nghiên cứu tổng hợp và đánh giá khả năng hấp thu phức chất của kim loại chuyển tiếp với các amino axit trong cơ thể sống

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- THÂN VĂN HẬU NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP THU PHỨC CHẤT CỦA KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VỚI CÁC AMINO AXIT TRONG CƠ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

THÂN VĂN HẬU

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP THU PHỨC CHẤT CỦA KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VỚI CÁC AMINO AXIT TRONG

CƠ THỂ SỐNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Hóa học

HÀ NỘI - 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

THÂN VĂN HẬU

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP THU PHỨC

CHẤT CỦA KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VỚI CÁC AMINO AXIT TRONG

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS Huỳnh Đăng Chính, TS Trần Thị Thúy và TS Nguyễn Thị Thúy Nga đã tận tình hướng dẫn em trong thời gian thực hiện đề tài luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo của Bộ môn Hóa Vô cơ Đại cương, Bộ môn Hóa Phân tích trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn

Xin cảm ơn gia đình, các anh chị em, bạn bè đồng nghiệp đã động viên, giúp

đỡ em trong thời gian nghiên cứu vừa qua

Học viên

Thân Văn Hậu

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này được hoàn thành là kết quả nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Huỳnh Đăng Chính, TS Trần Thị Thúy

và TS Nguyễn Thị Thúy Nga − Viện Kỹ thuật hóa học − Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác

Học viên

Thân Văn Hậu

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH 3

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 8

1.1 VAI TRÒ PHỨC CHẤT CỦA KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VỚI AMINO AXIT THIẾT YẾU TRONG CƠ THỂ SỐNG 8

1.1.1 Vai trò của các khoáng chất 8

1.1.2 Vai trò của các amino thiết yếu 11

1.1.3 Vai trò của phức chất vòng càng 13

1.2 KHẢ NĂNG TẠO PHỨC CỦA AMINO AXIT VỚI KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP15 1.2.1 Khả năng tạo phức của amino axit 15

1.2.2 Khả năng tạo phức của kim loại nhóm d 16

1.3 KHẢ NĂNG HẤP THU 18

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

2.1 HÓA CHẤT, THUỐC THỬ VÀ DỤNG CỤ, THIẾT BỊ 21

2.1.1 Hóa chất 21

2.1.2 Dung dịch và thuốc thử 21

2.1.3 Dụng cụ, thiết bị 21

2.2 THỰC NGHIỆM 22

2.2.1 Tổng hợp phức chất vòng càng của kim loại chuyển tiếp với amino axit 22

2.2.2 Khảo sát ảnh hưởng pH đến quá trình tạo phức 23

2.2.3 Đánh giá khả năng hấp thu các phức chất tổng hợp 24

2.2.3.1 Nghiên cứu độ bền của phức chất trong môi trường mô phỏng dịch ruột và dịch dạ dày 24

2.2.3.2 So sánh khả năng hấp thu của khoáng chất ở dạng muối tan, oxit và dạng phức chất 25

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

2.3.1 Phương pháp chuẩn độ đo pH và xác định hằng số bền 26

2.3.2 Phương pháp phân tích 29

2.3.3 Phương pháp phổ UV – Vis 30

2.3.4 Phương pháp phổ khối lượng 31

2.3.5 Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại 32

2.3.6 Phương pháp phân tích nhiệt 33

2.3.7 Phương pháp phổ 13 C – NMR 34

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35

3.1 KẾT QUẢ TỔNG HỢP MỘT SỐ PHỨC CHẤT VÒNG CÀNG CỦA KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VỚI AMINO AXIT THIẾT YẾU 35

3.2 KẾT QUẢ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA pH ĐẾN SỰ TẠO PHỨC 35

3.3 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH NGUYÊN TỐ 41

3.4 PHƯƠNG PHÁP UV – VIS 42

3.5 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH PHỔ KHỐI LƯỢNG 42

3.6 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH PHỔ HỒNG NGOẠI 49

3.7 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH NHIỆT 55

3.8 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH PHỔ 13C – NMR 59

3.9 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP THU CỦA CÁC PHỨC CHẤT 64

3.9.1 Nghiên cứu độ bền của phức chất trong môi trường mô phỏng dịch ruột và dịch dạ dày 64

3.9.2 So sánh khả năng hấp thu các khoáng chất ở dạng muối tan, oxit và phức chất 64

KẾT LUẬN 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH Danh mục bảng:

Bảng 3.1 Sự hình thành phức chất phụ thuộc vào pH dung dịch 36

Bảng 3.2 Kết quả chuẩn độ pH tạo phức Cu−tryptophan 36

Bảng 3.3 Kết quả chuẩn độ pH tạo phức Zn−tryptophan 38

Bảng 3.4 Kết quả chuẩn độ pH tạo phức Mn−tryptophan 39

Bảng 3.5 Kết quả phân tích nguyên tố kim loại và nitơ trong phức 41

Bảng 3.6 Kết quả phân tích MS của Zn−tryptophan 42

Bảng 3.7 Kết quả phân tích MS của Mn−tryptophan 44

Bảng 3.8 Kết quả phân tích MS của Cu−tryptophan 45

Bảng 3.9 Kết quả phân tích MS của Fe−tryptophan 46

Bảng 3.10 Kết quả phân tích MS của Zn−valin 47

Bảng 3.11 Kết quả phân tích MS của Cu−valin 48

Bảng 3.12 Kết quả phân tích nhiệt của phức chất Cu–tryptophan 55

Bảng 3.13 Kết quả phân tích nhiệt của các phức chất valin 56

Bảng 3.14 Kết quả phân tích hàm lượng Cu2+ trong hệ hấp thụ – hòa tan 64

Danh mục hình: Hình 1.1 Công thức cấu tạo của valin 12

Hình 1.2 Công thức cấu tạo của tryptophan 12

Hình 1.3 Khả năng hấp thụ sắt ở dạng muối vô cơ và dạng hữu cơ (phức vòng) trong ruột được chụp bằng kính hiển vi 14

Hình 1.4 Dạng ion lưỡng cực và phân tử của α-amino axit 15

Hình 1.5 Phức chất của α-amino axit với kim loại 16

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp phức chất tryptophan, valin với kim loại 23

Hình 2.2 Hệ hấp thụ hòa tan 25

Hình 2.3 Các bước chuyển dời electron trong phân tử 30

Hình 2.4 Sơ đồ quá trình hoạt động của máy khối phổ 31

Hình 3.1 Biểu đồ sự phụ thuộc của n và log [Sc]của phức Cu−tryptophan 38

Hình 3.2 Biểu đồ sự phụ thuộc của n và log [Sc] của phức Zn−tryptophan 39

Hình 3.3 Biểu đồ sự phụ thuộc của n và log [Sc] của phức Mn−tryptophan 41

Hình 3.4 Phổ hấp thụ UV – Vis của muối Cu(CH3COO)2 và phức Cu−valin 42

Hình 3.5 Phổ MS của Zn−tryptophan 43

Hình 3.6 Phổ MS của Mn–tryptophan 44

Hình 3.7 Phổ MS của Cu–tryptophan 45

Hình 3.8 Phổ MS của Fe–tryptophan 46

Hình 3.9 Phổ MS của Zn–valin 48

Hình 3.10 Phổ MS của Cu–valin 49

Hình 3.11 Phổ hồng ngoại của tryptophan 50

Hình 3.12 Phổ hồng ngoại của Zn−tryptophan 50

Hình 3.13 Phổ hồng ngoại của phức chất Cu−tryptophan 51

Hình 3.14 Phổ hồng ngoại của phức chất Mn–tryptophan 51

Hình 3.15 Phổ hồng ngoại của phức chất Fe−tryptophan 52

Hình 3.16 Phổ hồng ngoại của valin 52

Hình 3.17 Phổ hồng ngoại của phức chất Cu−valin 53

Hình 3.18 Phổ hồng ngoại của phức chất Mn−valin 53

Hình 3.19 Phổ hồng ngoại của phức chất Zn−valin 54

Hình 3.20 Phổ hồng ngoại của phức chất Fe−valin 54

Hình 3.21.Giản đồ phân tích nhiệt của phức chất Cu−tryptophan 55

Hình 3.22 Giản đồ phân tích nhiệt của phức chất Cu–Valin 57

Hình 3.23 Giản đồ phân tích nhiệt của phức chất Zn–Valin 57

Hình 3.24 Giản đồ phân tích nhiệt của phức chất Mn–Valin 58

Hình 3.25 Phổ13C – NMR của tryptophan 59

Hình 3.26 Tín hiệu 13C – NMR của tryptophan 59

Hình 3.27 Phổ13C – NMR của phứcchất Zn–tryptophan 60

Hình 3.28 Tín hiệu 13 C – NMR của valin 61

Hình 3.29 Phổ 13C – NMR của phức chất Zn–valin 61

Hình 3.30 Phổ hấp thụ UV – Vis của phức Cu2Val4 trong các môi trường mô phỏng dịch dạ dày 64

