Thiết kế, tổng hợp và ứng dụng các sensor huỳnh quang từ dẫn xuất của dimethylaminocinnamaldehyde và dansyl tt

Trong khi đó, một nghiên cứu hoàn chỉnh kết hợp tính toán và thực nghiệm cho các quá trình thiết kế, tổng hợp và ứng dụng của các sensor huỳnh quang hiện vẫn còn chưa, hoặc rất ít được c

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN KHOA HIỀN

THIẾT KẾ, TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG CÁC SENSOR HUỲNH QUANG TỪ DẪN XUẤT CỦA DIMETHYLAMINOCINNAMALDEHYDE

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế

Người hướng dẫn khoa học: 1 PGS.TS Dương Tuấn Quang

2 PGS.TS Nguyễn Tiến Trung

Có thể tìm thấy luận án tại: Thư viện Quốc gia, thư viện trường Đại học Sư phạm Đại học Huế.

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ

LIÊN QUAN LUẬN ÁN

1 Duong Tuan Quang, Nguyen Van Hop, Nguyen Dinh Luyen,

Ha Phuong Thu, Doan Yen Oanh, Nguyen Khoa Hien,

Nguyen Van Hieu, Min Hee Lee and Jong Seung Kim (2013), A new fluorescent chemosensor for Hg2+

in aqueous

solution, Luminescence., 28, pp 222-225

2 Nguyen Khoa Hien, Phan Tu Quy, Nguyen Tien Trung, Vo

Vien, Dang Van Khanh, Nguyen Thi Ai Nhung and Duong Tuan Quang (2014), A dansyl­diethylenetriamine­thiourea conjugate as a fluorescent chemodosimete for Hg2+ ions in

water media, Chemistry Letters, 43, pp 1034-1036

3 Nguyen Khoa Hien, Nguyen Chi Bao, Nguyen Thi Ai

Nhung, Nguyen Tien Trung, Pham Cam Nam, Tran Duong, Jong Seung Kim, Duong Tuan Quang (2015), A highly sensitive fluorescent chemosensor for simultaneous determination of Ag(I), Hg(II), and Cu(II) ions: Design,

synthesis, characterization and application, Dyes and

Pigments, 116, pp 89-96

4 Nguyen Khoa Hien, Nguyen Thi Ai Nhung, Ho Quoc Dai,

Nguyen Tien Trung, Duong Tuan Quang (2015), A fluorescent sensor based on dansyl-diethylenetriamine-thiourea conjugate:

design, synthesis, characterization, and application, Vietnam

Journal of Chemistry, 53(5e) pp 541-547

5 Nguyen Khoa Hien, Nguyen Chi Bao, Phan Thi Diem Tran,

Nguyen Van Binh, Duong Tuan Quang (2015), A fluorescent chemosensor based on dimethylaminocinnamaldehyde-aminothiourea for highly sensitive simultaneous

determination of silver, mercury, and copper ions, The

Analytica Vietnam Conference 2015, Ho Chi Minh City,

April 15-16, 01-07, pp 13-17

Dyes and Pigments, 2015, 116, pp 89-96

A highly sensitive fluorescent chemosensor for simultaneous determination of Ag(I), Hg(II), and Cu(II) ions: design, synthesis,

characterization and application

Chemistry Letters, 2014, 43, pp 1034-1036

A dansyl- diethylenetriamine -thiourea conjugate as a fluorescent

chemodosimeter for Hg2+ ions in water media

MỞ ĐẦU

Sensor huỳnh quang đầu tiên đã được tác giả Czarnik ở Đại học Ohio công bố vào năm 1992 Hiện nay, hầu như không có tuần nào là không có sensor huỳnh quang mới được công bố trên thế giới Điều này là do phương pháp phân tích huỳnh quang thường nhạy với chất phân tích, không đòi hỏi thiết bị máy móc đắt tiền, dễ thực hiện, chi phí phân tích thấp, có thể phân tích các chất trong tế bào sống Các sensor huỳnh quang được nghiên cứu ứng dụng trong phân tích nhiều đối tượng khác nhau, đặc biệt là các ion kim loại nặng, độc hại như thủy ngân (II), đồng (II) và bạc (I)

Phát triển các sensor huỳnh quang mới đã và đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học Do đó, một cơ sở khoa học cho quá trình thiết kế, tổng hợp và ứng dụng các sensor huỳnh quang là rất quan trọng, giúp giảm thời gian, chi phí và tăng khả năng thành công Hiện nay, hoá học lượng tử tính toán được hỗ trợ mạnh mẽ bởi sự phát triển của công nghệ thông tin, đã trở thành một công cụ quan trọng trong nghiên cứu hoá học Nhiều tính chất vật lý và hóa học đã được

dự đoán hoặc làm sáng tỏ từ tính toán Trong khi đó, một nghiên cứu hoàn chỉnh kết hợp tính toán và thực nghiệm cho các quá trình thiết

kế, tổng hợp và ứng dụng của các sensor huỳnh quang hiện vẫn còn chưa, hoặc rất ít được công bố

Ở Việt Nam, các sensor huỳnh quang đã được tác giả Dương Tuấn Quang nghiên cứu từ năm 2007, bao gồm: các chemosensor phát hiện ion Fe(III), F-, Cs+ và Cu(II) dựa trên calix[4]arene; chemosensor chứa vòng 1,2,3-triazole phát hiện Al(III) và chemosensor phát hiện Hg(II) từ dẫn xuất của rhodamine

