キレート化（キレーション、 / k iː ˈ l eɪ ʃ ən /）は、金属原子の結合および隔離の一種である。配位子と単一の金属原子との間に2つ以上の独立した配位共有結合が形成され、環状構造が形成される。[1]配位子は、キレート剤、キレート化剤、キレート化剤、または金属イオン封鎖剤と呼ばれる。通常は有機化合物であるが、必ずしも有機化合物である必要はない。

キレート化 （キレーション）という言葉は、ギリシャ語の「爪」を意味するχηλή（chēlē）に由来します。これは、配位子分子が金属原子をカニの爪のように捉えていることに由来します。キレート（ / ˈ k iː l eɪ t /）という用語は、1920年にギルバート・T・モーガン卿とHDK・ドリューによって初めて用いられました。彼らは次のように述べています。「カニなどの甲殻類の大きな爪、ギリシャ語のcheleに由来する形容詞chelateは、2つの会合単位として機能し、中心原子に結合して複素環を形成する、ノギスのような基を指すために提案された。」[2]

キレート化は、栄養補助食品の調製、体内の有毒金属を除去するキレート療法、 MRI スキャンの造影剤として、均一触媒を使用した製造、金属の除去を助ける化学的水処理、および肥料に役立ちます。

キレート環

エチレンジアミンは、 C 2 N 2 M キレート環の形成によって金属と結合します。

二座配位子は金属イオンと結合してキレート環を形成します。配位数の多い配位子は2つ以上のキレート環を形成します。エチレンジアミン、2,2'-ビピリジン、1,10-フェナントロリンはC 2 N 2 Mキレート環を形成します。有機化学と同様に、5員環と6員環のキレート環が主流です。[3] [4]

キレート効果

非キレートメチルアミン（左）およびキレートエチレンジアミン（右）配位子を持つCu 2+ 錯体

キレート効果とは、金属イオンに対するキレート配位子の親和性が、同じ金属に対する同様の非キレート（単座）配位子の親和性よりも高いことです。

キレート効果の基礎となる熱力学的原理は、銅(II) とエチレンジアミン(en) およびメチルアミンとの親和性の対照によって説明されます。

( 1 )では、エチレンジアミンが銅イオンとキレート錯体を形成する。キレート化の結果、五員環CuC 2 N 2環が形成される。( 2 )では、二座配位子がほぼ同じ供与性を持つ2つの単座メチルアミン配位子に置換されており、これは2つの反応におけるCu–N結合がほぼ同じであることを示している。

キレート効果を説明する熱力学的アプローチでは、反応の平衡定数を考慮します。平衡定数が大きいほど、複合体の濃度が高くなります 。

表記を簡略化するため、電荷は省略されている。角括弧は濃度を示し、安定度定数の添え字βは錯体の化学量論を示す。メチルアミンの分析濃度がエチレンジアミンの2倍で、銅の濃度が両反応で同じ場合、 β 11 ≫ β 12であるため、濃度[Cu(en)]は濃度[Cu(MeNH 2 ) 2 ]よりもはるかに高くなる。

平衡定数Kは標準ギブス自由エネルギーと次のよう に関係している。

ここで、Rは気体定数、Tはケルビン単位の温度です。⁠ ⁠は反応の標準エンタルピー変化、 ⁠ ⁠は標準エントロピー変化です。

2つの反応のエンタルピーはほぼ同じであるはずなので、2つの安定度定数の差はエントロピーの影響によるものである。式（1）では粒子が左側に2つ、右側に1つ存在するのに対し、式（2）では粒子が左側に3つ、右側に1つ存在する。この差は、二座配位子とキレート錯体を形成する場合、一座配位子とキレート錯体を形成する場合よりも、無秩序性のエントロピー損失が少ないことを意味する。これがエントロピー差に寄与する要因の一つである。その他の要因としては、溶媒和変化や環形成などが挙げられる。この影響を示す実験データを次の表に示す。[5]

これらのデータは、2つの反応におけるエンタルピー変化がほぼ等しく、キレート錯体の安定性が高い主な理由はエントロピー項であり、これはそれほど不利ではないことを裏付けています。一般に、分子レベルでの溶液の変化という観点から熱力学値を正確に説明することは困難ですが、キレート効果は主にエントロピーの影響であることは明らかです。

