PHỨC CHẤT KẼM, SẮT, ĐỒNG, MANGAN VỚI AMINO AXIT THIẾT YẾU VÀ VẬT LIỆU KHUNG HỮU CƠ

Do đó, trên thế giới hiện có xu hướng kết hợp các kim loại với amino axit dưới dạng phức chất với mục đích tăng khả năng hấp thu qua thành ruột và chuyển hóa của kim loại.. Tuy nhiên, vớ

1

MỞ ĐẦU

1 Ý nghĩa của luận án

Cơ thể người cũng như động vật cần một lượng nhất định một số kim loại và amino axit để đảm bảo cho sự duy trì và hoạt động bình thường của cơ thể Nếu thiếu các thành phần này cơ thể sẽ mất cân bằng và gây ra một số bệnh Có 10 kim loại được thiên nhiên lựa chọn để xây dựng các hệ sinh học trong đó có Zn, Fe, Cu và Mn gọi

là kim loại sinh học [88, 89] Thông thường, cơ thể động vật tự tổng hợp được một số amino axit Tuy nhiên, có tám amino axit cần thiết cho cơ thể mà động vật không thể tự tổng hợp được trong đó có lysin (HLys), methionin (HMet), threonin (HThr), tryptophan (HTrp) và valin (HVal), gọi là các amino axit thiết yếu Do đó, cần thiết phải bổ sung các kim loại sinh học và các amino axit thiết yếu cho cơ thể qua con đường ăn uống

Bổ sung kim loại cho cơ thể sống ở dạng muối vô cơ thường khó hấp thu, trong khi amino axit luôn được hấp thu rất tốt (95%) Do đó, trên thế giới hiện có xu hướng kết hợp các kim loại với amino axit dưới dạng phức chất với mục đích tăng khả năng hấp thu qua thành ruột và chuyển hóa của kim loại Phức chất của kim loại sinh học với amino axit thiết yếu được chứng minh là tăng hiệu quả hấp thu, khả dụng sinh học tốt, dung nạp kim loại cao và an toàn [46]

Nghiên cứu phức chất là hướng vừa mang tính truyền thống vừa mang tính hiện đại của hóa học vô cơ Nghiên cứu phức chất của các kim loại sinh học Zn, Fe, Cu, Mn với các amino axit thiết yếu nhằm đóng góp một phần vào hướng nghiên cứu phong phú này Đặc biệt luận án đã kết hợp các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng để nghiên cứu cấu trúc và tính chất các phức chất Thăm dò khả năng ứng dụng về hiệu quả hấp thu kim loại trong cơ thể sống cũng như về chế tạo vật liệu khung hữu cơ – kim loại trên cơ sở các phức chất đã góp phần làm phong phú thêm những ứng dụng của phức chất

2 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Hiê ̣n nay, ở nước ta các kim loại sinh học thường được đưa vào

cơ thể chủ yếu ở da ̣ng muối vô cơ đơn giản Tuy nhiên, cơ thể con người và động vâ ̣t chỉ có thể hấp th u được lượng rất nhỏ các nguyên

tố kim loại, còn lại phần lớn được đào thải ra ngoài qua hệ thống bài tiết và hầu hết được xả thẳng trực tiếp vào hệ thống nước mà không

qua xử lý Như vậy, nếu tiếp tục dùng các loại muối vô cơ của các nguyên tố kim loại như trên thì sẽ gây lãng phí Mặt khác lượng muối không hấp thu được thải ra gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Các nguyên tố kim loại này tích tụ lại có thể gây ra các bệnh

do nhiễm độc kim loại, ung thư…

Ở Việt Nam hiện nay, chúng ta chưa sản xuất được các sản phẩm

bổ sung kim loại và amino axit dưới dạng phức chất mà phải nhập khẩu từ nước ngoài với giá rất cao và không chủ động được nguồn sản phẩm

