tổng hợp, nghiên cứu, bước đầu thăm dò hoạt tính sinh học của phức chất cu(2), co(2) của các thiosemicacbazon chứa antraxen

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘITRƯỜNG THPT SƠN TÂY ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ LẦN THỨ TƯ NĂM HỌC 2014-2015 Tên đề tài: "TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI

TRƯỜNG THPT SƠN TÂY

ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ LẦN THỨ TƯ

(NĂM HỌC 2014-2015)

Tên đề tài:

"TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU VÀ BƯỚC ĐẦU THĂM DÒ HOẠT TÍNH SINH HỌC, KHẢ NĂNG PHÁT QUANG PHỨC CHẤT Cu(II), Co(II) CỦA CÁC THIOSEMICACBAZON

CHỨA ANTRAXEN"

Lĩnh vực:

(Hoá học vô cơ)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN TÁC GIẢ

Sơn Tây, tháng 12 năm 2014

Đề tài dự thi khoa học kỹ thuật lần thứ 4 Trường THPT Sơn Tây-Hà Nội

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

PHẦN I LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 3

PHẦN II TỔNG QUAN 4

1 Mục đích nghiên cứu 4

2 Ý nghĩa của đề tài 4

3 Tính sáng tạo của đề tài 4

PHẦN III QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KHOA HỌC

1.1 Hợp chất đa vòng thơm PAH 6

1.2 Thiosemicacbazit, thiosemicacbazon và các phức chất của chúng với kim loại chuyển tiếp 8

1.3 Các phương pháp vật lí nghiên cứu cấu trúc phức chất và các thông số kỹ thuật của máy đo .10

CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

2.1 Tổng hợp phối tử .11

2.2 Tổng hợp phức chất 11

2.3 Kết quả và thảo luận ………12

2.4 Thăm dò hoạt tính sinh học và khả năng phát quang 26

PHẦN IV KẾT LUẬN .27

PHẦN I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Việc nghiên cứu các phức chất của thiosemicacbazon với các kim loạichuyển tiếp đang là lĩnh vực thu hút nhiều nhà hoá học, dược học, sinh – y họctrong và ngoài nước Đã từ lâu hoạt tính diệt nấm, diệt khuẩn của thiosemicacbazit

và các dẫn xuất thiosemicacbazon đã được biết đến và do vậy một số trong chúng

đã được dùng làm thuốc chữa bệnh

Các nghiên cứu hiện nay tập trung chủ yếu vào việc tổng hợp mới cácthiosemicacbazon và phức chất của chúng với các ion kim loại khác nhau, nghiêncứu cấu tạo của phức chất bằng các phương pháp khác nhau và khảo sát hoạt tínhsinh học của chúng Trong một số công trình gần đây, ngoài hoạt tính sinh họcngười ta còn khảo sát một số ứng dụng khác của thiosemicacbazon như tính chấtđiện hoá, hoạt tính xúc tác, khả năng ức chế ăn mòn kim loại Mục tiêu của việckhảo sát hoạt tính sinh học là tìm kiếm được các hợp chất có hoạt tính cao, đồngthời đáp ứng tốt nhất các yêu cầu sinh – y học khác như không độc, không gây hiệuứng phụ, không gây hại cho các tế bào lành để dùng làm thuốc chữa bệnh chongười và động vật nuôi

PAH là những hợp chất đa vòng thơm có tính chất quang lí đặc biệt như hấpthụ UV, phát huỳnh quang mạnh Do đó, các PAH có nhiều ứng dụng trong sảnxuất các vật liệu phát quang, nguyên liệu laser, các thiết bị phát sáng … Hiện naymột số nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự có mặt của các nguyên tử kim loại trong hợpchất của PAH sẽ làm xuất hiện các tính chất quang lí mới Vì vậy, việc tổng hợp,nghiên cứu các phức chất trên cơ sở PAH nói chung và antraxen nói riêng là mộthướng nghiên cứu triển vọng

