¿Ha visto alguna vez nombres extraños como «EDTA» o «hierro quelado» en la lista de ingredientes de un detergente o en el reverso de un saco de fertilizante? Existen moléculas que atrapan los iones metálicos disueltos en el agua y los sujetan con tanta fuerza que ya no pueden moverse libremente; en química, un compuesto en el que un metal queda sujeto de esta manera se llama quelato (chelate).
Un quelato es, en pocas palabras, «un compuesto en forma de anillo en el que una molécula rodea un solo ion metálico con varios brazos, como si fuera una pinza». El nombre lo usaron por primera vez en 1920 los químicos británicos Gilbert T. Morgan y H. D. K. Drew, que lo tomaron de la palabra griega chēlē, que designa la gran pinza del cangrejo o de la langosta.
En este artículo veremos, por orden, el nombre y la estructura de los quelatos, el efecto quelato que hace más firme la unión por varios puntos, los quelatos de nuestro cuerpo y de la naturaleza, y los quelatos que se usan en la vida diaria y en la medicina.
Moléculas que rodean iones metálicos con un anillo: el mundo de los quelatos
1. Un nombre que viene de la pinza del cangrejo: la estructura del quelato
Los iones metálicos tienden a unirse aceptando pares de electrones de las moléculas cercanas. La molécula o el ion que cede un par de electrones y se une al metal se llama ligando, y que se forme o no un quelato depende de por cuántos puntos sujeta el ligando al metal.
(1) Ligandos y enlace de coordinación
Un ligando se une a un ion metálico mediante átomos que tienen pares de electrones, como el nitrógeno o el oxígeno. El enlace en el que una de las partes aporta los dos electrones se llama enlace de coordinación, y las moléculas de agua y el amoníaco también se unen así a los iones metálicos.
(2) Uno o varios puntos
El ligando que se une por un solo punto, como el amoníaco, se llama ligando monodentado, y el que se une por dos o más puntos, como la etilendiamina, se llama ligando polidentado. El quelato se forma precisamente cuando un ligando polidentado sujeta un solo metal.
(3) Cómo se forma el anillo
Cuando un ligando polidentado sujeta un metal con dos brazos, el metal y los átomos del ligando se enlazan y forman un anillo. La etilendiamina forma con el metal un anillo de cinco átomos, y esa forma se parece mucho a una pinza que sujeta un objeto.
2. Cuando atrapa, casi no suelta: el efecto quelato
Aunque se unan al metal los mismos tipos de átomos, un ligando que sujeta con varios brazos a la vez se une con mucha más fuerza que los ligandos que se unen por separado. Esto se llama efecto quelato.
- Ligando (Ligand): molécula o ion que se une a un ion metálico cediéndole un par de electrones.
- Ligando polidentado (Polydentate ligand): ligando que puede unirse a un mismo metal por dos o más puntos a la vez.
- Efecto quelato (Chelate effect): fenómeno por el que los ligandos polidentados forman con los metales compuestos más estables que los ligandos monodentados.
(1) La fuerza del enlace es parecida, pero…
Si se compara la unión de dos moléculas de metilamina a un ion de cadmio con la de una sola molécula de etilendiamina, el calor liberado en el enlace (la variación de entalpía) es casi el mismo. Aun así, los logaritmos de las constantes de estabilidad son 6.55 y 10.62, de modo que el quelato es más de 10 000 veces más estable.
(2) La diferencia está en la entropía
Cuando se liberan las moléculas de agua unidas al metal, el ligando bidentado ocupa dos posiciones con una sola molécula, por lo que el número de partículas de la solución disminuye menos. Se ve favorecido el lado que pierde menos desorden (entropía), y por eso el quelato se forma con más facilidad.
(3) Si se suelta un brazo, queda el otro
Aunque un brazo del quelato se suelte un momento, el otro sigue sujetando el metal, así que puede volver a unirse con facilidad. Por eso, incluso en una solución diluida, el quelato puede retener un ion metálico durante mucho tiempo sin perderlo.
3. Quelatos escondidos en la sangre y en las hojas
Los quelatos no se fabrican solo en el laboratorio. Los seres vivos llevan mucho tiempo usando estructuras de quelato para mantener en su sitio los metales que necesitan.
(1) El hemo de la sangre
La hemoglobina de los glóbulos rojos contiene hemo, en el que una molécula en forma de anillo llamada porfirina sujeta un ion de hierro desde cuatro direcciones. Como ese hierro se une al oxígeno, la sangre puede transportar oxígeno por todo el cuerpo.
(2) La clorofila de las hojas
La clorofila de las plantas también tiene una estructura en la que un anillo parecido a la porfirina sujeta un ion de magnesio en el centro. Este anillo absorbe la luz y pone en marcha la primera etapa de la fotosíntesis.
(3) Cazadores de hierro microbianos
Muchas bacterias liberan moléculas quelantes llamadas sideróforos, que atrapan el hierro del entorno y luego vuelven a ser absorbidas. La enterobactina es un ejemplo típico, y así sobreviven en ambientes donde escasea el hierro.
4. De los detergentes a los antídotos: los quelatos en la vida diaria y en la medicina
La capacidad de elegir y sujetar iones metálicos se aprovecha ampliamente en la vida diaria, la industria y la medicina. La clave está en atrapar y retirar los metales no deseados y en entregar disueltos los metales necesarios.
(1) Detergentes y fertilizantes
El ácido cítrico y el EDTA de los detergentes atrapan los iones de calcio y magnesio del agua dura y reducen la formación de restos de jabón. En los fertilizantes, el EDTA mantiene disueltos oligoelementos como el hierro, el zinc y el cobre, para que lleguen a las plantas en lugar de precipitar al encontrarse con los fosfatos.
(2) Desintoxicación de metales pesados
La terapia de quelación une los metales tóxicos del cuerpo en forma de quelatos y los elimina por la orina. El edetato cálcico disódico (EDTA cálcico disódico) está aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos (FDA) para tratar la intoxicación grave por plomo, y el dimercaprol fue sintetizado por primera vez en 1940 por investigadores de la Universidad de Oxford como antídoto contra la lewisita, un gas de guerra a base de arsénico.
(3) Contrastes para resonancia magnética
Los iones de gadolinio hacen más nítidas las imágenes de resonancia magnética, pero por sí solos son tóxicos. Por eso se envuelve firmemente el gadolinio con un ligando de muchos brazos, como el DTPA, y se usa como agente de contraste en forma de quelato. La sencilla idea de que lo que se sujeta con muchos brazos no se suelta con facilidad es el primer paso para comprender el quelato.
