Thực nghiệm và phương pháp tính phổ phân cực phẳng và tính toán lượng tử của hợp chất Emodin

Thực nghiệm và phương pháp tính phổ phân cực phẳng và tính toán lượng tử của hợp chất Emodin

EH.1 Tính chất vật lý và hoá học của Emodin [43]

Emodin(98%) được mua tt hang MP Biomedicals, LLC

Công thức hoá học: C¡zH¡¿O; [CAS 518-82-1]

Trọng lượng phân tử: 270,24 đ.v.C

Tên theo danh pháp IUPAC: 1,3,8-trihydroxy-6-methylanthraguinone; 1,3,8- trinydroxy-6-methyl-9, 10-anthracenedione

Tên thông thường: Emodin, Frangula Emodin, Rheum Emodin, Archin,

Frangulic axit

Cac mili hấp thu cực dai (trong ethanol): 222, 252, 265, 289, 437 nm

Mau sac: mau cam

Độ tan: không tan trong nước, tan trong ethanol, dung dịch kiềm,

Độ tan ở 25C (số gam chất tan/100ml dung dịch bão hòa): ether: 0,140;

chioroform: 0,071; carbon tetrachloride: 0,010; carbon bisulfide: 0,009; benzene:

0,041

Giống như các hợp chat phenol, Emodin mang tinh axit, pK,)=5,70 wa

pK .=7,94 (trong acetonitrile) [44] Emodin cé tinh axit manh hon phenol, pK, cia phenol là 9,89 (trong nước), Điều này có thể do Emodin có nhiều mô hình cộng hưởng hơn của phenol và điện tích âm được phân bô trên cả hai nguyên tir oxy:

"XS @ oH a NƯ OL; HạCZ o Hạc Z NN *o

26

Tính axít của Emodin phải được cân nhắc kỹ khi nghiên cứu Emodin trong dụng dịch cũng như trong các polyme,

111.2 Đo phố trong dung dich

Phé duge do trén may phd UV-Vis Shimazu MPS-2000 TAt ca cac dung mdi

đều đạt tiêu chuẩn tỉnh khiết phân tích nhập từ hãng Merck, Phép đo phố được tiến

hành ở nhiệt độ phòng với bước nháy lnm trong curvet lem và quét trong vùng từ 200nm đến 700nm

Phô của Emodin duoc do trong dung méi CCl, ethanol, toluen, hén hop cha

toluen va ethanol Phé cia Chrysazin trong ethanol duoc str dung lam phổ đối ching

Trong dung môi proton và phân cực, Emodin dé dang hinh thành cân băng:

Oo 6" II `*O

Qo

Bởi vị Emodin là một axít không quá yếu Cân bằng này tạo nên một lượng

Emodin anion dang ké Do vay trong dung mdi proton phê của Emodin thường là sự trộn lẫn của phân tử trung hoà Emodin và anion (xem Hình IV.13) Khi chúng ta

thêm một ít axit, can bằng sẽ chuyển địch theo hướng tạo phân tử Emodin trung

hòa Trong thực nghiệm, khi đo phố của Emodin trong cthanol, một lượng nhỏ HCI

bão hoà được thêm vào, khoảng 0,5% thé tích cả hỗn hợp Khi đó dung dịch lập tức

chuyển từ màu cam sang màu vàng, Điều này có nghĩa rằng cân bing dé dang dich chuyển, Đo phổ UV-Vis cla HCI trong ethanol không cho thây bất cứ mỗi phổ nào, điều này giúp khẳng định rằng dung dịch HƠI thêm vào không ảnh hưởng đến phố

của Emodm Bên cạnh đó khi thêm một lượng nhỏ dung dich HC] bao hoà vào dụng

dich Emodin trong ethanol thì lượng nước cũng không ảnh hưởng đến phê của Emodin vì Emodm không fan trong nước

Tương tự, cân bằng sẽ chuyển dịch theo hướng tạo anion khi thêm từ từ bazơ Đầu tiên cho một lượng nhỏ bazơ KOH sau đó tăng nồng độ bazơ lên 10 lần,