Gần đây, các dẫn xuất của dansyl đã được sử dụng để thiết kế các sensor huỳnh quang, do các hợp chất của chúng thường phát huỳnh quang mạnh và linh hoạt trong cơ cấu các dẫn xuất của chúng Tuy nhiên, chưa có sensor nào sử dụng dẫn xuất của dansyl để phát hiện Hg(II) dựa trên các phản ứng đặc trưng của Hg(II), nhằm tăng độ chọn lọc của sensor Một chất huỳnh quang khác là 4-N,N-

dimethylaminocinnamaldehyde, vẫn còn chưa, hoặc rất ít nghiên cứu

để phát triển các sensor phát hiện ion Hg(II), Cu(II) và Ag(I)

Trước nhu cầu và thực trạng nghiên cứu các sensor huỳnh quang

trên thế giới và Việt Nam, chúng tôi chọn đề tài “Thiết kế, tổng hợp

và ứng dụng các sensor huỳnh quang từ dẫn xuất của dimethylaminocinnamaldehyde và dansyl”

Những đóng góp mới của luận án:

- Một chemodosimeter DT mới từ dẫn xuất của dansyl đã được

công bố, có thể phát hiện chọn lọc Hg(II) dựa trên phản ứng đặc trưng của Hg(II) - phản ứng giữa dẫn xuất thiourea với amin tạo vòng guanidine khi có mặt Hg(II) - hoạt động theo cơ chế PET (sự chuyển electron do cảm ứng ánh sáng), kiểu bật-tắt (ON-OFF) huỳnh quang, với giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng Hg(II) tương ứng là 50

bật Một cơ sở khoa học cho quá trình nghiên cứu phát triển các sensor huỳnh quang mới đã được trình bày, thông qua kết quả của quá trình kết hợp linh hoạt giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm trong nghiên cứu thiết kế, tổng hợp và ứng dụng của chemodosimeter

DT và chemosensor DA

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan nghiên cứu về sensor huỳnh quang

1.1.1 Tình hình nghiên cứu sensor huỳnh quang

1.1.2 Nguyên tắc hoạt động của sensor huỳnh quang

1.1.3 Cấu tạo của sensor huỳnh quang

1.1.4 Nguyên tắc thiết kế các sensor huỳnh quang

1.2 Nguồn ô nhiễm, độc tính, phương pháp phát hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I)

1.3 Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I)

1.3.1 Sensor huỳnh quang dựa trên các phản ứng đặc trưng của ion kim loại

1.3.2 Sensor huỳnh quang dựa trên các phản ứng tạo phức với ion kim loại

1.3.3 Sensor huỳnh quang dựa trên tương tác cation – π

1.3.4 Sensor huỳnh quang phát hiện đồng thời Hg(II), Cu(II)

và Ag(I)

1.4 Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I) dựa trên fluorophore là nhóm dansyl và 4-N,N- dimethylaminocinnamaldehyde

1.4.1 Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II) dựa trên fluorophore là nhóm dansyl

1.4.2 Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I) dựa trên fluorophore là 4-N,N-dimethylaminocinnamaldehyde

1.5 Tổng quan ứng dụng hoá học tính toán trong nghiên cứu các sensor huỳnh quang

CHƯƠNG 2

N I DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu nghiên cứu

2.2 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng

chemodosimeter DT dựa trên dẫn xuất của dansyl để phát hiện chọn

lọc Hg(II)

- Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng

chemosensor DA dựa trên DACA phát hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I) 2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết

- Việc xác định cấu trúc hình học bền, năng lượng điểm đơn được thực hiện bằng phương pháp DFT tại B3LYP/LanL2DZ, sử dụng phần mềm Gaussian 03

- Các thông số năng lượng tương tác được hiệu chỉnh ZPE gồm biến thiên entanpi và biến thiên năng lượng tự do Gibbs của các phản

ứng được tính toán dựa trên sự khác biệt giữa tổng năng lượng của các sản phẩm và tổng năng lượng các chất tham gia

- Tính toán trạng thái kích thích và các yếu tố phụ thuộc thời gian được thực hiện bởi phương pháp TD-DFT ở cùng mức lý thuyết

- Các phân tích AIM và NBO được tiến hành ở cùng mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Đặc trưng cấu trúc của các chất được khẳng định bởi các phổ 1H NMR, phổ 13C NMR, phổ khối MS, phổ hồng ngoại và phân tích nhiễu xạ đơn tinh thể tia X

- Đặc tính, ứng dụng của các sensor được thực hiện bởi phương pháp quang phổ huỳnh quang và UV-Vis

CHƯƠNG 3 KẾT QU VÀ TH O LUẬN 3.1 Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của DT- chemodosimeter phát hiện chọn lọc Hg(II) dựa trên liên hợp dansyl-diethylenetriamine-thiourea

3.1.1 Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của chemodosimeter DT

3.1.1.1 Khảo sát phương pháp tính toán

Để sử dụng mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ cho hệ nghiên cứu, một so sánh giữa kết quả tính toán và thực nghiệm về cấu trúc của dansyl

chloride (DC) đã được

tiến hành; và kết quả là không có sự khác biệt Điều này cho thấy, mức lý thuyết đã chọn có thể áp dụng cho hệ nghiên cứu

Hình 3.4 Năng lượng các HOMO và LUMO của

DC, DNSF, aminothiourea và phenyl

isothiocyanate tại B3LYP/LanL2DZ

với kết quả đáng tin cậy

3.1.1.2 Lựa chọn fluorophore và receptor cho DT

Do chất đầu dùng tổng hợp DT là DC không phát huỳnh quang, nên chất huỳnh quang dansyl sunfonamide (DNSF) đã được chọn làm fluorophore, aminothiourea và phenyl isothiocyanate (PITC)

được chọn làm receptor để nghiên cứu Hình 3.4 cho thấy, nếu aminothiourea làm receptor, huỳnh quang của sensor hình thành có thể bị dập tắt do quá trình PET từ receptor đến fluorophore Vì vậy, ở

