คีเลชัน ( / k iː ˈ l eɪ ʃ ən / ) เป็นพันธะและการกักเก็บอะตอมโลหะชนิดหนึ่ง โดยเกี่ยวข้องกับพันธะโคเวเลนต์แบบดาทีฟที่ แยกจากกันสองพันธะขึ้นไป ระหว่างลิแกนด์กับอะตอมโลหะเดี่ยว ทำให้เกิดโครงสร้างวงแหวน^{[ 1 ]}ลิแกนด์นี้เรียกว่า คีแลนต์, คีเลเตอร์, ตัวแทนคีเลตติ้ง หรือตัวแทนกักเก็บ โดยปกติจะเป็นสารประกอบอินทรีย์แต่ก็ไม่ใช่ข้อกำหนดเสมอไป

คำว่าคีเลชันมาจากภาษากรีก χηλή, chēlēซึ่งหมายถึง "กรงเล็บ" เนื่องจากโมเลกุลของลิแกนด์หรือโมเลกุลต่างๆ ยึดอะตอมของโลหะไว้เหมือนกรงเล็บของปูคำว่าคีเลต ( / ˈ k iː l eɪ t / ) ถูกนำมาใช้ครั้งแรกในปี 1920 โดยเซอร์กิลเบิร์ต ที. มอร์แกนและเอชดีเค ดรูว์ซึ่งกล่าวว่า: "คำคุณศัพท์คีเลต ซึ่งมาจากกรงเล็บขนาดใหญ่หรือchele (ภาษากรีก) ของปูหรือสัตว์จำพวกกุ้งปูอื่นๆ นั้น เสนอแนะสำหรับกลุ่มที่มีลักษณะคล้ายคาลิเปอร์ซึ่งทำหน้าที่เป็นหน่วยเชื่อมโยงสองหน่วยและยึดติดกับอะตอมกลางเพื่อสร้าง วงแหวน เฮเทอโรไซคลิก " ^{[ 2 ]}

กระบวนการคีเลชันมีประโยชน์ในการเตรียมผลิตภัณฑ์เสริมอาหาร ในการบำบัดด้วยคีเลชันเพื่อกำจัดโลหะที่เป็นพิษออกจากร่างกาย ในฐานะสารเพิ่มความคมชัดในการสแกน MRI ในการผลิต โดย ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันในการบำบัดน้ำ ทางเคมี เพื่อช่วยในการกำจัดโลหะ และในปุ๋ย

ลิแกนด์แบบไบเดนเทตจะจับกับไอออนโลหะโดยสร้างวงแหวนคีเลตลิแกนด์ที่มีจำนวนเดนทิซิตี้สูงกว่าจะสร้างวงแหวนคีเลตสองวงขึ้นไป เอทิลีนไดอะมีน 2,2'- _ไบไพริดีนและ1,10-ฟีนันโทรลีนสร้างวงแหวนคีเลต C2N2M _เช่นเดียวกับในเคมีอินทรีย์ วงแหวนคีเลต 5 และ 6 สมาชิกเป็นส่วนใหญ่^{[ 3 ] [ 4 ]}

ปรากฏการณ์คีเลต คือ ความสามารถในการจับกับไอออนโลหะของลิแกนด์คีเลตได้มากกว่าลิแกนด์ที่ไม่ใช่คีเลต (โมโนเดนเทต) ที่มีลักษณะคล้ายกัน

หลักการทางเทอร์โมไดนามิกส์ที่รองรับผลของคีเลตแสดงให้เห็นได้จากความสัมพันธ์ที่แตกต่างกันของแคดเมียม (II) กับเอทิลีนไดอะมีน (en) เทียบกับเมทิลอะมีน