Ở nước ta, hiện chưa có công trình nào nghiên cứu về phức chất của các kim loại Zn, Fe, Cu, Mn với các amino axit thiết yếu HLys, HMet, HThr, HTrp và HVal Trên thế giới, đã có một số công trình nghiên cứu các phức chất này Tuy nhiên, với 15 phức chất ZnLys2, ZnMet2, ZnThr2, ZnTrp2, ZnVal2,FeLys3, FeTrp3, CuLys2, CuMet2, CuThr2, CuTrp2, Cu2Val4, MnLys2, MnMet2 và MnVal2 các nghiên cứu hiện nay chưa thật đầy đủ về số lượng, xây dựng điều kiện tổng hợp, cấu trúc, tính chất các phức chất và nghiên cứu hiệu quả của việc hấp thu kim loại từ các phức chất này

Đối với những khoáng chất không có khả năng tạo phức với amino axit, việc sử dụng chất mang để tăng hiệu quả hấp thu là cần thiết Trên cơ sở các kim loại (Zn, Fe, Cu, Mn) và các amino axit đã

mở ra khả năng ứng dụng chế tạo vật liệu khung hữu cơ – kim loại Nghiên cứu vật liệu khung hữu cơ – kim loại MFeTrp và MZnTrp và đặc biệt định hướng ứng dụng làm chất mang khoáng chất là một vấn

đề mới trên thế giới, hiện nay chưa có công trình nào công bố

3 Mục tiêu và nội dung của luận án

Luận án có mục tiêu là: Tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc và tính chất các phức chất kẽm (II), sắt (III), đồng (II), mangan(II) với các amino axit thiết yếu và thăm dò khả năng ứng dụng về hiệu quả hấp thu kim loại cũng như về chế tạo vật liệu khung hữu cơ – kim loại định hướng cho cơ thể sống Bao gồm các nội dung:

 Xây dựng quy trình và tổng hợp 15 phức chất của Zn (II), Fe (III),

Cu (II), Mn (II) với các amino axit thiết yếu HMet, HLys, HThr, HTrp và HVal: ZnLys2, ZnMet2, ZnThr2, ZnTrp2, ZnVal2,FeLys3, FeTrp3, CuLys2, CuMet2, CuThr2, CuTrp2, Cu2Val4, MnLys2, MnMet2 và MnVal2

3

 Nghiên cứu cấu trúc, tính chất của các phức chất tổng hợp được bằng các phương pháp: Chuẩn độ đo pH, phân tích nguyên tố, EDS, đo độ dẫn điện, MS, DTA, TGA, UV - Vis, IR, NMR, XRD, SEM và mô phỏng Gaussian

 Nghiên cứu thăm dò khả năng ứng dụng:

- Khảo sát in vitro độ bền của các phức chất trong các môi trường

mô phỏng dịch ruột, dịch dạ dày và khả năng hấp thu CuThr2,

Cu2Val4 qua thành ruột của động vật

- Thăm dò khả năng chế tạo vật liệu khung hữu cơ – kim loại MFeTrp và MZnTrp trên cơ sở các phức chất tổng hợp được

4 Những đóng góp mới của luận án

 Nghiên cứu quy trình và điều kiện tổng hợp cho 15 phức chất ZnLys2, ZnMet2, ZnThr2, ZnTrp2, ZnVal2, FeLys3, FeTrp3, CuLys2, CuMet2, CuThr2, CuTrp2, Cu2Val4, MnLys2, MnMet2 và MnVal2:

 Nghiên cứu thành phần, cấu trúc phân tử và tính chất các phức chất tổng hợp được: Các phức chất có thành phần nguyên tố và tỉ lệ phù hợp với tỉ lệ các chất tham gia Các phân tử đều tạo cấu trúc chelat, liên kết giữa kim loại với phối tử xảy ra ở nhóm COO- và

NH2 (OH với HThr) Các phức chất tương đối bền trong dung dịch (thể hiện ở β1= 1,95 – 7,92), có năng lượng liên kết khá cao (E = 6,75.106 – 1,323.107) Các phức chất đều dẫn điện kém

 Kết quả khảo sát độ bền của các phức chất trong môi trường mô phỏng dịch dạ dày và dịch ruột cho thấy các phức chất nghiên cứu đều bền trong thời gian khảo sát ở hai môi trường này Cu được hấp thu từ CuThr2 cao gấp 2,4 lần, từ Cu2Val4 cao gấp 2,7 lần so với muối CuSO4 và nồng độ chất nghiên cứu càng cao thì phần trăm kim loại hấp thu càng giảm

