dizajnirana i proizvedena 1950-ih. Ti su se sistemi temeljili na komonomerom helatu s kalcijem na površini zuba i stvarali vrlo slabu hemijsku vezu otpornu na vodu (2-3 Mpa).[15]

Detoksikacija teških metala[uredi | uredi izvor]

Helacijska terapija je protuotrov za trovanje živom, arsenom i olovom. Helatni agensi pretvaraju ove metalne ione u hemijski i biohemijski inertne oblike koji se mogu izlučiti. Helaciju pomoću kalcij-dinatrij EDTA odobrio je Uprava za hranu i lijekove SAD (FDA) za ozbiljne slučajeve trovanja olovom. Nije odobren za liječenje "intoksikacije teškim metalima".[16]

Iako korisna u slučajevima ozbiljnog trovanja olovom, upotreba dinatrijum EDTA (edetat-dinatrij) umjesto kalcij-dinatrij EDTA rezultirala je smrtnim ishodima zbog hipokalcemije.[17] FDA nije odobrila dinatrij EDTA za bilo kakvu upotrebu,[16] pa svi proizvodi za helacijsku terapiju odobreni od strane FDA trebaju recept.[18]

Farmaceutski proizvodi[uredi | uredi izvor]

Helatni kompleksi gadolinija često se koriste kao kontrastna sredstv u MRI skeniranjima, iako su i gvožđeve čestice i manganski helatni kompleksi također istraženi.[19][20] Bifunkcionalni helatni kompleksi cirkonij, galij, fluor, bakar, itrij, brom ili jod se često koriste za konjugacije sa monoklonskim antitijelima za upotrebu u PET snimanje na bazi antitijela.[21] Ovi helatni kompleksi koriste heksadentatni ligand, kao što je desferioksamin B (DFO), prema Meijs et al.,[22] a kompleksi gadolinija koriste se često za upotrebu oktadentatnih liganda poput DTPA, prema Desreux et al.[23] Auranofin, helatni kompleks zlata, koristi se u liječenju reumatoidnog artritisa, a penicilamin, koji tvori helatne komplekse bakra, u liječenju Wilsonove bolesti i cistinurije, kao i refrakcijskog reumatoidnog artritisa.[24][25]

Ostala medicinska primjena[uredi | uredi izvor]

Helacija u crijevnom traktu uzrok je brojnih interakcija između lijekova i metalnih iona (poznatih i kao "prehrambeni minerali" u ishrani). Kao primeri, antibiotski lijekovi iz porodica tetraciklina i kinolona su helatori iona Fe2+, Ca2+ i Mg2+ .[26][27]

EDTA, koja se veže za kalcij, koristi se za ublažavanje hiperkalcemije koja je često rezultat trakaste keratopatije. Tada se kalcij može ukloniti iz rožnjače, omogućavajući pacijentu određeno povećanje vidljivosti.

Primjena u industriji i poljoprivredi[uredi | uredi izvor]

Kataliza[uredi | uredi izvor]

Homogeni katalizatori su često helirani kompleksi. Reprezentativan primjer je upotreba BINAP (bidentatni fosfin) u Noyorijevoj asimetričnoj hidrogenaciji i asimetrična izomerizacija. Potonji ima praktičnu upotrebu u proizvodnji sintetskog – mentola.

Omekšavanje vode[uredi | uredi izvor]

Limunska kiselina koristi se za omekšavanje vode u sapunima i deterdžentima za rublje. Uobičajeni sintetski helator je EDTA. Fosfonati su također dobro poznati helatni agensi. Helatori se koriste u programima za prečišćavanje vode, a posebno u parnom inženjerstvu, npr., sistemu za prečišćavanje vode u kotlu. Iako se tretman često naziva omekšavanje, helacija ima malo uticaja na sadržaj minerala u vodi, osim što ih čini topivim i snižava nivo pH vode.