đây PITC được chọn để thiết kế sensor huỳnh quang kiểu bật-tắt 3.1.1.3 Nghiên cứu lý thuyết phản ứng tổng hợp DT

a Phản ứng giữa DC với diethylenetriamine

Phản ứng giữa DC và diethylenetriamine để hình thành trực tiếp

sulfonamides không xảy ra (∆G 298

dương) Sulfonamides được hình thành thông qua các muối amoni (Hình 3.5) Kết quả tính toán cho

thấy, ΔH 298

và ΔG 298 phản ứng (2) là âm nhất Theo đó, B là sản

phẩm thuận lợi về mặt nhiệt động Phản ứng

Phản ứng P1 với PITC có ba sản phẩm (DT, DT-1 và DT-2) có

thể được hình thành (Hình 3.7) Trong đó,

ΔH 298

và ΔG 298 phản ứng (8) là âm nhất Theo đó,

Hình 3.5 Các sản phẩm có thể có của

phản ứng giữa DC với diethylenetriamine

DT là sản phẩm thuận lợi về mặt nhiệt động

Để đánh giá khả năng phản ứng hóa học xảy ra, ngoài điều kiện về nhiệt động học, cần phải đảm bảo điều kiện về động học Về nguyên tắc, hóa tính toán có thể xác định được hằng số tốc độ phản ứng Tuy nhiên, đối với phản ứng phức tạp, việc tính toán này mất nhiều thời

gian Thay vào đó, quá trình tính toán chỉ dừng lại ở mức dự đoán khả năng phản ứng và hướng sản phẩm dựa trên các thông số nhiệt động, sau đó tiến hành thực nghiệm sẽ cho kết quả nhanh hơn Sự kết hợp linh hoạt giữa tính toán và thực nghiệm sẽ giảm tải khối lượng công việc tính toán hoặc thực nghiệm

3.1.1.4 Nghiên cứu lý thuyết đặc tính của chemodosimeter DT

a Cấu trúc phân tử DT

Chiều dài các liên kết, số đo các góc liên kết, góc nhị diện

trong DT đã được

tính toán Trong đó,

các tiểu phần DC và diethylenetriamine trong DT ít thay đổi so với ban đầu

b Phân tích phổ UV-Vis của DT

Phổ UV-Vis của DC đạt cực đại ở 485,2 và 1055,6 nm; DNSF đạt cực đại ở 262,0 và 390,0 nm; DT đạt cực đại ở 387,5 nm Theo đó,

Hình 3.8 Hình học bền của DT tại B3LYP/LanL2DZ

Hình 3.7 Các sản phẩm có thể có của phản ứng giữa

P1 với phenyl isothiocyanate

DT và DNSF có cùng bước sóng hấp thụ cực đại khoảng 390 nm Kết quả này đưa đến kỳ vọng huỳnh quang của DT tương tự DNSF Điều này cũng cho thấy sử dụng DNSF làm fluorophore trong nghiên cứu lý thuyết thu được kết quả chính xác hơn so với DC

c Phân tích đặc tính huỳnh quang của chemodosimeter DT

Bảng 3.5 Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan đến quá trình kích thích chính của DC, DNSF, PITC và DT tại B3LYP/LanL2DZ

Bảng 3.5 cho thấy, trạng thái kích thích chủ yếu của DT là ở bước

sóng 387,5 nm, với bước chuyển MO114→MO116 Do ở giữa các

MO này không có các MO của receptor (Hình 3.14), nên không có quá trình PET từ receptor đến fluorophore Tuy giữa các MO này có

MO115 thuộc về spacer, nhưng do chênh lệch năng lượng giữa

MO115 và MO114 là không lớn (0,1 eV), nên quá trình PET từ

MO115 về MO114 có xảy ra thì hằng số cân bằng nhỏ Kết quả

này dẫn đến một kỳ vọng DT có đặc tính huỳnh quang tương tự như DNSF Tuy nhiên, do ảnh hưởng của quá trình PET nói trên, hiệu suất lượng tử huỳnh quang của DT có thể là không lớn

3.1.1.5 Ứng dụng của DT

a Phản ứng giữa DT với Hg(II)

Hình 3.15 trình bày

hai sản phẩm (DG, và DG-1) có thể có từ phản ứng giữa DT và

Hg(II) Kết quả tính

toán ΔG 298

và ΔH 298

của phản ứng (12) âm hơn so với phản ứng (13) tương ứng là -9,9 kcal mol-1 và -11,8 kcal mol-1 Do đó, sự

hình thành DG là

thuận lợi về mặt nhiệt động

b Phổ UV-Vis và huỳnh quang của DG

Phổ UV-Vis của DG đạt cực đại ở bước sóng 403,8 nm với cường

ứng bước chuyển MO109→MO112, với cường độ dao động mạnh nhất là 0,0993 Do giữa các MO này có sự hiện diện của MO110 và

MO111 thuộc về receptor (Hình 3.19), nên xảy ra quá trình PET từ

receptor đến fluorophore Kết quả trên dẫn đến một kỳ vọng DG không phát huỳnh quang Do đó, DT có thể sử dụng để phát hiện

chọn lọc Hg(II) theo kiểu bật-tắt huỳnh quang

Bảng 3.6 Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan đến quá

trình kích thích chính của DG tại B3LYP/LanL2DZ

Hình 3.19 Giản đồ năng lượng các MO biên của DT và DG

(các mức năng lượng là tương đối, không theo tỷ lệ)