Hình 3.31 Phổ hấp thụ UV – Vis của phức Cu2Val4 trong các môi trường mô phỏng dịch ruột 64

MS : Phổ khối (mass spectrometry)

IR : Phổ hồng ngoại (infrared spectroscopy)

UV – Vis : Phổ tử ngoại − khả kiến (Ultraviolet – visible spectroscopy)

ICP − MS : Hệ thống phân tích khối phổ Plasma cảm ứng (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry)

KRB : Dung dịch KRB (Krebe Ringers Bicarbonate)

tế bào, hình thành cấu trúc xương, duy trì trạng thái cân bằng axit – bazơ, tăng cường khả năng miễn dịch và các chức năng sinh lý khác Chúng là những thành phần quan trọng của kích thích tố (hormon) và các enzym, giữ vai trò như là chất hoạt hóa của một loạt các enzym Với vai trò sinh học quan trọng như vậy, việc nghiên cứu kết hợp amino axit và khoáng chất với nhau cũng như đánh giá khả năng hấp thu của cơ thể sống đối với các phức chất này là có ý nghĩa vô cùng to lớn không chỉ đối với sự phát triển toàn diện của cơ thể con người mà cả trong việc làm tăng năng suất, tăng giá trị dinh dưỡng, giảm thời gian, chi phí cho nông dân trong chăn nuôi

Phức chất vòng càng với sự có mặt của các amino axit và các kim loại chuyển tiếp đã kết hợp được những vai trò sinh học quan trọng của amino axit và khoáng chất Đặc biệt chúng là dạng các phân tử hữu cơ có tính sinh khả dụng cao hơn và ít tương tác với nhau trong đường tiêu hóa Phức chất vòng càng này ít bị ảnh hưởng bởi tác dụng ức chế của các hợp chất khác Chúng làm tăng cường hoạt tính sinh học, đồng thời giảm liều lượng đưa vào cơ thể mà vẫn mang lại hiệu quả cao Ngày nay trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu tổng hợp cũng như đánh giá khả năng hấp thu của khoáng chất này, tuy nhiên ở nước ta thì những công việc đó vẫn còn khiêm tốn và mang lại hiệu quả chưa nhiều

Với các lý do nêu trên, chúng tôi chọn tên đề tài là “Nghiên cứu tổng hợp và

đánh giá khả năng hấp thu phức chất của kim loại chuyển tiếp với các amino axit trong cơ thể sống” với mục đích:

- Tổng hợp phức chất vòng càng của Zn, Fe, Cu, Mn với các amino axit thiết yếu như tryptophan, valin

- Đánh giá khả năng hấp thu và ứng dụng các phức chất tổng hợp được làm chất bổ sung protein – khoáng cho cơ thể sống

Với việc nghiên cứu và tổng hợp thành công phức chất của một số amino axit với kim loại chuyển tiếp có thể bổ sung vào cơ thể sống cũng như đưa ra các mô phỏng, các phương pháp đánh giá về chất lượng, tiêu chuẩn và đặc biệt là khả năng hấp thu tốt của các phức chất này trong cơ thể sống đã có ý nghĩa quan trọng trong các ngành nông nghiệp chăn nuôi và công nghiệp thực phẩm Phương pháp đi sâu vào tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc cũng như đánh giá khả năng ứng dụng phức chất vòng càng của Zn, Fe, Cu, Mn với tryptophan, valin đã cho kết quả tốt, hiệu quả cao

và có ý nghĩa thực tiễn là cơ sở quan trọng để thực hiện đề tài này

Cấu trúc luận văn gồm:

 Mở đầu

 Chương 1 – Tổng quan

 Chương 2 – Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu

 Chương 3 – Kết quả và thảo luận

 Kết luận

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 VAI TRÒ PHỨC CHẤT CỦA KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VỚI AMINO AXIT THIẾT YẾU TRONG CƠ THỂ SỐNG

1.1.1 Vai trò của các khoáng chất

Các chất khoáng tham gia vào nhiều vai trò sinh học trong cơ thể sống của động vật và thực vật, các tác dụng đặc biệt như:

- Cấu tạo nên cơ thể và tham gia các phản ứng sinh học: Thành phần cơ thể bao gồm nhiều nguyên tử chất khoáng Nhiều ion khoáng liên kết với enzym đặc hiệu và tạo nên những điểm hoạt động của enzym, là nơi các xúc tác xảy ra Trong tất cả các enzym xúc tác cho phản ứng hóa học trong cơ thể, có đến 1/3 số các enzym cần có mặt của các chất khoáng mới hoạt động được, do vậy vai trò của các chất khoáng được coi là cực kỳ quan trọng cho sự sống Khi thiếu một trong các chất khoáng sẽ gây rối loạn hoặc mất chức năng hoạt động của enzym, kéo theo những rối loạn chức năng đặc hiệu của cơ thể

-Tăng cường hấp thu, tiêu hóa và vận chuyển: Sự hấp thu một số chất dinh dưỡng trong đường tiêu hóa phụ thuộc vào quá trình vận chuyển qua thành ruột của

cơ thể và một số chất khoáng Natri, magie giúp hấp thu chất bột đường tại ruột và vận chuyển qua màng tế bào, trong khi canxi giúp cho hấp thu vitamin B12 Các enzym tiêu hóa lại được hoạt hóa, kích thích bởi các chất khoáng có trong đường tiêu hóa

-Giữ cân bằng axit – kiềm và cân bằng nước: Đa số các phản ứng sinh học trong cơ thể được xảy ra trong môi trường pH nhất định (từ 7,35 đến 7,45), trừ pH trong dạ dày được duy trì vào khoảng 2 Một số chất khoáng tạo môi trường axit, một số chất khoáng tạo môi trường kiềm Các ion kim loại có vai trò rất quan trọng trong việc chuyển đổi nước của cơ thể, chúng giữ vai trò điều hòa áp lực thẩm thấu của các dịch cơ thể

- Một số vai trò khác như truyền các xung động thần kinh, điều hoà co cơ Kết quả nghiên cứu của khoa học hiện nay đã tìm ra và chứng minh được vai trò của khoáng chất ngoài công dụng dinh dưỡng, mỗi khoáng chất còn có vai trò khác

nữa trong cơ thể Gần đây nhiều thí nghiệm cho thấy có mối liên hệ giữa khoáng chất và các bệnh kinh niên như bệnh cao huyết áp, bệnh giòn xương, bệnh tim mạch, thậm chí cả bệnh ung thư Khi thiếu khoáng chất, một số bệnh có thể xảy ra, như là: Mắc các bệnh cảm cúm, nhiễm trùng; Cao huyết áp; Trầm cảm; Rối loạn tiêu hóa và nhiều bệnh khác nữa[3]

Một số khoáng chất cơ bản:

Trong cơ thể có trên 60 loại khoáng chất nhưng chỉ có 20 loại được xem là

cần thiết Sau đây là một số khoáng chất quan trọng:

+ Đồng (Cu)[3,4,28]

: Đồng là nguyên tố kim loại thuộc chu kì 4, nhóm IB, số thứ tự là 29 trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học; đồng có cấu hình electron [Ar]3d10