Với mục đích góp phần vào hướng nghiên cứu chung và mong muốn tạo rahợp chất phức với phối tử thiosemicacbazon có chứa hợp chất đa vòng thơm củakim loại chuyển tiếp có hoạt tính diệt nấm, diệt khuẩn, có tính chất quang lí nênchúng tôi chọn đề tài:

“Tổng hợp, nghiên cứu và bước đầu thăm dò hoạt tính sinh học, khả năng phát quang phức chất Cu(II), Co(II) của các thiosemicacbazon chứa antraxen”

Đề tài dự thi khoa học kỹ thuật lần thứ 4 Trường THPT Sơn Tây-Hà Nội

PHẦN II TỔNG QUAN

1 Mục đích nghiên cứu

- Tổng hợp hai phối tử phenylthiosemicacbazon;

9-antrađehit-4-metylthiosemicacbazon

- Tổng hợp bốn phức chất Cu(II), Co(II) của hai phối tử thiosemicacbazon trên.

- Nghiên cứu cấu trúc của hai phối tử và bốn phức chất tổng hợp được bằng một số

phương pháp vật lí khác nhau

- Bước đầu thăm dò hoạt tính diệt nấm, diệt khuẩn và khả năng phát quang của

chúng

2 Ý nghĩa của đề tài

- Tổng hợp mới bốn phức chất kim loại chuyển tiếp với phối tử thiosemicacbazon

có chứa nhân antraxen đóng góp một phần vào hướng nghiên cứu chung của hoáhọc phức chất

- Bước đầu thăm dò khả năng phát quang và kết quả cho thấy một trong các phức

chất trên có khả năng phát quang rất mạnh

- Bước đầu thăm dò hoạt tính kháng khuẩn của phối tử và phức chất trên chủng vi

sinh vật thuộc các loại khuẩn gram (+), khuẩn gram (-) và nấm (Kết quả: đangchờ )

Kết quả này có ý nghĩa không những về mặt cấu trúc (đã thành công) mà cònđóng góp một phần dữ liệu cho lĩnh vực nghiên cứu cơ chế diệt khuẩn của cácthiosemicacbazon, ứng dụng của chúng trong y học, sinh học và trong công nghiệpsản xuất vật liệu phát quang (Nếu thành công)

3 Tính sáng tạo của đề tài

- Tổng hợp được 4-phenylthiosemicacbazit - hoá chất dùng để tổng hợp phối tử

(tương đối đắt tiền)

- Tổng hợp phức chất trong một số điều kiện khác nhau (như: không dùng dung

dịch amoniac, có dùng dung dịch amoniac, thay dung dịch amoniac bằng dung dịchtrietylamin, thay đổi nhiệt độ, thời gian phản ứng) và bước đầu tìm được điều kiệnphản ứng để nâng cao hiệu suất

- (Hi vọng) Tổng được hợp được hợp chất phức vừa có hoạt tính sinh học của

thiosemicacbazon vừa có tính chất quang lí của hợp chất đa vòng thơm Kì vọngtìm kiếm được hợp chất có hoạt tính sinh học cao, có tính chất quang lí mạnhkhông độc (hoặc ít độc), không gây hiệu ứng phụ, không gây hại cho các tế bàolành để dùng làm thuốc chữa bệnh

Đề tài dự thi khoa học kỹ thuật lần thứ 4 Trường THPT Sơn Tây-Hà Nội

PHẦN III QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KHOA HỌC

1.1 Hợp chất đa vòng thơm PAH

1.1.1 Giới thiệu về hợp chất đa vòng thơm PAH

Hydrocacbon đa vòng thơm (PAH - Polycyclic aromatic hydrocarbon) là hợpchất hữu cơ bao gồm các vòng thơm và không chứa các dị tố hoặc mang theo nhómthế Trong phân tử PAH một vòng thơm sẽ dùng chung với vòng thơm bên cạnhbằng 1 cạnh của vòng thơm

