Bạn đã bao giờ thấy những cái tên lạ như “EDTA” hay “sắt chelat” trên bảng thành phần chất tẩy rửa hoặc mặt sau bao phân bón chưa? Có những phân tử giữ chặt các ion kim loại hòa tan trong nước khiến chúng không thể di chuyển tự do, và trong hóa học, hợp chất giữ kim loại theo cách này được gọi là chelat (Chelate).
Nói một cách đơn giản, chelat là “hợp chất dạng vòng trong đó một phân tử dùng nhiều cánh tay ôm lấy một ion kim loại như một chiếc kẹp”. Tên gọi này được hai nhà hóa học người Anh Gilbert T. Morgan và H. D. K. Drew dùng lần đầu vào năm 1920, lấy từ chữ Hy Lạp “chēlē”, nghĩa là chiếc càng lớn của cua hoặc tôm hùm.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu tên gọi và cấu trúc của chelat, hiệu ứng chelat khiến liên kết bền hơn khi giữ ở nhiều điểm, chelat trong cơ thể và trong tự nhiên, cũng như chelat được dùng trong đời sống và y học.
Phân tử ôm ion kim loại bằng một vòng: thế giới của chelat
1. Cái tên đến từ càng cua: cấu trúc của chelat
Ion kim loại có xu hướng liên kết bằng cách nhận cặp electron từ các phân tử xung quanh. Phân tử hoặc ion nhường cặp electron và bám vào kim loại được gọi là phối tử, và việc có tạo thành chelat hay không phụ thuộc vào số điểm mà phối tử dùng để giữ kim loại.
(1) Phối tử và liên kết phối trí
Phối tử liên kết với ion kim loại qua những nguyên tử có cặp electron như nitơ hoặc oxy. Liên kết mà một bên góp cả cặp electron được gọi là liên kết phối trí, và phân tử nước hay amoniac cũng bám vào ion kim loại theo cách này.
(2) Một điểm và nhiều điểm
Phối tử chỉ bám ở một điểm như amoniac được gọi là phối tử một càng, còn phối tử bám ở hai điểm trở lên như etylenđiamin được gọi là phối tử nhiều càng. Chelat hình thành chính khi phối tử nhiều càng như vậy giữ lấy một kim loại.
(3) Hình dạng của vòng
Khi phối tử nhiều càng dùng hai cánh tay giữ kim loại, kim loại và các nguyên tử của phối tử nối với nhau thành một vòng. Etylenđiamin cùng với kim loại tạo thành vòng gồm năm nguyên tử, và hình vòng này giống hệt chiếc càng đang kẹp một vật.
2. Lý do đã giữ thì khó buông: hiệu ứng chelat
Dù bám vào kim loại bằng cùng một loại nguyên tử, phối tử giữ bằng nhiều cánh tay cùng lúc vẫn liên kết chặt hơn nhiều so với các phối tử bám riêng lẻ. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng chelat.
- Phối tử (Ligand): phân tử hoặc ion liên kết với ion kim loại bằng cách nhường cặp electron.
- Phối tử nhiều càng (Polydentate ligand): phối tử có thể bám đồng thời vào cùng một kim loại ở hai điểm trở lên.
- Hiệu ứng chelat (Chelate effect): hiện tượng phối tử nhiều càng tạo với kim loại hợp chất bền hơn so với phối tử một càng.
(1) Độ mạnh liên kết tương tự, nhưng…
Khi so sánh hai phân tử metylamin với một phân tử etylenđiamin cùng liên kết với ion cađimi, nhiệt tỏa ra khi liên kết (biến thiên entanpi) gần như bằng nhau. Dù vậy, logarit của hằng số bền lần lượt là 6.55 và 10.62, tức chelat bền hơn tới hơn 10.000 lần.
(2) Khác biệt nằm ở entropi
Khi các phân tử nước bám trên kim loại tách ra, phối tử hai càng chỉ dùng một phân tử để chiếm hai vị trí nên số hạt trong dung dịch giảm ít hơn. Bên mất ít độ hỗn loạn (entropi) hơn sẽ có lợi hơn, vì vậy chelat dễ hình thành hơn.
(3) Một tay buông, tay kia vẫn giữ
Ngay cả khi một cánh tay của chelat tạm thời rời ra, cánh tay kia vẫn giữ kim loại nên dễ dàng liên kết lại. Nhờ đó, ngay cả trong dung dịch loãng, chelat vẫn có thể giữ ion kim loại lâu dài mà không để tuột mất.
3. Chelat ẩn trong máu và lá cây
Chelat không chỉ được tạo ra trong phòng thí nghiệm. Từ lâu, sinh vật đã dùng cấu trúc chelat để giữ những kim loại thiết yếu ở đúng vị trí.
(1) Hem trong máu
Hemoglobin trong hồng cầu chứa hem, trong đó một phân tử vòng gọi là porphyrin ôm lấy ion sắt từ bốn hướng. Vì sắt này liên kết với oxy nên máu có thể vận chuyển oxy đi khắp cơ thể.
(2) Diệp lục trong lá
Diệp lục của thực vật cũng có cấu trúc trong đó một vòng giống porphyrin giữ ion magie ở chính giữa. Vòng này hấp thụ ánh sáng và mở ra bước đầu tiên của quá trình quang hợp.
(3) Những thợ săn sắt của vi sinh vật
Nhiều vi khuẩn tiết ra các phân tử chelat gọi là siderophore để bắt sắt xung quanh rồi thu chúng trở lại. Enterobactin là ví dụ tiêu biểu, và đây là cách chúng sống sót trong môi trường thiếu sắt.
4. Từ chất tẩy rửa đến thuốc giải độc: chelat trong đời sống và y học
Khả năng chọn lọc và giữ ion kim loại được ứng dụng rộng rãi trong đời sống, công nghiệp và y học. Mấu chốt là giữ lại để loại bỏ kim loại không mong muốn, và đưa kim loại cần thiết đến nơi ở dạng hòa tan.
(1) Chất tẩy rửa và phân bón
Axit xitric và EDTA trong chất tẩy rửa giữ các ion canxi, magie trong nước cứng, giúp giảm cặn xà phòng. Trong phân bón, EDTA giữ các nguyên tố vi lượng như sắt, kẽm, đồng ở dạng hòa tan để chúng đến được với cây trồng thay vì kết tủa khi gặp thành phần photphat.
(2) Giải độc kim loại nặng
Liệu pháp chelat là phương pháp điều trị liên kết các kim loại độc trong cơ thể thành chelat rồi thải ra qua nước tiểu. Canxi đinatri EDTA là thuốc được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) phê duyệt để điều trị ngộ độc chì nặng, còn dimercaprol được các nhà nghiên cứu Đại học Oxford tổng hợp lần đầu vào năm 1940 để làm thuốc giải khí độc lewisite chứa asen.
(3) Thuốc cản quang MRI
Ion gađolini giúp ảnh MRI rõ nét hơn nhưng bản thân lại độc. Vì vậy, người ta dùng phối tử có nhiều cánh tay như DTPA để bao chặt gađolini thành dạng chelat và dùng làm thuốc cản quang. Ý nghĩ đơn giản rằng giữ bằng nhiều cánh tay thì khó tuột mất chính là bước đầu tiên để hiểu về chelat.