4s1 Ở dạng đơn chất, đồng là kim loại màu đỏ, trong tự nhiên tồn tại chủ yếu ở 2 dạng đồng vị bền là 63

Cu (70,13 %) và 65Cu (29,87 %) Trong các hợp chất đồng có số oxi hoá +1, +2, +3; trong đó mức +2 là bền nhất

Tuy hàm lượng của đồng trong cơ thể sinh vật rất nhỏ, khoảng 10-4

%, nhưng

có vai trò vô cùng quan trọng đối với sự sống Cho đến nay người ta đã xác định được 25 loại protein và enzym có chứa đồng Giống như các kim loại chuyển tiếp khác, đồng nằm ở trung tâm hoạt động của các phân tử sinh học, có thể có các số oxi hóa +1 hoặc +2

Nhóm enzym xúc tác cho quá trình oxi hóa – khử có xitocromxiđaza là enzym xúc tác cho giai đoạn cuối của quá trình hô hấp Trong quá trình này, đồng tồn tại ở 2 số oxi hóa +1 và +2

Đồng cũng tham gia vào nhóm các protein có khả năng hấp thụ thuận nghịch oxi giống hemoglobin và mioglobin Đại diện nhóm này có thể kể đến hemoxianin Protein này tìm thấy ở một số loài nhuyễn thể Dạng chưa hấp thụ oxi của hemoxianin không màu chứng tỏ đồng ở trạng thái oxi hóa +1, sau khi hấp thụ oxi

nó có màu xanh chàm, chứng tỏ đồng ở mức oxi hóa +2

Cơ thể thiếu đồng sẽ dẫn đến phá vỡ sự trao đổi sắt giữa huyết tương và hồng cầu, do đó gây ra thiếu máu Sự thiếu đồng cũng dẫn đến chứng bạc tóc Đồng có

vai trò trong việc tạo thành myelin, loại vật liệu làm nên vỏ cho các dây thần kinh

+ Kẽm (Zn)[3,4,8,28]

: Kẽm là nguyên tố kim loại thuộc chu kì 4, nhóm IIB, số thứ tự là 30 với cấu hình electron là [Ar]3d104s2 Nhờ sự hoàn chỉnh của lớp electron sát lớp ngoài cùng 3d10 mà kẽm thể hiện mức oxi hoá duy nhất là +2 Trong tự nhiên kẽm có 5 đồng vị bền là: 64

Zn, 66Zn, 67Zn, 68Zn, 70Zn, trong đó 64Zn chiếm tỉ lệ 50,9%

Kẽm là một trong những kim loại quan trọng nhất với sự sống Do các hợp chất của kẽm không có màu và nghịch từ nên vai trò của kẽm được phát hiện khá muộn Vào năm 1940, người ta đã phát hiện ra rằng enzym anhiđraza cacbonic là một enzym chứa kẽm Sau đó, enzym cacboxypeptiđaza là enzym thứ hai được xác nhận là chứa kẽm Cho đến nay, đã có trên 300 loại enzym chứa kẽm được tìm ra

Ngoài vai trò là trung tâm hoạt động của các enzym, kẽm còn đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra những cấu trúc đặc trưng của các protein và mạch xoắn của các phân tử AND

Có khoảng 2 – 4 gam kẽm phân bố trong khắp cơ thể con người Hầu hết kẽm nằm trong não, cơ, xương, thận và gan, tuy nhiên nồng độ kẽm cao nhất tập trung ở tuyến tiền liệt và các bộ phận của mắt

Kẽm có vai trò quan trọng trong việc tạo ra tính miễn dịch cho cơ thể Thiếu kẽm cũng gây ra bệnh ngoài da, vết thương chậm lành

+ Mangan (Mn)[3,4]:

Mangan là nguyên tố kim loại thuộc chu kỳ 4, nhóm VIIB, có cấu hình electron [Ar]3d54s2 Với 7 electron hóa trị, mangan là kim loại có các số oxi hóa phong phú nhất, từ –3 đến +7, trong đó trạng thái oxi hóa +2 là bền hơn cả

Mangan là một trong các kim loại sinh học quan trọng đối với cả động vật và thực vật Hàm lượng mangan trong cơ thể sinh vật tương đối thấp, nó được xếp vào nhóm các nguyên tố vi lượng Mangan cũng là trung tâm hoạt động trong các enzym chứa nó như các kim loại sinh học khác Mangan đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hoạt động bình thường của tế bào, đồng hóa vitamin B1 Một

số enzym chứa mangan như arginaza, cholinestenaza, photphoglucomutaza, có

nhiệm vụ kiểm soát các quá trình phân tách amino axit, quá trình đông máu hay trao đổi cacbohiđrat Mangan còn tham gia vào quá trình tổng hợp các vitamin B và C, clorophin, hemoglobin

Trong cơ thể người có khoảng 0,36 mmol mangan Nhu cầu của người bình thường về mangan là khoảng 0,2 – 0,3 mg/ngày/kg thể trọng

+ Sắt (Fe)[3,4]

: Sắt là một nguyên tố kim loại nằm ở chu kỳ 4, nhóm VIIIB và có số thứ tự là

26 Cấu hình electron của sắt là [Ar]3d6

4s2 Sắt có thể có các mức oxi hóa từ –2 đến +6, trong đó các mức +2 và +3 là phổ biến hơn cả, hai mức oxi hóa này có thể chuyển hóa qua lại tùy thuộc vào môi trường là oxi hóa (+3) hay khử (+2)

Sắt chiếm khoảng 0,02% khối lượng của thực vật, khoảng 0,01% khối lượng của động vật Cơ thể người bình thường chứa khoảng 5 gam sắt, tham gia chủ yếu vào các hệ vận chuyển oxi, cụ thể là mioglobin (Mb) và hemoglobin (Hb) Hb nhận oxi qua đường hô hấp và vận chuyển chúng đến các mô qua các mạch máu, còn Mb tiếp nhận oxi và dự trữ oxi trong các mô của cơ thể Cả hai đều chứa phức chất

Fe(II)–pophyrin, thường được gọi là hem Sắt cần thiết để giúp máu chuyên chở và

phân phối dưỡng khí tới khắp các bộ phận của cơ thể Khi cơ thể thiếu sắt, con người mắc bệnh thiếu máu, sức khỏe suy giảm, da xanh

1.1.2 Vai trò của các amino thiết yếu [16]

Amino axit là thành phần chính tạo nên giá trị dinh dưỡng quan trọng của các phân tử protein, rất cần cho sự sống Thiếu amino axit sẽ làm cho hệ thống miễn dịch bị suy yếu, giảm sản xuất kháng thể, cơ thể mệt mỏi, trẻ chậm lớn, còi cọc, dễ

bị mắc các bệnh về hô hấp, nhiễm trùng, viêm đường hô hấp Một số các amino axit như valin, tryptophan là yếu tố phát triển và cần cho cơ thể đang lớn

- Valin:

Công thức phân tử: C5H11O2N

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của valin

Loại axit amin này chữa lành tế bào cơ và hình thành tế bào mới, đồng thời giúp cân bằng nitơ cần thiết Ngoài ra, nó còn phân hủy đường glucozơ có trong cơ thể sinh vật

- Tryptophan:

Công thức phân tử: C11H12O2N2

Hình 1.2 Công thức cấu tạo của tryptophan

Tryptophan cùng với tyrosin là một trong hai amino axit tối quan trọng cho

hệ thần kinh Chúng giúp sản sinh ra các chất truyền dẫn xung thần kinh và cung cấp năng lượng cho bộ não Tryptophan là nhân tố giúp sản sinh ra các chất ức chế thần kinh cần thiết cho cơ thể, thiếu tryptophan sẽ ảnh hưởng lớn đến tinh thần, suy giảm trí nhớ, stress và gây mất ngủ Tryptophan giúp làm dịu thần kinh, gây buồn ngủ do làm tăng nồng độ serotonin trong não

Cơ thể người cần khoảng 4 mg tryptophan cho mỗi kg thể trọng mỗi ngày Ngoài ra các amino axit khác như:

- Lysin:

