केलेशन

केलेशन धातु आयनों  के लिए आयनों और अणुओं का एक प्रकार का बंधन है। इसमें एक बहुदंतुर (एकाधिक बंधुआ)  लिगैंड  और एक एकल केंद्रीय धातु परमाणु के बीच दो या दो से अधिक अलग समन्वय बंधन का गठन या उपस्थिति शामिल है। इन लिगैंड्स को चेलेंट, चेलेटर्स, चेलेटिंग घटक या पृथक घटक कहा जाता है। वे आम तौर पर कार्बनिक यौगिक होते हैं, परंतु यह एक आवश्यकता नहीं है, जैसा कि  जस्ता  के मामले में और विल्सन की बीमारी वाले लोगों में तांबे के अवशोषण को रोकने के लिए  रखरखाव चिकित्सा  के रूप में इसका उपयोग होता है।

कीलेटीकरण पोषक तत्वों की खुराक प्रदान करने जैसे अनुप्रयोगों में उपयोगी है, शरीर से विषाक्त धातुओं को निकालने के लिए कीलेटीकरण चिकित्सा में,  एमआरआई  में  विपरीत माध्यम  के रूप में,  सजातीय उत्प्रेरक  का उपयोग करके निर्माण में, रासायनिक  जल उपचार  में धातुओं को हटाने में सहायता करने के लिए, और  उर्वरकों में उपयोगी है।

चेलेट प्रभाव
धातु के लिए समान नॉनचेलेटिंग (मोनोडेंटेट) संलग्नी की तुलना में एक धातु आयन के लिए चेलेट प्रभाव की अधिक आत्मीयता है।

चेलेट प्रभाव को रेखांकित करने वाले ऊष्मागतिक सिद्धांतों को एथिलीनडायमाइन (en) बनाम मिथाइलमाइन के लिए तांबे (II) की विषम समानता द्वारा चित्रित किया गया है।

($$) में एथिलीनडायमाइन कॉपर आयन के साथ एक केलेट संकुल बनाता है। केलेशन का परिणाम स्वरूप पांच-सदस्यीय CuC2N2 वृत्त का निर्माण होता है। ($$) में द्विश्वदंती लिगेंड को लगभग एक ही दाता शक्ति के दो डेंटिसिटी मिथाइलमाइन लिगैंड द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, यह दर्शाता है कि दो प्रतिक्रियाओं में Cu-N आबंध लगभग समान हैं।

चेलेट प्रभाव का वर्णन करने के लिए थर्मोडायनामिक दृष्टिकोण प्रतिक्रिया हेतु संतुलन स्थिरांक पर विचार करता है: संतुलन जितना बड़ा होगा, परिसर की एकाग्रता उतनी ही अधिक होगी।

संकेतन की सरलता के लिए विद्युत प्रभार छोड़ दिया गया है। वर्ग कोष्ठक एकाग्रता को इंगित करते हैं, और परिसर के स्थिरता स्थिरांक के लिए सदस्यता, β, परिसर के स्तुईचिओमेटरी  को इंगित करते हैं। जब मिथाइलमाइन की विश्लेषणात्मक सांद्रता एथिलीनडायमाइन की तुलना में दोगुनी होती है और तांबे की सांद्रता दोनों प्रतिक्रियाओं में समान होती है, तो सांद्रता [Cu(en)] सांद्रता [Cu(MeNH)2)2] से बहुत अधिक होती है क्योंकि β11 ≫ β12.

एक संतुलन स्थिरांक, K, मानक गिब्स ऊर्जा  $$ से निम्न के द्वारा संबंधित है,
 * $$\Delta G^\ominus = - RT \ln K = \Delta H^\ominus - T \Delta S^\ominus$$

जहां R गैस स्थिरांक  है और T  केल्विन  में तापमान है। $$ प्रतिक्रिया का मानक ऊष्मा परिवर्तन है और $$ मानक  एन्ट्रापी (सांख्यिकीय थर्मोडायनामिक्स) परिवर्तन है।