1000 lần và đo Khi thêm bazơ, dung dịch lập tức chuyển sang màu tím, chứng tỏ

cân băng rất để địch chuyên

111.3 Phố phân cực

JHI.3.1 Chuẩn bị mẫu đo và mẫu trắng bằng Polyvinyl Alcol (PVA)

Trong kỹ thuật đo phổ phân cực việc chuẩn bị mẫu là yếu tế quan trọng nhất, tốn nhiều thời gian và công sức nhất Như đã đề cập ở chương I1, phổ phân cực sẽ

càng thấy rõ khi các phân tử định hướng càng tốt theo hướng kéo Do vậy mục dich

của việc chuẩn bị mẫu là định hướng phân tử cần đo theo một hướng nhất định

Emodin có gốc hydroxyl tự do, PVA cũng có nhóm hydroxyi gắn trên mạch nên Emodin có thể đễ đàng thẩm thâu vào PVA Do vậy PVA kéo căng được chọn

làm đụng môi bất đẳng hướng để định hướng Emodin

PVA hap thu ánh sáng trong vùng UV với các mỗi vào khoảng 30000, 35000

và hơn 47000 cmÌ, các mũi này có thê xê dịch tuy thuộc vào trọng lượng phần tử

trung bình của PVA nhưng không nhiều PVA dạng tấm hoặc màng dé phan xa va tán xạ ánh sáng,

Tao mang Polyme: Chuẩn bị một becher gồm 3g bột

““ ry PVA (trong lugng phan tử trung Binh 76.600-

100.000 [9602-98-5]} va 50g nude cat Dat becher

này vào một becher lớn hon có chứa nước, đặt (ât cả

lên máy khuấy từ có gia nhiệt, xem hình bên Dun

nóng becher lớn đến khoáng 80-90°C, khuấy nhẹ Hình IHỊ I: Thục nghiệm Tránh đun nóng trực tiếp lên becher nhó chứa dụng

tao dung dich PVA dich PVA vi sẽ rất dé gay quá nhiệt ở phần đáy làm

2: PEA và nước cho dung dịch trở nên sậm màu và dính cứng vào 3: Nude đáy Không nên khuấy mạnh vi sé tao bot trong dung

4: Máy khuấy từ có gia

nhiệt dich Khi dung dich hoa tan hoàn toàn và trở nên

28

trong suốt, tiếp tục đun trong khoảng một giờ để chắc chắn dung dịch trở nên đồng

nhất và đuổi bớt nước Sau dé dung dich để nguội từ từ ở nhiệt độ phòng và tráng

vào đĩa thuỷ tỉnh đây băng Đáy của đĩa phải phẳng để bảo đảm màng polyme có bề

day đồng đều Bán kính đĩa khoảng 200m Tuy theo bé day cần thiết của mang mà

chọn loại đĩa có bán kính khác nhau hoặc chuẩn bị lượng dung dịch PVA trên nhiều

hay ít Sau 3-4 ngày, hơi nước bay đi gần hết, màng polyme sẽ cứng lại Trong suốt

thời gian này phải che đậy đĩa dé tránh bụi bản bám vào

Sau khi lây ra khỏi đĩa mang polyme được cắt thành những miếng nhỏ có kích thước 2em x 3,5cm, sau đó được nhúng ngập trong dụng dịch bão hòa Emodin trong ethanol trong một tuần, Dung dịch này gọi là dụng dịch tâm, trong đó 25% thé tích là nước Vì Emodin không tan trong nước nhưng tan trong ethanol Trong khi