Công thức phân tử: C6H14O2N2

Công thức cấu tạo: HO2CCH(NH2)(CH2)4NH2

HO2CCH(NH2)CH(CH3)2

Công thức cấu tạo:

Công thức cấu tạo:

Nhiệm vụ quan trọng nhất của loại amino axit này là khả năng hấp thu canxi, giúp cho xương chắc khỏe, chống lão hóa cột sống, duy trì trạng thái cân bằng nitơ

có trong cơ thể, do đó tránh được hiện tượng giãn cơ và mệt mỏi Ngoài ra, lysin còn có tác dụng giúp cơ thể tạo ra chất kháng thể và điều tiết hormon truyền tải thông tin

- Leuxin:

Công thức phân tử: C6H13O2N

Công thức cấu tạo: HO2CCH(NH2)CH2CH(CH3)2

Là chất tương đối quan trọng trong quá trình điều chỉnh hàm lượng đường trong máu; nên sẽ tốt cho bệnh nhân mắc chứng “hyperglycemica”, hoặc những người mong muốn đốt cháy chất béo nhanh chóng Hơn nữa, loại amino axit này còn có chức năng duy trì lượng hormon tăng trưởng để thúc đẩy quá trình phát triển

mô cơ

1.1.3 Vai trò của phức chất vòng càng

Sự kết hợp giữa amino axit và các kim loại chuyển tiếp tạo thành hợp chất phức vòng càng vẫn giữ được vai trò sinh học quan trọng của các amino axit và các khoáng chất vi lượng Ngoài ra phức chất này còn có những ưu điểm nổi bật sau:

- Các phức của amino axit và các kim loại chuyển tiếp được tổng hợp trong các chất bổ sung dinh dưỡng làm cho gia súc, gia cầm tăng trưởng mạnh, hiệu suất cao mặc dù chúng ta cho giảm hàm lượng protein trong thức ăn hàng ngày Chúng làm tăng khả năng tiêu hóa thức ăn động vật do tăng tính khả dụng sinh học của các phức chất vòng càng tới các enzym tiêu hóa và tăng khả năng tổng hợp protein trong cơ thể

- Tăng khả năng hấp thu các chất khoáng và amino axit Hình 1.3 mô tả khả năng hấp thu sắt ở dạng muối vô cơ và dạng hữu cơ (phức vòng) của sắt trong ruột được chụp bằng kính hiển vi, nhận thấy các khoáng ở dạng vô cơ và hữu cơ có tốc

độ hấp thu vào cơ thể là khác nhau, ở dạng hữu cơ có tốc độ hấp thụ lớn hơn so với dạng vô cơ[16]

Hình 1.3 Khả năng hấp thụ sắt ở dạng muối vô cơ và dạng hữu cơ (phức vòng)

trong ruột được chụp bằng kính hiển vi

- Trong các phân tử phức chất vòng càng, các ion kim loại là trơ về mặt hóa học bởi các liên kết ion và liên kết phối trí của kim loại với ligan, do vậy các ion kim loại ở dạng phức này ít bị ảnh hưởng bởi các anion gây kết tủa hơn so với trường hợp của các muối kim loại hòa tan Các chất béo cũng không thể gây ảnh hưởng đến sự hấp thu của phức chất amino axit vòng càng do hằng số bền cao và sự hấp thụ các amino axit vòng càng có thể không cần sự hỗ trợ của các loại vitamin như trong trường hợp của một số dạng ion kim loại khác

- Ngoài ra phức chất này còn tăng hỗ trợ cho sự hấp thu các loại vitamin vì vitamin sẽ trở thành vô dụng nếu không có sự hỗ trợ, tương tác của khoáng chất trong phức chất

- Tiết kiệm chi phí, giảm lãng phí: Trong các sản phẩm dinh dưỡng thức ăn hàng ngày thường xảy ra sự mất cân đối amino axit hay các khoáng chất, điều này

sẽ dẫn đến lãng phí amino axit hoặc các khoáng chất nếu như sự sử dụng không đúng cách vì nếu thiếu cũng như thừa bất kỳ amino axit hay khoáng chất nào thì cũng đều làm giảm hiệu quả sử dụng protein Do vậy với sự nghiên cứu tổng hợp với một tỷ lệ amino axit và các khoáng chất thích hợp sẽ có hiệu quả tích cực làm giảm chi phí cũng như giảm lãng phí trong việc sử dụng chúng

Hấp thụ sắt dạng phức vòng càng Hấp thụ sắt dạng vô cơ

1.2 KHẢ NĂNG TẠO PHỨC CHẤT CỦA AMINO AXIT VỚI KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP

1.2.1 Khả năng tạo phức của amino axit

Tuỳ thuộc vào số lượng các nhóm chức, hằng số axit Ka và hằng số bazơ Kbcủa các nhóm –COOH và –NH2 mà các amino axit thể hiện tính axit, bazơ hay lưỡng tính Đối với các α–amino axit chứa một nhóm amin và một nhóm cacboxyl thì chúng thể hiện tính chất lưỡng tính và trong dung dịch tồn tại ở dạng ion lưỡng cực sau:

R CH COOH

NH2

R CH COO

NH3

Hình 1.4 Dạng ion lưỡng cực và phân tử của α-amino axit

Bởi vì trong phân tử các amino axit có hai loại nhóm chức: Nhóm –COOH và nhóm –NH2 nên chúng có khả năng tạo phức bền với nhiều ion kim loại, trong đó có các ion kim loại chuyển tiếp do có sự hình thành liên kết phối trí giữa nguyên tử oxi trong nhóm −COOH và nguyên tử nitơ trong nhóm −NH2 với ion trung tâm Nguyên tử nitơ ở nhóm −NH2 có khả năng cho electron để tạo liên kết phối trí với ion kim loại Trong khi đó ion H+ cũng dễ dàng tách ra khỏi nhóm −COOH để tạo thành −COO–, nhóm này dễ dàng tạo thành một liên kết cộng hoá trị với ion kim loại thông qua nguyên tử oxi Chính vì vậy mà các α–amino axit có khả năng tạo phức chất vòng càng 5 cạnh bền với nhiều ion kim loại

Trên bình diện chung tất cả các nhóm chức đều là các bazơ Lewis và Bronsted và như vậy kiểu phối trí của nó phụ thuộc vào giá trị pH của môi trường phản ứng Theo các số liệu chuẩn pH, sự proton hoá nhóm amin sẽ ngăn cản sự hình thành vòng càng ở vùng giá trị pH thấp (khoảng 2 ÷ 4) và các amino axit khi đó sẽ phối trí với các ion kim loại chỉ qua nguyên tử oxi của nhóm cacboxyl, ở vùng pH cao hơn nhóm amin đe–proton hoá và khi đó các vòng càng sẽ hình thành thông qua liên kết phối trí với đồng thời hai nhóm amino và cacboxyl

Trong phức chất của kim loại với amino axit, liên kết tạo thành đồng thời bởi

Dạng phân tử Dạng ion lưỡng cực

nhóm cacboxyl và nhóm amino Tuỳ theo sự sắp xếp tương hỗ của các nhóm này

Hình 1.5 Phức chất của α-amino axit với kim loại

Đã có nhiều công trình nghiên cứu về sự tạo phức trong dung dịch của kim loại chuyển tiếp với các amino axit như L–lơxin, L–phenylalanin, L–tryptophan, L–histidin, L–glutamin Người ta đã khảo sát tỉ lệ giữa các cấu tử theo tỉ lệ 1:1; 1:2; 1:3; các nghiên cứu cho thấy ion kim loại với phối tử có tỉ lệ 1:2 thuận lợi hơn vì với tỉ lệ này loại trừ được các phức phụ, chẳng hạn phức hyđroxo