चूँकि दोनों अभिक्रियाओं के लिए एन्थैल्पी लगभग समान होनी चाहिए, दो स्थिरता स्थिरांकों के बीच का अंतर एन्ट्रापी के प्रभावों के कारण होता है। ($$) समीकरण में बाईं ओर दो कण हैं और एक दाईं ओर है, जबकि समीकरण ($\Delta G^\ominus$) में बाईं ओर तीन कण हैं और एक दाईं ओर है। इस अंतर का मतलब है कि जब मोनोडेंटेट संलग्नी के साथ समष्टि बनता है, तब की तुलना में बाइडेंटेट लिगैंड के साथ केलेट समष्टि बनने पर कम एन्ट्रॉपी (ऑर्डर और डिसऑर्डर) खोता है। यह एन्ट्रापी अंतर में योगदान करने वाले कारकों में से एक है। अन्य कारकों में विलायकयोजन परिवर्तन और वृत्त गठन शामिल हैं। प्रभाव को स्पष्ट करने के लिए कुछ प्रयोगात्मक आधार-सामग्री निम्न तालिका में दिखाए गए हैं।
 * {| class="wikitable"

! Equilibrium !! log β !! $\Delta H^\ominus$ !! $$\Delta H^\ominus \mathrm{/kJ\ mol^{-1}}$$ !! $$-T\Delta S^\ominus \mathrm{/kJ\ mol^{-1}}$$ ये आधार-सामग्री पुष्टि करते हैं कि दो प्रतिक्रियाओं के लिए थैलेपी परिवर्तन लगभग बराबर हैं और केलेट संकुल की अधिक स्थिरता का मुख्य कारण एन्ट्रॉपी शब्द है, जो बहुत कम प्रतिकूल है। आम तौर पर आणविक स्तर पर समाधान में परिवर्तन के संदर्भ में थर्मोडायनामिक मूल्यों के लिए सटीक रूप से हिसाब करना मुश्किल है, लेकिन यह स्पष्ट है कि केलेट प्रभाव मुख्य रूप से एन्ट्रॉपी का प्रभाव है।
 * Cu2+ + 2 MeNH2 Cu(MeNH2)22+
 * 6.55|| −37.4 || −57.3||19.9
 * Cu2+ + en Cu(en)2+
 * 10.62|| −60.67 || −56.48||−4.19
 * }
 * 10.62|| −60.67 || −56.48||−4.19
 * }

गेरोल्ड श्वार्जेनबाक सहित अन्य स्पष्टीकरण, ग्रीनवुड और अर्नशॉ (loc.cit) में चर्चा की गई है।

प्रकृति में
कई जैविक अणु कुछ धातु के पिंजरों को भंग करने की क्षमता प्रदर्शित करते हैं। इस प्रकार,  प्रोटीन, पॉलिसैकेराइड और पॉलीन्यूक्लिक एसिड कई धातु आयनों के लिए उत्कृष्ट पॉलीडेंटेट लिगैंड हैं। कार्बनिक मिश्रण जैसे एमिनो रसायन  ग्लूटॉमिक अम्ल  और हिस्टिडीन,  कार्बनिक व्दिअम्लज जैसे मैलेट, और पॉलीपेप्टाइड्स जैसे  फाइटोकेलेटिन  भी विशिष्ट चेलेटर हैं। इन साहसी चेलेटर के अलावा, कई जैवाणु विशेष रूप से कुछ धातुओं को बांधने के लिए उत्पन्न होते हैं (अगला भाग देखें)।

जैव रसायन और सूक्ष्म जीव विज्ञान में
वस्तुतः सभी धातुएंजाइमों में ऐसी धातुएँ होती हैं जो आमतौर पर पेप्टाइड्स या सहगुणक और प्रोस्थेटिक समूहों के लिए होती हैं। इस तरह के कीलेटन एजेंटों में हीमोग्लोबिन  और  क्लोरोफिल  में  पॉरफाइरिन  के छल्ले शामिल हैं। कई सूक्ष्मजीवी प्रजातियां पानी में घुलनशील वर्णक उत्पन्न करती हैं जो कि केलेटिंग घटकों के रूप में काम करती हैं, जिन्हें  साइडरोफोरस  कहा जाता है। उदाहरण के लिए,  स्यूडोमोनास  की प्रजातियां पाइकोलिन और  पाइओवरडाइन  को स्रावित करने के लिए जानी जाती हैं जो लोहे को बांधती हैं।  एंटरोबैक्टिन, एस्चेरिचिया कोलाई द्वारा निर्मित ई.कोलाई, ज्ञात सबसे मजबूत चेलेटिंग एजेंट है। समुद्री शंबुक धातु केलेशन एस्प का इस्तेमाल करते हैं। Fe3+  शंबुक फ़ुट प्रोटीन-1 में मादक पदार्थ अवशेषों के साथ केलेशन, ताकि धागों की मज़बूती में सुधार किया जा सके, जिसका उपयोग वे सतहों पर खुद को सुरक्षित रखने के लिए करते हैं।

