Quelación

Tipo de enlace químico con iones metálicos.

Este artículo trata sobre agentes secuestrantes en general. Para los productos químicos utilizados en el procesamiento de alimentos, consulte Secuestrante .

Quelación / k i ˌ l eɪ ʃ ə n / es un tipo de unión de iones y moléculas a iones metálicos. Implica la formación o presencia de dos o más enlaces coordinados separados entre un ligando polidentado (con enlaces múltiples) y un solo átomo central. ^{[1] [2]} Estos ligandos se denominan quelantes, quelantes, agentes quelantes o agentes secuestrantes. Suelen ser compuestos orgánicos , pero esto no es una necesidad, como en el caso del zinc y su uso como terapia de mantenimiento.para prevenir la absorción de cobre en personas con enfermedad de Wilson . ^[3]

La quelación es útil en aplicaciones como la provisión de suplementos nutricionales, en la terapia de quelación para eliminar metales tóxicos del cuerpo, como agentes de contraste en la exploración por resonancia magnética , en la fabricación con catalizadores homogéneos , en el tratamiento químico del agua para ayudar en la eliminación de metales y en fertilizantes. .

Efecto quelante

Ligando de etilendiamina quelante a un metal con dos enlaces

Complejos de Cu ²⁺ con ligandos de metilamina no quelante (izquierda) y etilendiamina quelante (derecha)

El efecto quelante es la mayor afinidad de los ligandos quelantes por un ión metálico que la de ligandos no quelantes (monodentados) similares por el mismo metal.

Los principios termodinámicos que sustentan el efecto quelato se ilustran por las afinidades contrastantes del cobre (II) por la etilendiamina (en) frente a la metilamina .

Cu 2+ + en ⇌ [Cu (en)] 2+

( 1 )

Cu 2+ + 2 MeNH 2 ⇌ [Cu (MeNH 2 ) 2 ] 2+

( 2 )

En ( 1 ) la etilendiamina forma un complejo de quelato con el ion cobre. La quelación da como resultado la formación de un anillo CuC ₂ N ₂ de cinco miembros . En ( 2 ) el ligando bidentado se reemplaza por dos ligandos de metilamina monodentados de aproximadamente el mismo poder donante, lo que indica que los enlaces Cu-N son aproximadamente los mismos en las dos reacciones.

El enfoque termodinámico para describir el efecto quelato considera la constante de equilibrio para la reacción: cuanto mayor es la constante de equilibrio, mayor es la concentración del complejo.

[Cu (en)] = β 11 [Cu] [en]

( 3 )

[Cu (MeNH 2 ) 2 ] = β 12 [Cu] [MeNH 2 ] 2

( 4 )

Se han omitido las cargas eléctricas para simplificar la notación. Los corchetes indican concentración y los subíndices de las constantes de estabilidad , β, indican la estequiometría del complejo. Cuando la concentración analítica de metilamina es el doble que la de etilendiamina y la concentración de cobre es la misma en ambas reacciones, la concentración [Cu (en)] es mucho más alta que la concentración [Cu (MeNH ₂ ) ₂ ] porque β ₁₁ ≫ β ₁₂ .

Una constante de equilibrio, K , está relacionada con la energía libre estándar de Gibbs , por${\displaystyle \Delta G^{\ominus }}$

${\displaystyle \Delta G^{\ominus }=-RT\ln K=\Delta H^{\ominus }-T\Delta S^{\ominus }}$

donde R es la constante del gas y T es la temperatura en kelvin . es el cambio de entalpía estándar de la reacción y es el cambio de entropía estándar .${\displaystyle \Delta H^{\ominus }}$${\displaystyle \Delta S^{\ominus }}$

Dado que la entalpía debe ser aproximadamente la misma para las dos reacciones, la diferencia entre las dos constantes de estabilidad se debe a los efectos de la entropía. En la ecuación ( 1 ) hay dos partículas a la izquierda y una a la derecha, mientras que en la ecuación ( 2 ) hay tres partículas a la izquierda y una a la derecha. Esta diferencia significa que se pierde menos entropía de desorden cuando se forma el complejo quelato con ligando bidentado que cuando se forma el complejo con ligandos monodentados. Este es uno de los factores que contribuyen a la diferencia de entropía. Otros factores incluyen cambios de solvatación y formación de anillos. En la siguiente tabla se muestran algunos datos experimentales para ilustrar el efecto. ^[4]

Equilibrio	log β	${\displaystyle \Delta G^{\ominus }}$	${\displaystyle \Delta H^{\ominus }\mathrm {/kJ\ mol^{-1}} }$	${\displaystyle -T\Delta S^{\ominus }\mathrm {/kJ\ mol^{-1}} }$
Cu 2+ + 2 MeNH 2 ⇌ Cu (MeNH 2 ) 2 2+	6.55	−37,4	−57,3	19,9
Cu 2+ + en ⇌ Cu (en) 2+	10,62	−60,67	−56,48	−4,19

Estos datos confirman que los cambios de entalpía son aproximadamente iguales para las dos reacciones y que la principal razón de la mayor estabilidad del complejo de quelato es el término de entropía, que es mucho menos desfavorable. En general, es difícil explicar con precisión los valores termodinámicos en términos de cambios en la solución a nivel molecular, pero está claro que el efecto quelato es predominantemente un efecto de entropía.