3.1.2 Thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của chemodosimeter DT

3.1.2.1 Thực nghiệm tổng hợp chemodosimeter DT

a Tổng hợp dansyl-diethylenetriamine

Hoà tan diethyltriamine (8,58 mL, 80 mmol) trong 20 mL CH3CN

và làm lạnh đến khoảng 0oC Thêm từng giọt dung dịch dansyl chloride (2,70 g, 10 mmol, hòa tan trong 100 mL CH3CN) Khuấy hỗn hợp phản ứng trong 6 giờ ở nhiệt độ phòng Sau đó cô đặc hỗn hợp thu được trong thiết bị cô quay chân không Thêm 100 mL nước

và axit hóa hỗn hợp thu được bằng dung dịch HCl (khoảng pH = 3) Thêm 25 mL ethyl ether, lắc kỹ, chiết loại bỏ pha hữu cơ (3 lần) Pha nước thu được, thêm dung dịch NaOH 2M và khuấy đều đến khi dung dịch trở nên sánh (khoảng 25 mL) Thêm 25 mL CH2Cl2 lắc kỹ

và chiết lấy pha hữu cơ Loại bỏ nước trong pha hữu cơ bằng

Na2SO4 Làm bay hơi dung môi trong thiết bị cô quay chân không để thu được sản phẩm chất rắn màu vàng đậm (khoảng 2,42 g, hiệu suất 72,0%) Cấu trúc của dansyl-diethylenetriamine được khẳng định bởi phổ 1H NMR và FAB-MS

b Tổng hợp chemodosimeter DT

Dansyl-diethyltriamine (337 mg, 1,0 mmol) và phenyl isothiocyanate (0,25 mL, 1,3 mmol) được hoà tan trong 30 mL acetonitrile Đun hồi lưu dung dịch phản ứng trong 6 giờ và đồng thời có sục khí N2 đuổi không khí trong bình đun Khuấy dung dịch phản ứng ở nhiệt độ phòng qua đêm Thêm vào dung dịch thu được

200 mL nước cất, 100 mL CH2Cl2, chiết lấy pha hữu cơ Loại bỏ nước trong pha hữu cơ bằng MgSO4 Làm bay hơi dung môi trong thiết bị cô quay chân không Sử dụng sắc ký cột silicagel (dung dịch rửa giải: CH2Cl2/ethyl acetate, 6/1) để tách lấy DT trong dung dịch

rửa giải Tiếp tục làm bay hơi dung môi trong thiết bị cô quay chân

không để thu chất rắn DT (khoảng 387 mg, 82%) Cấu trúc của DT

được khẳng định bởi phổ 1

H NMR, 13C NMR và FAB-MS

3.1.2.2 Thực nghiệm ứng dụng chemodosimeter DT

a Phổ UV-Vis và phổ huỳnh quang của DT

Như dự đoán từ tính toán, DT phát huỳnh quang màu xanh lá cây,

với hiệu suất lượng tử là 0,11; bước sóng huỳnh quang cực đại 529

nm, bước sóng hấp thụ cực đại 330 nm

b Phổ chuẩn độ UV-Vis và huỳnh quang DT với Hg(II)

Hình 3.26 cho thấy, như dự đoán từ lý thuyết, Hg(II) phản ứng và

làm thay đổi phổ UV-Vis và phổ huỳnh quang của DT Cường độ huỳnh quang dung dịch DT giảm dần khi tăng nồng độ Hg(II)

Hình 3.25 Phổ hấp thụ UV-Vis và phổ huỳnh quang của DT: (a) Phổ UV-Vis, DT (10

µM) trong C 2 H 5 OH/H 2 O (1/9, v/v), pH ~7; (b) phổ huỳnh quang, DT (10 µM) trong

C 2 H 5 OH/H 2 O (1/9, v/v), pH ~7, bước sóng kích thích 330 nm

450 500 550 600 650 0

20 40 60 80 100 120 140

Hình 3.26 Phổ chuẩn độ UV-Vis và huỳnh quang của DT bởi Hg(II): (a) Phổ UV-Vis, DT

(10 µM) trong C 2 H 5 OH/H 2 O (1/9, v/v), pH ~7, Hg(ClO 4 ) 2 (0, 2, 4, 6, 8, 10, 12 µM); (b) Phổ

huỳnh quang, DT (10 µM) trong C 2 H 5 OH/H 2 O (1/9, v/v), pH ~7, Hg(ClO 4 ) 2 (0, 1, 2, 3, 4, 5,

6.5, 7, 7.5, 8, 9, 10, 12 µM), bước sóng kích thích 330 nm

c Phản ứng giữa DT với Hg(II) Hình 3.27 cho thấy DT phản

ứng với Hg(II) theo tỷ lệ 1:1 về số

mol DG, sản phẩm phản ứng giữa DT với Hg(II) đã được tổng

hợp và cấu trúc hoàn toàn phù

hợp với kết quả tính toán DG

không phát huỳnh quang

Khi thêm EDTA với nồng độ

gấp 2 lần DT vào dung dịch sau phản ứng giữa Hg(II) và DT Kết

quả, không thấy bất kỳ một sự thay

đổi nào trong tín hiệu huỳnh quang Như vậy, phản ứng giữa DT với Hg(II) không đảo ngược được DT là một chemodosimeter huỳnh quang

d nh hưởng của các ion kim loại cạnh tranh

Hình 3.31 cho thấy DT có thể phát hiện chọn lọc Hg(II) trong sự

hiện diện của các ion kim loại Zn(II), Cu(II), Cd(II), Pb(II), Ag(I),

phản ứng giữa Hg(II) với DT (DT 10 µM

trong C 2 H 5 OH/H 2 O (1/9, v/v) ở pH ~7, bước

20 40 60 80 100 120 140

DT + C¸c ion kim lo¹i kh¸c + Hg2+

Fe(II), Cr(III), Co(III), Ni(II), Ca(II), Mg(II), K(I) và Na(I) với nồng

độ gấp 1,5 lần với DT

e Thời gian phản ứng giữa Hg(II) với DT

Phản ứng Hg(II) với DT xảy ra gần như tức thời, khoảng 20 giây

sau khi thêm Hg(II), nhanh hơn nhiều so với các sensor đã công bố

f Sử dụng DT phát hiện định lượng Hg(II)