 Chế tạo được vật liệu mới khung hữu cơ – kim loại MZnTrp và MFeTrp ở dạng tinh thể MZnTrp và MFeTrp là vật liệu xốp có cấu trúc tinh thể, thành phần nguyên tố gồm kim loại, C, O và N HTrp

có dung lượng phối trí là 3, Zn (Fe) có số phối trí 6 MZnTrp có diện

tích bề mặt riêng là 69 m/g và kích thước lỗ xốp là 28 A, MFeTrp

có diện tích bề mặt riêng là 153 m2/g và kích thước lỗ xốp là 106 Ao

5 Cấu trúc của luận án

Luận án gồm 131 trang: Mở đầu 3 trang; Chương 1 – Tổng quan

về phức chất kẽm, sắt, đồng mangan với amino axit thiết yếu và vật liệu khung hữu cơ – kim loại 31 trang; Chương 2 – Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu 17 trang; Chương 3 – Kết quả và thảo luận 67 trang; Kết luận 1 trang; Tài liệu tham khảo 10 trang; Danh mục các công trình đã công bố của luận án 2 trang; Có 25 bảng và

176 hình ảnh, đồ thị và sơ đồ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHỨC CHẤT KẼM, SẮT, ĐỒNG, MANGAN VỚI AMINO AXIT THIẾT YẾU VÀ VẬT

LIỆU KHUNG HỮU CƠ – KIM LOẠI

1.1 Vai trò của Zn, Fe, Cu, Mn và amino axit thiết yếu trong cơ thể sống

Các kim loại sinh học Zn, Fe, Cu, Mn và các amino axit lysin, methionin, threonin, tryptophan, valin là các chất thiết yếu trong cơ thể sống Nếu thiếu các chất này thì tùy mức độ nặng nhẹ sẽ dẫn đến một số bệnh, thậm chí tử vong Trong cơ thể sống, các kim loại từ nguồn vô cơ khó được hấp thu và chuyển hóa trong khi amino axit có khả năng hấp thu rất tốt (đến 95 %) [46]

Phức chất cho phép kim loại đi kèm theo với amino axit trong suốt quá trình vận chuyển qua thành ruột Thực tế chứng minh rằng hợp chất phức chất của kim loại và amino axit có độ bền phù hợp, có tính khả dụng sinh học tốt, dung nạp cao và an toàn [46] Vì vậy, việc nghiên cứu tổng hợp các phức chất Zn (II), Fe (III), Cu (II), Mn (II) với các amino axit thiết yếu là vô cùng cần thiết Nó giúp cải thiện hiệu quả hấp thu kim loại trong cơ thể sống

1.2 Tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc và tính chất phức chất

Zn, Fe, Cu, Mn với amino axit

Trên thế giới, đã có một số công trình nghiên cứu các phức chất này Tuy nhiên, với 15 phức chất của luận án,các nghiên cứu hiện nay chưa thật đầy đủ về số lượng, xây dựng điều kiện tổng hợp, cấu trúc, tính chất các phức chất cũng như nghiên cứu ứng dụng để làm tăng hiệu quả của việc hấp thu kim loại từ các phức chất này

5

Ở nước ta, hiện chưa thấy các nghiên cứu về phức chất của các kim loại Zn, Fe, Cu, Mn với các amino axit thiết yếu Đặc biệt chưa

có công trình nào nghiên cứu ứng dụng của các phức chất này làm

thức ăn bổ sung kim loại và amino axit cho cơ thể sống

1.3 Vai trò và ứng dụng của phức chất Zn, Fe, Cu, Mn với amino axit trong bổ sung kim loại và amino axit cho cơ thể sống

Các kết quả nghiên cứu trên thế giới [32, 33, 40, 46, 49, 57, 61,

70, 72, 86] đều chỉ ra rằng sử dụng phức chất kim loại với amino axit cung cấp kim loại cho cơ thể sống có sự hấp thu và chuyển hóa cao hơn so với các muối vô cơ Do đó làm tăng hiệu quả của việc bổ sung kim loại, tăng sức đề kháng và giảm khả năng mắc bệnh Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, phức chất kim loại với amino axit phải

có một khối lượng phân tử đủ nhỏ dưới 800 đvC để cho phép phức chất hấp thu nguyên vẹn qua thành ruột