đó PVA chỉ trương trong nước mà không trương trong ethanol Nên dung địch tâm

phải chứa cả nước và cthanol, Thực nghiệm cho thấy ở tỷ lệ 25% thể tích nước + 75% ethanol dung dich tam không hoà tan PVA ở nhiệt độ phòng và cho hiệu suất

tâm cao nhất Nếu dùng quá nhiêu nước PVA sẽ bị hoà tan, ngược lại nếu đùng quá

ít nước (đưới 5% thể tích) thì PVA trương rất chậm Dung dịch tắm phải được đậy

nắp cân thận dé cthanol không bị bay ra ngoài

Thực nghiệm cho thấy các phân tử duoc tam sẽ định hướng như nhau khi chúng được tâm trước hoặc sau khi kéo polyme [10], [11] Tuy nhiên, sau khi kéo

căng, vùng tỉnh thể trong polyme sẽ gia tăng, các phân tử chất tan không thể chui vào vùng này được, kết quả là nồng độ của chúng trong polyme sẽ thấp Trong

trường hợp của đề tài này, Emodin rất khó thâm thấu vào PVA vì thế Emodin được

cho thâm thấu vào PVA trước khi kéo căng,

Sau khi tâm, mảng polyme được lấy ra ngoài, lau bề mặt băng methanol để

làm sạch Emodin rắn bám trên bể mặt, Màng polyme được để khô tự nhiên trong

một ngày Sau đó được kéo căng đến khoảng 60% với vận tốc vào khoảng

8cm/phút, Đề mảng không bị rách hoặc tinh thể hoá, khi kéo cũng, có thé bé sung

thêm một đông khí nóng từ máy sây tóc Khi nóng cũng giúp dung môi bay ra khỏi

mang polyme Nếu vận tốc kéo lớn hơn 8cm/phút, mảng polyme sẽ rất dé bị rách và

Khi đo, mẫu được cố định trên giá theo chiều sao cho hướng kéo căng polyme là hướng thẳng đứng và không xê dịch trong suốt quá trình đo

Cách thức chuẩn bị mẫu trắng cũng hoàn toàn tương tự như mẫu có chất tan, thay vi nhúng trong dung dịch, mẫu trăng được nhúng trong dung môi Việc chuẩn

bị mẫu trắng trong điều kiện càng giống với mẫu có chứa Emodin sẽ càng hạn chế sai số phương pháp đo

JIL.3.2 Chuẩn bị mẫu đo và mẫu trắng bằng polyme PVA có xứ lý axít

Như đã đề cập trong phần IH.2, Emodin đễ đàng mất proton để hình thành cân bằng giữa các phân tử Emodin trung hòa và các anion Trong dung dich tam va trong PVA, Emodin cũng sẽ có thể hình thành cân bằng này làm cho việc quan sát phê trở nên phức tạp Việc xử lý axít bằng cách thêm vào dung địch tâm khoảng 1% (về thể tích) dung dịch HCI bão hoà trong nước Kết quả đo phố phân cực đã cho thay tác dụng rõ rệt của việc xử lý axit (xem trang 55)

EH.3.3 Chuẩn bị mẫu đo và mẫu trắng bằng polyme PVA có xử lý bazơ

Phần thực nghiệm này được thực hiện dé đo phố của Emodin anion

Trong Acetonitrile, hai giá trị pK, của Emodin được xách định là pÉ„¡ = 5,79

và pKạ;=7,94 Trong dung dich tắm khoảng cách giữa bai giá trị pK, trên có thể thay đôi không nhiều Khi thêm bazơ vào dung dịch của Emodin trong cthanol có

thể ở một nồng độ bazơ nào đó chúng ta sẽ có được nồng độ của anion thứ nhất là

lớn nhất Tuy nhiên không thể tránh khỏi một lượng rất nhỏ anion thứ hai (đo anion thứ nhất tiếp tục phân ly) vì khoảng các giữa hai giá trị pÉa trên không quá lớn Hơn nữa, vì dụng dich tâm là hỗn hop cia ethanol và nước, PVA cũng có thể

có tính chất như một alcol nên không thể biết chính xác sự phân bố của anion trong

dụng địch tâm Giá trị chính xác của pK, trong dung dịch cũng chưa được biết, Vì

30

thế chúng ta không thể tính chính xác được bao nhiêu bazơ sẽ phản ứng với Emodin

để cho ra nồng độ anion thứ nhất lớn nhất (để ngắn gọn, trong luận văn này khi gọi