Otras explicaciones, incluida la de Schwarzenbach , ^[5] se discuten en Greenwood y Earnshaw ( loc.cit ).

En la naturaleza

Numerosas biomoléculas exhiben la capacidad de disolver ciertos cationes metálicos . Por tanto, las proteínas , los polisacáridos y los ácidos polinucleicos son excelentes ligandos polidentados para muchos iones metálicos. Los compuestos orgánicos como los aminoácidos ácido glutámico e histidina , los diácidos orgánicos como el malato y los polipéptidos como la fitoquelatina también son quelantes típicos. Además de estos quelantes adventicios, se producen específicamente varias biomoléculas para unir ciertos metales (ver la siguiente sección). ^{[6] [7] [8] [9]}

En bioquímica y microbiología

Prácticamente todas las metaloenzimas presentan metales quelados, generalmente a péptidos o cofactores y grupos protésicos. ^[9] Dichos agentes quelantes incluyen los anillos de porfirina en la hemoglobina y la clorofila . Muchas especies microbianas producen pigmentos solubles en agua que sirven como agentes quelantes, denominados sideróforos . Por ejemplo, especies de Pseudomonas son conocidos para secretar pyochelin y pyoverdine que el hierro se unen. La enterobactina , producida por E. coli , es el agente quelante más fuerte que se conoce. Los mejillones marinos utilizan quelación de metales especialmente. Fe ³⁺quelación con los residuos de Dopa en la proteína 1 del pie de mejillón para mejorar la resistencia de los hilos que utilizan para fijarse a las superficies. ^{[10] [11] [12]}

En geología

En las ciencias de la tierra, la meteorización química se atribuye a agentes quelantes orgánicos (p. Ej., Péptidos y azúcares ) que extraen iones metálicos de minerales y rocas. ^[13] La mayoría de los complejos metálicos en el medio ambiente y en la naturaleza están unidos en alguna forma de anillo de quelato (por ejemplo, con un ácido húmico o una proteína). Por lo tanto, los quelatos metálicos son relevantes para la movilización de metales en el suelo , la absorción y acumulación de metales en plantas y microorganismos . La quelación selectiva de metales pesados es relevante para la biorremediación(por ejemplo, eliminación de 137 C de desechos radiactivos). ^[14]

Aplicaciones médicas

Suplementos nutricionales

En la década de 1960, los científicos desarrollaron el concepto de quelar un ión metálico antes de alimentar al animal con el elemento. Creían que esto crearía un compuesto neutro, protegiendo al mineral de formar complejos con sales insolubles dentro del estómago, lo que haría que el metal no estuviera disponible para la absorción. Los aminoácidos, que son aglutinantes metálicos eficaces, se eligieron como posibles ligandos y se realizó una investigación sobre las combinaciones metal-aminoácido. La investigación apoyó que los quelatos de aminoácidos y metales podían mejorar la absorción de minerales. ^{[ cita requerida ]}

Durante este período, se estaban desarrollando quelatos sintéticos como el ácido etilendiaminotetraacético (EDTA). Estos aplicaron el mismo concepto de quelación y crearon compuestos quelados; pero estos sintéticos eran demasiado estables y no eran viables desde el punto de vista nutricional. Si el mineral se extrajo del ligando EDTA, el cuerpo no podría utilizar el ligando y sería expulsado. Durante el proceso de expulsión, el ligando EDTA quelaba aleatoriamente y despojaba otro mineral del cuerpo. ^[15]

Según la Asociación Estadounidense de Oficiales de Control de Alimentos (AAFCO), un quelato de metal-aminoácido se define como el producto resultante de la reacción de iones metálicos de una sal metálica soluble con aminoácidos, con una relación molar en el rango de 1– 3 (preferiblemente 2) moles de aminoácidos por mol de metal. ^{[ cita requerida ]} El peso promedio de los aminoácidos hidrolizados debe ser de aproximadamente 150 y el peso molecular resultante del quelato no debe exceder los 800 Da . ^{[ cita requerida ]}

Desde el desarrollo temprano de estos compuestos, se han realizado muchas más investigaciones y se han aplicado a productos de nutrición humana de manera similar a los experimentos de nutrición animal que fueron pioneros en la tecnología. El bis-glicinato ferroso es un ejemplo de uno de estos compuestos que se ha desarrollado para la nutrición humana. ^[dieciséis]

Aplicación dental y oral

Los adhesivos de dentina se diseñaron y produjeron por primera vez en la década de 1950 basándose en un quelato de comonómero con calcio en la superficie del diente y generaron una unión química muy débil y resistente al agua (2-3 MPa). ^[17]