ใน ( 1 ) เอทิลีนไดอะมีนสร้างสารเชิงซ้อนคีเลตกับไอออนแคดเมียม การเกิดคีเลตส่งผลให้เกิดวงแหวน CdC2N2 ห้าสมาชิก_ใน( 2 )ลิแกนด์แบบไบเดนเทตถูกแทนที่ด้วย ลิแกนด์เมทิลอะมีน แบบโมโน เดนเทตสอง ตัวที่มีกำลังการให้ใกล้เคียงกัน ซึ่งบ่งชี้ว่าพันธะ Cd–N มีค่าใกล้เคียงกันในปฏิกิริยาทั้งสอง

แนวทาง ทาง เทอร์โมไดนามิกส์ในการอธิบายผลของคีเลตนั้นพิจารณาจากค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยา: ยิ่งค่าคงที่สมดุลมากเท่าใด ความเข้มข้นของสารเชิงซ้อนก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น

เพื่อความง่ายในการเขียน จึงละเว้นประจุไฟฟ้า วงเล็บเหลี่ยมแสดงถึงความเข้มข้น และตัวห้อยของค่าคงที่ความเสถียร β แสดงถึงสัดส่วนของสารเชิงซ้อน เมื่อความเข้มข้นเชิงวิเคราะห์ของเมทิลอะมีนเป็นสองเท่าของเอทิลีนไดอะมีน และความเข้มข้นของทองแดงเท่ากันในทั้งสองปฏิกิริยา ความเข้มข้น [Cd(en)] จะสูงกว่าความเข้มข้น [Cd(MeNH 2 ₎ 2 _] มาก เนื่องจากβ ₁₁ ≫ β ₁₂

ค่าคงที่สมดุลK มีความสัมพันธ์กับ พลังงานอิสระกิบ ส์มาตรฐานโดย${\displaystyle \Delta G^{\ominus }}$

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

โดยที่Rคือค่าคงที่ของแก๊สและTคืออุณหภูมิในหน่วยเคลวินคือ${\displaystyle \Delta H^{\ominus }}$การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีมาตรฐานของปฏิกิริยา และคือการ${\displaystyle \Delta S^{\ominus }}$เปลี่ยนแปลง เอนโทรปีมาตรฐาน

เนื่องจากเอนทาลปีควรจะใกล้เคียงกันสำหรับปฏิกิริยาทั้งสอง ความแตกต่างระหว่างค่าคงที่ความเสถียรทั้งสองจึงเกิดจากผลของเอนโทรปี ในสมการ ( 1 ) มีอนุภาคสองตัวทางด้านซ้ายและหนึ่งตัวทางด้านขวา ในขณะที่ในสมการ ( 2 ) มีอนุภาคสามตัวทางด้านซ้ายและหนึ่งตัวทางด้านขวา ความแตกต่างนี้หมายความว่าเอนโทรปีของความไม่เป็นระเบียบจะสูญเสียน้อยลงเมื่อเกิดสารเชิงซ้อนคีเลตกับลิแกนด์แบบไบเดนเทตมากกว่าเมื่อเกิดสารเชิงซ้อนกับลิแกนด์แบบโมโนเดนเทต นี่เป็นหนึ่งในปัจจัยที่ทำให้เกิดความแตกต่างของเอนโทรปี ปัจจัยอื่นๆ ได้แก่ การเปลี่ยนแปลงการละลายและการเกิดวงแหวน ข้อมูลการทดลองบางส่วนเพื่อแสดงผลกระทบแสดงอยู่ในตารางต่อไปนี้^{[ 5 ]}

สมดุล	ล็อกเบตา	⁠ ⁠${\displaystyle \Delta G^{\ominus }}$	${\displaystyle \Delta H^{\ominus }\mathrm {/kJ\ mol^{-1}} }$	${\displaystyle -T\Delta S^{\ominus }\mathrm {/kJ\ mol^{-1}} }$
ซีดี2+ + 2 MeNH 2 ⇌ ซีดี(MeNH 2 ) 2 2+	6.55	−37.4	−57.3	19.9
Cd 2+ + en ⇌ Cd(en) 2+	10.62	−60.67	−56.48	−4.19