1.2.2 Khả năng tạo phức của kim loại nhóm d [4,6]

Các nguyên tố chuyển tiếp nhóm d là các kim loại có electron hóa trị thuộc phân lớp d, các nguyên tố này có phân lớp d chưa xếp đầy electron và chúng có khả năng tạo thành phức chất Nói chung, phức chất là những phân tử được tạo thành bởi ion kim loại, được gọi là ion trung tâm, liên kết với các ion âm hoặc phân tử trung hòa, được gọi là phối tử Thành phần và hình dạng của phân tử phức chất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như bản chất ion trung tâm, bản chất phối tử, điều kiện phản ứng như nhiệt độ, pH dung dịch, … Trong nội dung nghiên cứu của luận văn này, chúng tôi sẽ lấy các ion kim loại Cu2+

, Zn2+, Mn2+ và Fe3+ để xem xét khả năng tạo phức của chúng với các amino axit

Ion Cu2+ có cấu hình electron là [Ar]3d9, trong nước tạo nên ion phức [Cu(H2O)6]2+ có màu xanh nên dung dịch muối Cu2+ hấp thụ mạnh ánh sáng có bước sóng trong vùng 600 − 800 nm Ion Cu2+

là chất tạo phức mạnh Với cấu hình

d9, các phức chất Cu(II) luôn là các phức chất thuận từ trong mọi trường phối tử Phức chất của Cu(II) phần lớn có số phối trí 4 hoặc 6, đặc biệt là phức chất vuông phẳng Các phức chất của Cu(II) được biết đến như một trường hợp điển hình mà cấu trúc chịu nhiều ảnh hưởng bởi hiệu ứng Jan–Telơ, vì vậy hiếm khi gặp các phức này có cấu trúc bát diện, tứ diện hay vuông phẳng hoàn hảo bởi chúng luôn có xu hướng biến dạng để giảm độ suy biến mức năng lượng của các electron 3d

Kẽm là nguyên tố kim loại có cấu hình electron là [Ar]3d10

4s2, kẽm chỉ thể hiện số oxi hóa duy nhất là +2 do phân lớp 3d đã đầy electron Kẽm có thể có các số phối trí từ 2 đến 7, tuy nhiên số phối trí 4, 5, 6 là phổ biến hơn cả Ion Zn2+ có khả năng tạo nhiều phức chất có số phối trí 4 với nhiều phối tử vô cơ như: NH3, X- (X là halogen), CN-, … và các hợp chất vòng càng bền với các phối tử hữu cơ như: axetyl axeton, đioxanat, amino axit, … Các phức chất của Zn2+ với số phối trí 6 ít gặp hơn

và không đặc trưng Nhờ cấu hình electron bền 3d10, các phức chất của ion Zn2+

đều không có màu Đó là do mỗi obitan d đã được điền đủ hai electron nên không có sự chuyển dời electron giữa các obitan 3d có phân mức năng lượng khác nhau Cũng giống như ion Cu2+

, ion Zn2+ có khả năng tạo các phức chất vòng càng 5 cạnh bền với các phối tử α−amino axit, liên kết được thực hiện qua nguyên tử N của nhóm –

NH2 và nguyên tử O của nhóm –COOH

Ion Mn2+ có cấu hình electron [Ar]3d5, là dạng tồn tại phổ biến nhất của mangan, phần lớn trong các phức chất mangan cũng tồn tại ở trạng thái oxi hóa này Ion Mn2+ có bán kính nguyên tử lớn nhất so với các ion kim loại cùng điện tích trong dãy kim loại chuyển tiếp thứ nhất, đồng thời năng lượng bền hóa của trường phối tử bằng không làm cho các phức chất của Mn(II) kém bền Bên cạnh đó, cấu hình bán bão hòa d5 bền vững khiến cho không có dạng phối trí nào đặc biệt chiếm

ưu thế trong phức chất của Mn(II) Phức chất của Mn(II) có thể tồn tại ở nhiều dạng

như tứ diện, vuông phẳng, bát diện, lưỡng chóp tam giác, … trong đó phức chất bát diện có phần phổ biến hơn

Với trường hợp của Fe(III), với cấu hình electron [Ar]3d5

, Fe(III) có khả năng tạo phức với rất nhiều phối tử vô cơ cũng như hữu cơ thông thường, dạng hình học phổ biến nhất là bát diện Fe(III) có khả năng tạo nhiều phức chất bền như [FeF6]3-, [Fe(C2O4)3]3-, [Fe(CN)6]3-, … Mặc dù có cấu hình electron giống Mn(II) nhưng màu sắc các phức chất của Fe(III) đậm hơn hẳn, tức là các phức chất của Fe(III) hấp thụ mạnh ánh sáng trong vùng khả kiến Điều này được giải thích bởi mật độ điện tích dương của ion Fe3+

lớn hơn so với ion Mn2+, ion Fe3+ phân cực các phối tử mạnh hơn, do đó các dải chuyển điện tích trong phổ hấp thụ electron có cường độ lớn hơn

1.3 KHẢ NĂNG HẤP THU

Sự hấp thu phức chất vòng càng thay đổi theo hằng số bền, phối tử, khối lượng phân tử Các phức vòng càng gồm các liên kết nhiều hóa trị của các cation với nhóm α−amino và cacboxyl của một amino axit để tạo thành vòng năm cạnh Cấu trúc của vòng gồm các nguyên tử kim loại, nguyên tử oxy hoạt động của nhóm carboxyl, nguyên tử cacbon của nhóm cacbonyl, nguyên tử cacbon và các nguyên tử nitơ ở vị trí α Các liên kết gồm liên kết cộng hóa trị và liên kết ion Khối lượng trung bình của amino axit thủy phân xấp xỉ 150 và do đó các phức vòng càng của nó không vượt quá 800 Nếu trọng lượng phân tử lớn hơn thì nó sẽ không thể đi qua lớp mucosa ruột nếu không có sự thủy phân trong lumen ruột[16]

Ở các phức chất vòng càng amino axit với kim loại chuyển tiếp thì các ion kim loại trong phân tử là trơ về mặt hóa học bởi các liên kết cộng hóa trị và liên kết ion Cho nên nó không bị ảnh hưởng bởi các anion gây kết tủa so với trường hợp các ion kim loại tự do trong các muối hòa tan Các chất béo và sợi không gây nhiễu cho sự hấp phụ amino axit vòng càng do hằng số bền

Sự hấp thụ của phức amino axit vòng càng không cần đến sự can thiệp của vitamin như với một vài ion kim loại ở dạng khác

Các khoáng chất của các phức chất vòng càng tạo ra hoạt tính lớn trong rất

nhiều enzym liên quan đến việc sử dụng protein Sự tích lũy sinh học lớn của các khoáng chất trong phức làm tăng các chất khoáng hoạt hóa các enzym tiêu hóa protein và tăng việc trao đổi năng lượng; sự tăng khả năng tích lũy của các amino axit và năng lượng trong thức ăn giúp tăng giá trị dinh dưỡng

1.4 TỔNG HỢP PHỨC CHẤT VÒNG CÀNG CỦA KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VỚI AMINO AXIT THIẾT YẾU

Nói chung hiện nay trên thế giới đã có nhiều bài báo, cũng như các công trình nghiên cứu khoa học về phương pháp tổng hợp phức chất vòng càng của amino axit với kim loại chuyển tiếp để tạo thành chất có hoạt tính sinh học cao phục

vụ trong bổ sung, điều hòa dinh dưỡng trong cơ thể sinh vật Tuy vậy về bản chất của quá trình có thể được tóm lược như sau:

Mn+ + nHL → MLn + nH+Dung dịch muối vô cơ của kim loại M được trộn với phối tử trong hỗn hợp dung môi ở một tỉ lệ thích hợp Hỗn hợp dung dịch được khuấy và gia nhiệt một thời gian Phức chất tạo thành được tách ra và được rửa bằng dung môi trên phễu lọc xốp, sau đó sấy khô để thu được sản phẩm

Khi xét đến khả năng tạo phức của các ion kim loại, yếu tố pH là vô cùng quan trọng: Nếu chọn pH cao có thể tạo hiđroxit do sự thủy phân của ion kim loại, ngược lại, nếu pH quá thấp có thể cản trở quá trình tạo phức Bên cạnh đó, giá trị

pH cũng ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng tạo phức của các amino axit Tùy thuộc vào số lượng các nhóm chức mà các amino axit thể hiện môi trường axit, bazơ hay trung tính