भूविज्ञान में
पृथ्वी विज्ञान में, रासायनिक अपक्षय  का श्रेय कार्बनिक चेलेटिंग एजेंटों (जैसे,  पेप्टाइड्स और शर्करा) को दिया जाता है जो खनिजों और चट्टानों से  धातु आयन  को निकालते हैं। पर्यावरण और प्रकृति में अधिकांश धातु परिसर किसी न किसी रूप में केलेट वृत्त(जैसे,  ह्युमिक अम्ल या प्रोटीन के साथ) से बंधे होते हैं। इस प्रकार, धातु केलेट मिट्टी में धातुओं को जुटाने, पौधों और सूक्ष्मजीवों में धातुओं के संचय के लिए प्रासंगिक हैं। भारी धातुओं का चयनात्मक केलेशन  जैविक उपचार  के लिए प्रासंगिक है (उदाहरण के लिए, रेडियोधर्मी कचरे से प्राप्त Cs137को हटाना )।

पोषक तत्वों की खुराक
1960 के दशक में, वैज्ञानिकों ने जानवर को तत्व खिलाने से पहले एक धातु आयन को चेलेट करने की अवधारणा विकसित की। उनका मानना ​​​​था कि यह एक तटस्थ यौगिक बनाएगा, जो खनिज को पेट के भीतर अघुलनशील लवण के साथ जटिल होने से बचाएगा, जिससे धातु अवशोषण के लिए अनुपलब्ध हो जाएगी। अमीनो अम्ल, प्रभावी धातु बाइंडर होने के कारण, संभावित लिगैंड के रूप में चुने गए थे, और धातु-एमिनो अम्ल संयोजनों पर शोध किया गया था। शोध ने समर्थन किया कि धातु-एमिनो अम्ल केलेट्स खनिज अवशोषण को बढ़ाने में सक्षम थे। इस अवधि के दौरान, एथिलीनडायमिनेटेट्राएसेटिक अम्ल (EDTA) जैसे कृत्रिम केलेट्स विकसित किए जा रहे थे। इन्होंने केलेशन की समान अवधारणा को लागू किया और चेलेटेड यौगिकों का निर्माण किया; लेकिन ये  कृत्रिम केलेट्स बहुत स्थिर थे और पोषक रूप से व्यवहार्य नहीं थे। यदि खनिज EDTA लिगैंड से लिया गया, तो लिगैंड का उपयोग शरीर द्वारा नहीं किया जा सकता और उसे निष्कासित कर दिया जाएगा। निष्कासन प्रक्रिया के दौरान EDTA लिगैंड ने बेतरतीब ढंग से चेलेट किया और शरीर से एक और खनिज छीन लिया। अमेरिकी आधिकारिक फीड नियंत्रण संगठन  (AAFCO) के अनुसार, एक धातु-एमिनो अम्ल केलेट को उत्पाद के रूप में परिभाषित किया जाता है, जो घुलनशील धातु के नमक से अमीनो अम्ल के साथ प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप होता है, जिसका मोल अनुपात 1- 3 की सीमा में होता है(अधिमानतः 2)। धातु के एक मोल के लिए अमीनो अम्ल के मोल। जलापघटन अमीनो अम्ल का औसत वजन लगभग 150 होना चाहिए और परिणामी केलेट का आणविक भार 800 Da से अधिक नहीं होना चाहिए। इन यौगिकों के प्रारंभिक विकास के बाद से, बहुत अधिक शोध किया गया है, और मानव पोषण उत्पादों पर उसी तरह से लागू किया गया है जैसे पशु पोषण प्रयोगों ने प्रौद्योगिकी का बीड़ा उठाया है। लौह द्वित-ग्लाइसीनेट इन यौगिकों में से एक का उदाहरण है जिसे मानव पोषण के लिए विकसित किया गया है।

