Nghiên cứu tổng hợp phức chất ruteni (II) polypyridin ứng dụng làm đầu dò huỳnh quang phát hiện một số phân tử sinh học

ĐẶT VẤN ĐỀ Trong khoảng 20 năm trở lại đây, phức chất rutheniII polypyridin nhận được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học bởi vì chúng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực q

Hoàng Thị Thuận

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP PHỨC CHẤT RUTENI(II) POLYPYRIDIN

ỨNG DỤNG LÀM ĐẦU DÒ HUỲNH QUANG PHÁT HIỆN

MỘT SỐ PHÂN TỬ SINH HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÓA PHÂN TÍCH

Hà Nội – Năm 2016

-

Hoàng Thị Thuận

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP PHỨC CHẤT RUTENI(II) POLYPYRIDIN

ỨNG DỤNG LÀM ĐẦU DÒ HUỲNH QUANG PHÁT HIỆN

MỘT SỐ PHÂN TỬ SINH HỌC

Chuyên ngành : HÓA PHÂN TÍCH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG

Hà Nội – Năm 2016

LỜI CẢM ƠN

Nghiên cứu này được thực hiện và hoàn thành tại Bộ môn Hóa phân tích Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội với sự hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Xuân Trường và TS Trần Quang Tùng

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin trân trọng cảm ơn TS Nguyễn Xuân Trường và TS Trần Quang Tùng đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành bản luận văn thạc sỹ này

Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Xuân Trường đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

Xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo, thầy cô trong Bộ môn Hóa phân tích

và Bộ môn Hóa hữu cơ Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã quan tâm, giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình thân yêu, đã luôn bên cạnh và động viên tôi hoàn thành tốt luận văn này

Hà Nội tháng 3 năm 2016 Học Viên

Hoàng Thị Thuận

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 TS Nguyễn Xuân Trường – Viện Kỹ thuật hóa học –

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực

và không trùng lặp với các đề tài khác

Hoàng Thị Thuận

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN………2

DANH MỤC BẢNG 5

DANH MỤC HÌNH 6

ĐẶT VẤN ĐỀ 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 12

1.1 Tổng quan về phức chất Ruteni(II) polypyridin 12

1.1.1 Ruteni 12

1.1.2 Phức Ruteni (II) polypryridin 13

1.2 Tổng quan về phương pháp tổng hợp một số phức chất Ruteni(II)polypirydin 17

1.3 Tổng quan về phương pháp tinh chế hóa chất 17

1.3.1 Phương pháp chiết 17

1.3.2 Phương pháp tách 19

1.3.3 Phương pháp kết tinh (phương pháp kết tinh lại) 20

1.3.4 Phương pháp sắc ký bản mỏng 21

1.3.5 Phương pháp sắc ký cột 23

1.3.6 Phương pháp rửa giải 24

1.3.7 Phương pháp cô quay 25

1.3.8 Phương pháp sấy chân không 25

1.3.9 Phương pháp chưng cất 25

1.4 Tổng quan về các kỹ thuật nghiên cứu đặc trưng phổ, xác định cấu trúc của chất 26

1.4.1 Phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân 26

1.4.2 Phương pháp cộng hưởng từ nhân 13C – NMR 31

1.4.3 Phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 32

1.4.4 Phương pháp phổ huỳnh quang phân tử (Fluorescence Spectroscopy) 34 CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36

2.1 Đối tượng nghiên cứu: 36

2.2 Hóa chất, dụng cụ & thiết bị 36

2.2.1 Hóa chất 36

2.2.2 Dụng cụ & thiết bị 36

2.3 Nội dung nghiên cứu: 37

2.3.1 Xây dựng quy trình tổng hợp phức chất ruthenium(II) polypyridin 37

2.3.2 Nghiên cứu đặc trưng của các sản phẩm trung gian và sản phẩm cuối cùng thu được 42

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

3.1 Đặc điểm vật lý của các chất đã tổng hợp 43

3.2 Đặc điểm phổ cộng hưởng hạt nhân của các chất đã tổng hợp được 43

3.2.1 Phổ cộng hưởng từ proton 1H-NMR phối tử 43

3.2.2 Phổ cộng hưởng từ proton 1H-NMR của bipyridine glycoluril (bpg) và phối tử bis(o − xylene)bipyridine glycoluril (bxbg) 45

3.2.3 Phổ cộng hưởng từ nhân 13C-NMR của bipyridine glycoluril (bpg) 47

3.2.4 Phổ cộng hưởng từ proton 1H-NMR phức chất [Ru(dpq)2bxbg]Cl2 48

3.3 Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis của phức Ru(dpq)2Cl2 và[Ru(dpq)2bxbg]Cl2 49 3.4 Phổ huỳnh quang phân tử của phức chất [Ru(dpq)2bxbg]Cl2 51

