Chélation

Comparons les deux réactions chimiques suivantes :

Cu(OH₂)₆ (II) + en ⇌ Cu(en)(OH₂)₄ (II) + 2H₂O

Enthalpie standard : -54 kJ/mol.

Cu(OH₂)₆ (II) + 2NH₃ ⇌ Cu(NH₃)₂(OH₂)₄ (II) + 2H₂O

Enthalpie standard : -46 kJ/mol.

Dans chaque cas, les liens Cu–N sont semblables, mais la formation du chélate est favorisée pour des raisons de thermodynamique chimique[4] - [5].

Shriver et Atkins concluent ainsi :

« L’effet chélate est l’augmentation de stabilité des complexes qui contiennent un ligand polydentate coordonné par rapport aux complexes qui contiennent un nombre équivalent de ligands monodentates analogues. »

Il existe des chélatants faibles, qui forment des complexes labiles et instables, et des chélatants forts, tels l'EDTA, qui peuvent former des complexes extrêmement stables et inertes, caractérisés par des constantes de dissociation inférieures à 10^-27, c'est-à-dire que la forme complexée est un milliard de milliards de milliards de fois plus stable que la forme dissociée.

La chélation est un phénomène naturel fondamental.

• En chimie bioinorganique : par exemple les ions de cobalt dans la vitamine B₁₂, de magnésium dans la chlorophylle, de cuivre dans l'hémocyanine ou de fer dans l'hémoglobine sont chélatés.
• En biologie : la plupart des organismes vivants produisent des protéines spéciales (métallothionéines), riches en soufre qui contribuent à détoxiquer l'organisme. De plus, la plupart des plantes sécrètent par leur racine des chélateurs pour faciliter l'absorption de certains éléments du sol[6].
• Chez l'homme, les individus le font plus ou moins efficacement selon leur patrimoine génétique. Ceux dont l'organisme ne se détoxifie pas assez vite ont plus de risque de développer des maladies neurodégénératives (Maladie d'Alzheimer (MA) notamment), en particulier en cas d'exposition au mercure inorganique perdu par les plombages dentaires[7]. Chez les personnes génétiquement moins aptes à sa détoxication, le mercure augmente quantitativement et ses effets toxiques sont aggravés (hydrargyrisme). Remarque : la susceptibilité génétique au mercure est liée au polymorphisme du gène de l’apolipoprotéine E ou APOE ; elle est corrélée à un risque beaucoup plus élevé de développer une MA et de la développer plus jeune[8] - [9]. Un trouble cognitif léger a aussi plus de valeur prédictive chez ces derniers[10]. Ce gène APOE existe sous 3 formes (allèles APOE2, APOE3 et APOE4). L'APOE2 est plutôt protecteur, alors que l'APOE4 expose au risque maximal (y compris pour l'âge) [11] - [12] - [13]. Par exemple, un caucasien homozygote pour APOE2 a 25 fois moins de risques de MA que son homologue homozygote pour APOE4 (OR = 0,6 vs 14,9).

Certains chélateurs naturels sont utilisés à leur profit par des organismes vivants, mais certains chélateurs issus de la chimie de synthèse en interférant négativement avec les cycles écologiques et biologiques de certains minéraux et métaux qui sont des oligoéléments ou des métaux toxiques (plomb, mercure, cadmium…) ou radioactifs, certains polluants chélateurs très présents dans notre environnement pourraient avoir des effets toxiques et écotoxicologiques[14].

Les applications des chélateurs sont nombreuses, par exemple :

• en médecine : lors d'une intoxication avec des poisons métalliques ou contamination interne par des produits radiologiques (plutonium, américium, berkélium, curium, yttrium, californium…), cette propriété est mise à profit avec des antidotes - par exemple du Zn-DTPA ou Ca-DTPA - qui forment un chélate éliminé lors de la miction. Cette capacité de soustraire les cations métalliques du milieu est appelée séquestration : on donne donc aussi aux chélateurs le nom d'agents séquestrants; on cherche à élargir le panel des chélateurs médicaux disponibles, par exemple pour chélater l'aluminium[15] et le phosphore[15].
• en imagerie médicale : en IRM, le gadolinium est utilisé comme agent de contraste sous forme de chélate pour limiter la toxicité de celui-ci sur l'organisme vivant[16] ;
• en chimie analytique ;
• dans l'industrie nucléaire ;
• dans la teinturerie ;
• dans la métallurgie ;
• en agronomie : ces agents peuvent soit passiver une surface métallique (comme le cuivre) par complexation (liaison pendante en surface) soit éloigner les ions métalliques de la surface ;
• en histologie : on utilise des chélateurs du Ca++ (de type EDTA) au cours de l'étape de décalcification des tissus osseux et dentaires. Cette étape est en général nécessaire pour permettre la coupe du prélèvement ; attention toutefois, elle est à éviter si possible, car elle provoque l'altération de la pièce à étudier ;
• pour le traitement des eaux trop chargées en métaux (piscines par exemple).

Il existe aussi des chélateurs naturels tels que des molécules contenues dans la bardane, l'ail, le lierre terrestre, les algues et la coriandre.