Chélation

La chélation ( / k iː ˈ l eɪ ʃ ən / ) est un type de liaison des ions et de leurs molécules aux ions métalliques. Elle implique la formation ou la présence de deux ou plusieurs liaisons coordonnées séparées entre un ligand polydentate (à liaisons multiples) et un seul atome métallique central. Ces ligands sont appelés chélateurs, agents chélatants ou agents séquestrants. Il s'agit généralement de composés organiques , mais ce n'est pas une nécessité.

Le mot chélation est dérivé du grec χηλή, chēlē , qui signifie « griffe » ; les ligands se trouvent autour de l'atome central comme les pinces d'un crabe . Le terme chélate ( / ˈ k iː l eɪ t / ) a été appliqué pour la première fois en 1920 par Sir Gilbert T. Morgan et HDK Drew, qui ont déclaré : « L'adjectif chélate, dérivé de la grande pince ou chele (grec) du crabe ou d'autres crustacés, est suggéré pour les groupes en forme d'étrier qui fonctionnent comme deux unités d'association et se fixent à l'atome central de manière à produire des hétérocycles . »

La chélation est utile dans des applications telles que la fourniture de suppléments nutritionnels, dans la thérapie de chélation pour éliminer les métaux toxiques du corps, comme agents de contraste dans l'IRM , dans la fabrication utilisant des catalyseurs homogènes , dans le traitement chimique de l'eau pour aider à l'élimination des métaux et dans les engrais .

L'effet chélatant est la plus grande affinité des ligands chélateurs pour un ion métallique que celle des ligands non chélateurs (monodentates) similaires pour le même métal.

Les principes thermodynamiques qui sous-tendent l'effet chélate sont illustrés par les affinités contrastées du cuivre (II) pour l'éthylènediamine (en) par rapport à la méthylamine .

Dans ( 1 ) l'éthylènediamine forme un complexe chélaté avec l'ion cuivre. La chélation entraîne la formation d'un cycle CuC ₂ N _{2 à cinq chaînons. Dans (} 2 ) le ligand bidentate est remplacé par deux ligands méthylamine monodentate ayant approximativement le même pouvoir donneur, ce qui indique que les liaisons Cu–N sont approximativement les mêmes dans les deux réactions.

L' approche thermodynamique pour décrire l'effet chélate prend en compte la constante d'équilibre de la réaction : plus la constante d'équilibre est grande, plus la concentration du complexe est élevée.

Les charges électriques ont été omises pour simplifier la notation. Les crochets indiquent la concentration et les indices des constantes de stabilité , β , indiquent la stoechiométrie du complexe. Lorsque la concentration analytique de méthylamine est deux fois supérieure à celle de l'éthylènediamine et que la concentration de cuivre est la même dans les deux réactions, la concentration [Cu(en)] est bien supérieure à la concentration [Cu(MeNH ₂ ) ₂ ] car β ₁₁ ≫ β ₁₂ .

Une constante d'équilibre, K , est liée à l' énergie libre standard de Gibbs , ⁠ ⁠ par

où R est la constante des gaz et T est la température en kelvins . ⁠ ⁠ est le changement d'enthalpie standard de la réaction et ⁠ ⁠ est le changement d'entropie standard .

Comme l'enthalpie doit être à peu près la même pour les deux réactions, la différence entre les deux constantes de stabilité est due aux effets de l'entropie. Dans l'équation ( 1 ), il y a deux particules à gauche et une à droite, tandis que dans l'équation ( 2 ), il y a trois particules à gauche et une à droite. Cette différence signifie que moins d'entropie de désordre est perdue lorsque le complexe chélaté est formé avec un ligand bidentate que lorsque le complexe avec des ligands monodentates est formé. C'est l'un des facteurs contribuant à la différence d'entropie. D'autres facteurs incluent les changements de solvatation et la formation d'anneaux. Certaines données expérimentales illustrant l'effet sont présentées dans le tableau suivant.

Ces données confirment que les variations d'enthalpie sont à peu près égales pour les deux réactions et que la principale raison de la plus grande stabilité du complexe chélaté est le terme d'entropie, qui est beaucoup moins défavorable. En général, il est difficile d'expliquer précisément les valeurs thermodynamiques en termes de variations de solution au niveau moléculaire, mais il est clair que l'effet chélaté est principalement un effet d'entropie.

D'autres explications, y compris celle de Schwarzenbach , sont discutées dans Greenwood et Earnshaw ( loc.cit ).