シュヴァルツェンバッハ[ 6]による説明を含む他の説明については、グリーンウッドとアーンショー（loc.cit）で議論されている。

自然の中で

多くの生体分子は、特定の金属陽イオンを溶解する能力を示す。例えば、タンパク質、多糖類、多核酸は、多くの金属イオンに対する優れた多座配位子である。グルタミン酸やヒスチジンなどのアミノ酸、リンゴ酸などの有機二酸、フィトケラチンなどのポリペプチドも、典型的なキレート剤である。これらの外来性キレート剤に加えて、特定の金属に結合するために特異的に生成される生体分子もいくつかある（次節参照）。[7] [8] [9] [10]

事実上すべての金属酵素は、通常ペプチドまたは補欠分子族にキレート化された金属を特徴としています。[10] このようなキレート剤には、ヘモグロビンやクロロフィルのポルフィリン環が含まれます。多くの微生物種は、シデロフォアと呼ばれるキレート剤として機能する水溶性色素を産生します。例えば、シュードモナス属の種は、鉄と結合するピオケリンとピオベルジンを分泌することが知られています。大腸菌によって産生されるエンテロバクチンは、最も強力なキレート剤として知られています。海洋性ムール貝は、金属キレート化、特にムール貝足タンパク質1中のドーパ残基とFe 3+ のキレート化を利用して、表面に自分自身を固定するための糸の強度を高めています。[11] [12] [13]

地球科学において、化学的風化は、鉱物や岩石から金属イオンを抽出する有機キレート剤（例：ペプチドや糖）に起因するとされています。 [14] 環境中および自然界に存在するほとんどの金属錯体は、何らかの形のキレート環（例：フミン酸やタンパク質）に結合しています。したがって、金属キレートは土壌中の金属の移動、植物や微生物への金属の吸収および蓄積に関連しています。重金属の選択的キレート化は、バイオレメディエーション（例：放射性廃棄物からのセシウム137の除去）に関連しています。 [15]

アプリケーション

動物飼料添加物

エチレンジアミン四酢酸（EDTA）などの合成キレート化合物は安定性が高く、栄養学的に実行可能ではないことが判明した。ミネラルがEDTAリガンドから奪われると、リガンドは体内で使用できず、排出される。排出の過程で、EDTAリガンドはランダムに他のミネラルをキレート化し、体内から剥ぎ取る。[16]米国飼料検査官協会（AAFCO）によると、金属-アミノ酸キレート化合物は、金属1モルに対してアミノ酸1～3モル（好ましくは2モル）のモル比で、可溶性金属塩由来の金属イオンとアミノ酸の反応によって生成される生成物と定義される。 [要出典]加水分解されたアミノ酸の平均重量は約150で、得られたキレート化合物の分子量は800 Daを超えてはなら [要出典]これらの化合物は開発初期から多くの研究が行われ、この技術の先駆けとなった動物栄養実験と同様に、人間の栄養製品にも応用されてきました。グリシン酸第一鉄（II）は、人間の栄養製品として開発されたこれらの化合物の一例です。[17]

歯科用

象牙質接着剤は、1950年代に初めて歯の表面のカルシウムと共モノマーキレートをベースに設計・製造され、非常に弱い耐水性の化学結合（2～3 MPa）を生み出しました。[18]

キレート療法

キレート療法は、水銀、ヒ素、鉛による中毒の解毒剤です。キレート剤はこれらの金属イオンを化学的および生化学的に不活性な排泄可能な形態に変換します。エデト酸ナトリウムカルシウムを用いたキレート療法は、米国食品医薬品局（FDA）によって重篤な鉛中毒の治療に承認されています。ただし、「重金属毒性」の治療には承認されていません。 [19]重篤な鉛中毒には効果的ですが、EDTA二ナトリウムカルシウムの代わりにEDTA二ナトリウム（エデト酸二ナトリウム）を使用すると、低カルシウム血症による死亡例が発生しています。[20] EDTA二ナトリウムはFDAによっていかなる用途にも承認されておらず[19]、FDA承認のキレート療法製品はすべて処方箋が必要です。[21]