Trong khoảng nồng độ Hg(II) từ 0,5 đến 10µM, biến thiên cường

độ huỳnh quang (ΔI529) quan hệ tuyến tính với nồng độ Hg(II), thể hiện phương trình: ΔI529 = (2,8 ± 0,8) + (11,3 ± 0,2) x [Hg(II)], với

R=0,999 Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng Hg(II) bởi DT

đã được xác định, tương ứng là 0,25 và 0,83 µM, hay 50 và 166 ppb

3.2 Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của DA - chemosensor phát hiện đồng thời Hg(II), Cu(II) và Ag(I) dựa trên dẫn xuất của 4-N,N-dimethylaminocinnamaldehyde

3.2.1 Nghiên cứu lý thuyết thiết kế, tổng hợp và đặc trưng DA 3.2.1.1 Lựa chọn fluorophore và receptor cho DA

Hình 3.36 cho thấy năng lượng HOMO và LUMO của aminothiourea và

PITC đều không nằm giữa

hai mức năng lượng HOMO và LUMO của

fluorophore là DACA Vì

vậy, cả hai chất này đều có thể chọn làm receptor, ở đây chọn aminothiourea để thiết kế sensor kiểu bật-tắt huỳnh quang

3.2.1.2 Lý thuyết phản ứng tổng hợp DA

Bốn sản phẩm có thể được hình thành từ phản ứng giữa DACA và

aminothiourea (Hình 3.37) Kết quả tính toán cho thấy, phản ứng tạo

sản phẩm DA-1 và DA-2 không xảy ra (ΔG 298

có giá trị dương)

ΔG 298

và ΔH 298 của phản ứng tạo sản phẩm DA-3 và DA có giá trị

Hình 3.36 Giản đồ năng lượng HOMO và LUMO

của DACA, aminothiourea và phenyl

isothiocyanate tại B3LYP/LanL2DZ

3.2.1.3 Lý thuyết đặc tính của DA

áp dụng cho kết quả đáng tin cậy

b Phổ UV-Vis của DA Phổ hấp thụ của DACA

c Phân tích đặc tính huỳnh quang của chemosensor DA

* Khả năng phát huỳnh quang trong chemosensor DA

Bảng 3.9 cho thấy, trạng thái kích thích có cường độ dao động

mạnh nhất của DA là từ S0→S2, ở bước sóng 395,2 nm, ứng với bước chuyển từ MO61 (HOMO)→MO62 (LUMO) Do ở giữa các MO

Hình 3.37 Các sản phẩm có thể có của phản

ứng giữa DACA với aminothiourea

Hình 3.38 Hình học bền của DA tại

B3LYP/LanL2DZ

này không có các MO của receptor, nên không có quá trình PET từ

receptor đến fluorophore Kết quả này dẫn đến kỳ vọng rằng DA là

một hợp chất phát huỳnh quang Ở trạng thái kích thích sau đó, từ

S0→S5,mặc dù cường độ dao động khá lớn, song bước chuyển đóng vai trò quan trọng nhất ở trạng thái này từ MO58→MO62, có

MO60 thuộc về receptor nằm ở giữa hai MO trong bước chuyển này, nên xảy ra quá trình PET từ receptor đến fluorophore Vì vậy

bước chuyển này không dẫn đến sự phát huỳnh quang trong DA

Bảng 3.9 Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan đến quá trình kích thích chính của DACA, aminothiourea và DA tại B3LYP/LanL2DZ

* Đặc tính huỳnh quang của chemosensor DA

Phân tử DA có cấu trúc kiểu Donor-π-Aceptor nên ảnh hưởng của

độ phân cực dung môi và quá trình phát xạ huỳnh quang ở trạng thái xoắn đã được khảo sát Kết quả cho thấy, độ phân cực của dung môi

không ảnh hưởng đến bước sóng huỳnh quang của DA Khi phân tử

DA bị kích thích bởi ánh sáng, ở trạng thái thái kích thích S1, sự chuyển đổi từ trạng thái kích thích LE*

(phẳng) sang TICT* (xoắn) là thuận lợi về mặt năng lượng Trạng thái TICT*

ứng với mức năng lượng S1 thấp nhất tương ứng với góc xoắn θ (góc giữa mặt phẳng donor và mặt phẳng π) bằng 90 Quá trình xoắn đồng thời làm tăng

bề mặt thế năng của trạng thái cơ bản và S0 đạt giá trị cực đại khi góc xoắn θ bằng 90 Khi đó, xuất hiện một khoảng cách cực tiểu giữa S0

và S1, dẫn đến phổ huỳnh quang DA chuyển dịch về bước sóng dài

3.2.2 Thực nghiệm tổng hợp và đặc trưng của DA

3.2.2.1 Thực nghiệm tổng hợp chemosensor DA

Hoà tan DACA (175 mg; 1,0 mmol) và aminothiourea (100 mg;

1,1 mmol) trong ethanol tuyệt đối (40 mL) Đun hồi lưu dung dịch phản ứng trong 6 giờ có kèm theo sục khí N2 để đuổi không khí trong bình đun Khuấy hỗn hợp sau khi đun 2 giờ ở nhiệt độ phòng để được một kết tủa rắn Lọc và rửa kết tủa (ba lần) với ethanol tuyệt đối (mỗi lần 5 mL) Chất rắn thu được tiếp tục tinh chế bằng kết tinh lại trong

ethanol tuyệt đối (25 mL) để thu sản phẩm DA tinh chất ở dạng rắn màu vàng sẫm (khoảng 207 mg, hiệu suất 83,0%) Cấu trúc của DA