दंत और मौखिक आवेदन
दांत की सतह पर चूर्णातु के साथ सह-एकलक केलेट के आधार पर दंतधातु चिपकने वाले पहले अभिकल्पना और उत्पादित किए गए थे और बहुत कमजोर जल प्रतिरोधी रासायनिक बंधन (2-3 MPa) उत्पन्न करते थे।

हेवी-मेटल डिटॉक्सीफिकेशन
केलेशन चिकित्सा पारा, हरताल  और सीसा द्वारा विषाक्तता के लिए एक मारक है। चेलेटिंग घटक इन धातु आयनों को रासायनिक और जैव रासायनिक रूप से निष्क्रिय रूप में परिवर्तित करते हैं जिन्हें उत्सर्जित किया जा सकता है।  सीसा विषाक्तता  के गंभीर मामलों के लिए अमेरिकी खाद्य एवं औषधि प्रशासन (FDa) द्वारा  कैल्शियम सोडियम EDTA  का उपयोग करने वाले केलेशन को मंजूरी दी गई है। यह भारी धातु विषाक्तता के इलाज के लिए स्वीकृत नहीं है। हालांकि गंभीर सीसा विषाक्तता के मामलों में फायदेमंद, कैल्शियम डिसोडियम EDTA के बजाय डिसोडियम EDTA (एडेटेट डिसोडियम) के उपयोग से ह्यपोकैलकेमिया के कारण मौतें हुई हैं।  डिसोडियम EDTA किसी भी उपयोग के लिए FDA द्वारा अनुमोदित नहीं है, और सभी FDA-अनुमोदित केलेशन थेरेपी उत्पादों के लिए नुस्खे की आवश्यकता होती है।

फार्मास्यूटिकल्स
गैडोलीनियम के चेलेट परिसरों को अक्सर एमआरआई में विपरीत माध्यम के रूप में उपयोग किया जाता है, हालांकि लोहे के कण और  मैंगनीज  केलेट परिसरों का भी पता लगाया गया है।  zirconium,  गैलियम ,  एक अधातु तत्त्व , कॉपर,  yttrium ,  ब्रोमिन , या  आयोडीन  के द्वि-कार्यात्मक केलेट परिसरों को अक्सर एंटीबॉडी-आधारित  पीईटी इमेजिंग  में उपयोग के लिए  मोनोक्लोनल प्रतिरक्षी  के संयुग्मन के लिए उपयोग किया जाता है। Meijs et al के अनुसार, ये केलेट कॉम्प्लेक्स अक्सर  हेक्साडेंटेट लिगैंड ्स जैसे  डेस्फेरिओक्सामाइन बी  (डीएफओ) के उपयोग को नियोजित करते हैं। और डेसरेक्स एट अल के अनुसार, गैडोलीनियम कॉम्प्लेक्स अक्सर डीटीपीए जैसे ऑक्टाडेंटेट लिगैंड्स के उपयोग को नियोजित करते हैं।  ऑरानोफिन , सोने का एक केलेट परिसर, संधिशोथ के उपचार में प्रयोग किया जाता है, और  पेनिसिलमाइन , जो तांबे के केलेट परिसरों का निर्माण करता है, का उपयोग विल्सन रोग और  सिस्टिनुरिया  के साथ-साथ दुर्दम्य संधिशोथ के उपचार में किया जाता है।