Hợp chất đa vòng rất đa dạng và phong phú Các PAH đơn giản nhất baogồm: naphtalen (C10H8) với hai vòng benzen có chung một cạnh, phenantren vàantraxen đều chứa ba vòng benzen Các PAH có cấu trúc đa dạng có thể chứa đếnbốn, năm, sáu hoặc nhiều vòng benzen

PAH có quang phổ hấp thụ UV-Vis đặc trưng Chúng thường có nhiều dải hấp thụ với cường độ hấp thụ cao và đặc trưng cho mỗi cấu trúc vòng Tính chất này rất hữu ích trong việc xác định các PAH Các PAH và dẫn xuất của chúng có khả năng phát huỳnh quang với cường độ cao ở nhiệt độ phòng nên chúng đang thu hút được sự chú ý của các

- Acenaphthen: sản xuất thuốc nhuộm, nhựa, dược phẩm và thuốc trừ sâu

- Antraxen: sản xuất thuốc nhuộm, chất màu, dung môi cho các chất bảo quản gỗ

- Fluoranthen: sản xuất thuốc nhuộm, dược phẩm và hóa chất nông nghiệp

- Floren: sản xuất thuốc nhuộm, bột màu, thuốc trừ sâu, dược phẩm

1.1.2 Giới thiệu về antracen

Antraxen (C14H10) thuộc hợp chất hữu cơ đa vòng thơm và là một thành phầncủa nhựa than đá Antraxen là chất rắn dạng tinh thể màu trắng, nhiệt độ nóng chảy

218oC, không tan trong nước và tan kém trong các dung môi hữu cơ (trongmethanol: 0,0908 g/100 ml; trong hexan: 0,164 g/100 ml)

Giống như các hợp chất hữu cơ đa vòng thơm khác, antraxen và các dẫn xuấtcủa nó có quang phổ hấp thụ UV đặc trưng và chúng là những hợp chất phát huỳnhquang Quang phổ UV-Vis của antraxen có các cực đại hấp thụ nằm trong khoảng

300 – 400 nm và antraxen thể hiện huỳnh quang màu xanh (cực đại ở 400 – 500nm) khi bị kích thích bởi ánh sáng tử ngoại Với những đặc điểm trên, antraxen và

dẫn xuất của nó có tầm quan trọng trong việc sản xuất các vật liệu phát quang,nguyên liệu laser, các thiết bị phát sáng…

1.1.3 Hóa học phức chất của PAH và Antraxen

Nhóm nghiên cứu của tác giả Stang chỉ ra rằng: Cấu trúc dạng ghim kẹpđược tạo ra khi 2 nguyên tử Pt được gắn vào vị trí 1,8 của vòng antracen Gốc nitratphối trí yếu với Pt sẽ bị thay thế bởi phối tử có khả năng tạo phối trí mạnh hơn khitiến hành phản ứng Phối tử pyridyl có hình dạng ba chạc trong đó các hợp phầnpyridyl định hướng với nhau một góc 1200 Trong điều kiện thích hợp, sự kết hợpcủa hai phối tử pyridin với ba phân tử dạng ghim kẹp để tạo ra phân tử phức chất

M3L2 có hình dạng khối lăng trụ Cấu trúc dạng lăng trụ là những cấu trúc 3D đơngiản

Cấu trúc phân tử M 3 L 2 dạng khối lăng trụ

Phức chất đơn nhân Pt chứa đồng thời 2 PAH (tetraxen,pentaxen) có màu rất khác nhau, khi 2 PAH đều là tetraxen thìphức chất có màu đỏ, thay bằng pentaxen thu được phức chất cómàu xanh lá cây Đặc biệt, nếu phức chất chứa đồng thời hai loạiPAH trên thì có màu tím Các phức chất này đều có khả năng phátquang, có sự chuyển năng lượng giữa các nhân PAH trong quátrình phát xạ