ข้อมูลเหล่านี้ยืนยันว่าการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีมีค่าใกล้เคียงกันสำหรับปฏิกิริยาทั้งสอง และสาเหตุหลักที่ทำให้สารเชิงซ้อนคีเลตมีความเสถียรมากกว่านั้นมาจากเทอมเอนโทรปี ซึ่งมีผลเสียต่อปฏิกิริยาน้อยกว่ามาก โดยทั่วไปแล้ว การอธิบายค่าทางเทอร์โมไดนามิกส์ในแง่ของการเปลี่ยนแปลงในสารละลายในระดับโมเลกุลอย่างแม่นยำนั้นทำได้ยาก แต่เห็นได้ชัดว่าผลของคีเลตนั้นเป็นผลจากเอนโทรปีเป็นหลัก

คำอธิบายอื่นๆ รวมถึงของSchwarzenbach [ ^{6 ]}ได้รับการกล่าวถึงใน Greenwood และ Earnshaw ( loc.cit ⁾

โมเลกุลชีวภาพจำนวนมากแสดงความสามารถในการละลายไอออน โลหะบางชนิด ดังนั้นโปรตีนโพ ลี แซ็กคาไรด์และกรดโพลีนิวคลีอิก จึงเป็นลิแกนด์โพลีเดนเทตที่ดีเยี่ยมสำหรับไอออนโลหะหลายชนิด สารประกอบอินทรีย์ เช่น กรดอะมิโนกลูตามิกและฮิสติดีน ไดแอซิดอินทรีย์ เช่นมาเลต และ โพลีเปปไทด์ เช่นไฟโตคีลาตินก็เป็นคีเลเตอร์ทั่วไปเช่นกัน นอกจากคีเลเตอร์ที่เกิดขึ้นโดยบังเอิญเหล่านี้แล้ว โมเลกุลชีวภาพหลายชนิดยังถูกผลิตขึ้นมาโดยเฉพาะเพื่อจับกับโลหะบางชนิด (ดูส่วนถัดไป) ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

เอนไซม์โลหะเกือบทั้งหมดมีโลหะที่ถูกคีเลต โดยปกติจะคีเลตกับเปปไทด์หรือโคแฟคเตอร์และกลุ่มโปรสเตติก^{[ 10 ]} สารคีเลตดังกล่าวรวมถึง วงแหวน พอร์ฟิรินในฮีโมโกลบินและคลอโรฟิลล์จุลินทรีย์หลายชนิดผลิตเม็ดสีที่ละลายน้ำได้ซึ่งทำหน้าที่เป็นสารคีเลต เรียกว่าไซเดอโรฟอร์ตัวอย่างเช่น สายพันธุ์ของPseudomonasเป็นที่รู้จักกันดีว่าหลั่งไพโอเชลินและไพโอเวอร์ดีนที่จับกับเหล็กเอนเทอโรแบคตินที่ผลิตโดยE. coli เป็นสารคีเลตที่แข็งแกร่งที่สุดเท่าที่รู้จัก หอยแมลงภู่ในทะเลใช้การคีเลตโลหะ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการคีเลต Fe ³⁺กับ สารตกค้าง Dopaในโปรตีนเท้าหอยแมลงภู่-1 เพื่อเพิ่มความแข็งแรงของเส้นใยที่พวกมันใช้ยึดตัวเองกับพื้นผิว^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

ในวิทยาศาสตร์โลกการผุพัง ทางเคมี เกิดจากสารคีเลตอินทรีย์ (เช่นเปปไทด์และน้ำตาล ) ที่ดึงไอออนโลหะ ออก จากแร่ธาตุและหิน^{[ 14 ]} สารประกอบเชิงซ้อนของโลหะส่วนใหญ่ในสิ่งแวดล้อมและในธรรมชาติจะถูกผูกไว้ในวงแหวนคีเลตบางรูปแบบ (เช่น กับกรดฮิวมิกหรือโปรตีน) ดังนั้น คีเลตโลหะจึงเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนย้ายโลหะในดินการดูดซึมและการสะสมของโลหะในพืชและจุลินทรีย์ การคีเลต โลหะหนักแบบเลือกเฉพาะมีความเกี่ยวข้องกับการบำบัดทางชีวภาพ (เช่น การกำจัด¹³⁷ Csจากกากกัมมันตรังสี ) ^{[ 15 ]}