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

4.1 Kết luận chung 52

4.2 Kiến nghị 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Sự phụ thuộc số khối A vào số thứ tự Z 27 Bảng 1.2:Tỷ lệ cường độ tín hiệu của mỗi nhóm tuân theo tam giác Pascal 31 Bảng 3.1: Đặc điểm vật lý của các chất đã tổng hợp 43 Bảng 3.2: Độ chuyển dịch hóa học (δ - ppm) của phối tử dipyrido[3,2-d:2,3-f]quinoxaline (dpq) và tiền phức chất Ru(dpq)2Cl2 44 Bảng 3.3 :Độ chuyển dịch hóa học (δ - ppm) của bipyridine glycoluril (bpg)

và phối tử bis(o−xylene)bipyridine glycoluril (bxbg) 46 Bảng 3.4: Độ chuyển dịch hóa học (δ - ppm) của bipyridine

glycoluril(bpg)……….48 Bảng 3.5: Độ chuyển dịch hóa học (δ - ppm) của phức chất

[Ru(dpq)2bxbg]Cl2 50

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc phân tử DNA……… 10

Hình 1.2: Cấu trúc bát diện của phức Ru(bpy)3Cl2……….13

Hình 1.3: Phổ hấp thụ và huỳnh quang phân tử của Ru(bpy)3Cl2 trong CH3CN 14 Hình 1.4: Một số phức rutheni(II) polypyridin dạng tris(homoleptic) bpy = bipyridyl; dmbpy = dimethylbipyridine; phen = phenanthroline; bpz = 2,2’-bipyrazine; bpm = 2,2’-bipyrimidine; H2dcbbpy = dicarboxylic bipyridine 14

Hình 1.5: Ví dụ phức rutheni(II) polypyridin dạng bis(heteroleptic) 15

Hình 1.6: Ví dụ phức rutheni(II) polypyridin dạng tris(heteroleptic) 15

Hình 1.7: Một số phối tử loại A của phức rutheni(II) polypyridin 16

Hình 1.8: Một số phối tử loại B của phức rutheni(II) polypyridin 16

Hình 1.9: Sơ đồ quy trình chung tổng hợp phức chất ruthenium(II) polypyridin 17

Hình 1.10: Hệ thống chiết liên tục 19

Hình 1.11: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H Etanol 30

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý thuyết bị đo quang 33

Hình 1.13: Sơ đồ cấu tạo máy quang phổ huỳnh quang 34

Hình 2.1: Sơ đồ quy trình tổng hợp phức chất Ruteni(II) polypyridin 41

Hình 3.1: Phổ1H-NMR(400MHz,d6-DMSO)của dipyrido[3,2-d:2’,3’-f]quinoxaline (dpq) 44

Hình 3.2: Phổ 1H-NMR (500MHz, d6-DMSO) của bis(o−xylene)bipyridine glycoluril(bxpg) 45

Hình 3.3 Phổ cộng hưởng từ nhân 13C-NMR của bipyridine glycoluril (bpg) 47

Hình 3.4: Phổ 1H-NMR (500MHz, d6-DMSO) của phức [Ru(dpq)2(bxbg)]Cl2 49

Hình 3.5: Phổ hấp thụ phân tử của phức Ru(dpq)2Cl2và [Ru(dpq)2bxbg]Cl2 trong nước 51 Hình 3.6: Phổ huỳnh quang phân tử của phức [Ru(dpq)2bxbg]Cl2 trong nước

λex = 460 nm; λobs = 620 nm 51

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ADN Deoxyribonucleic acid axit đêôxy ribônuclêic

1 H- NMR Proton nuclear magnetic

13 C - NMR Carbon-13 nuclear magnetic

Sắc ký lỏng hiệu năng cao

bpg Bipyridine glycoluril Phối tử bipyridine glycoluril

UV- Vis Ultraviolet–visible

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong khoảng 20 năm trở lại đây, phức chất rutheni(II) polypyridin nhận được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học bởi vì chúng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực quang hóa học [1,2], xúc tác quang hóa[3], pin mặt trời hữu cơ[4] và dùng làm đầu dò huỳnh quang phát hiện một số phân tử sinh học[5-8] Đặc biệt, phức chất rutheni(II) polypryridin cho cường độ tín hiệu huỳnh quang lớn, thời gian phát xạ huỳnh quang “dài” và độ dịch chuyển Stokes lớn nên chúng được xem