Đề tài dự thi khoa học kỹ thuật lần thứ 4 Trường THPT Sơn Tõy-Hà Nội

Phức chất đơn nhõn của Pt(II) với tetraxen, pentaxen

1.2 Thiosemicacbazit, thiosemicacbazon và cỏc phức chất của chỳng với kim loại chuyển tiếp

d

(1) (2)

(4)

Mật độ điện tích

a=118.8 b=119.7 c=121.5 d=122.5

o o o o

Khi phõn tử thiosemicacbazit hay cỏc dẫn xuất của nú ngưng tụ với cỏc hợpchất cacbonyl sẽ tạo thành cỏc hợp chất thiosemicacbazon (R’:H,CH3,C6H5, )

NHR'' N

C

R R' O

C

R R'

H C R

δ + δ

Cơ chế của phản ứng ngưng tụ tạo thành thiosemicacbazon.

Phản ứng tiến hành trong môi trường axit theo cơ chế AN Vì trong số cácnguyên tử N của thiosemicacbazit cũng như dẫn xuất thế N(4) của nó chỉ có nguyên

tử N(1) là mang điện tích âm nên trong điều kiện bình thường phản ứng ngưng tụ chỉxảy ra ở nhóm N(1)H2 hiđrazin

1.2.2 Phức chất của kim loại chuyển tiếp với các thiosemicacbazon

Jensen - người đầu tiên tổng hợp, nghiên cứu phức chất của thiosemicacbazitvới Cu(II) và đã chứng minh rằng trong các hợp chất này:

+ Thiosemicacbazit phối trí hai càng qua nguyên tử S và N (N(1)H2)

+ Trong quá trình tạo phức phân tử thiosemicacbazit có sự chuyển từ cấu hình transsang cấu hình cis, đồng thời xảy ra sự di chuyển nguyên tử H từ nhóm N(2)H sangnguyên tử S và nguyên tử H này bị thay thế bởi kim loại do đó tạo thành phức

NH2N C

NH2N C S N

H2

NH2N C S N

N C

M

M

M cis

trans

Thiosemicacbazit thường có xu hướng thể hiện dung lượng phối trí bằng hai

và liên kết được thực hiện qua nguyên tử S và N(1) Để thực hiện kiểu phối trí nàycần phải tiêu tốn năng lượng cho quá trình chuyển phân tử từ cấu hình trans sangcấu hình cis và di chuyển nguyên tử H từ N(2) sang nguyên tử S Năng lượng nàyđược bù trừ bởi năng lượng dư ra do việc tạo thành một liên kết và hiệu ứng đóng

Đề tài dự thi khoa học kỹ thuật lần thứ 4 Trường THPT Sơn Tây-Hà Nội

vòng Cũng như thiosemicacbazit, các thiosemicacbazon có khuynh hướng thể hiệndung lượng phối trí cực đại Tuỳ thuộc vào hợp chất cacbonyl mà thiosemicacbzon

có thể là phối tử một, hai, ba, hay bốn càng

Các thiosemicacbazon của axetophenon, xyclohexanon, benzanđehit, chúng

là các hợp chất không chứa nguyên tố có khả năng tham gia tạo phức thì phối tửđóng vai trò như phối tử hai càng

N

N C

S

NH2H

N N

D¹ng thion D¹ng thiol

Hình 1.18: Sự tạo thành phức của thiosemicacbazon.

1.3 Các phương pháp vật lí nghiên cứu cấu trúc phức chất và các thông số kỹ thuật của máy đo

- Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại

- Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân

- Phương pháp phổ khối lượng ESI-MS

* Phương pháp phổ hồng ngoại IR: Phổ hồng ngoại được ghi trên máy

GX-PerkinElmer-USA, tại Viện hóa học - Viện Hàn Lâm khoa học Việt Nam, mẫu được ép dạng viên rắn với KBr

* Phương pháp phổ cộng hưởng từ 1 H-NMR: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1NMRđược ghi trên máy FT-NMR AVANCE-500MHZ (Bruker), tại Viện Hóa học Viện Hàn Lâm Khoa học Việt Nam, trong dung môi DMSO-d6