được khẳng định bởi phổ 1

H NMR, FAB-MS, IR và phân tích nhiễu

xạ đơn tinh thể tia X

3.2.2.2 Thực nghiệm đặc trưng của chemosensor DA

Như dự đoán, DA phát huỳnh quang màu xanh lá cây, với hiệu

suất lượng tử là 0,25, bước sóng huỳnh quang cực đại ở 510 nm, bước sóng hấp thụ cực đại ở 390 nm, độ dịch chuyển Stoke 120 nm

Hình 3.43 Giản đồ năng lượng các MO biên của fluorophoro tự do, receptor tự do và chemosensor DA (các mức năng lượng là tương đối, không theo tỷ lệ)

sự hiện diện các ion kim loại, bao gồm Na(I), K(I), Pb(II), Cd(II), Co(II), Ca(II), Ba(II), Mg(II), Zn(II), Fe(II), Ni(II), Al(III) và Cr(III)

b Ứng dụng chemosensor

DA để phát hiện Hg(II)

Kết quả khảo sát phổ huỳnh quang chuẩn độ của

dung dịch DA bằng Hg(II) cho thấy DA và Hg(II) phản

ứng theo tỷ lệ 2:1 về số mol Khi thêm Na2S2O3 với

nồng độ gấp 10 lần Hg(II) vào dung dịch phản ứng giữa DA và Hg(II), cường độ huỳnh quang trở lại như ban đầu của DA tự do, chứng tỏ phản ứng giữa DA và Hg(II) là thuận nghịch DA là chemosensor

Trong khoảng nồng độ Hg(II) từ 15 đến 240 ppb, phương trình

biểu diễn mối quan hệ cường độ huỳnh quang dung dịch DA với

nồng độ Hg(II) là: I = (879,9 ± 3,2) + (-2,6 ± 0,0) x [Hg(II)], với R=0,999 Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng Hg(II) tương ứng là 2,8 và 9,5 ppb

c Ứng dụng DA phát hiện Cu(II)

Khảo sát phổ huỳnh quang chuẩn độ dung dịch DA bằng Cu(II) cho thấy, phản ứng giữa DA và Cu(II) cũng theo tỷ lệ 2:1 về số mol Cường độ huỳnh quang dung dịch phản ứng giữa DA và Cu(II) cũng trở lại ban đầu như DA tự do nếu thêm EDTA với nồng độ gấp 10 lần so với Cu(II)) DA là chemosensor phát hiện Cu(II)

Hình 3.52 Phổ huỳnh quang của dung dịch DA

trong sự hiện diện các ion kim loại: DA (3µM) trong

EtOH/H 2 O (1/9, v/v), các ion kim loại Ag(I), Hg(II),

Cu(II), Pb(II), Cd(II), Cr(III), Zn(II), Fe(II), Co(II),

Ni(II), Ba(II), Al(III), Ca(II), Mg(II), K(I) và Na(I)

(15 µM cho mỗi ion kim loại) bước sóng kích thích

390 nm

(6) (5)

(4) (3)

Hình 3.67 Phổ huỳnh quang khảo sát khả

năng xác định riêng lẻ các ion Hg(II), Cu(II)

và Ag(I) trong hỗn hợp: (1) DA; (2) DA +

Ag(I) + Hg(II) + Cu(II); (3) DA + Ag(I) +

Hg(II) + Na 2 S 2 O 3 + Cu(II) + EDTA; (4) DA

+ Ag(I); (5) DA + Ag(I) + Hg(II) + Cu(II) +

EDTA; (6) DA + Ag(I) + Hg(II); (7) DA +

Ag(I) + Hg(II) + Na 2 S 2 O 3 + Cu(II); (8) DA +

Ag(I) + Cu(II); (9) DA + Hg(II); (10) DA +

Cu(II) (nồng độ DA, ion kim loại, Na 2 S 2 O 3 ,

và EDTA tương ứng là: 3µM; 0,6µM;

100µM; và 100µM)

Trong khoảng nồng độ Cu(II) từ 4,8 đến 67,2 ppb, cường độ

huỳnh quang dung dịch DA quan hệ tuyến tính chặt chẽ với nồng độ

Cu(II) và được xác định bởi phương trình: I = (882,9 ± 2,6) + (-10,5± 0,1) x [Cu(II)], R=0,999 Giới hạn phát hiện và định lượng Cu(II) tương ứng là 0,8 và 2,7 ppb

d Ứng dụng DA phát hiện Ag(I)

Khảo sát phổ huỳnh quang chuẩn độ dung dịch DA bằng Ag(I) cho thấy, phản ứng giữa DA và Ag(I) theo tỷ lệ 1:1 về số mol

Khi thêm Na2S với nồng độ gấp 10 lần Ag(I) vào dung dịch phản

ứng giữa DA và Ag(I), cường độ huỳnh quang trở lại như ban đầu của

DA tự do DA cũng là một chemosensor phát hiện Ag(I)

Phương trình biểu diễn mối quan hệ cường độ huỳnh quang dung dịch

DA với nồng độ Ag(I) từ 16 đến 194 ppb là: I = (874,0 ± 2,2) + (-3,4 ±

0,0) x [Ag(I)], R=0,999 Giới hạn phát hiện và định lượng Ag(I) tương

ứng là 1,0 và 3,4 ppb

e Ứng dụng DA phát hiện đồng thời Hg(II), Cu(II) và Ag(I)