là lựa chọn tối ưu để thiết kế làm đầu dò quang học phát hiện phân tử sinh học: amino axit, peptit, protein và ADN[9,10] Phức tris(bipyridyl)rutheni(II) chloride – Ru(bpy)3Cl2 từ lâu được xem là “chất chuẩn” để so sánh với các loại phức rutheni(II) polypyridin Ion kim loại chuyển tiếp trung tâm Ru2+ có cấu hình electron d6 ở trạng thái spin thấp tạo thành phức bát diện với ba phối tử 2,2’-bipyridyl (bpy) Phối tử bpy vừa có khả năng cho electron (σ-donor) do có cặp electron tự do ở nguyên tử N, vừa có khả năng nhận electron (π-acceptor) do orbital

π không định vị ở vòng thơm Orbital phản liên kết π* của bpy có mức năng lượng thấp hơn orbital phản liên kết σ* của Ru2+, nên ở trạng thái cơ bản phức Ru(bpy)3Cl2 rất dễ hấp thụ năng lượng để chuyển lên trạng thái kích thích do bước chuyển dời điện tử kim loại-phối tử Do đó phức chất của rutheni(II) có khả năng phát xạ huỳnh quang với hiệu suất lượng tử huỳnh quang lớn Mặt khác, phụ thuộc vào bản chất và cấu hình điện tử của phối tử, tính chất quang hóa & quang lý của phức chất rutheni(II) polypyridin sẽ khác nhau Người ta chia phức chất ruteni(II) polypyridin thành hai loại phụ thuộc vào khả năng khả năng cho/nhận electron của phối tử sử dụng so với bpy Loại A là phức chứa phối tử với σ-donor yếu nhưng π-acceptor mạnh hơn bpy, chẳng hạn như 2,2’-bipyrazine; 2,2’-bipyrimidine; và 2,2’-biquinoline Ngược lại, loại B là phức chứa phối tử với σ-donor mạnh nhưng π-acceptor yếu hơn bpy, chẳng hạn như 2-(pyridin-2-yl)-imidazole; 3-(pyridin-2-yl)-pyrazole; và 3-(pyridin-2-yl)-l,2,4-triazole Phức rutheni(II) polypyridin với phối tử loại A có khả năng tương tác chọn lọc với một số phân tử sinh học như amino axit,

peptit, protein và ADN thông qua phản ứng cho nhận electron Hơn nữa, bằng cách mang những nhóm chức hoạt tính phụ trợ lên phối tử, phức rutheni(II) polypyridin được thiết kế như những chiếc “kẹp” gắn kết ở cấp độ phân tử cho một số phân tử sinh học[11]

Hình 1.1 : Sơ đồ cấu trúc phân tử DNA

Với mục đích thiết kế phức ruteni(II) polypyridin ứng dụng làm đầu dò

huỳnh quang phát hiện một số phân tử sinh học chúng tôi thực hiện đề tài:“Nghiên

cứu tổng hợp phức chất ruteni(II) polypyridin ứng dụng làm đầu dò huỳnh quang phát hiện một số phân tử sinh học”

Phức rutheni(II) polypyridin được nghiên cứu tổng hợp là phức chất với phối tử loại

A gồm dipyrido[3,2-d:2,3-f]quinoxaline (dpq) và bis(o−xylene)bipyridineglycoluril

(bxbg) Đặc điểm của các sản phẩm trung gian và sản phẩm cuối cùng được nghiên cứu, chứng minh bằng phương pháp đo điểm chảy và các phương pháp phân tích phổ hiện đại như phổ cộng hưởng từ proton (1H-NMR), phổ hấp thụ phân tử UV-Vis, phổ huỳnh quang phân tử

Nội dung nghiên cứu chính của đề tài:

1 Tổng hợp phức chất ruteni(II) polypyridin

2 Nghiên cứu đặc điểm vật lý của các chất đã tổng hợp

3 Nghiên cứu đặc điểm đặc điểm phổ cộng hưởng từ proton 1H-NMR của các chất đã tổng hợp Phổ cộng hưởng từ nhân 13C-NMR của bpg

4 Nghiên cứu phổ hấp thụ phân tử UV-Vis của phức Ru(dpq)2Cl2 và [Ru(dpq)2bxbg]Cl2

5 Nghiên cứu phổ huỳnh quang phân tử của phức chất [Ru(dpq)2bxbg]Cl2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về phức chất Ruteni(II) polypyridin