Gnojiva[uredi | uredi izvor]

Spojevi metalnih helata su uobičajene komponente gnojiva koja daju mikrohranljive sastojke. Ovi mikroelementi (mangan, gvožđe, cink, bakar) potrebni su za zdravlje biljaka. Većina gnojiva sadrži fosfatne soli koje, u odsustvu helatnih sredstava, obično pretvaraju ove metalne ione u netopivu čvrstu supstancu, koja za biljke nema nikakvu hranjivu vrijednost. EDTA je tipsko helatno sredstvo koje održava ove ione metala u topljivom obliku.[28]

Također pogledajte[uredi | uredi izvor]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ IUPAC definition of chelation.
  2. ^ "Zinc". NCBI Bookshelf. Bethesda (MD): National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases. 10. 1. 2015. PMID 31643536. Pristupljeno 24. 3. 2020.
  3. ^ Morgan, Gilbert T.; Drew, Harry Dugald Keith (1920). "CLXII.—Researches on residual affinity and co-ordination. Part II. Acetylacetones of selenium and tellurium". Journal of the Chemical Society, Transactions. 117: 1456–65. doi:10.1039/ct9201701456.
  4. ^ Schwarzenbach G (1952). "Der Chelateffekt" [The Chelation Effect]. Helvetica Chimica Acta (jezik: njemački). 35 (7): 2344–59. doi:10.1002/hlca.19520350721.
  5. ^ Krämer, Ute; Cotter-Howells, Janet D.; Charnock, John M.; Baker, Alan J. M.; Smith, J. Andrew C. (1996). "Free histidine as a metal chelator in plants that accumulate nickel". Nature. 379 (6566): 635–8. Bibcode:1996Natur.379..635K. doi:10.1038/379635a0.
  6. ^ Magalhaes JV (juni 2006). "Aluminum tolerance genes are conserved between monocots and dicots". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (26): 9749–50. Bibcode:2006PNAS..103.9749M. doi:10.1073/pnas.0603957103. PMC 1502523. PMID 16785425.
  7. ^ Ha SB, Smith AP, Howden R, Dietrich WM, Bugg S, O'Connell MJ, Goldsbrough PB, Cobbett CS (juni 1999). "Phytochelatin synthase genes from Arabidopsis and the yeast Schizosaccharomyces pombe". The Plant Cell. 11 (6): 1153–64. doi:10.1105/tpc.11.6.1153. PMC 144235. PMID 10368185.
  8. ^ a b Lippard SJ, Berg JM (1994). Principles of Bioinorganic Chemistry. Mill Valley, CA: University Science Books. ISBN 978-0-935702-73-6.
  9. ^ Das S, Miller DR, Kaufman Y, Martinez Rodriguez NR, Pallaoro A, Harrington MJ, Gylys M, Israelachvili JN, Waite JH (mart 2015). "Tough coating proteins: subtle sequence variation modulates cohesion". Biomacromolecules. 16 (3): 1002–8. doi:10.1021/bm501893y. PMC 4514026. PMID 25692318.
  10. ^ Harrington MJ, Masic A, Holten-Andersen N, Waite JH, Fratzl P (april 2010). "Iron-clad fibers: a metal-based biological strategy for hard flexible coatings". Science. 328 (5975): 216–20. Bibcode:2010Sci...328..216H. doi:10.1126/science.1181044. PMC 3087814. PMID 20203014.
  11. ^ Das S, Martinez Rodriguez NR, Wei W, Waite JH, Israelachvili JN (septembar 2015). "Peptide Length and Dopa Determine Iron-Mediated Cohesion of Mussel Foot Proteins". Advanced Functional Materials. 25 (36): 5840–5847. doi:10.1002/adfm.201502256. PMC 5488267. PMID 28670243.
  12. ^ Pidwirny, Michael. "Introduction to the Lithosphere: Weathering". University of British Columbia Okanagan.
  13. ^ Prasad, MNV (2001). Metals in the Environment: Analysis by Biodiversity. New York, NY: Marcel Dekker. ISBN 978-0-8247-0523-7.