Nghiên cứu phức chất kim loại sinh học với amino axit mở ra khả năng sản xuất thức ăn bổ sung khoáng amino axit trong nước với giá thành thấp và chủ động được nguồn sản phẩm

1.4 Nghiên cứu in vitro sự hấp thu phức chất qua thành ruột của động vật

Các công trình [49,101, 102] đã nghiên cứu in vitro sự hấp thu chất qua thành ruột của gà và lợn Các đoạn ruột tươi được lấy, và xử

lý với dung dịch KRB rồi khảo sát sự hấp thu chất nghiên cứu theo thời gian hoặc (và) theo nồng độ

1.5 Tổng hợp và nghiên cứu đặc trƣng vật liệu khung hữu cơ – kim loại

Trên thế giới và ở Việt Nam đã và đang có nhiều nghiên cứu về các loại vật liệu này nhằm mục đích lưu trữ khí, xúc tác,… Trên cơ

sở phức chất của các kim loại sinh học và các amino axit, nghiên cứu tổng hợp vật liệu khung hữu cơ - kim loại với định hướng làm chất mang khoáng chất là một lĩnh vực hoàn toàn mới và có triển vọng

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU 2.1 Thực nghiệm

quá trình tổng hợp phức chất

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp phức được khảo sát như nhiệt độ (khảo sát từ nhiệt độ phòng đến 90 o

C), thời gian phản ứng (khảo sát từ 15 phút đến 24 giờ), tỉ lệ mol các chất tham gia phản ứng bằng phương pháp phổ UV – Vis và dựa vào tính chất và trạng thái sản phẩm Ảnh hưởng của pH dung dịch được nghiên cứu bằng phương pháp Bjerrum, xác định được khoảng pH tạo phức và hằng số bền của phức chất Từ đó chọn được điều kiện thích hợp để tổng hợp các phức chất

2.1.2 Thực nghiệm tổng hợp phức chất của Zn (II), Fe (III), Cu (II), Mn (II) với các amino axit thiết yếu

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp các phức chất của Zn (II), Fe

(III), Cu (II) và Mn (II) với lần lượt các amino axit HLys, HMet,

HTrp và HVal

chất trong các môi trường mô phỏng dịch dạ dày, dịch ruột và khả năng hấp thu qua thành ruột của động vật

2.1.3.2 Thực nghiệm khảo sát khả năng hấp thu phức chất qua thành ruột của động vật

Chuẩn bị dung dịch phức chất (CuThr2, Cu2Val4) và CuSO4 Lấy các đoạn ruột của gà, rửa sạch nhẹ nhàng rồi đặt trong dung dịch đệm KRB Dùng đũa thủy tinh lộn mặt trong của ruột ra ngoài Gắn hai đầu của đoạn ruột lộn với 2 ống thủy tinh nhỏ bằng sợi dây Nhúng hệ thống trên vào 100 ml dung dịch chứa chất nghiên cứu Rót dung dịch KRB vào ống thủy tinh sao cho đầy đoạn ruột, thể tích KRB trong ruột là 20 ml Dẫn luồng khí O2 từ bên ngoài vào dung dịch chất nghiên cứu Nhúng toàn bộ hệ thống trong bình điều nhiệt

ở 37 o

C (hình 2.4) Sau 2,5 phút lấy dung dịch KRB trong ruột ra phân tích hàm lượng kim loại bằng phương pháp trắc quang (Hàm lượng kim loại được xác định bằng máy trắc quang Hach Model DR/2400)

khung hữu cơ – kim loại của Zn (II), Fe (III) với tryptophan

Thêm từ từ dung dịch Fe3+

(hoặc Zn2+) vào dung dịch HTrp trong H2O - DMF tỉ lệ 1 : 1 đặt trên máy khuấy từ ở 90 oC trong 10 giờ, điều chỉnh pH bằng NaOH, già hóa 24 giờ sau đó đem thủy nhiệt

