Quelación

Quelación 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 (enlace múltiple) y un solo átomo central de metal. Estos ligandos se denominan quelantes, quelantes, agentes quelantes o agentes secuestrantes. Suelen ser compuestos orgánicos, pero esto no es una necesidad, como es el caso del zinc y su uso como terapia de mantenimiento para evitar la absorción de cobre en personas con enfermedad de Wilson.

La quelación es útil en aplicaciones tales como proporcionar suplementos nutricionales, en la terapia de quelación para eliminar metales tóxicos del cuerpo, como agentes de contraste en resonancias magnéticas, en la fabricación con catalizadores homogéneos, en el tratamiento químico del agua para ayudar en la eliminación de metales, y en fertilizantes.

Efecto quelato

ligand de etilenodiamina chelating a un metal con dos lazos

Cu²⁺ complejos con metilamina no titular (izquierda) y ligands chelating etilenodiamina (derecha)

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

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

Cu2+ + en ⇌ [Cu(en)]2+

()1)

Cu2+ + 2 MeNH2 [Cu(MeNH)2)2]2+

()2)

En (1) la etilendiamina forma un complejo quelato con el ion cobre. La quelación da como resultado la formación de un anillo CuC₂N₂ de cinco miembros. En (2), el ligando bidentado se reemplaza por dos ligandos monodentados de metilamina de aproximadamente el mismo poder donante, lo que indica que los enlaces Cu-N son aproximadamente iguales en las dos reacciones.

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

[Cu(en)] = β11[Cu][en]

()3)

[Cu(MenH)2)2= β12[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 mayor que la concentración [Cu(MeNH₂) ₂] porque β₁₁ ≫ β₁₂.

Un equilibrio constante, K, está relacionado con la energía libre estándar Gibbs, Δ Δ G⊖ ⊖ {displaystyle Delta G^{ominus } por

Δ Δ G⊖ ⊖ =− − RTIn⁡ ⁡ K=Δ Δ H⊖ ⊖ − − TΔ Δ S⊖ ⊖ {displaystyle Delta G^{ominus }=-RTln K=Delta H^{ominus }-TDelta S^{ominus }

Donde R es la constante del gas y T es la temperatura en kelvins. Δ Δ H⊖ ⊖ {displaystyle Delta H^{ominus } es el cambio enthalpy estándar de la reacción y Δ Δ S⊖ ⊖ {displaystyle Delta S^{ominus } es el cambio de entropía estándar.

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 del desorden cuando el complejo quelato se forma 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. Algunos datos experimentales para ilustrar el efecto se muestran en la siguiente tabla.

Equilibrio	log β	Δ Δ G⊖ ⊖ {displaystyle Delta G^{ominus }	Δ Δ H⊖ ⊖ /kJmol− − 1{displaystyle Delta H^{ominus }mathrm {/kJ mol^{-1} }	− − TΔ Δ S⊖ ⊖ /kJmol− − 1{displaystyle -TDelta S^{ominus }mathrm {/kJ mol^{-1}
Cu2+ + 2 MeNH2 ⇌ Cu2)22+	6.55	−37.4	−57.3	19.9
Cu2+ + 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 razón principal de la mayor estabilidad del complejo quelato es el término de entropía, que es mucho menos desfavorable. En general, es difícil dar cuenta con precisión de 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 la entropía.

Otras explicaciones, incluida la de Schwarzenbach, se analizan en Greenwood y Earnshaw (loc.cit).

En la naturaleza

Numerosas biomoléculas exhiben la capacidad de disolver ciertos cationes metálicos. Por lo 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 (consulte la siguiente sección).

En bioquímica y microbiología

Prácticamente todas las metaloenzimas contienen metales quelados, generalmente a péptidos o cofactores y grupos prostéticos. 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, se sabe que las especies de Pseudomonas secretan pioquelina y pioverdina que se unen al hierro. La enterobactina, producida por E. coli, es el agente quelante más potente que se conoce. Los mejillones marinos usan quelación de metales esp. Fe³⁺ quelación con los residuos de Dopa en la proteína-1 de la pata de mejillón para mejorar la resistencia de los hilos que utilizan para fijarse a las superficies.

En geología

En 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. La mayoría de los complejos metálicos en el medio ambiente y en la naturaleza están unidos en alguna forma de anillo quelato (p. ej., con un ácido húmico o una proteína). Por lo tanto, los quelatos de metales son relevantes para la movilización de metales en el suelo, la absorción y la acumulación de metales en plantas y microorganismos. La quelación selectiva de metales pesados es relevante para la biorremediación (p. ej., eliminación de 137Cs de desechos radiactivos).