  14. ^ "Albion Ferrochel Website". Albion Laboratories, Inc. Pristupljeno 12. 7. 2011.
  15. ^ Anusavice, Kenneth J. (27. 9. 2012). "Chapter 12: Bonding and Bonding Agents". Phillips' Science of Dental Materials (12th izd.). Elsevier Health. str. 257–268. ISBN 978-1-4377-2418-9. OCLC 785080357.
  16. ^ a b "FDA Issues Chelation Therapy Warning". 26. 9. 2008. Pristupljeno 14. 5. 2016.
  17. ^ Centers for Disease Control Prevention (CDC) (mart 2006). "Deaths associated with hypocalcemia from chelation therapy--Texas, Pennsylvania, and Oregon, 2003–2005". MMWR. Morbidity and Mortality Weekly Report. 55 (8): 204–7. PMID 16511441.
  18. ^ "Questions and Answers on Unapproved Chelation Products". U.S. Food and Drug Administration. 2. 2. 2016. Pristupljeno 14. 5. 2016.
  19. ^ Caravan P, Ellison JJ, McMurry TJ, Lauffer RB (septembar 1999). "Gadolinium(III) Chelates as MRI Contrast Agents: Structure, Dynamics, and Applications". Chemical Reviews. 99 (9): 2293–352. doi:10.1021/cr980440x. PMID 11749483.
  20. ^ Pan D, Schmieder AH, Wickline SA, Lanza GM (novembar 2011). "Manganese-based MRI contrast agents: past, present and future". Tetrahedron. 67 (44): 8431–8444. doi:10.1016/j.tet.2011.07.076. PMC 3203535. PMID 22043109.
  21. ^ Vosjan MJ, Perk LR, Visser GW, Budde M, Jurek P, Kiefer GE, van Dongen GA (april 2010). "Conjugation and radiolabeling of monoclonal antibodies with zirconium-89 for PET imaging using the bifunctional chelate p-isothiocyanatobenzyl-desferrioxamine". Nature Protocols. 5 (4): 739–43. doi:10.1038/nprot.2010.13. PMID 20360768.
  22. ^ Price, Eric W.; Orvig, Chris (7. 1. 2014). "Matching chelators to radiometals for radiopharmaceuticals". Chemical Society Reviews. 43 (1): 260–290. doi:10.1039/c3cs60304k. ISSN 1460-4744. PMID 24173525.
  23. ^ Parac-Vogt, Tatjana N.; Kimpe, Kristof; Laurent, Sophie; Vander Elst, Luce; Burtea, Carmen; Chen, Feng; Muller, Robert N.; Ni, Yicheng; Verbruggen, Alfons (6. 5. 2005). "Synthesis, characterization, and pharmacokinetic evaluation of a potential MRI contrast agent containing two paramagnetic centers with albumin binding affinity". Chemistry: A European Journal. 11 (10): 3077–3086. doi:10.1002/chem.200401207. ISSN 0947-6539. PMID 15776492.
  24. ^ Kean WF, Hart L, Buchanan WW (maj 1997). "Auranofin". British Journal of Rheumatology. 36 (5): 560–72. doi:10.1093/rheumatology/36.5.560. PMID 9189058.
  25. ^ Wax PM (decembar 2013). "Current use of chelation in American health care". Journal of Medical Toxicology. 9 (4): 303–7. doi:10.1007/s13181-013-0347-2. PMC 3846961. PMID 24113860.
  26. ^ Campbell NR, Hasinoff BB (mart 1991). "Iron supplements: a common cause of drug interactions". British Journal of Clinical Pharmacology. 31 (3): 251–5. doi:10.1111/j.1365-2125.1991.tb05525.x. PMC 1368348. PMID 2054263.
  27. ^ Lomaestro BM, Bailie GR (maj 1995). "Absorption interactions with fluoroquinolones. 1995 update". Drug Safety. 12 (5): 314–33. doi:10.2165/00002018-199512050-00004. PMID 7669261.
  28. ^ Hart, J. Roger (2011). "Ethylenediaminetetraacetic Acid and Related Chelating Agents". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. doi:10.1002/14356007.a10_095.pub2. ISBN 978-3527306732.

Vanjski linkovi[uredi | uredi izvor]

Šablon:Helirajući agensi