केलेशन: Difference between revisions

Revision as of 17:34, 19 November 2022

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।^[1]^[2] 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।Cite error: Invalid <ref> tag; invalid names, e.g. too many

कीलेटीकरण पोषक तत्वों की खुराक प्रदान करने जैसे अनुप्रयोगों में उपयोगी है, शरीर से विषाक्त धातुओं को निकालने के लिए कीलेटीकरण चिकित्सा में, MRI 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

एथिलीनेडियमिन लिगैंड दो बंधों के साथ एक धातु के लिए चेलेटिंग

Cu²⁺ नॉनचेलेटिंग मिथाइलमाइन (बाएं) और चेलेटिंग एथिलीनडायमाइन (दाएं) लिगैंड के साथ समन्वय परिसर

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।

Cu²⁺ + en ⇌ [Cu(en)]²⁺

(1)

Cu²⁺ + 2 MeNH₂ ⇌ [Cu(MeNH₂)₂]²⁺

(2)

(1) में एथिलीनडायमाइन कॉपर आयन के साथ एक केलेट संकुल बनाता है। केलेशन का परिणाम स्वरूप पांच-सदस्यीय CuC₂N₂ वृत्त का निर्माण होता है। (2) 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।

[Cu(en)] = β₁₁[Cu][en]

(3)

[Cu(MeNH₂)₂] = β₁₂[Cu][MeNH₂]²

(4)

संकेतन की सरलता के लिए विद्युत प्रभार छोड़ दिया गया है। वर्ग कोष्ठक एकाग्रता को इंगित करते हैं, और परिसर के स्थिरता अविरत 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 $\Delta G^{\ominus }$ 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। $\Delta H^{\ominus }$ प्रतिक्रिया का मानक ऊष्मा परिवर्तन है और $\Delta S^{\ominus }$ 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। (1) समीकरण में बाईं ओर दो कण हैं और एक दाईं ओर है, जबकि समीकरण (2) 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।^[3]

Equilibrium	log β	$\Delta G^{\ominus }$	$\Delta H^{\ominus }\mathrm {/kJ\ mol^{-1}}$	$-T\Delta S^{\ominus }\mathrm {/kJ\ mol^{-1}}$
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

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।

गेरोल्ड श्वार्जेनबाक सहित अन्य स्पष्टीकरण,^[4] ग्रीनवुड और अर्नशॉ (loc.cit) में चर्चा की गई है।

प्रकृति में

कई जैविक अणु कुछ धातु के धनायन 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)।^[5]^[6]^[7]^[8]

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।^[8] 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।^[9]^[10]^[11]

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।^[12] 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 )।^[13]

चिकित्सा अनुप्रयोग

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।^{[citation needed]} 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।^[14] 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 धातु के एक मोल के लिए अमीनो अम्ल का मोल अनुपात 1- 3 की सीमा में होता है(अधिमानतः 2)। ।^{[citation needed]} जलापघटन अमीनो अम्ल का औसत वजन लगभग 150 होना चाहिए और परिणामी केलेट का आणविक भार 800 Da से अधिक नहीं होना चाहिए।^{[citation needed]} 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।^[15]

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।^[16]

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।^[17] 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।^[18] डिसोडियम EDTA किसी भी उपयोग के लिए FDA द्वारा अनुमोदित नहीं है,^[17]और सभी FDA-अनुमोदित केलेशन थेरेपी उत्पादों के लिए नुस्खे की आवश्यकता होती है।^[19]

फार्मास्यूटिकल्स

गैडोलीनियम के चेलेट परिसरों को अक्सर MRI में विपरीत माध्यम के रूप में उपयोग किया जाता है, हालांकि लोहे के कण और मैंगनीज केलेट परिसरों का भी पता लगाया गया है।^[20]^[21] zirconium , गैलियम , फ्लूरिन , कॉपर, यत्रियम, ब्रोमिन , या आयोडीन के द्वि-कार्यात्मक केलेट परिसरों को अक्सर एंटीबॉडी-आधारित PET प्रतिबिंबन में उपयोग के लिए मोनोक्लोनल प्रतिरक्षी के संयुग्मन के लिए उपयोग किया जाता है।^[22] Meijs et al के अनुसार, ये केलेट कॉम्प्लेक्स अक्सर हेक्साडेंटेट लिगैंड जैसे डेस्फेरिओक्सामाइन B (DFO) के उपयोग को नियोजित करते हैं।^[23] और डेसरेक्स एट अल के अनुसार, गैडोलीनियम कॉम्प्लेक्स अक्सर DTPA जैसे ऑक्टाडेंटेट लिगैंड्स के उपयोग को नियोजित करते हैं।^[24] 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।^[25]^[26]

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 प्रतिजैविक दवाओं ]] परिवारों की प्रतिजैविक दवाएं आयरन के चेलेटर हैं Fe²⁺, Ca²⁺, और Mg²⁺।^[27]^[28] 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 श्‍वेत पटल से कैल्शियम को हटाया जा सकता है, जिससे रोगी के लिए दृष्टि की स्पष्टता में कुछ वृद्धि हो सकती है।^{[citation needed]}

औद्योगिक और कृषि अनुप्रयोग

कटैलिसीस

सजातीय उत्प्रेरक अक्सर केलेटेड कॉम्प्लेक्स होते हैं। एक प्रतिनिध उदाहरण नोयोरी असममित हाइड्रोजनीकरण और असममित समावयवीकरण में BINAP (एक बाइडेंटेट फॉस्फीन ) का उपयोग है। उत्तरार्द्ध में कृत्रिम

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 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।{{citation needed|date=April 2017}}
 इस अवधि के दौरान,  [[:en:Ethylenediaminetetraacetic_acid|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।<ref>{{cite book |last=Ashmead |first=H. DeWayne | name-list-style = vanc |title=पशु पोषण में एमिनो एसिड चेलेट्स की भूमिका|year=1993 |publisher=Noyes Publications |location=Westwood}}{{page needed|date=December 2015}}</ref>
-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 [[:en:Concentration#Mole_ratio|मोल अनुपात]] 1- 3 की सीमा में होता है(अधिमानतः 2)। धातु के एक मोल के लिए अमीनो अम्ल के मोल।{{Citation needed|date=October 2018}} जलापघटन अमीनो अम्ल का औसत वजन लगभग 150 होना चाहिए और परिणामी केलेट का आणविक भार 800 [[:en:Dalton_(unit)|Da]] से अधिक नहीं होना चाहिए।{{citation needed|date=December 2015}}
+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 धातु के एक मोल के लिए अमीनो अम्ल  का  [[:en:Concentration#Mole_ratio|मोल अनुपात]] 1- 3 की सीमा में होता है(अधिमानतः 2)।  ।{{Citation needed|date=October 2018}} जलापघटन अमीनो अम्ल का औसत वजन लगभग 150 होना चाहिए और परिणामी केलेट का आणविक भार 800 [[:en:Dalton_(unit)|Da]] से अधिक नहीं होना चाहिए।{{citation needed|date=December 2015}}
 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।<ref>{{cite web |publisher=Albion Laboratories, Inc. |title=एल्बियन फेरोचेल वेबसाइट|url = http://www.albionferrochel.com |access-date = July 12, 2011}}</ref>

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