Thực nghiệm cho thấy, sự thay đổi cường độ huỳnh quang

của DA bởi Hg(II) hoặc Cu(II)

có thể được ngăn chặn khi thêm

Na2S2O3 hoặc EDTA tương ứng vào các dung dịch Điều này

cho thấy khả năng sử dụng DA

để phát hiện định lượng đồng thời Hg(II), Cu(II) và Ag(I) Hình 3.67 trình bày khả năng

sử dụng DA phát hiện đồng thời

Hg(II), Cu(II) và Ag(I) Trước tiên, Ag(I) được phát hiện dựa trên sự biến đổi cường độ huỳnh quang giữa dung dịch (1) với dung dịch (3) Tiếp theo, Hg(II) được

phát hiện dựa trên sự biến đổi cường độ huỳnh quang giữa (3) với (5) Cuối cùng, Cu(II) có thể phát hiện dựa trên sự biến đổi cường độ huỳnh quang giữa (3) với (7) Sự hiện diện các ion kim loại, Na2S2O3

và EDTA không ảnh hưởng đến việc phát hiện định lượng từng ion kim loại

Mối quan hệ giữa biến thiên cường độ huỳnh quang dung dịch DA

với nồng độ các ion kim loại đã được xác định như sau:

∆I[Hg(II)] = (-6,6 ± 3,2) + (2,6 ± 0,0) x [Hg(II)], R=0,999, khoảng nồng độ Hg(II) từ 15 đến 240 ppb

∆I[Cu(II)] = (-9,7 ± 2,6) + (10,5 ± 0,0) x [Cu(II)], R=0,999, khoảng nồng độ Cu(II) từ 5 đến 67 ppb

∆I[Ag(I)] = (3,1 ± 2,2) + (3,6 ± 0,0) x [Ag(I)], R=0,999, khoảng nồng độ Ag(I) từ 16 đến 194 ppb

a Hình học bền và năng lượng tương tác của các phức

giữa DA và các ion kim loại tại B3LYP/LanL2DZ

(đơn vị độ dài là Å, đơn vị góc là ( 0 ))

S1

S2

S3

S4

AgAg Các liên kết này được cho là hình thành dựa trên kết quả tính toán khoảng cách giữa các nguyên tử nhỏ hơn đáng kể so với tổng bán kính Van der Waals của nguyên tử tham gia liên kết Sự hình thành các phức đều thuận lợi về mặt nhiệt động, trong đó phức

S2 thuận lợi hơn so S1

b Phân tích AIM

Phân tích AIM đã chỉ ra có sự hiện diện các điểm tới hạn liên kết (BCP) giữa các tiếp xúc AgN, AgS, HgS, và CuN trong các phức và AgAg trong S1 Tất cả các giá trị 2 (ρ(r)) tại các điểm

BCP trên đều lớn hơn 0 Vì vậy, tất cả những tương tác trên là liên kết ion Kết quả phân tích AIM cũng đã phát hiện sự tồn tại các điểm

tới hạn vòng (RCP), tức là có hình thành vòng trong phức S1 và S2

c Phân tích NBO

Kết quả phân tích NBO cho thấy, sự hình thành các phức đã dẫn

đến sự dịch chuyển mạnh mật độ electron từ các phối tử DA sang các

ion kim loại trung tâm, làm thay đổi mức độ hệ thống liên hợp

electron π trong DA, dẫn đến làm thay đổi tín hiệu huỳnh quang

d Phân tích năng lượng kích thích, HOMO, LUMO và MO biên Đối với phức S1, ở trạng thái kích thích, bước chuyển từ HOMO

lên LUMO tuy có cường độ dao động lớn, nhưng do năng lượng kích thích bé, bước sóng phát xạ huỳnh quang chuyển về vùng bước sóng dài, không quan sát được trong thực tế Thêm vào đó, việc chuyển electron qua lại giữa HOMO (nơi electron tập trung ở khu vực ion kim loại) với LUMO (nơi electron chủ yếu ở fluorophore), có thể không gây ra hiện tượng huỳnh quang do khoảng cách không gian Các bước chuyển còn lại không phải từ HOMO lên LUMO không đưa đến huỳnh quang do xảy ra quá trình PET từ cặp electron của

HOMO Kết quả huỳnh quang dập tắt trong S1

Đối với phức S2, ở trạng thái kích thích, bước chuyển chính là từ

S0 lên S3, tương ứng từ MO139 lên MO141 và từ MO140 lên

MO142 Trong đó, bước chuyển từ MO139 lên MO141 không dẫn đến huỳnh quang do xảy ra quá trình PET từ MO140 đến

MO139 Bước chuyển từ MO140 lên MO142 cũng không dẫn

đến huỳnh quang, có thể là do nguyên nhân

về khoảng cách không

gian như trong S1 Các

kết quả trên dẫn đến dập tắt huỳnh quang

trong S2

Ngoài ra, trong cả

hai phức S1 và S2, do

sự dịch chuyển mạnh mật độ electron từ các

phối tử DA đến ion

kim loại, từ MO131 đến MO140, mật độ electron chủ yếu tập trung khu vực ion kim loại Quá trình chuyển electron từ trạng thái

cơ bản lên trạng thái kích thích xảy ra ở fluorophore phải trải qua bước chuyển năng lượng lớn, từ MO130 đến MO141 Do đó,

các phức S1, S2 không

thể kích thích để phát huỳnh quang bởi năng

Hình 3.72 Giản đồ năng lượng các MO biên của DA và S1

Hình 3.73 Giản đồ năng lượng các MO biên của DA và S2

lượng ánh sáng như khi kích thích chemosensor tự do, dẫn đến huỳnh quang dập tắt

Đối với phức S3, sự hình thành phức dẫn đến khoảng cách năng

lượng giữa HOMO và LUMO trong phức rất nhỏ, khoảng 0,65 eV

Do bước chuyển HOMO→LUMO là bước chuyển chính trong S3, nên bước sóng phát xạ huỳnh quang trong S3 lớn hơn 1451 nm và

không quan sát thấy trong thực tế

Ở trạng thái kích

thích trong phức S4,

sự hình thành phức kèm theo quá trình chuyển 1 electron từ

DA sang Cu(II) Kết

quả dẫn đến MO131 chỉ chứa 1 electron

Sự dập tắt huỳnh

quang trong S4 có thể

do các nguyên nhân: bước chuyển electron

từ MO131 lên

MO132 có độ bội bằng 2, nên trạng thái kích thích là doublet, không phải trạng thái kích thích singlet; các bước chuyển khác không dẫn đến huỳnh quang do xảy ra quá trình PET từ MO có mức năng lượng nằm