คีเลตสังเคราะห์ เช่นกรดเอทิลีนไดอะมีนเตตระอะเซติก (EDTA) พิสูจน์แล้วว่ามีความเสถียรมากเกินไปและไม่มีคุณค่าทางโภชนาการ หากแร่ธาตุถูกดึงออกจากลิแกนด์ EDTA ลิแกนด์จะไม่สามารถถูกนำไปใช้โดยร่างกายและจะถูกขับออก ในระหว่างกระบวนการขับออก ลิแกนด์ EDTA จะจับกับแร่ธาตุอื่นๆ ในร่างกายแบบสุ่มและดึงแร่ธาตุอื่นๆ ออกไป^{[ 16 ]}ตามที่สมาคมเจ้าหน้าที่ควบคุมอาหารสัตว์แห่งอเมริกา (AAFCO) กำหนด คีเลตโลหะ-กรดอะมิโน คือ ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยาของไอออนโลหะจากเกลือโลหะที่ละลายได้กับกรดอะมิโน โดยมีอัตราส่วนโมลอยู่ในช่วง 1–3 (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง 2) โมลของกรดอะมิโนต่อโลหะ 1 โมล น้ำหนักเฉลี่ยของกรดอะมิโนที่ถูกไฮโดรไลซ์ต้องอยู่ที่ประมาณ 150 และน้ำหนักโมเลกุลของคีเลตที่ได้ต้องไม่เกิน  800 Daนับตั้งแต่การพัฒนาสารประกอบเหล่านี้ในระยะแรก มีการวิจัยเพิ่มเติมอีกมากมาย และนำไปประยุกต์ใช้กับผลิตภัณฑ์โภชนาการของมนุษย์ในลักษณะเดียวกับการทดลองโภชนาการสัตว์ที่บุกเบิกเทคโนโลยีนี้เฟอร์รัสบิสไกลซิเนตเป็นตัวอย่างหนึ่งของสารประกอบเหล่านี้ที่ได้รับการพัฒนาเพื่อใช้ในโภชนาการของมนุษย์^{[ 17 ]}

กาว เดนตินได้รับการออกแบบและผลิตขึ้นครั้งแรกในช่วงทศวรรษ 1950 โดยใช้โคโมโนเมอร์คีเลตกับแคลเซียมบนผิวฟัน และสร้างพันธะเคมีที่ทนต่อน้ำได้อ่อนมาก (2–3 MPa) ^{[ 18 ]}

การบำบัดด้วยคีเลชั่นเป็นยาแก้พิษสำหรับพิษจากปรอท สารหนูและตะกั่วสารคีเลชั่นจะเปลี่ยนไอออนโลหะเหล่านี้ให้เป็นรูปแบบที่ไม่ทำปฏิกิริยาทางเคมีและชีวเคมีซึ่งสามารถขับออกได้ การบำบัดด้วยคีเลชั่นโดยใช้โซเดียมแคลเซียมอีดีเทตได้รับการอนุมัติจากสำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาของสหรัฐอเมริกา (FDA) สำหรับกรณีพิษตะกั่วร้ายแรงแต่ไม่ได้รับการอนุมัติสำหรับการรักษา " พิษจากโลหะหนัก " ^{[ 19 ]}แม้ว่าจะมีประโยชน์ในกรณีพิษตะกั่วร้ายแรง การใช้ไดโซเดียมอีดีทีเอ (อีดีเทตไดโซเดียม) แทนแคลเซียมไดโซเดียมอีดีทีเอ ส่งผลให้เสียชีวิตเนื่องจาก ภาวะแคลเซียม ในเลือดต่ำ^{[ 20 ]}ไดโซเดียมอีดีทีเอไม่ได้รับการอนุมัติจาก FDA สำหรับการใช้งานใดๆ^{[ 19 ]}และผลิตภัณฑ์การบำบัดด้วยคีเลชั่นที่ได้รับการอนุมัติจาก FDA ทั้งหมดต้องมีใบสั่งยา^{[ 21 ]}