Giá trị pH của môi trường ứng với trạng thái ion lưỡng cực của amino axit được gọi là điểm đẳng điện pI của nó pI của các α–amino axit trung tính có giá trị

từ 5,6 đến 7,0; của các amino axit đicacboxylic là từ 3 đến 3,2; của các amino axit điamin là từ 9,7 đến 10,8

Bảng 1.1 Điểm đẳng điện pI của một số amino axit [6]

Amino axit PI Amino axit PI

Từ cấu tạo của các α–amino axit trung tính có thể thấy rằng sự tạo thành các hợp chất vòng càng với các kim loại do sự phối trí của kim loại với nguyên tử nitơ chủ yếu xảy ra ở pH > pI

Như vậy, quá trình tổng hợp phức chất kim loại với amino axit phải tiến hành

ở pH thích hợp Chính vì vậy quá trình tổng hợp người ta có thể sử dụng các chất kiềm, một mặt tránh sự thủy phân của ion kim loại, mặt khác đảm bảo sản phẩm phản ứng đạt hiệu suất cao

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 HÓA CHẤT, THUỐC THỬ VÀ DỤNG CỤ, THIẾT BỊ

2.1.1 Hóa chất

1 Các muối vô cơ, hữu cơ: NaCl; KCl; MgCl2; CuCl2; MnCl2; Zn(CH3COO)2; FeCl2; NaH2PO4; Na2SO4; CaCl2; NaHCO3; K2HPO4 Các hóa chất thuộc loại tinh khiết phân tích (PA) của Merck – Đức

2 Các axit: HCl; H2SO4 (PA, Merck – Đức)

3 Các bazơ: NaOH; KOH (PA, Merck – Đức)

4 Các amino axit: Valin; tryptophan

5 Các dung môi: Axeton, etanol (PA, Merck – Đức)

5 Các hợp chất khác: Pepsin; trypsin; Glucose; Ninhydrin; n–propanol (PA, Merck – Đức)

2.1.2 Dung dịch và thuốc thử

1 Hóa chất phân tích hàm lượng N:

- Hóa chất phân hủy: Hòa tan 134 g K2SO4 và 7,3 g CuSO4 vào trong khoảng

800 ml nước Cẩn thận thêm 134 ml H2SO4đ Pha loãng dung dịch tới 1 lít bằng nước cất

- Hỗn hợp NaOH–Na2S2O3 điều chỉnh pH để cất amoni: Hòa tan 500 g NaOH và 25 g Na2S2O3.5 H2O vào trong bình định mức 1 lít bằng nước cất

2 Dung dịch Krebe Ringers Bicarbonate (KRB):

- Pha dung dịch với nồng độ các chất như sau: NaCl 115 mM, KCl 5,9 mM, MgCl2 1,2 mM, NaH2PO4 1,2 mM, Na2SO41,2 mM, CaCl21,2 mM, NaHCO325 mM, glucose 10 mM Dung dịch được điều chỉnh pH 7,4

2.1.3 Dụng cụ, thiết bị

1 Máy ly tâm

2 Thiết bị đo quang: Dr 2800−Hach, Mỹ

3 Các dụng cụ khác:

- Cốc thuỷ tinh chịu nhiệt: 80 ml, 100 ml; lọ chịu nhiệt 30ml

- Phễu thủy tinh, buret, bình định mức 50 ml, 100 ml, 1000 ml; pipet 5ml,

10ml, 20ml, giấy lọc Máy khuấy từ, máy lọc hút chân không, máy đo pH

- Tủ sấy, tủ lạnh, bình hút ẩm, lò nung, cân phân tích 4 số

2.2 THỰC NGHIỆM

2.2.1 Tổng hợp phức chất vòng càng của kim loại chuyển tiếp với amino axit

* Tổng hợp phức chất của tryptophan với Cu 2+ , Zn 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ :

C

- Quy trình tổng hợp phức Cu−tryptophan:

Phức chất Cu−tryptophan được chuẩn bị bằng phản ứng của L–tryptophan và CuCl2 như sau: 1,82 g CuCl2.2H2O (Merck) được hòa tan trong 40 ml nước nóng Một dung dịch khác có chứa 4,34 g L–tryptophan trong 50 ml có nước nóng chứa KOH được nhỏ giọt vào dung dịch đồng, dưới điều kiện khuấy Dung dịch sau đó tiếp tục được khuấy khoảng nửa giờ Kết tủa phức được lọc qua một phễu thủy tinh

và rửa vài lần với nước nóng cho đến khi loại trừ được hết Clo

- Quy trình tổng hợp phức Mn–tryptophan:

Dung dịch 1: 0,198 g (1mmol) MnCl2.4H2O trong 10 ml etanol

Dung dịch 2: Hòa tan 0,408 g (2 mmol) L−tryptophan trong 20 ml etanol có chứa 0,12 g (2mmol) KOH

Lấy dung dịch 2 nhỏ từ từ vào dung dịch 1 và khuấy trong một giờ tại nhiệt

độ phòng Kết tủa thu được sẽ cho lọc, rửa và sấy khô

- Quy trình tổng hợp phức Fe–tryptophan:

Lấy 0,03 mol tryptophan cho vào 60 ml nước deion và thêm KOH để điều chỉnh pH tới 8,0, khuấy và đun ở nhiệt độ 96 oC Lấy 0,01 mol FeCl3 trong 10 ml nước deion nhỏ từng giọt vào dung dịch tryptophan Sau đó đun tiếp 20 phút và làm lạnh ở nhiệt độ phòng Dung dịch phản ứng được ly tâm và lấy kết tủa đem rửa và làm khô

* Tổng hợp phức chất của valin của Cu 2+

- Trộn hai dung dịch trên, khuấy và gia nhiệt ở 70 oC trong khoảng thời gian

từ 3 ÷ 4 giờ Phức chất rắn tách ra được rửa bằng dung môi axeton trên phễu lọc xốp, sau đó sấy ở 60 o

C trong 24 giờ

* Quy trình tổng hợp phức chất của tryptophan, valin với Cu 2+ , Zn 2+ , Mn 2+ ,

và Fe 3+ :

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp phức chất tryptophan, valin với kim loại

2.2.2 Khảo sát ảnh hưởng pH đến quá trình tạo phức

môi trường phản ứng bằng dung dịch kiềm KOH có trong dung dịch phối tử Kết quả thu được sẽ là cơ sở để đánh giá khả năng hình thành phức chất trong dung dịch

cũng như tối ưu hóa được môi trường pH phản ứng để hiệu suất tạo phức đạt tối đa

2.2.3 Đánh giá khả năng hấp thu các phức chất tổng hợp

2.2.3.1 Nghiên cứu độ bền của phức chất trong môi trường mô phỏng dịch ruột

và dịch dạ dày

Với việc đánh giá được độ bền của phức chất trong môi trường dịch ruột và dịch dạ dày sẽ cho ta thấy được sự hiệu quả của việc sử dụng phức chất đối với cơ thể sống cũng như so sánh được khả năng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường dịch ruột và dịch dạ dày của phức chất và các dạng hợp chất khác

- Khảo sát độ bền của các phức chất trong môi trường mô phỏng dịch dạ dày: + Pha 1 lít dung dịch mô phỏng dịch dạ dày: 2 gam NaCl; 3,2 gam pepsin, 7

ml HCl đặc và thêm nước cất vừa đủ 1 lít Dung dịch có pH khoảng 1,2

+ Tiến hành thí nghiệm bằng cách cân một lượng chính xác kim loại ở dạng phức chất và dạng muối tan Hòa tan phức chất Cu−valin và muối Cu(CH3COO)2 trong 10 ml dung dịch giả dịch dạ dày trên máy khuấy từ Ghi phổ UV – Vis của mẫu từ 0 ÷ 3 giờ để theo dõi độ hấp thu và bước sóng có cường độ hấp thụ cực đại