1.1.1 Ruteni

Rutheni (tiến Latinh: Ruthenium) là một nguyên tố hóa học có ký hiệu Ru và

số nguyên tử 44 Là một kim loại chuyển tiếp trong nhóm platin của bảng tuần hoàn, rutheni được tìm thấy trong các quặng platin và được sử dụng như là chất xúc tác trong một số hợp kim platin Rutheni là cực hiếm và nó đứng thứ 74 về độ phổ biến trong số các kim loại trên Trái Đất[3] Khoảng 12 tấn rutheni được khai thác mỗi năm với tổng trữ lượng toàn thế giới khoảng 5000 tấn[3] Rutheni nguồn gốc tự nhiên là hỗn hợp của 7 đồng vị Đồng vị phóng xạ ổn định nhất là Ru106 với chu kỳ bán rã 373,59 ngày, Ru103 với chu kỳ bán rã 39,26 ngày và Ru97 có chu kỳ bán rã 2,9 ngày Mười lăm đồng vị phóng xạ khác cũng được nêu đặc trưng với nguyên tử lượng nằm trong khoảng từ 89,93 (Ru90) tới 114,928 (Ru115) Phần lớn trong số này

có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 5 phút, ngoại trừ Ru95 (1,643 giờ) và Ru105 (4,44 giờ)

Các hợp chất của rutheni thường tương tự về tính chất như các hợp chất của osmi và thể hiện ít nhất 8 trạng thái ôxi hóa, nhưng các trạng thái +2, +3, +4 là phổ biến nhất Các ví dụ là ôxít rutheni (IV) (Ru(IV)O2, trạng thái ôxi hóa

+4), ruthenat dikali(K2Ru(VI)O4,+6), perruthenat kali(KRu(VII)O4, +7) và tetrôxít rutheni (Ru(VIII)O4, +8) Các hợp chất của rutheni với clo là clorua rutheni (II) (RuCl2) và clorua rutheni (III) (RuCl3)

Rutheni là kim loại rất linh hoạt, có thể dễ dàng tạo ra các hợp chất với các liên kết cacbon-rutheni, do vậy các hợp chất này có xu hướng sẫm màu hơn và phản ứng nhanh hơn so với các hợp chất của osmi Các chất xúc tác quan trọng dựa trên rutheni là xúc tác Grubbs và phức chất Roper

Một vài phức chất rutheni hấp thụ ánh sáng trong cả dải phổ nhìn thấy và đang được nghiên cứu tích cực trong nhiều công nghệ tiềm năng trong năng lượng mặt trời Các chất nhuộm gốc rutheni được sử dụng như là nguồn tạo điện tử trong các tế bào năng lượng mặt trời nhạy thuốc nhuộm, một hệ thống tế bào năng lượng

mặt trời mới đầy triển vọng với giá thành thấp Sự phát huỳnh quang của một vài phức chất gốc rutheni bị ôxy làm tắt, vì thế chúng được dùng làm các bộ phận trong thiết bị cảm biến quang học nhận diện oxy

1.2.2 Phức Ruteni (II) polypryridin

Phức tris(bipyridin)rutheni(II) chloride – Ru(bpy)3Cl2 được xem là “chất chuẩn” để

so sánh với các loại phức rutheni(II) polypyridin Ion kim loại chuyển tiếp trung tâm Ru2+ tạo thành phức bát diện với ba phối tử 2,2’-bipyridin (bpy)

[RuII(bpy)3]2+ + hν à [RuIII(bpy)2(bpy).-]2+

Hình 1.4 Một số phức rutheni(II) polypyridin dạng tris(homoleptic) bpy =

bipyridin; dmbpy = dimethylbipyridine; phen = phenanthroline; bpz = bipyrazine; bpm = 2,2’-bipyrimidine; H 2 dcbbpy = dicarboxylic bipyridine

Phức rutheni(II) polypyridin chứa hai loại phối tử khác nhau (phức dạng

bis(heteroleptic))

Hình 1.5 Ví dụ phức rutheni(II) polypyridin dạng bis(heteroleptic)

Hình 1.6 Ví dụ phức rutheni(II) polypyridin dạng tris(heteroleptic)

Mặt khác, phụ thuộc vào bản chất và cấu hình điện tử của phối tử, tính chất quang hóa & quang lý của phức chất rutheni(II) polypyridin sẽ khác nhau Phức chất

ruteni(II) polypyridin được chia thành hai loại phụ thuộc vào khả năng khả năng cho/nhận electron của phối tử sử dụng so với bpy

Loại A là phức chứa phối tử với σ-donor yếu nhưng π-acceptor mạnh hơn bpy, chẳng hạn như 2,2’-bipyrazine (bpz); 2,2’-bipyrimidine (bpm); và 2,2’-biquinoline (biq)…

