キレート化合物は、配位子が金属イオンに配位して環状構造を形成する特殊な錯体です 。この現象は「キレート効果」と呼ばれ、通常の単座配位子よりも非常に高い安定性を示します 。
参考）https://www.sanwa-p.co.jp/word/detail17749.php
キレート効果が生じる主な理由は以下の通りです。
参考）http://chem.tf.chiba-u.jp/~shimazu/sakutai/test08/2020%20lecture08%20and%20test08.pdf
参考）https://www.purolite.co.jp/2016-09-09-2487
キレート剤は配位子の種類によって大きく2つに分類されます ：
ヘテロキレート化合物 🧪
異なる種類の配位子が金属イオンをキレートする化合物で、多様な金属イオンとの結合能を持ちます 。代表例としてEDTA（エチレンジアミン四酢酸）があり、カルシウム、鉛、カドミウムなど多くの金属イオンと結合します 。
参考）https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4054072/
ホモキレート化合物 ⚗️
同じ種類の配位子が金属イオンをキレートする化合物で、特定の金属イオンに対して高い選択性を示します 。医療用途では、DMSA（ジメルカプトコハク酸）が水銀やヒ素の除去に使用されています 。
参考）https://journaljammr.com/index.php/JAMMR/article/view/1750
キレート剤の金属イオンに対する選択性は、以下の因子によって決定されます。
イオン半径の適合性 📏
金属イオンのサイズとキレート剤の配位空間の適合性が結合強度を左右します 。小さすぎる金属イオンは十分な相互作用ができず、大きすぎる場合は立体障害により結合が困難になります。
電荷密度の影響 ⚡
金属イオンの電荷と半径の比（電荷密度）が高いほど、キレート剤との結合力が強くなります 。このため、アルミニウムイオン（Al³⁺）やクロムイオン（Cr³⁺）などの高電荷イオンは特に強固な錯体を形成します。
軟らかさ・硬さの原理 🎯
Hard-Soft Acid-Base（HSAB）理論に基づき、硬い金属イオンは硬い配位原子（酸素、窒素）と、軟らかい金属イオンは軟らかい配位原子（硫黄、リン）と優先的に結合します 。
キレート化合物の安定性は、形成される環のサイズと形状に大きく依存します 。最も安定とされる5員環キレートでは、配位原子間の結合角が理想的な値に近く、立体ひずみが最小となります。
環サイズ別の安定性。
この構造-安定性関係の理解は、新しいキレート剤の設計において重要な指針となっています 。
参考）https://academia.carenet.com/share/news/2964280e-fc59-4ae7-85bf-5bb785cdbe21
生体内では多くのキレート化合物が重要な役割を果たしています 。ヘモグロビンは鉄イオンをポルフィリン環でキレートし、酸素輸送を行っています 。この鉄-ポルフィリン錯体は、酸素との可逆的結合により効率的な酸素運搬を実現しています 。
参考）https://seikagaku.jbsoc.or.jp/10.14952/SEIKAGAKU.2016.880171/data/index.html
クロロフィルも同様に、マグネシウムイオンをポルフィリン環でキレートした構造を持ち、光合成における光エネルギーの捕集に不可欠です 。これらの例は、キレート化学が生命現象の基盤となっていることを示しています。