ở 120 oC trong 48 giờ, sau quá trình thủy nhiệt, lọc tách tinh thể kết tinh, rửa bằng dung môi H2O - DMF sau đó sấy khô ở 80 oC Tinh thể sản phẩm có màu đặc trưng của kim loại

2.2 Các phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án: phân tích nguyên tố (hóa học và phổ EDS); chuẩn độ đo pH, đo độ dẫn điện, phổ khối lượng; phân tích nhiệt; phổ hồng ngoại; phổ tử ngoại – khả kiến; phổ cộng hưởng từ hạt nhân; nhiễu xạ tia X; hiển vi điện

tử quét; đẳng nhiệt hấp phụ - nhả hấp phụ nitơ; mô phỏng Gaussian

và phương pháp vitro nghiên cứu khả năng hấp thu kim loại qua thành ruột của động vật

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp phức chất

Ảnh hưởng của pH đến tổng hợp phức chất được nghiên cứu bằng các đường cong chuẩn độ hệ phối tử và hệ phối tử + ion kim loại bằng dung dịch KOH Hình 3.1 là các đường cong chuẩn độ hệ HLys và hệ HLys + ion kim loại (a là số đương lượng KOH kết hợp với 1 mol amino axit)

Hình 3.1 Đường cong chuẩn độ hệ H 2 Lys + (1), Cu 2+ + 2H 2 Lys + (2),

Fe 3+ + 3H 2 Lys + (3), Mn 2+ + 2H 2 Lys + (4) và Zn 2+ + 2H 2 Lys + (5)

Khoảng pH tạo phức là khoảng mà đường cong chuẩn độ hệ phối

tử + ion kim loại nằm dưới đường cong chuẩn độ phối tử do phản ứng tạo H+

nên pH giảm Từ kết quả chuẩn độ tính được hằng số bền bậc 1 (β1) theo phương pháp Bjerrum trình bày trên bảng 3.2

9

Ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian, và tỉ lệ mol các chất tham gia phản ứng đến tổng hợp các phức chất được nghiên cứu bằng phương pháp phổ UV – Vis và dựa vào tính chất và trạng thái sản phẩm Kết quả được chỉ ra ở bảng 3.2

Từ điều kiện thích hợp , tiến hành tổng hợp các phức chất, thu được sản phẩm dạng tinh thể với hiệu suất (H) và màu sắc đặc trưng của kim loại được trình bày trên bảng 3.2

Bảng 3.2 Điều kiện thích hợp và kết quả tổng hợp các phức chất

Độ pH / β1 Tỉ lệ

Kl:Pt

Sản phẩm

H (%)

ZnLys2 80 6 4,50–8,81/7,5 1 : 2 Tt, trắng 81,24 ZnMet2 90 6 6,10-9,05/3,05 1 : 2 Tt, trắng 74,52 ZnThr2 80 6 5,90-9,06/4,45 1 : 2 Tt, trắng 80,07 ZnTrp2 80 4 6,20-9,02/4,36 1 : 2 Tt, trắng 83,60 ZnVal2 80 6 6,15–9,06/5,23 1 : 2 Tt, trắng 78,56 FeLys3 80 6 2,88-4,97/7,08 1 : 3 Tt, nâu 68,34 FeTrp3 80 24 2,80-4,74/7,16 1 : 3 Tt, nâu 65,00 CuLys2 80 6,25 4,63-11,0/1,95 1 : 2 Tt, xanh 80,00 CuMet2 90 4 4,73-11,0/1,97 1 : 2 Tt, xanh 81,80 CuThr2 80 6 4,58-11,1/2,37 1 : 2 Tt, xanh 85,62 CuTrp2 80 4 4,9-11,00/3,02 1 : 2 Tt, xanh 72,10

Cu2Val4 80 6 4,8-11,14/3,03 1 : 2 Tt, xanh 70,68 MnLys2 80 6 2,88-6,64/4,87 1 : 2 Tt, hồng 67,83 MnMet2 90 6 2,85–7,16/7,92 1 : 2 Tt, hồng 61,00 MnVal2 80 6 2,87–7,18/7,35 1 : 2 Tt, hồng 69,17 Tt: Tinh thể