Emodin anion thì có nghĩa là anion thứ nhấp,

Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã sử dụng phương pháp thứ và sai để chuân bị mẫu Thông thường phổ của một hợp chất trong dung dich sẽ tương tự với phố của chúng trong polyme đăng hướng nếu ánh hưởng của dung dịch và polyme

là như nhau Chúng tôi cho rằng ảnh hưởng của ethanol và PVA lên hình dang phan

tử hay tính chất phô của Emodin là gần như nhau Do vậy tiền hành đo phố sau mỗi lần thêm một lượng nhỏ bazơ và so sánh với phê Emodin anion trong dung dịch

(xem Hình EV.127) Ở một lượng bazơ thêm vào nào đó, mẫu đo sẽ có phê tương tự

như phổ của Emodin anion trong dụng dịch Sau đó sử dụng mẫu này để đo phổ phân cực Trong thực nghiệm chúng tôi đã cho một lượng rất nhỏ bazơ KOH vào

dụng địch tâm sau mỗi bước đo

Mẫu trăng cũng được xử lý bazơ tương tự như trên nhưng không có Emodin

IHHL.3.4 Chuẩn bị mẫu đo và mẫu trắng bằng PE

Mặc dù PE không phân cực nhưng một số hợp chất phân cực vẫn có thể thâm

thâu vào trong PE trong những điều kiện thích hợp (dung môi, nhiệt độ ) PE

không hấp thu trong vùng UV-Via, ít nhất là ở vùng có số sóng thấp hon 50000

em `, So với PVA thì polyme này không gây ảnh hưởng nhiều đến hình dạng phân

tử và tính chất phổ của Emodin Phân tích phổ phân cực trên PE có nhiều thuận lợi

hon trén PVA

Vấn đề gặp phải là nồng độ của Emodin trong PE rất thấp mặc dù chúng tôi

đã thử với nhiều cách khác nhau như tăng nhiệt độ khi tâm, ép cdc film PE cé tam Emodin Nẵng độ Emodin trong PE chỉ đủ để khảo sát phé UV-Vis, khong da dé khảo khác phổ IR Thông thường nồng độ để đo duge phé IR phải lớn hơn gấp 10

lần nông độ đủ dé do phé UV-Vis

Màng PE có mật độ thap Gow density) dugc cắt từ các chai dùng để đựng

hoá chất trong phòng thí nghiệm, thông thường các PE này rất tỉnh khiết Màng

được cắt thành những miếng nhỏ, có kích thước khoảng 3,5cm đài x 1,5cm rộng x 2mm dây và được rửa sạch bề mặt bằng cách nhúng trong đụng địch toluen Những miếng này được nhúng trong dung địch bão hoà Emodin trong toluen 6 45°C trong

suốt ba ngày, Chúng tôi hy vọng răng khi tăng nhiệt độ, nồng đệ của Emodin trong

PE sẽ gia tăng do độ tan của Emodin trong toluen tăng Kết quả sau khi tăng nhiệt

độ lên trên 45C là bê mặt của màng PE trở nên nhám, đục và màng rất dễ bị rách khi kéo căng Điều này có thể giải thích do nhiệt độ cao làm cho PE bị trương quá nhiều Kết quả thực nghiệm cho thấy ring 45°C là điều kiện nhiệt độ tối ưu nhất

Sau khi lây mẫu ra, lau sạch bề mặt bằng toluen để rửa sạch Emodin trên mê

mặt Kế tiếp mẫu được đặt vào tủ say ở 45G trong một tuần để bay hoi toluen Sau

đó mẫu được kéo căng đến khoảng 600% để trở thành những ñiÌm mỏng rồi đem đi

đo Trong quá trình kéo căng không cần hỗ trợ dòng khí nóng do PE rất đễ bị kéo căng Toluen rất khó bay ra khỏi PE do đó chúng tôi cũng đã thử làm bay hơi toluen

ra khôi mẫu bằng cách đặt vào bình hút ap suất kém nhưng cách này không đem lại hiệu quả

Mẫu trắng cũng được chuẩn bị trong điều kiện giống như mẫu đo, thay vì nhúng trong dung dich, mẫu được nhúng trong dụng môi