สารประกอบคีเลตของแกโดลิเนียมมักใช้เป็นสารเพิ่มความคมชัดในการสแกน MRIแม้ว่าจะมีการสำรวจสารประกอบคีเลตของอนุภาคเหล็กและแมงกานีสด้วยเช่นกัน[ 22 ] [ 23 ] สารประกอบคีเลตแบบไบฟังก์ชันของเซอร์โคเนียม แกลเลียม ฟลูออรีน ทองแดง อิตเทรียม โบรมีน หรือไอโอดีนมักใช้สำหรับการ^{เชื่อมต่อกับแอนติบอดีโมโนโคลน}อลเพื่อใช้ในการถ่ายภาพ PET ที่ใช้แอนติบอดี [ 24 ]สารประกอบคี^{เลตเหล่านี้}มักใช้ลิแกนด์เฮกซาเดนเตตเช่นเดสเฟอร์ริออกซามีน บี (DFO) ตามที่ Meijs และคณะกล่าว ไว้ [ ^{25 ]}และสารประกอบแกโดลิเนียมมักใช้ลิแกนด์ออกตาเดนเตต เช่น DTPA ตามที่ Desreux และคณะ^{กล่าว}ไว้^{[ 26 ]}ออราโนฟินซึ่งเป็นสารประกอบคีเลตของทองคำใช้ในการรักษาโรคข้ออักเสบรูมาตอยด์ และเพนิซิลลามีนซึ่งสร้างสารประกอบคีเลตของทองแดงใช้ในการรักษาโรควิลสันและซิสตินูเรียรวมถึงโรคข้ออักเสบรูมาตอยด์ที่ดื้อต่อ การรักษา ^{[ 27 ] [ 28 ]}

การคีเลชันในทางเดินอาหารเป็นสาเหตุของปฏิกิริยาระหว่างยาและไอออนโลหะ (หรือที่เรียกว่า " แร่ธาตุ " ในโภชนาการ) มากมาย ตัวอย่างเช่นยาปฏิชีวนะ ใน กลุ่ม เตตราไซคลินและควิโนโลนเป็นสารคีเลตของไอออนFe ²⁺ , Ca ²⁺และMg ^{2+ [ 29 ] [ 30 ]}

EDTA ซึ่งจับกับแคลเซียม ใช้เพื่อบรรเทาภาวะแคลเซียมในเลือดสูงที่มักเกิดจากโรคกระจกตาเป็นแถบ จากนั้นแคลเซียมอาจถูกกำจัดออกจากกระจกตาทำให้ผู้ป่วยมองเห็นได้ชัดเจนขึ้น^{[ 31 ] [ 32 ]}

ตัวเร่งปฏิกิริยาเอกพันธุ์มักเป็นสารเชิงซ้อนคีเลต ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือการใช้BINAP ( ฟอสฟีนแบบสองตำแหน่ง) ในปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันแบบไม่สมมาตรของโนโยริและปฏิกิริยาไอโซเมอไรเซชันแบบไม่สมมาตร ซึ่งอย่างหลังนี้มีประโยชน์ในทางปฏิบัติสำหรับการผลิต(–)-เมนทอลสังเคราะห์