H-* Phương pháp phổ khối ESI-MS: Phổ khối lượng được ghi trên máy

LC-MSD-Trap-SL, phương pháp bắn phá ESI tại Viện Hóa học - Viện Hàn Lâm Khoa học Việt Nam

- Thăm dò khả năng phát quang: Viện vật lí - Viện Hàn Lâm Khoa học Việt Nam

- Thăm dò hoạt tính sinh học: phòng thử hoạt tính sinh học, tàng 6 nhà A6-Viện Hoá học - Viện Hàn Lâm Khoa học Việt Nam

CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

2.1 Tổng hợp phối tử: phối tử được tổng hợp theo sơ đồ:

2.1.1: Phối tử 9-antradehit-4-phenylthiosemicacbazon (9PhATSC)

Bước 1: Hòa tan 0,081 gam 4-phenylthiosemicacbazit (C7H9N3) trong 10 ml dungdịch axit HCl có pH=1 tạo dung dịch không màu (1)

Bước 2: Hòa tan 0,1 gam 9-antrađehit (C15H10O) vào 10 ml dung dịch C2H5OH,đun nóng thu được dung dịch màu vàng (2)

Bước 3: Đổ từ từ dung dịch (1) vào dung dịch (2), đun nóng nhẹ, khuấy đều trong

vòng 1 giờ thu được kết tủa màu vàng

Bước 4: Lọc kết tủa trên phễu lọc đáy thủy tinh xốp Rửa kết tủa thu được lần lượt

bằng nước, etanol, n-hexan nóng Sau đó làm khô bằng bình hút ẩm

Kết quả: thu được sản phẩm có màu vàng cam đậm

2.1.2: Phối tử 9-antradehit-4-metylthiosemicacbazon (9MeATSC)

Bước 1: Hòa tan 0,05 gam 4-metylthiosemicacbazit (C2H7N3S) trong 10 ml dungdịch axit HCl có pH=1 được dung dịch không màu (1)

Bước 2: Hòa tan 0,1 gam 9-antrađehit (C15H10O) vào 10 ml dung C2H5OH, đunnóng thu được dung dịch màu vàng (2)

Bước 3: Đổ từ từ dung dịch (1) vào dung dịch (2), đun nóng nhẹ, khuấy đều trong

vòng 1 giờ thu được kết tủa màu vàng

Bước 4: Lọc kết tủa trên phễu lọc đáy thủy tinh xốp Rửa kết tủa thu được lần lượt

bằng nước, etanol, n-hexan nóng Sau đó làm khô bằng bình hút ẩm

Kết quả: thu được sản phẩm có màu vàng cam đậm

2.2 Tổng hợp phức chất: phức chất được tổng hợp theo sơ đồ:

H2N NH

NH R

H + (pH:1-2)

Đề tài dự thi khoa học kỹ thuật lần thứ 4 Trường THPT Sơn Tây-Hà Nội

SC)2SC)2SC)3SC)3

N NH S

NH R

M(9PhAT M(9MeAT Co(9PhAT Co(9MeAT

Bước 5: Lọc lấy chất rắn và rửa kĩ với nước, rượu, kết tinh lại trong hỗn hợp dung

môi CH3OH/CH2Cl2, để dung môi bay hơi chậm ở nhiệt độ phòng

Kết quả: thu được tinh thể màu nâu đen

Bước 5: Lọc lấy chất rắn và rửa nhiều lần với nước, rượu Kết tinh lại trong hỗn

hợp dung môi CH3OH/CH2Cl2, để dung môi bay hơi chậm ở nhiệt độ phòng

Kết quả: thu được tinh thể màu đen

2.2.3: Tổng hợp phức chất Cu-9PhATSC và Cu-9MeATSC

Bước 1: Hòa tan 0,01 gam CuCl2.2H2O (M≈171) trong 5 ml dung dịch NH3 có pH

= 10 thu được dung dịch màu xanh lá cây (1)

Bước 2: Hòa tan 0,042 gam 9PhATSC hoặc 0,035 gam 9MeATSC trong 10 ml

C2H5OH, đun nóng thu được dung dịch màu vàng (2)

Bước 3: Đổ từ từ dung dịch (1) vào dung dịch (2), đun nóng thấy xuất hiện kết tủa

xanh đen

Bước 4: Đun nóng hỗn hợp trên tiếp trong vòng 1 giờ.