EH.3.5 Đo phố phân cực

Phổ được đo trên may phổ UV-Vis Shimazu MPS-2000 có gắn đầu phân cực

Gian Mẫu được ghi ở nhiệt độ phòng với bước nhảy lam trong ving 200 - 700 nm

Mẫu được cố định trên khung đo, không được đi chuyển mẫu trong suốt quá

trình đo để bảo đám ring tia tới chỉ đúng vào cùng một vị trí trên mau Vi mau không thể nào đồng nhất tuyệt đổi nên nếu đo phê ở hai vị trí khác nhau trên mẫu sẽ dẫn đến kết quả sai lệch Để khắc phục tình trạng này, người ta chi thay đôi chiều của vectơ cường độ điện trường bằng cách xoay mặt kính phân cực một góc 90° ma không thay đổi vị trí của mẫu Khi véctơ cường độ điện trường song song với phương thẳng đứng, cũng là phương kéo căng của mẫu thì tín hiệu ghi được là Eụ, Khi véctơ cường độ điện trưởng song song với mặt phăng năm ngang ta có tín hiệu

32

ghi được là Ey Sau mỗi lần thay đổi chiều phân cực, phải hiệu chỉnh đường nền Phô của hợp chất khảo sát sẽ là phổ của mẫu đo trừ đi mẫu trắng

HIH.4 Mô hình hoá và tính toán

Tất cả các tính toán được thực hiện bởi chương trình Gaussian 98 và

Gaussian 03 [45] Như đã đề cập trong phan II.4 và II.5 phương pháp B3LYP [30],

[31] [32], [33] bao gồm năng lượng tương quan và năng lượng trao đổi điện tử

được sử dụng Phương pháp này cho kết quả tối ưu hoá hình dang rất tốt

Chúng tôi sử dụng bộ hàm cơ sở 6-31G [46], [47], [48] vì bộ hàm này cho kết quả tương đối tốt trong khi thời gian tính toán không quá lớn Emodin có hai

liên kết hydrogen nội phân tử và một nhóm hydroxyl, những liên kết này đều phân

cực, vì thế bộ hàm cơ sở phải mô tả được sự phân cực này Thông thường những phân tử có độ phân cực kém hay nguyên tử thì điện tử sẽ phân bố đối xứng qua tâm của nguyên tử nhưng đối với các phân tử có độ phân cực lớn thì điện tử không phân

bố đối xứng qua tâm nguyên tử Nhất là trong trường hợp có các nguyên tử có độ

âm điện lớn Trong trường hợp đó người ta dùng bộ hàm cơ sở có chứa những hàm

mô tả mômen góc lớn hơn, cho phép điện tử phân bố không nhất thiết phải đối xứng qua tâm nguyên tử [48] Chúng tôi sử dụng bộ hàm phân cực 6-31G (d,p) để có được hình dạng và năng lượng phân tử chính xác hơn vì hàm loại d mô tả điện tử cho nguyên tử nặng (nguyên tử ở chu kỳ 2 trở đi) và hàm loại p mô tả điện tử cho nguyên tử Hydrogen Cấu hình bền được xem xét bởi tính toán tần số với cùng bộ hàm cơ sở của quá trình tối ưu hoá hình dạng Nếu cấu hình bền thì sẽ không có tần

số âm

Như đã đề cập trong phần II.5, J Fabian đã sử dụng phương pháp LTHMĐ

(TD-DRFT) để tính toán cho một số hợp chất có chứa nhân thơm có cấu trúc tương

tự như Emodin, kết quả của cách tính B3LYP phù hợp với thực nghiệm hơn phương

pháp PM3 và ZINDO/S về cả năng lượng và cường độ hấp thu [34] Vì thế phương

pháp này dùng dé tính phổ phân cực của Emodin

Kích thích , hệ hàm cơ sở phải được cộng thêm một hay nhiều bộ hàm cơ sở khuyéch tan [48], [49] Dé tinh toán trạng thái kích thích của Emodin hệ hàm cơ sở 6-3I+G (d,p) được sử dụng là phù hợp