สารคีเลตเป็นส่วนประกอบหลักในสูตรกำจัดสนิมบางชนิด กรดซิตริกใช้ในการทำให้น้ำอ่อนลงในสบู่และผงซักฟอก สารคีเลตสังเคราะห์ที่ใช้กันทั่วไปคือEDTAฟอสโฟเนตก็เป็นสารคีเลตที่รู้จักกันดีเช่นกัน สารคีเลตใช้ในโครงการบำบัดน้ำและโดยเฉพาะอย่างยิ่งในวิศวกรรมไอน้ำแม้ว่าการบำบัดนี้มักเรียกว่า "การทำให้น้ำอ่อนลง" แต่การคีเลตมีผลกระทบต่อปริมาณแร่ธาตุในน้ำน้อยมาก นอกเหนือจากการทำให้ละลายได้ง่ายขึ้นและลดระดับ pH ของน้ำ

สารประกอบคีเลตโลหะเป็นส่วนประกอบทั่วไปของปุ๋ยเพื่อให้ธาตุอาหารรอง ธาตุอาหารรองเหล่านี้ (แมงกานีส เหล็ก สังกะสี ทองแดง) จำเป็นต่อสุขภาพของพืช ปุ๋ยส่วนใหญ่มีเกลือฟอสเฟตซึ่งหากไม่มีสารคีเลต มักจะเปลี่ยนไอออนโลหะเหล่านี้ให้เป็นของแข็งที่ไม่ละลายน้ำซึ่งไม่มีคุณค่าทางโภชนาการสำหรับพืช EDTAเป็นสารคีเลตทั่วไปที่ช่วยรักษาไอออนโลหะเหล่านี้ให้อยู่ในรูปที่ละลายได้^{[ 33 ]}

เนื่องจากความต้องการที่หลากหลาย การเติบโตของสารคีเลตโดยรวมอยู่ที่ 4% ต่อปีในช่วงปี 2009–2014 ^{[ 34 ]}และแนวโน้มน่าจะเพิ่มขึ้น สารคีเลต ประเภทกรดอะมิโนโพลีคาร์บอกซิลิกเป็นสารคีเลตที่บริโภคกันอย่างแพร่หลายที่สุด อย่างไรก็ตาม เปอร์เซ็นต์ของสารคีเลตทางเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมในหมวดหมู่นี้ยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่อง^{[ 35 ]}การบริโภคสารคีเลตประเภทกรดอะมิโนโพลีคาร์บอกซิเลตแบบดั้งเดิม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง EDTA ( กรดเอทิลีนไดอะมีนเตตระ อะซิติก ) และ NTA ( กรดไนตริโลไตรอะซิติก ) กำลังลดลง (−6% ต่อปี) เนื่องจากความกังวลอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับความเป็นพิษและผลกระทบเชิงลบต่อสิ่งแวดล้อม^{[ 34 ]}ในปี 2013 สารคีเลตทางเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเหล่านี้คิดเป็นประมาณ 15% ของความต้องการกรดอะมิโนโพลีคาร์บอกซิลิกทั้งหมด คาดว่าจะเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 21% ภายในปี 2018 โดยจะเข้ามาแทนที่กรดอะมิโนฟอสโฟนิกที่ใช้ในงานทำความสะอาด^{[ 36 ] [ 35 ] [ 34 ]}ตัวอย่างของสารคีเลตทางเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ได้แก่กรดเอทิลีนไดอะมีนไดซัคซินิก (EDDS), กรดโพลีแอสปาร์ติก (PASA), กรดเมทิลไกลซีนไดอะซิ ติก (MGDA), กรดกลูตามิกไดอะซิติก (L-GLDA), ซิเตรต , กรดกลูโคนิก , กรดอะมิโน, สารสกัดจากพืช เป็นต้น^{[ 35 ] [ 37 ]}

การดีคีเลชัน (หรือดี-คีเลชัน) เป็นกระบวนการย้อนกลับของการคีเลชันซึ่งสารคีเลตจะถูกกู้คืนโดยการทำให้สารละลายเป็นกรดด้วยกรดแร่เพื่อสร้างตะกอน^{[ 38 ] : 7}

• เอ็ดส์

• ความหมายของคำว่าchelateในพจนานุกรม Wiktionary