- Khảo sát độ bền của các phức chất trong môi trường mô phỏng dịch ruột: Sau khi khảo sát với dung dịch mô phỏng dịch dạ dày thì dung dịch được đệm với 1

g K2HPO4 điều chỉnh pH tới 8,4 Sau đó thêm 10 mg trypsin vào dung dịch Ghi

phổ UV – Vis của mẫu từ 0 ÷ 3 giờ để theo dõi độ hấp thụ và bước sóng có cường

* Sử dụng hệ hấp thụ − hòa tan [16,30 ]

: Ruột của lợn đoạn đầu tiên 10 cm sau

dạ dày được rửa rồi đặt vào dung dịch KRB (pH = 7,4) 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 dung dịch chứa chất nghiên cứu (Cu2Val4 hoặc CuSO4) có cùng nồng độ được chuẩn bị như bên dưới Rót dung dịch KRB vào ống thủy tinh sao cho đầy đoạn ruột Nhúng toàn bộ hệ thống trong bình điều nhiệt ở 37

oC Sau 20 phút lấy dung dịch KRB trong ruột ra phân tích hàm lượng Cu đã được hấp thu qua bằng phương pháp trắc quang trên máy Hach Model DR/2800

Hình 2.2 Hệ hấp thụ hòa tan

- Pha dung dịch đồng Cu2Val4: 20,0 mg/l Cu2+

- Pha dung dịch CuSO4.5H2O: 100 mg/l Cu2+

- Chuẩn bị 2 bình tam giác 1000 ml theo thứ tự 1, 2 Lấy 50 ml dung dịch

Cu2Val4 pha loãng thành 500 ml để có nồng độ tương ứng 2,0 mg/l Cu2+ cho vào bình 1 Chuẩn bị bình 2 cho 10 ml dung dịch CuSO4.5H2O pha loãng thành 500 ml

để có nồng độ 2 mg/l Cu2+ Các dung dịch trong bình 1 và bình 2 được sử dụng để nghiên cứu trong hệ hấp thụ hòa tan

*Thử độ hấp thu trên ruột [16]

: Thí nghiệm tiến hành đối với các kim loại

trong các dạng hóa học khác nhau được tiếp xúc với niêm mạc ruột Sự hấp thụ kim loại trong niêm mạc ruột ở các dạng khác nhau được so sánh ở cùng một thời gian Trong các thí nghiệm thì các yếu tố gây cản trở tiềm tàng trong môi trường ruột không được xét đến, có nghĩa là hấp thu được tối ưu

Lấy các đoạn của một phần ruột non 10 cm từ lợn, các đoạn này được chia thành các đoạn 2 cm xếp dọc theo màng treo ruột và ủ với dung dịch Krebe Ringers Bicarbonate (KRB) trong đĩa petri

Các phân đoạn ruột được tiếp xúc với cùng thể tích dung dịch chứa 50 µg kim loại là Cu2+

, Zn2+ trong dung dịch mô phỏng dịch ruột − dạ dày với thời gian 2 phút Tại thời điểm cuối của 2 phút, các đoạn ruột được lấy ra, được rửa, xử lý và khảo sát hàm lượng kim loại đã được hấp thụ

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.3.1 Phương pháp chuẩn độ đo pH và xác định hằng số bền [11]

Mỗi dung dịch amino axit được chuẩn độ với KOH 0,1N trong trường hợp

có mặt và không có mặt của ion kim loại M Tỷ lệ mol của phối tử hình thành phức (L) và kim loại là 2:1 Tổng thể tích là 50 ml cả trong trường hợp có mặt kim loại hoặc không có mặt kim loại trong dung dịch Tổng lượng kiềm sử dụng cho mỗi lần chuẩn độ là 5 ml (tương ứng với đương lượng phối tử L tạo phức được sử dụng) Giá trị pH được ghi lại sau mỗi lần thêm

Phương trình tạo phức giữa amino axit và ion kim loại lúc đầu xảy ra theo phương trình:

HC CO O

R

M2+

Tại pH cao hơn tiếp tục xảy ra chuyển dịch cân bằng sau:

Để tính hằng số cân bằng của phản ứng thì thuật ngữ “phối tử tự do” được đưa vào Phối tử tự do là một dạng của phối tử ở trạng thái cân bằng và có dạng (IV):

R HC

CO

NH2O

Nó là trung gian trong cân bằng (I) (II) và (II) (III):

Như vậy từ cân bằng (1) ta có hằng số bền K’ cho phương trình này và được tính:

Khi nồng độ ion kim loại tự do nhỏ thì công thức K’ có thể đưa về dạng:

CO O

N

H H

M R

O

H N

H H OC

HC CO O

CO O

N

H H

M R

O

H N

H H OC

K' = n/(1 − n) [Sc], Trong đó ̅ là hệ số trung bình các phối tử liên kết với một ion kim loại ở tất cả các dạng phức, [Sc] là nồng độ phối tử tự do được tính như sau:

log [Sc] = log([HSco] – [KOH] – [H+] + [OH-]) – log( + 2

) Với [HSco] là nồng độ của phối tử hình thành phức trước khi kim loại được thêm vào, [KOH] là nồng độ của KOH trong dung dịch tại thời điểm chuẩn độ, Ka

và Ka’ là độ axit amino và carboxyl của amino axit nghiên cứu

Khi làm việc với giá trị pH từ 4 đến 10 thì một dạng đơn giản của phương trình trên được đưa ra cho tất cả các giá trị pH mà lớn hơn một đơn vị so với pKa’:

log[Sc] = (pH –pKa) + log([HSco]–[KOH])

Từ cân bằng (2) ta có hằng số bền K” cho phương trình này được tính:

ứ

ứ ố ử ự Khi [III] nhỏ thì công thức K” có thể đưa về dạng:

α=[H+]/Ka + [H+]2/KaKa’ + 1 Nếu pH lớn hơn pKa’ 1,4 đơn vị thì α có thể được tính như sau:

α=[H+]/Ka ̅ có thể được xác định bằng phương trình đơn giản khi pH nhỏ hơn 1,4 đơn vị so với pKa và lớn hơn 1,4 đơn vị so với pKa’:

* Phân tích hàm lượng kim loại

- Phân tích bằng phương pháp so màu: Trong phương pháp pháp này chúng tôi sử dụng các phương pháp tiêu chuẩn của Việt Nam và phương pháp của Hach để phân tích hàm lượng kim loại Nguyên tắc của phương pháp là cho các dung dịch chứa ion kim loại tạo màu với thuốc thử, màu của dung dịch được đem so màu hay

đo độ hấp thụ quang với đường chuẩn, từ đó ta tính được nồng độ ion kim loại của dung dịch thu được là tỉ lệ với độ hấp thụ

- Phân tích bằng ICP – MS:

Để phân tích hàm lượng, thành phần các ion kim loại trong phức thì ngoài phương pháp so màu thì ta có thể sử dụng phương pháp phổ khối plasma cảm ứng ICP – MS Phương pháp phổ khối lượng (khối phổ) dựa trên sự tách các hạt tích điện theo tỉ số khối lượng/điện tích của chúng (m/z)

Hai ưu điểm nổi bật của ICP – MS là:

1) Phổ đơn giản, dễ giải và dễ tách các nhiễu ảnh hưởng lẫn nhau;

2) Phương pháp có thể phát hiện được hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn ICP – MS đã được nhiều tác giả nghiên cứu xác định lượng vết nhiều nguyên

tố đặc biệt là nghiên cứu xác định lượng vết các kim loại chuyển tiếp trong nhiều đối tượng mẫu khác nhau, trong đó có các mẫu địa chất, mẫu sinh học, mẫu môi trường Thông thường ICP – MS là thiết bị có nhiều thuận lợi khi xác định lượng vết các nguyên tố nhờ độ nhạy và độ phân giải rất cao của nó Với lợi thế về độ nhạy và độ chọn lọc cao, ICP – MS cho phép xác định trực tiếp các nguyên tố kim loại trong nhiều mẫu và vật liệu tinh khiết cao

* Phân tích hàm lượng nitơ tổng số [15]