HH.4.1 Mô hình hoá hệ trong pha khí

Thông thường, trong hoá tính toán, việc mô phỏng phân tử trong pha khí chỉ xem xét đến một phân tử trong chân không Trên thực tế trong pha khí các phân tử đứng cách xa nhau nên ảnh hưởng của các phân tử kế cận lên một phân tử nào đó là không nhiều Nếu chỉ mô phỏng một phân tử thì kết quả thu được cũng không khác biệt nhiều khi so sánh với hệ phân tử trong pha khí Một vài tính chất hoá học cho kết quả tương tự nhau khi xem xét một phân tử cũng như nhiều phân tử

Vì thế để tính toán trạng thái kích thích của Emodin chỉ việc tính toán trên

một phân tử kết quả thu được sẽ được so sánh với thực nghiệm Sự khác biệt là các

mũi phể tính toán là một con số trong khi các mũi phổ quan sát từ thực nghiệm là một vân phố vì theo kết quả tính toán năng lượng hấp thu là hiệu năng lượng của trạng thái kích thích vả trạng thái cơ bản Trong thực nghiệm, mũi phố được xem như ngay vị trí đỉnh của vân phổ, tức năng lượng hấp thu được xem như năng lượng

hấp thu cực đại tại một vân phổ nào đó Ngoài ra phô UV còn bị ảnh hưởng bởi

năng lượng dao động nên các mũi bao giờ cũng tà và kéo đuôi Hơn nữa, trong thực nghiệm các mũi phố thường bị che khuất lẫn nhau, trong khi đỏ các kết quả tính

toán sẽ xác định rõ vị trí của các mỗi nên giúp ích rất nhiều cho việc tiên đoán và lý

giải các kết quá thực nghiệm,

HH.4.2 Mô hình hoá hệ trong dung môi

Các tính chất của phân tử và ngay cả hình đạng của chúng có thể sẽ thay đổi rất nhiều khi chuyển từ trạng thái khi sang trạng các thái tập hợp hay trong đụng

34

ich Anh nưởng của dụng môi polyme lên hình dạng và tính chất phế của Emodin

có thể làm cho các mũi phổ quan sát được bị thay đổi Ảnh hưởng này sẽ lớn trong trường hợp sử dụng polyme PVA vi PVA chứa rất nhiều nhóm hydroxyl Liên kết hydrogen liên phân tử giữa nhóm hydroxyl trên PVA và nhóm hydroxyl của Emodin có thể là ảnh hưởng lớn nhất Ngược lại ảnh hưởng của dung môi trong trường hợp polyme PE thì không nhiều vì PE hầu như không phân cực Các kết qua thực nghiệm trước đây đều cho thay rằng các chất tan trong dụng môi polyme PE có

tính chất giống như trong mô hình khí lý tưởng [10], [L1]

Trong hoá tính toán, hai mô hình phố biến là mô hình dung môi liên tục và

mô hình vị dụng môi Mô hình dụng môi liên tạc [48], [50] được sử dụng cho hệ phi proton vì mô hình này không thể mê tả được sự solvat hóa Chất tan được mô phỏng trong một trường phản ứng trong đó dung môi đóng vai trò như là một trường liên tục Trường này được đặc trưng bằng hãng số điện môi của dụng môi Ảnh hưởng

của sự phân cực của dung môi được đặc trưng bằng trị số của hang số điện môi Với

mô hình này các kết quả tính toán sẽ mô tả một tương tác “trung bình” của PVA lên Emodin và xem xét ảnh hướng của tương tác này lên tính chất phổ Trong mô hình dụng môi Hiên tạc này chúng tôi sử dung ethanol lam dai dién thay cho PVA

Mô hình thứ hai, mô hình vi dung môi sẽ mô phỏng các lién két hydrogen trực tiếp giữa một phân tử Emodin với một hay nhiều nhóm hydroxyl khác Vì không thể mô phỏng cả đoạn mạch PVA nên chúng tôi sử dụng những phân từ

cthanol làm đại diện, Mặc dù vậy ảnh hướng của dụng môi vẫn được xem xét thoả

đáng khi ethanol thiết lập liên kết với một hay vải vùng trên phân tử Emodin, ví dụ nhóm hydroxyl hay nhóm cacbonyl