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Chelatie
Strukturformel eines MetallsEDTA-chelat.
Ethylendiamin-Ligand mit Bindung an ein zentrales Metallion über zwei koordinative Bindungen.
Stichwort2 Komplexe mit Methylamin (links) und Ethylendiamin (rechts).
Strukturformel von ortho-Nitrophenol.

Chelatbildung ist ein Prozess und eine Form von chemische Bindung, das nicht Sinn streng ist eine chemische Bindung. Aus chemischer Sicht ist Chelatbildung dasselbe wie Komplexbildung, vorausgesetzt, dass in der Chemie das Konzept der Komplexbildung auf ein-, zwei- und mehrzähnige Liganden angewendet wird, während die Chelatbildung die einzähnigen Liganden explizit ausschließt.

Prinzip

Einige organische Moleküle haben zwei oder mehr, oft vier, hervorstehende, flexible „Arme“ (mehrzähnig).Liganden) mit starkem elektronegativ Gruppen am Ende, wie z Amingruppen. Dadurch können sie verschiedene Metallionen um sich herum gruppieren (koordinieren). Ein solches Metallion wird dann durch die kombinierte Anziehungskraft der elektronegativen Gruppen zurückgehalten. Die sonst oft schwerlöslichen Metallionen können sich teilweise gut lösen. Solche organischen Moleküle werden Chelate genannt. Sie bilden mit dem Substrat einen Chelatkomplex.

Die Definition von ASTM International-A-380 besagt: (freie Übersetzung) "Chelate sind Chemikalien, die mit bestimmten Metallionen lösliche, komplexe Moleküle bilden, die diese Metallionen so stark inaktivieren, dass sie normalerweise nicht mit anderen Elementen oder Ionen reagieren können, um einen Niederschlag oder eine Ablagerung zu bilden."

Es muss klar zwischen Chelatkomplexen und Koordinationskomplexe mit einzähnigen Liganden, die nur eine Bindung zum Zentralatom eingehen. Die verschiedenen chelatbildenden Verbindungen (die organischen Moleküle ohne das Metallion) haben unterschiedliche Affinitäten für verschiedene Arten von Metallionen, die sich daher manchmal durch Konkurrenz von der gebundenen Stelle verdrängen können. Dies hängt mit der Größe des Ions, der elektrostatischen Anziehung und der räumlichen Konfiguration des Chelatbildners zusammen.

Dieses Prinzip findet in der Industrie vielfältige Anwendung, wie zum Beispiel EDTA wird benutzt um Calciumionen im hartes Wasser binden für Reinigungsmittel und Wasserenthärter.

Chelat-Effekt

Der Chelateffekt beschreibt die erhöhte Affinität von Chelatliganden zu einem Metallion im Vergleich zu entsprechenden nicht-chelatisierenden (einzähnigen) Liganden desselben Metalls. Es entsteht ein (energetisch) stabilerer Komplex. Die chelatbildende Wirkung lässt sich anhand des folgenden Beispiels deutlich demonstrieren.

Betrachten Sie zwei Gleichgewichte in einer wässrigen Lösung zwischen dem Kupfer(II)-Ion (Cu2 ) und Ethylendiamin (und) einerseits und Methylamin (MeNH2) andererseits

Stichwort2 und [Cu(s)]2
(1)
Stichwort2 2 MeNH2 ↔ [Cu(MeNH2)2]2
(2)

Die Erklärung kann auf zwei Ebenen erfolgen.