De nombreuses biomolécules présentent la capacité de dissoudre certains cations métalliques . Ainsi, les protéines , les polysaccharides et les acides polynucléiques sont d'excellents ligands polydentates pour de nombreux ions métalliques. Les composés organiques tels que les acides aminés acide glutamique et histidine , les diacides organiques tels que le malate et les polypeptides tels que la phytochélatine sont également des chélateurs typiques. En plus de ces chélateurs adventifs, plusieurs biomolécules sont spécifiquement produites pour lier certains métaux (voir la section suivante).

Pratiquement toutes les métalloenzymes contiennent des métaux chélatés, généralement à des peptides ou des cofacteurs et des groupes prosthétiques. Ces agents chélateurs comprennent les anneaux de porphyrine dans l'hémoglobine et la chlorophylle . De nombreuses espèces microbiennes produisent des pigments hydrosolubles qui servent d'agents chélateurs, appelés sidérophores . Par exemple, les espèces de Pseudomonas sont connues pour sécréter de la pyocheline et de la pyoverdine qui lient le fer. L'entérobactine , produite par E. coli , est l'agent chélateur le plus puissant connu. Les moules marines utilisent la chélation des métaux, en particulier la chélation du Fe ³⁺ avec les résidus Dopa dans la protéine 1 du pied de moule pour améliorer la résistance des fils qu'elles utilisent pour se fixer aux surfaces.

En sciences de la terre, l'altération chimique est attribuée aux agents chélateurs organiques (par exemple, les peptides et les sucres ) qui extraient les ions métalliques des minéraux et des roches. La plupart des complexes métalliques présents dans l'environnement et dans la nature sont liés sous une forme ou une autre à un cycle chélaté (par exemple, avec un acide humique ou une protéine). Ainsi, les chélates métalliques sont importants pour la mobilisation des métaux dans le sol , l'absorption et l'accumulation des métaux dans les plantes et les micro-organismes . La chélation sélective des métaux lourds est importante pour la bioremédiation (par exemple, l'élimination du ¹³⁷ Cs des déchets radioactifs ).

Les chélates synthétiques tels que l'acide éthylènediaminetétraacétique (EDTA) se sont révélés trop stables et non viables sur le plan nutritionnel. Si le minéral était extrait du ligand EDTA, le ligand ne pourrait pas être utilisé par le corps et serait expulsé. Au cours du processus d'expulsion, le ligand EDTA chélate de manière aléatoire et élimine d'autres minéraux du corps. Selon l'Association of American Feed Control Officials (AAFCO), un chélate métal-acide aminé est défini comme le produit résultant de la réaction d'ions métalliques d'un sel métallique soluble avec des acides aminés, avec un rapport molaire compris entre 1 et 3 (de préférence 2) moles d'acides aminés pour une mole de métal. Le poids moyen des acides aminés hydrolysés doit être d'environ 150 et le poids moléculaire résultant du chélate ne doit pas dépasser 800 Da . Depuis le début du développement de ces composés, de nombreuses recherches ont été menées et ont été appliquées aux produits de nutrition humaine de manière similaire aux expériences de nutrition animale qui ont été les pionnières de cette technologie. Le bisglycinate ferreux est un exemple de l'un de ces composés qui a été développé pour la nutrition humaine.

Les adhésifs dentinaires ont été conçus et produits pour la première fois dans les années 1950 à partir d'un chélate de comonomère avec du calcium à la surface de la dent et généraient une liaison chimique très faible et résistante à l'eau (2-3 MPa).

La thérapie par chélation est un antidote contre l'intoxication par le mercure , l'arsenic et le plomb . Les agents chélateurs convertissent ces ions métalliques en une forme chimiquement et biochimiquement inerte qui peut être excrétée. La chélation utilisant l'édétate de sodium et de calcium a été approuvée par la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis pour les cas graves d' intoxication au plomb . Elle n'est pas approuvée pour le traitement de la « toxicité aux métaux lourds ». Bien qu'elle soit bénéfique dans les cas d'intoxication grave au plomb, l'utilisation d'EDTA disodique (édétate disodique) au lieu de l'EDTA disodique a entraîné des décès dus à l'hypocalcémie . L'EDTA disodique n'est approuvé par la FDA pour aucune utilisation, et tous les produits de thérapie par chélation approuvés par la FDA nécessitent une ordonnance.