Bước 5: Lọc lấy kết tủa, rửa kĩ bằng nước, etanol nóng.

Kết quả: thu được chất rắn có màu xanh đen

2.3 Kết quả và thảo luận

2.3.1 Nghiên cứu phối tử 9PhATSC, 9MeATSC và các phức chất của chúng bằng phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (IR)

Phản ứng tổng hợp phối tử được thực hiện ở điều kiện thiếu ánh sáng để hạnchế sự phân hủy của vòng antraxen Phối tử 9PhATSC và 9MeATSC tách ra dướidạng kết tủa màu vàng Kết tinh lại trong etanol thu được tinh thể màu vàng Đểloại được anđehit dư cần rửa kĩ sản phẩm thu được bằng n-hexan nóng Sản phẩmthu được tan tốt trong etanol nóng, DMF và DMSO

Phản ứng tổng hợp phức chất cũng được thực hiện ở điều kiện thiếu ánh sáng

để hạn chế sự phân hủy của vòng antraxen Phản ứng tạo phức tiến hành trong dungdịch NH3 đặc hoặc trong trietylamin, sự tạo phức theo tỉ lệ 1:2 và 1:3 Phức chấtthu được có màu: phức của Cu(II)-xanh đen; phức của Co(II)-nâu đen

Phối tử 9PhATSC tan tốt hơn (hoà tan 30 phút), phối tử 9MeATSC (hoà tan

50 phút) trong etanol nóng Khả năng tạo phức của phối tử 9PhATSC dễ hơn phối

tử 9MeATSC, trong trietylamin dễ hơn trong amoniac Màu của phức chất tạo bởi9PhATSC nhạt hơn phức chất tạo bởi 9MeATSC

2.3.1.1 Nghiên cứu phối tử 9PhATSC và 9MeATSC bằng phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (IR)

Việc quy kết cho một số dải hấp thụ chính của 9-antrađehit, 9PhATSC và9MeATSC được trình bày trong Bảng

Hợp chất ν NH ν C=O ν C=N νCNN ν C=S

Đề tài dự thi khoa học kỹ thuật lần thứ 4 Trường THPT Sơn Tây-Hà Nội

Trên phổ hấp thụ hồng ngoại của 9-antrađehit xuất hiện dải hấp thụ ở 1665

cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết C=O và không thấy xuất hiện dảinày trên phổ hấp thụ hồng ngoại của 9PhATSC, 9MeATSC Bên cạnh đó, sự xuấthiện dải hấp thụ ở 1542 cm-1 (9PhATSC) và 1523 cm-1 (9MeATSC) đặc trưng chodao động hóa trị của liên kết C=N là liên kết được hình thành trong phản ứngngưng tụ Điều này cho phép khẳng định rằng phối tử đã được tạo thành

Trong phổ hồng ngoại các dải hấp thụ ở 3313; 3171 cm-1 (9PhATSC) và ở3399; 3216 cm-1 (9MeATSC) được quy kết cho dao động hóa trị của nhóm NH.Nằm trong khoảng 1400–1500 cm-1 là tín hiệu ứng với dao động hóa trị của liên kếtCNN Dao động hóa trị của liên kết C=S nằm trong khoảng 750–900 cm-1

2.3.1.2 Nghiên cứu phức bằng phương pháp phổ hồng ngoại (IR)

Phổ IR của Co-9PhATSC

Phổ IR của Cu-9PhATSC