  1. Allgemeines
    Wenn die Bindungen zwischen dem Kupferion und den beiden Stickstoffatomen gebildet werden, bedeutet dies nicht, dass die Bindungen für immer feststecken. Manchmal löst sich auch eine Bindung. Im Falle des Komplexes mit Ethylendiamin (Reaktion 1) bedeutet dies, dass das freigesetzte Stickstoffatom noch in der Nähe des Kupferions "heraushängt" und somit mehr oder weniger zur Neubildung des Chelatrings verurteilt ist. Nur wenn zufällig auch das zweite Stickstoffatom vom Kupferion getrennt ist, können Ethylendiamin und Kupferion eigene Wege gehen und die Komplexkonzentration hat abgenommen.
    Ist Methylamin das komplexierende Reagens (Reaktion 2), dann sind beide Partikel durch das Aufbrechen der Bindung zwischen Kupferion und Stickstoff sofort unabhängig. Die Neubildung des Komplexes hängt von der Möglichkeit ab, dass sich das Kupferion und ein Methylaminmolekül zufällig treffen. Das Lösen einer Bindung bedeutet sofort eine Abnahme der Komplexkonzentration.
  2. Wissenschaftlich
    In Reaktion (1) chelatisiert der zweizähnige Ligand Ethylendiamin mit dem Kupfer(II)-Ion. Durch die Chelatbildung entsteht ein fünfgliedriger Ring. In (2) wird der zweizähnige Ligand durch zwei einzähnige Liganden von Methylamin ersetzt, die ungefähr die gleiche Donorpotenz aufweisen. Dies bedeutet, dass der Unterschied in Bindungsenergie in der Bildung der Cu-N-Bindungen ist bei beiden Reaktionen ungefähr gleich. Beide Reaktionen unterscheiden sich jedoch in der Entropieänderung: bei der Reaktion mit Ethylendiamin ist die Freiheit von zwei Partikeln eingeschränkt, bei der Reaktion mit Methylamin ist die gegenseitige Bewegungsfreiheit von drei Partikeln eingeschränkt. Wenn die Kupferkonzentrationen in beiden Reaktionen gleich bleiben und die Konzentration von Methylamin doppelt so hoch ist wie die von Ethylendiamin, dann ist die Konzentration des Komplexes (1) höher als die Konzentration des Komplexes (2). Der Chelateffekt nimmt mit der Anzahl der Chelatringe zu: Der Entropieunterschied wird immer größer. Als Ergebnis wird die Konzentration des Komplexes mit EDTA, das zwei koordinierende Stickstoffatome und vier koordinierende Sauerstoffatome (in Carboxylatgruppen) und mit denen fünf Chelatringe[1]) gebildet werden, viel höher als ein entsprechender Komplex mit zwei einzähnigen Liganden mit Stickstoffdonoren und mit vier einzähnigen Liganden mit einem Carboxylat-Ion.

Chelatbildung in der metallorganischen Chemie

Organometallische Verbindungen kann auch Chelate enthalten. Das heißt, zusätzlich zur Bindung des Metalls an Kohlenstoff, es charakteristisch für metallorganische Verbindungen, auch Komplexbildung mit Elementen aus dem Stickstoff- und Sauerstoffgruppe tritt ein.Antimon (aber auch - in geringerem Maße - Arsen und Phosphor) kann seine Valenzschale von zehn auf zwölf Elektronen erweitern (Valenzskalenerweiterung), die sechsfach koordinierte Anionen mit bipyramidaler Geometrie bilden. Dadurch entsteht eine quadratische Ebene mit dem Metallion in der Mitte der Ebene. So reagiert Pentaphenylantimon mit Phenyllithium zum Anion Ph6jdm−:

Es gibt enatiomer Anionenpaare mit Chelatbindungen zwischen den Biphenylgruppen gebildet.[2]

Ein weiterer Spezialfall ist die Bildung einer intramolekularen Wasserstoffbrücke zwischen einem Sauerstoffatom von a NEIN2-Gruppe und ein Wasserstoffatom aus dem benachbarten OH-Gruppe im ortho-Nitrophenol. Dies wird auch als ein Beispiel für Chelatbildung angesehen.[3]

Chelat in der Natur

Die Natur verwendet auch häufig Chelatbildung, um Metallionen zu binden: die Magnesium im Chlorophyll und der Eisen im Hämoglobin sind durch Chelatbildung gebunden Porphyrinringe. Außerdem viele Enzyme besteht aus Metallionen, die von organischen Liganden koordiniert werden.

Chelat in der Medizin

Auch in der Medizin solche Verbindungen werden verwendet, um Schwermetalle aus dem Körper zu entfernen. Verwendung der Chelat-Therapie als Mittel zur Entfernung von Kalzium aus dem Körper, um Arteriosklerose ist jedoch wissenschaftlich völlig unbewiesen und sollte als eine Form von Quacksalberei gelten als. Die meisten verkalkten Blutgefäße enthalten keine Kreide. Die Chelattherapie wird erfolgreich bei der Behandlung von β-Thalassämie, wobei die Chelatbildung den Überschuss übernimmt Eisen aus dem Blut entfernt.[4]

Antibiotika von dem Tetracyclin-Familie enthalten Chelate von Ca2 - und Mg2 -Ionen. EDTA wird in der Zahnheilkunde verwendet, um den Wurzelkanal von a Zahn zu bewässern. Für die Herstellung MRT-Scans Patienten erhalten Chelatkomplexe von Gadolinium (unter anderem Gadoxetat) wenn Kontrastmittel injiziert, um die Bildqualität zu verbessern.

Siehe auch