造影剤

MRIスキャンでは、ガドリニウムのキレート錯体が造影剤としてよく使われているが、鉄粒子やマンガンのキレート錯体も研究されている。[22] [23]ジルコニウム、ガリウム、フッ素、銅、イットリウム、臭素、ヨウ素の二官能性キレート錯体は、抗体ベースのPETイメージングで使用するためにモノクローナル抗体に結合してよく使われる。[24] Meijsらによると、これらのキレート錯体ではデスフェリオキサミンB（DFO）などの六座配位子がよく使われる。 [25] Desreuxらによると、ガドリニウム錯体ではDTPAなどの八座配位子がよく使われる。[26]金のキレート錯体であるオーラノフィンは関節リウマチの治療に使用され、銅のキレート錯体を形成するペニシラミンはウィルソン病やシスチン尿症、難治性関節リウマチの治療に使用されます。 [27] [28]

栄養上の利点と問題点

腸管におけるキレート化は、薬剤と金属イオン（栄養学では「ミネラル」とも呼ばれる）との間の多くの相互作用の原因となる。例えば、テトラサイクリン系およびキノロン系の抗生 物質は、 Fe 2+、Ca 2+、およびMg 2+イオンのキレート剤である。[29] [30]

カルシウムに結合するEDTAは、帯状角膜症でしばしば起こる高カルシウム血症を軽減するために使用されます。EDTAにより角膜からカルシウムが除去され、患者の視力の明瞭度がいくらか向上する可能性があります。[31] [32]

均一系触媒はしばしばキレート錯体である。代表的な例としては、野依不斉水素化および不斉異性化におけるBINAP（二座ホスフィン）の使用が挙げられる。後者は合成(-)-メントールの製造に実用化されている。

清掃と軟水化

キレート剤は、一部の錆除去剤の主成分です。 クエン酸は石鹸や洗濯用洗剤の軟水化剤として使用されています。一般的な合成キレート剤はEDTAです。ホスホン酸塩もよく知られたキレート剤です。キレート剤は水処理プログラム、特に蒸気工学で使用されています。[要出典] この処理はしばしば「軟水化」と呼ばれますが、キレート化は水のミネラル含有量にほとんど影響を与えず、水に溶けやすくしてpHレベルを下げるだけです。

肥料

金属キレート化合物は、微量栄養素を供給するための肥料の一般的な成分です。これらの微量栄養素（マンガン、鉄、亜鉛、銅）は植物の健康に不可欠です。ほとんどの肥料にはリン酸塩が含まれていますが、キレート剤がない場合、これらの金属イオンは植物にとって栄養価のない不溶性の固体に変換されます。EDTA は、これらの金属イオンを可溶性の状態に保つ典型的なキレート剤です。[33]

経済状況

幅広い需要があるため、キレート剤全体の成長は2009～2014年に年間4％であり[34]、この傾向は増加すると思われます。アミノポリカルボン酸キレート剤は最も広く消費されているキレート剤ですが、このカテゴリーではより環境に優しい代替キレート剤の割合が増え続けています。[35]従来のアミ​​ノポリカルボン酸キレート剤、特にEDTA（エチレンジアミン四酢酸）とNTA（ニトリロ三酢酸）の消費量は、毒性と環境への悪影響に対する懸念が続いているため、減少しています（年間−6％）。[34] 2013年には、これらの環境に優しい代替キレート剤は、アミノポリカルボン酸の総需要の約15％を占めていました。これは2018年までに約21％に増加し、洗浄用途で使用されるアミノホスホン酸に取って代わると予想されています。[36] [35] [34]より環境に優しい代替キレート剤の例としては、エチレンジアミン二コハク酸（EDDS）、ポリアスパラギン酸（PASA）、メチルグリシン二酢酸（MGDA）、グルタミン酸二酢酸（L-GLDA）、クエン酸、グルコン酸、アミノ酸、植物抽出物などが挙げられる。[35] [37]

逆転

脱キレート化（または脱キレート化）はキレート化の逆のプロセスであり、溶液を鉱酸で酸性化して沈殿物を形成することでキレート剤を回収する。[38] : 7 

参照

参考文献

 この記事には、CC BY 4.0 ライセンスのもとで利用可能な Kaana Asemave によるテキストが組み込まれています。

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