Desintoxicación de metales pesados

Artículo principal: Terapia de quelación

La terapia de quelación es un antídoto para el envenenamiento por mercurio , arsénico y plomo . Los agentes quelantes convierten estos iones metálicos en una forma química y bioquímicamente inerte que puede excretarse. La quelación con EDTA de calcio disódico ha sido aprobada por la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA) para casos graves de intoxicación por plomo. No está aprobado para tratar la "toxicidad por metales pesados". ^[18]

Aunque es beneficioso en casos de intoxicación grave por plomo, el uso de EDTA disódico (edetato disódico) en lugar de EDTA cálcico disódico ha provocado muertes por hipocalcemia . ^[19] El EDTA disódico no está aprobado por la FDA para ningún uso, ^[18] y todos los productos de terapia de quelación aprobados por la FDA requieren receta médica. ^[20]

Productos farmacéuticos

Los complejos de quelatos de gadolinio se utilizan a menudo como agentes de contraste en las imágenes por resonancia magnética , aunque también se han explorado las partículas de hierro y los complejos de quelatos de manganeso . ^{[21] [22]} Los complejos de quelatos bifuncionales de circonio , galio , flúor , cobre , itrio , bromo o yodo se utilizan a menudo para la conjugación con anticuerpos monoclonales para su uso en imágenes de PET basadas en anticuerpos . ^[23] Estos complejos de quelatos a menudo emplean el uso deligandos hexadentados como la deferoxamina B (DFO), según Meijs et al. , ^[24] y los complejos de gadolinio a menudo emplean el uso de ligandos octadentados como DTPA, según Desreux et al . ^{[25] La} auranofina , un complejo de quelato de oro , se usa en el tratamiento de la artritis reumatoide, y la penicilamina , que forma complejos de quelato de cobre , se usa en el tratamiento de la enfermedad de Wilson y la cistinuria , así como en la artritis reumatoide refractaria. ^{[26] [27]}

Otras aplicaciones médicas

La quelación en el tracto intestinal es una causa de numerosas interacciones entre fármacos e iones metálicos (también conocidos como " minerales " en la nutrición). Como ejemplos, los antibióticos drogas de las tetraciclinas y quinolonas familias son quelantes de Fe ²⁺ , Ca ²⁺ y Mg ²⁺ iones. ^{[28] [29]}

El EDTA, que se une al calcio, se usa para aliviar la hipercalcemia que a menudo resulta de la queratopatía en banda . Luego, el calcio se puede eliminar de la córnea, lo que permite un aumento en la claridad de la visión del paciente.

Aplicaciones industriales y agrícolas

Catálisis

Los catalizadores homogéneos son a menudo complejos quelatados. Un ejemplo representativo es el uso de BINAP (una fosfina bidentada ) en hidrogenación asimétrica e isomerización asimétrica de Noyori . Este último tiene el uso práctico de la fabricación de (-) - mentol sintético .

Ablandamiento del agua

El ácido cítrico se usa para ablandar el agua en jabones y detergentes para ropa . Un quelante sintético común es el EDTA . Los fosfonatos también son agentes quelantes bien conocidos. Los quelantes se utilizan en programas de tratamiento de agua y específicamente en la ingeniería de vapor , por ejemplo , sistema de tratamiento de agua de calderas : sistema de tratamiento de agua Chelant. Aunque el tratamiento a menudo se denomina "ablandamiento", la quelación tiene poco efecto sobre el contenido mineral del agua, aparte de hacerlo soluble y reducir el nivel de pH del agua .

Fertilizantes

Los compuestos de quelatos metálicos son componentes comunes de los fertilizantes para proporcionar micronutrientes. Estos micronutrientes (manganeso, hierro, zinc, cobre) son necesarios para la salud de las plantas. La mayoría de los fertilizantes contienen sales de fosfato que, en ausencia de agentes quelantes, suelen convertir estos iones metálicos en sólidos insolubles que no tienen ningún valor nutricional para las plantas. El EDTA es el agente quelante típico que mantiene estos iones metálicos en forma soluble. ^[30]

Etimología

La palabra quelación se deriva del griego χηλή, chēlē , que significa "garra"; los ligandos se encuentran alrededor del átomo central como las garras de una langosta . El término quelato fue aplicado por primera vez en 1920 por Sir Gilbert T. Morgan y HDK Drew, quienes declararon: "El adjetivo quelato, derivado de la gran garra o chele ( griego ) de la langosta u otros crustáceos, se sugiere para los grupos de calibre que funcionan como dos unidades asociadas y se sujetan al átomo central para producir anillos heterocíclicos ". ^[31]

Ver también

• Terapia de quelación

Referencias

1. Definición de quelación de la IUPAC.
2. Latín chela , del griego, denota una garra.
3. "Zinc" . Estantería NCBI . Bethesda (MD): Instituto Nacional de Diabetes y Enfermedades Digestivas y Renales. 2015-01-10. PMID  31643536 . Consultado el 24 de marzo de 2020 .
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Enlaces externos

• La definición del diccionario de quelato en Wikcionario