Hình 3.74 Giản đồ năng lượng các MO biên của DA và S3

Hình 3.75 Giản đồ năng lượng các MO biên của DA và S4

ở giữa mỗi bước chuyển

NHỮNG KẾT LUẬN CHÍNH CỦA LUẬN ÁN

1 Lần đầu tiên, một sự kết hợp linh hoạt, hoàn chỉnh giữa tính toán hóa học lượng tử và nghiên cứu thực nghiệm đã được áp dụng thành công trong nghiên cứu phát triển hai sensor huỳnh quang

mới là chemodosimeter DT và chemosensor DA Đối với chemodosimeter DT, tính toán đã dự đoán và định hướng cho tất

cả các quá trình; nghiên cứu thực nghiệm sau đó đã kiểm chứng

và khẳng định lại các kết quả tính toán Đối với chemosensor DA,

tính toán chỉ dùng để dự đoán và định hướng cho thực nghiệm ở giai đoạn thiết kế, tổng hợp và đặc trưng của sensor; ứng dụng của

chemosensor DA được nghiên cứu trước từ thực nghiệm, và sau

đó, tính toán lý thuyết dùng để giải thích và làm rõ bản chất các kết quả từ thực nghiệm Sự kết hợp linh hoạt này đã giảm đáng kể khối lượng tính toán lý thuyết và thực nghiệm, tăng khả năng thành công, tiết kiệm thời gian và chi phí hóa chất sử dụng

2 Các fluorophore, receptor và spacer, cũng như phản ứng tổng

hợp các chemodosimeter DT và chemosensor DA đã được định

hướng trước từ tính toán và thực nghiệm đã cho thấy hoàn toàn phù hợp với lý thuyết

3 Cấu trúc, đặc tính và ứng dụng của chemodosimeter DT và chemosensor DA đã được xác định tại B3LYP/LanL2DZ với kết

quả đáng tin cậy, thông qua kiểm tra, đối chiếu và khẳng định từ các kết quả thực nghiệm Dữ liệu phân tích nhiễu xạ đơn tinh thể

tia X của DA đã được lưu trữ tại Trung tâm dữ liệu tinh thể

Cambridge, Vương Quốc Anh

4 DT là một chemodosimeter huỳnh quang, có thể phát hiện chọn

lọc Hg(II) với giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng tương ứng là 50 và 166 ppb; phản ứng xảy ra gần như tức thời; sử dụng một lượng nhỏ dung môi hữu cơ và không bị ảnh hưởng bởi các ion kim loại khác bao gồm Zn(II), Cu(II), Cd(II), Pb(II), Ag(I), Fe(II), Cr(III), Co(III), Ni(II), Ca(II), Mg(II), K(I) và Na(I)

Chemodosimeter DT phát hiện chọn lọc Hg(II) đã được giải thích

là do Hg(II) gây nên phản ứng đặc trưng với DT- phản ứng giữa

dẫn xuất thiourea với amin tạo vòng guanidine khi có mặt Hg(II)

Phản ứng giữa chemodosimeter DT với Hg(II) đã được nghiên

cứu bằng phương pháp tính toán và khẳng định bởi phổ 1

H NMR, phổ 13C NMR và phổ khối MS

5 DA là một chemosensor có thể phát hiện đồng thời các ion

Hg(II), Cu(II) và Ag(I) trong các mẫu thực tế nhờ những đặc tính nổi bật của nó, bao gồm: giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng thấp, tương ứng là 2,8 và 9,5 ppb; 0,8 và 2,7 ppb; 1,0 và 3,4 ppb; khoảng pH rộng, từ 5 đến 9; sử dụng một lượng nhỏ dung môi hữu cơ; không bị ảnh hưởng của các ion kim loại cạnh tranh, bao gồm Na(I), K(I), Pb(II), Cd(II), Co(II), Ca(II), Ba(II), Mg(II), Zn(II), Fe(II), Ni(II), Al(III) và Cr(III) Phản ứng tạo

phức giữa DA với Hg(II), Cu(II) và Ag(I), cũng như cấu trúc

hình học và đặc điểm các liên kết trong các phức đã được nghiên cứu và xác định

6 Đặc tính huỳnh quang, cũng như sự thay đổi tín hiệu huỳnh quang trước và sau khi các sensor tương tác với chất phân tích

đã được nghiên cứu thông qua phân tích trạng thái kích thích bằng phương pháp TD-DFT và nghiên cứu bản chất các liên kết

từ phân tích NBO Theo đó, Hg(II) gây nên phản ứng tách loại lưu huỳnh và đóng vòng guanidine, kích hoạt quá trình PET, dẫn

đến dập tắt huỳnh quang khi tương tác với DT Trong khi, huỳnh quang dập tắt trong các phức giữa DA với các ion Hg(II), Cu(II)

và Ag(I) là do sự hình thành phức kèm theo chuyển dịch mạnh

mẽ mật độ electron từ các phối tử DA đến các ion kim loại đã

dẫn đến thay đổi cấu trúc và mức độ liên hợp của hệ thống electron π trong fluorophore