Français Les complexes chélatés de gadolinium sont souvent utilisés comme agents de contraste dans les examens IRM , bien que les complexes chélatés de particules de fer et de manganèse aient également été explorés. Les complexes chélatés bifonctionnels de zirconium , de gallium , de fluor , de cuivre , d'yttrium , de brome ou d'iode sont souvent utilisés pour la conjugaison à des anticorps monoclonaux destinés à être utilisés dans l'imagerie TEP à base d'anticorps . Ces complexes chélatés utilisent souvent des ligands hexadentates tels que la desferrioxamine B (DFO), selon Meijs et al. , et les complexes de gadolinium utilisent souvent des ligands octadentates tels que le DTPA, selon Desreux et al . L'auranofine , un complexe chélaté d' or , est utilisée dans le traitement de la polyarthrite rhumatoïde, et la pénicillamine , qui forme des complexes chélatés de cuivre , est utilisée dans le traitement de la maladie de Wilson et de la cystinurie , ainsi que de la polyarthrite rhumatoïde réfractaire.

La chélation dans le tractus intestinal est à l'origine de nombreuses interactions entre les médicaments et les ions métalliques (également appelés « minéraux » en nutrition). À titre d'exemple, les antibiotiques de la famille des tétracyclines et des quinolones sont des chélateurs des ions Fe ²⁺ , Ca ²⁺ et Mg ²⁺ .

L'EDTA, qui se lie au calcium, est utilisé pour soulager l' hypercalcémie qui résulte souvent de la kératopathie en bande . Le calcium peut alors être retiré de la cornée , ce qui permet une amélioration de la clarté de la vision du patient.

Les catalyseurs homogènes sont souvent des complexes chélatés. Un exemple représentatif est l'utilisation de BINAP (une phosphine bidentate ) dans l'hydrogénation asymétrique de Noyori et l'isomérisation asymétrique. Cette dernière a l'utilité pratique de la fabrication de (–)-menthol synthétique .

Un agent chélateur est le composant principal de certaines formulations antirouille. L'acide citrique est utilisé pour adoucir l'eau dans les savons et les détergents à lessive . Un chélateur synthétique courant est l'EDTA . Les phosphonates sont également des agents chélatants bien connus. Les chélateurs sont utilisés dans les programmes de traitement de l'eau et plus particulièrement dans l'ingénierie de la vapeur. Bien que le traitement soit souvent appelé « adoucissement », la chélation a peu d'effet sur la teneur en minéraux de l'eau, si ce n'est pour la rendre soluble et abaisser le pH de l'eau .

Les composés chélateurs métalliques sont des composants courants des engrais pour fournir des micronutriments. Ces micronutriments (manganèse, fer, zinc, cuivre) sont nécessaires à la santé des plantes. La plupart des engrais contiennent des sels de phosphate qui, en l'absence d'agents chélateurs, transforment généralement ces ions métalliques en solides insolubles qui n'ont aucune valeur nutritionnelle pour les plantes. L'EDTA est l'agent chélateur typique qui maintient ces ions métalliques sous une forme soluble.

Français En raison de leurs besoins étendus, la croissance globale des agents chélatants a été de 4 % par an au cours de la période 2009-2014 et la tendance est susceptible d'augmenter. Les chélateurs d'acides aminopolycarboxyliques sont les agents chélatants les plus largement consommés ; cependant, le pourcentage des chélateurs alternatifs plus écologiques dans cette catégorie continue de croître. La consommation de chélateurs aminopolycarboxylates traditionnels, en particulier l'EDTA ( acide éthylènediaminetétraacétique ) et le NTA ( acide nitrilotriacétique ), est en baisse (−6 % par an), en raison des préoccupations persistantes concernant leur toxicité et leur impact négatif sur l'environnement. En 2013, ces chélatants alternatifs plus écologiques représentaient environ 15 % de la demande totale d'acides aminopolycarboxyliques. Ce chiffre devrait atteindre environ 21 % d'ici 2018, remplaçant les acides aminophosphoniques utilisés dans les applications de nettoyage. Des exemples d'agents chélatants alternatifs plus écologiques comprennent l'acide éthylènediamine disuccinique (EDDS), l'acide polyaspartique (PASA), l'acide méthylglycinediacétique (MGDA), l'acide glutamique diacétique (L-GLDA), le citrate , l'acide gluconique , les acides aminés, les extraits de plantes, etc.

La déchélation (ou dé-chélation) est un processus inverse de la chélation dans lequel l'agent chélatant est récupéré en acidifiant la solution avec un acide minéral pour former un précipité.