洗剤の成分表示や肥料袋の裏で、「EDTA」や「キレート鉄」といった見慣れない名前を見たことはありませんか。水に溶けている金属イオンをしっかりつかんで自由に動けなくする分子があり、化学ではこのように金属をつかんだ化合物をキレート（Chelate）と呼びます。
キレートとは、簡単に言えば「一つの分子が複数の腕で一個の金属イオンをはさむように包み込んだ環状の化合物」を意味します。この名前は1920年にイギリスの化学者 Gilbert T. Morgan と H. D. K. Drew が初めて用いたもので、カニやエビの大きなはさみを表すギリシャ語「chēlē」に由来します。
本記事では、キレートという名前と構造、複数の場所でつかむとより強く結びつくキレート効果、私たちの体と自然の中のキレート、そして生活や医療で使われるキレートまで、順に見ていきます。
金属イオンを環で包み込む分子、キレートの世界
1. カニのはさみに由来する名前、キレートの構造
金属イオンには、周りの分子から電子対を受け取って結合する性質があります。このとき電子対を差し出して金属にくっつく分子やイオンを配位子と呼び、配位子が金属を何か所でつかむかによって、キレートになるかどうかが分かれます。
(1) 配位子と配位結合
配位子は、窒素や酸素のように電子対を持つ原子で金属イオンと結合します。一方が電子対をすべて差し出すこのような結合を配位結合といい、水分子やアンモニアもこの方法で金属イオンにくっつきます。
(2) 一か所と複数か所
アンモニアのように一か所だけで結合する配位子を単座配位子、エチレンジアミンのように二か所以上で結合する配位子を多座配位子といいます。キレートは、まさにこの多座配位子が一個の金属をつかんだときにできます。
(3) 環ができる形
多座配位子が二本の腕で金属をつかむと、金属と配位子の原子がつながって環ができます。エチレンジアミンは金属とともに五つの原子からなる環をつくり、この環の形がちょうどはさみで物をつかんだ姿に似ています。
2. 一度つかんだら離さない理由、キレート効果
同じ種類の原子で金属に結合しても、複数の腕で同時につかむ配位子は、別々に結合する配位子よりはるかに強く結びつきます。これをキレート効果と呼びます。
- 配位子（Ligand）：金属イオンに電子対を差し出して結合する分子やイオンです。
- 多座配位子（Polydentate ligand）：二か所以上で同じ金属に同時に結合できる配位子です。
- キレート効果（Chelate effect）：多座配位子が単座配位子よりも金属とより安定な化合物をつくる現象です。
(1) 結合の強さは同じくらいなのに
カドミウムイオンにメチルアミン二つが結合する場合とエチレンジアミン一つが結合する場合を比べると、結合で出る熱（エンタルピー変化）はほとんど同じです。それでも安定度定数の対数値は6.55と10.62で、キレートのほうが1万倍以上安定です。
(2) 違いはエントロピーにある
金属についていた水分子が離れるとき、二座配位子は一つの分子で二つの場所を占めるため、溶液中の粒子の数があまり減りません。乱雑さ（エントロピー）を失う量が少ないほうが有利なので、キレートのほうができやすくなります。
(3) 片腕が外れても残る腕
キレートは片方の腕が一時的に外れても、もう一方の腕が金属をつかんでいるため、再び結合しやすいのです。そのため薄い溶液の中でも、金属イオンを逃がさず長くつかんでおくことができます。
3. 血液と葉に隠れているキレート
キレートは実験室だけでつくられるものではありません。生き物は、欠かせない金属を決まった場所に留めておくために、昔からキレート構造を使ってきました。
(1) 血液の中のヘム
赤血球のヘモグロビンには、ポルフィリンという環状分子が鉄イオンを四方向から包み込んだヘムが含まれています。この鉄が酸素と結合するので、血液は全身に酸素を運ぶことができます。
(2) 葉の中のクロロフィル
植物のクロロフィルも、ポルフィリンに似た環が中央にマグネシウムイオンをつかんだ構造です。この環が光を吸収し、光合成の最初の段階を開きます。
(3) 微生物の鉄ハンター
多くの細菌は、シデロフォアというキレート分子を体外に出して周りの鉄をつかみ、それを再び取り込みます。エンテロバクチンが代表的な例で、鉄が乏しい環境で生き延びるための方法です。
4. 洗剤から解毒剤まで、生活と医療の中のキレート
金属イオンを選んでつかむ性質は、生活や産業、医療で幅広く使われています。不要な金属は結びつけて取り除き、必要な金属は溶けた状態で届けることがポイントです。
(1) 洗剤と肥料
洗剤に含まれるクエン酸やEDTAは、硬水中のカルシウムイオンやマグネシウムイオンをつかんで石けんかすができるのを減らします。肥料では、EDTAが鉄・亜鉛・銅などの微量元素を溶けた状態で保ち、リン酸成分と出会って沈殿することなく植物に届くようにします。
(2) 重金属の解毒
キレート療法は、体内の有毒な金属をキレートとして結びつけ、尿として排出させる治療です。エデト酸カルシウム二ナトリウム（EDTAカルシウム二ナトリウム）はアメリカ食品医薬品局（FDA）が重い鉛中毒の治療に承認した薬であり、ジメルカプロールは1940年にオックスフォード大学の研究者が、ヒ素系の毒ガスであるルイサイトの解毒剤として初めて合成しました。
(3) MRI造影剤
ガドリニウムイオンはMRI画像を鮮明にしますが、そのままでは毒性があります。そこでDTPAのように多くの腕を持つ配位子でガドリニウムをしっかり包んだキレートの形にして、造影剤として使います。多くの腕でつかめば簡単には離さないという単純な考え、それがキレート理解の第一歩です。