Aplicaciones médicas

Suplementos nutricionales

En la década de 1960, los científicos desarrollaron el concepto de quelar un ion metálico antes de alimentar al animal con el elemento. Creían que esto crearía un compuesto neutral, 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 de metales efectivos, se eligieron como posibles ligandos y se realizaron investigaciones sobre las combinaciones de metal-aminoácido. La investigación apoyó que los quelatos de aminoácidos y metales podían mejorar la absorción de minerales.

Durante este período, se desarrollaron 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 nutricionalmente viables. Si el mineral se tomara del ligando EDTA, el ligando no podría ser utilizado por el cuerpo y sería expulsado. Durante el proceso de expulsión, el ligando EDTA queló aleatoriamente y eliminó otro mineral del cuerpo.

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 a 3 (preferiblemente 2) moles de aminoácidos por mol de metal. El peso medio de los aminoácidos hidrolizados debe ser de aproximadamente 150 y el peso molecular resultante del quelato no debe exceder los 800 Da.

Desde el desarrollo temprano de estos compuestos, se ha llevado a cabo mucha más investigación y se ha aplicado a productos de nutrición humana de manera similar a los experimentos de nutrición animal que fueron pioneros en la tecnología. El bisglicinato ferroso es un ejemplo de uno de estos compuestos que se ha desarrollado para la nutrición humana.

Aplicación dental y bucal

Los adhesivos para dentina se diseñaron y produjeron por primera vez en la década de 1950 a partir de un quelato de comonómero con calcio en la superficie del diente y generaron una unión química resistente al agua muy débil (2–3 MPa).

Desintoxicación de metales pesados

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 envenenamiento por plomo. No está aprobado para el tratamiento de la "toxicidad por metales pesados".

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 debido a la hipocalcemia. El EDTA disódico no está aprobado por la FDA para ningún uso, y todos los productos de terapia de quelación aprobados por la FDA requieren receta médica.

Productos farmacéuticos

Los complejos de quelato de gadolinio se utilizan a menudo como agentes de contraste en las resonancias magnéticas, aunque también se han explorado los complejos de quelato de manganeso y partículas de hierro. Los complejos de quelatos bifuncionales de zirconio, galio, flúor, cobre, itrio, bromo o yodo se utilizan a menudo para la conjugación con anticuerpos monoclonales para su uso en imágenes PET basadas en anticuerpos. Estos complejos de quelato a menudo emplean el uso de ligandos hexadentados como la deferoxamina B (DFO), según Meijs et al., y los complejos de gadolinio a menudo emplean el uso de ligandos octadentados como el DTPA, según Desreux. y otros. La auranofina, un complejo de quelato de oro, se utiliza en el tratamiento de la artritis reumatoide, y la penicilamina, que forma complejos de quelato de cobre, se utiliza en el tratamiento de la enfermedad de Wilson y la cistinuria, así como en la artritis reumatoide refractaria.

Otras aplicaciones médicas

La quelación en el tracto intestinal es la causa de numerosas interacciones entre fármacos e iones metálicos (también conocidos como "minerales" en nutrición). Como ejemplos, los fármacos antibióticos de las familias de las tetraciclinas y las quinolonas son quelantes de los iones Fe²⁺, Ca²⁺ y Mg²⁺.

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

Aplicaciones industriales y agrícolas

Catálisis

Los catalizadores homogéneos suelen ser complejos quelados. Un ejemplo representativo es el uso de BINAP (una fosfina bidentada) en la hidrogenación asimétrica y la isomerización asimétrica de Noyori. Este último tiene el uso práctico de la fabricación de (-)-mentol sintético.

Ablandamiento de agua

El ácido cítrico se usa para ablandar el agua en jabones y detergentes para ropa. Un quelante sintético común es EDTA. Los fosfonatos también son agentes quelantes bien conocidos. Los quelantes se utilizan en programas de tratamiento de agua y específicamente en ingeniería de vapor, p. ej., sistema de tratamiento de agua de caldera: Sistema de tratamiento de agua quelante. Aunque el tratamiento a menudo se denomina "ablandamiento," la quelación tiene poco efecto sobre el contenido mineral del agua, aparte de hacerla 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. EDTA es el agente quelante típico que mantiene estos iones metálicos en forma soluble.

Desquelación

La dequelación (o desquelación) es un proceso inverso a la quelación en el que el agente quelante se recupera acidificando la solución con un ácido mineral para formar un precipitado.

Etimología

La palabra quelación se deriva del griego χηλή, chēlē, que significa "garra"; los ligandos se encuentran alrededor del átomo central como las pinzas de una langosta. El término quelato fue aplicado por primera vez en 1920 por Sir Gilbert T. Morgan y H. D. K. Drew, quienes afirmaron: "El adjetivo quelato, derivado de la gran garra o chele (griego) de la langosta u otros crustáceos, se sugiere para los grupos similares a calibradores que funcionan como dos unidades asociadas y se unen al átomo central para producir anillos heterocíclicos."