Phương pháp xác định theo nguyên tắc chuyển các hợp chất chứa nitơ trong

mẫu phức thành amoni sulfat bằng cách vô cơ hóa với axit sulfuric có chứa lượng lớn K2SO4 để tăng điểm sôi của hỗn hợp và có CuSO4 làm xúc tác Giải phóng amoni từ amoni sulfat bằng cách thêm dung dịch kiềm, sau đó hấp thụ khí NH3 sinh

ra vào dung dịch chỉ thị axit H3BO3 20% (đối với phương pháp chuẩn độ), hấp thụ vào dung dịch axit H2SO4 0,04N (đối với phương pháp phenat)

Xác định hàm lượng NH3 trong dung dịch hấp thụ bằng phương pháp phenat hoặc chuẩn độ hoặc các phương pháp tương đương khác Từ đó tính toán được nồng

độ Tổng Nitơ

2.3.3 Phương pháp phổ UV – Vis

Phổ tử ngoại và khả kiến, viết tắt là UV – Vis (Ultraviolet–Visible) là phương pháp phân tích được sử dụng rộng rãi từ lâu Phổ tử ngoại và khả kiến của các chất hữu cơ gắn liền với bước chuyển electron giữa mức năng lượng electron trong phân tử khi các electron chuyển từ các obitan liên kết hoặc không liên kết lên các obitan phản liên kết có mức năng lượng cao hơn, đòi hỏi phải hấp thụ năng lượng từ bên ngoài Mỗi bước chuyển này được đặc trưng bằng giá trị bước sóng (năng lượng) và hệ số tắt phân tử

Hình 2.3 Các bước chuyển dời electron trong phân tử

Trong luận văn này, phương pháp UV – Vis được sử dụng để chứng minh có

sự tạo phức bằng cách so sánh phổ UV – Vis của dung dịch chứa ion kim loại ban đầu với phổ của phức chất tạo thành và xác định cấu trúc phân tử

Kết quả UV – Vis của các chất nghiên cứu được đo trên thiết bị UV – Vis

Agilent 8453 tại Bộ môn Hoá Vô cơ & Đại cương – Trường Đại Học Bách Khoa

Hà Nội và thiết bị Dr 2800 – Hach tại Trung tâm Quan trắc – Phân tích Môi trường biển, Hải quân

2.3.4 Phương pháp phổ khối lượng [8]

Phương pháp phổ khối có ý nghĩa rất quan trọng đối với việc nghiên cứu, xác định cấu trúc các hợp chất hữu cơ Dựa trên các số khối thu được trên phổ có thể xây dựng cấu trúc phân tử phức hoặc chứng minh sự đúng đắn của công thức cấu tạo dự kiến

Hình 2.4 cho thấy phần từ tính của thiết bị khối phổ với việc sử dụng từ trường để cho phép các ion với tỷ lệ m/z nhất định vượt qua từ nguồn ion tới detector Các phân tử khí vào ở phía trên bên trái được chuyển đổi thành các ion (thường là ion có điện tích dương), được tăng tốc bằng một điện trường và bị đẩy vào ống phân tích, nơi chúng gặp phải một từ trường vuông góc với hướng đi của

nó Quang phổ khối lượng thu được bằng cách thay đổi cường độ từ trường

Hình 2.4 Sơ đồ quá trình hoạt động của máy khối phổ

Tại detector nhân điện tử, mỗi ion tới bắt đầu một chuỗi điện tử, cũng giống như một photon bắt đầu một chuỗi electron trong một ống nhân quang Một loạt các

điện cực thứ cấp (dynodes) nhân số lượng của các electron (~105

lần) trước khi chúng đạt đến cực dương, nơi dòng được đo Quang phổ khối lượng cho detector đo dòng là một hàm của m/z với một từ trường chọn trước

Trong đề tài này, phổ khối lượng của các phức chất nghiên cứu được ghi trên máy Agilent LC/MS/MS-Xevo TQMS tại Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam

2.3.5 Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại [4,6,8]

Khi so sánh phổ của phức chất với phổ của các phối tử tự do ta thu được thông tin về sự tạo phức giữa phối tử và ion trung tâm như kiểu liên kết, độ bền liên kết, mức độ liên kết, dung lượng phối trí của phối tử

Trong phổ của các axit cacboxylic và muối của chúng, đặc trưng của nhóm –COOH là các dải hấp thụ trong vùng 1700 ÷ 1750 cm–1 (νC=O), nhóm –COO– trong vùng 1570 – 1590 cm–1 (νC−O) và vùng 1400 ÷ 1420 cm–1 (νC−O) Các phân tử amino axit thường có cấu tạo lưỡng cực, trong phổ hồng ngoại của chúng các giá trị νC=Othường nằm trong khoảng 1600 ÷ 1630 cm–1, còn νC−O nằm trong khoảng 1400 ÷

1415 cm–1 Nhóm –COOH phối trí có các dải dao động hóa trị bất đối xứng (νC=O) dịch chuyển về vùng có số sóng thấp hơn

Các dải dao động hóa trị của các liên kết N–H (νN−H) trong phổ nằm trong vùng 3500 ÷ 3330 cm–1, các dải dao động biến dạng (δN−H) nằm trong vùng 1600

cm–1 Trên phổ của các phức chất của amin, dải hấp thụ νN−H nằm ở vùng có tần số thấp hơn trong phổ của amin tự do tương ứng Các giá trị này được sử dụng để xác định đặc tính của các liên kết M–N trong các phức chất (M là kim loại trung tâm)

Các dải hấp thụ đặc trưng của ion hidroxyl ở 3760 ÷ 3500 cm–1 (νOH), của nước ẩm trong khoảng 3600 ÷ 3200 cm–1 (νOH), của nước kết tinh trong mẫu khoảng

tần số dao động của nhóm –COO– thì không những chịu ảnh hưởng của sự tạo phức

mà còn chịu ảnh hưởng của liên kết hyđro giữa nhóm C=O với nhóm −NH2 của phân tử khác, tần số dao động bất đối xứng của nhóm –COO– và tần số dao động biến dạng của nhóm −NH2 trong phức của amino axit cùng nằm trong vùng gần

1600 cm–1 Vì vậy việc quy gán các dải hấp thụ cho các dao động xác định nhiều khi không thống nhất trong phổ hồng ngoại

Phổ hồng ngoại của các phức chất được ghi trên máy Nicolet của hãng Thermo − Mỹ, đặt tại phòng thí nghiệm Hóa Dầu, Viện Kỹ Thuật Hóa Học, Đại Học Bách khoa Hà Nội Mẫu được ép viên rắn với KBr

2.3.6 Phương pháp phân tích nhiệt [6]

Có rất nhiều phương pháp phân tích nhiệt khác nhau nhưng trong đề tài nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phương pháp phân tích nhiệt vi phân (DTA) và phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) để nghiên cứu cấu trúc của phức chất

Đường DTA chỉ sự biến đổi nhiệt độ của mẫu nghiên cứu so với mẫu chuẩn trong lò Nhờ đường DTA ta biết được khi nào có hiệu ứng thu nhiệt (cực tiểu trên đường cong) và khi nào có hiệu ứng phát nhiệt (cực đại trên đường cong) còn từ đường TGA ta có thể suy đoán được thành phần của chất khi xảy ra hiệu ứng nhiệt

Vì vậy, kết hợp các dữ liệu thu được từ 2 đường TGA và DTA cho phép thu được những dữ kiện liên quan đến tính chất của phức rắn như:

- Có thể suy luận về thành phần của phức chất

- Xác định độ bền nhiệt và các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền nhiệt của phức chất nghiên cứu

- Xác định được các phức chất có chứa nước hay không chứa nước Phức có chứa nước, hiệu ứng mất nước thường là thu nhiệt Nhiệt độ của hiệu ứng mất nước kết tinh thấp hơn nhiệt độ của hiệu ứng mất nước phối trí

- Xác định sự thay đổi số phối trí và các trạng thái hóa trị của ion trung tâm

và nhiều dữ kiện khác

- Giản đồ phân tích nhiệt của các phức chất được ghi trên máy Shimadzu DTG - 60H tại Đại học Sư Phạm Hà Nội, tốc độ gia nhiệt 10oC/phút, nhiệt độ đạt từ