3.2 Kết quả phân tích hàm lƣợng các nguyên tố trong phức chất

Hàm lượng các nguyên tố trong phức chất được xác định bằng phương pháp hóa học và phổ tán sắc năng lượng tia X Kết quả được trình bày trong bảng 3.3 Các kết quả phân tích nguyên tố thực nghiệm bằng phương pháp hóa học (với kim loại) và phương pháp EDS là phù hợp với công thức dự kiến lý thuyết

Bảng 3.3 Kết quả phân tích hàm lượng nguyên tố của các phức chất

Cu2Val4 Cu2C20H44N4O10 20,12 / 20,38 1:5,02:2,1:0 / 1:5:2:0 MnLys2 MnC12H30N4O6 13,88 / 14,44 1:6,17:3,75:0 / 1:6:4:0 MnMet2 MnC10H24N2S2O6 12,50/14,20 1:6,40:2,00:1,89/1:6:2:2 MnVal2 MnC10H24N2O6 16,56 / 17,03 1:6,17:2,09:0 / 1:6:2:0 M: Kim loại Zn, Fe, Cu, Mn; %M: % theo khối lượng của kim loại

3.3 Kết quả đo độ dẫn điện của các phức chất

Số ion phân ly trong mỗi phân tử phức chất được xác định bằng

độ dẫn điện phân tử Kết quả đo độ dẫn điện của các phức chất nghiên cứu với độ loãng 1 mol trong 500 lít nước được trình bày trên bảng 3.4 Kết quả cho thấy, các phức có độ dẫn điện nhỏ, chứng tỏ các phân tử của chúng không phân ly ra ion

Bảng 3.5 Kết quả phân tích phổ khối lượng của các phức chất

Phức chất Mmin; Mmax;MTN/MLT m/z

ZnLys2 390; 394; 390 / 390 355 = ZnLys2–2H2O + H+ZnMet2 396; 400; 396 / 396 379 = ZnMet2-1H2O + H+ZnThr2 336; 340; 336 /336 319 = ZnThr2–1H2O+H+ZnTrp2 506; 510; 508 / 506 509 = ZnTrp2 + H+ ZnVal2 332; 336; 332 / 332 319 = ZnVal2– 2H2O+Na+FeLys3 489; 491; 491 / 491 492 = FeLys3 + H+

CuLys2 371; 373; 372 / 371 355 = CuLys2-H2O+H+CuMet2 377; 379; 377 / 377 382 = CuMet2-H2O+Na+ CuThr2 317; 319; 318 / 317 319 = CuThr2 -H2O+ H+CuTrp2 487; 489; 487/487 492 = CuTrp2 –H2O+Na+

Cu2Val4 590; 594; 590 / 590 613 = Cu2Val4 + Na+ MnLys2 381; 381; 381 / 381 346 = MnLys2–2H2O+H+MnMet2 387; 387; 387 / 387 374 = MnMet2–2H2O+Na+MnVal2 323; 323; 323 / 323 311 = MnVal2–2H2O+Na+

(CTPT dự kiến, KLPT phức chất, Mmax, Mmin, MTN, MLT không tính

H2O kết tinh)

3.5 Kết quả nghiên cứu phân tích nhiệt của phức chất

Sử dụng giản đồ phân tích nhiệt để theo dõi quá trình phân hủy và mất khối lượng bởi nhiệt, các hiệu ứng xảy ra của các phức chất Trên cơ sở đó suy đoán lượng nước kết tinh, nước phối trí, các sản phẩm khí và sản phẩm cuối cùng (oxit) của quá trình Các kết quả này góp phần xác định công thức cấu tạo của phức chất Kết quả phân tích nhiệt của các phức chất được trình bày trên bảng 3.6

Bảng 3.6 Kết quả phân tích nhiệt của các phức chất

252,77 (thu); 537,98 (tỏa); 660,07 (tỏa)

>526 18,54 / 16,29 Fe2O3