अन्य चिकित्सा अनुप्रयोग
आंतों के मार्ग में केलेशन दवाओं और धातु आयनों (पोषण में आहार खनिज  के रूप में भी जाना जाता है) के बीच कई अंतःक्रियाओं का कारण है। उदाहरण के तौर पर,  टेट्रासाइक्लिन  और  क्विनोलोन [[ एंटीबायोटिक दवाओं  ]] परिवारों की एंटीबायोटिक दवाएं आयरन के चेलेटर हैं2+,  कैल्शियम 2+, और  मैगनीशियम 2+ आयन। EDTA, जो कैल्शियम को बांधता है, का उपयोग अतिकैल्शियमरक्तता  को कम करने के लिए किया जाता है जो अक्सर  बैंड केराटोपैथी  के परिणामस्वरूप होता है। फिर  कॉर्निया  से कैल्शियम को हटाया जा सकता है, जिससे रोगी के लिए दृष्टि की स्पष्टता में कुछ वृद्धि हो सकती है।

कटैलिसीस
सजातीय उत्प्रेरक अक्सर केलेटेड कॉम्प्लेक्स होते हैं। एक प्रतिनिधि उदाहरण नोयोरी असममित हाइड्रोजनीकरण  और असममित आइसोमेराइजेशन में  BINAP  (एक बाइडेंटेट  फॉस्फीन ) का उपयोग है। उत्तरार्द्ध में सिंथेटिक मेन्थॉल | (-) - मेन्थॉल के निर्माण का व्यावहारिक उपयोग है।

जल मृदुकरण
साइट्रिक एसिड#क्लीनिंग और चेलेटिंग एजेंट का उपयोग साबुन  और कपड़े धोने के  डिटर्जेंट  में पानी को नरम करने के लिए किया जाता है। एक सामान्य सिंथेटिक chelator  EDTA  है।  फॉस्फोनेट  भी प्रसिद्ध chelating एजेंट हैं। चेलेटर्स का उपयोग जल उपचार कार्यक्रमों और विशेष रूप से  भाप इंजीनियरिंग  में किया जाता है, जैसे,  बॉयलर जल उपचार प्रणाली : चेलेंट जल उपचार प्रणाली। यद्यपि उपचार को अक्सर नरमी के रूप में संदर्भित किया जाता है, पानी के खनिज सामग्री पर केलेशन का बहुत कम प्रभाव पड़ता है, इसे घुलनशील बनाने और पानी के  पीएच  स्तर को कम करने के अलावा।

उर्वरक
सूक्ष्म पोषक तत्व प्रदान करने के लिए धातु केलेट यौगिक उर्वरकों के सामान्य घटक हैं। ये सूक्ष्म पोषक तत्व (मैंगनीज, लोहा, जस्ता, तांबा) पौधों के स्वास्थ्य के लिए आवश्यक हैं। अधिकांश उर्वरकों में फॉस्फेट लवण होते हैं, जो कि केलेटिंग एजेंटों की अनुपस्थिति में, आमतौर पर इन धातु आयनों को अघुलनशील ठोस में परिवर्तित करते हैं जो पौधों के लिए कोई पोषण मूल्य नहीं होते हैं। EDTA विशिष्ट chelating एजेंट है जो इन धातु आयनों को घुलनशील रूप में रखता है।

डिक्लेरेशन
डीकेलेशन (या डी-केलेशन) केलेशन की एक रिवर्स प्रक्रिया है जिसमें एक अवक्षेप बनाने के लिए खनिज एसिड के साथ अम्लीकरण समाधान द्वारा चेलेटिंग एजेंट को पुनर्प्राप्त किया जाता है।

व्युत्पत्ति
शब्द केलेशन ग्रीक भाषा  χηλή, chēlē, जिसका अर्थ है पंजा से लिया गया है; लिगेंड्स केंद्रीय परमाणु के चारों ओर एक  झींगा मछली  के पंजे की तरह स्थित होते हैं। चेलेट शब्द पहली बार 1920 में सर गिल्बर्ट टी. मॉर्गन और एच.डी.के. ड्रू द्वारा लागू किया गया था, जिन्होंने कहा था: लॉबस्टर या अन्य क्रस्टेशियंस के महान पंजे या चेले (ग्रीक भाषा) से व्युत्पन्न विशेषण केलेट, कैलीपर जैसे समूहों के लिए सुझाया गया है। दो सहयोगी इकाइयों के रूप में कार्य करता है और केंद्रीय परमाणु से जुड़ा होता है ताकि heterocyclic  रिंगों का उत्पादन किया जा सके।