Hình 1.7 Một số phối tử loại A của phức rutheni(II) polypyridin

Loại B là phức chứa phối tử với σ-donor mạnh nhưng π-acceptor yếu hơn bpy, chẳng hạn như 2-(pyridin-2-yl)-imidazole (Hpyim); 3-(pyridin-2-yl)-pyrazole (Hpyprz); và 3-(pyridin-2-yl)-l,2,4-triazole (Hpyprz)…

Hình 1.8 Một số phối tử loại B của phức rutheni(II) polypyridin

1.2 Tổng quan về phương pháp tổng hợp một số phức chất Ruteni(II)polypirydin

Phương pháp chung[12] để tổng hợp phức bis(heteroleptic) ruthenium(II) polypyridin xuất phát từ chất ban đầu RuCl3⋅xH2O có bán sẵn trên thị trường Với loại phối tử polypyridin (pp) không bền nhiệt, đun hồi lưu RuCl3⋅xH2O trong dung môi DMF để tạo thành tiền phức chất dạng cis-Ru(pp)2Cl2 Sau đó phối tử thứ 2 được đưa vào để tạo thành phức dạng bis(heteroleptic) [Ru(pp)2(pp´)]2+ Với loại phối tử bền nhiệt, đun hồi lưu RuCl3⋅xH2O trong dung môi DMSO để tạo thành tiền dạng tiền phức chất trung gian đầu tiên là Ru(DMSO)4Cl2

Quy trình chung này cũng có thể dùng để tổng hợp phức dạng

tris(heteroleptic) [Ru(pp)(pp´)(pp´´)]2+ với 3 phối tử polypyridin khác nhau

Hình 1.9 Sơ đồ quy trình chung tổng hợp phức chất ruthenium(II) polypyridin

1.3 Tổng quan về phương pháp tinh chế hóa chất

1.3.1 Phương pháp chiết

Phương pháp chiết là phương pháp tách chất từ hỗn hợp bằng dung môi thích hợp Có các phương pháp chiết sau [13]

Chiết từ hỗn hợp dung dịch hay từ chất rắn

Tùy theo bản chất của chất bị chiết và môi trường chúng đang tồn tại để chọn dung môi chiết cho thích hợp, nghĩa là dung môi đó chỉ hòa tan hoặc hòa tan nhiều chất định chiết mà không hòa tan hay ít hòa tan các chất khác trong hỗn hợp Quá trình chiết kết thúc khi đã chiết hết chất cần chiết Điều này có thể kiểm tra bằng màu hay sắc kí

Chiết trong hệ chất rắn - lỏng

Hiệu suất chiết chất rắn bằng chất lỏng phụ thuộc trước hết vào độ hòa tan, và tốc

độ chuyển từ tướng này sang tướng khác Tính tan phụ thuộc vào dung môi và tốc

độ hòa tan phụ thuộc vào bề mặt tiếp xúc Thường chất rắn được chiết liên tục trên máy chiết soxlet Nguyên tắc như sau: đun nóng dung môi trong bình cầu cho hơi dung môi đi lên bình chiết chứa chất qua ống sinh hàn ngược rồi ngưng tụ chảy trở lại vào bình chiết Dung môi lựa chọn là phải hòa tan chất nghiên cứu hoặc phải hòa tan chất phụ rồi qua ống nhánh chảy trở lại bình cầu Nếu dung môi hòa tan chất phụ thì chất hữu cơ nghiên cứu còn lại trên bình chiết, còn nếu dung môi hòa tan chất nghiên cứu thì thu được chất hữu cơ trong bình cầu và chất nghiên cứu nước tách ra khỏi dung môi bằng các phương pháp khác

Chiết trong hệ chất lỏng - lỏng

Chiết chất hữu cơ từ dung dịch (phần lớn là từ nước) là lắc dung dịch đó với dung môi thích hợp không trộn lẫn với dung môi cũ và có khả năng hòa tan tốt chất cần chiết hơn dung môi cũ Trong trường hợp chất cần chiết tan trong dung môi cũ (nước) nhiều hơn các dung môi mới hay không chọn được dung môi mới thì không dung phương pháp chiết thường như trên, mà phải dùng phương pháp chiết liên tục

Để lắp ráp dụng cụ cho phương pháp chiết liên tục cần phải biết được tỉ khối của dung môi cao hay thấp so với chất cần chiết, vì tỉ khối này khác thì dụng cụ lắp ráp

sẽ khác

Hình1.10 :Hệ thống chiết liên tục

(Hình (a): hệ thống chiết chất lỏng với dung môi có tỉ khối cao

Hình (b): hệ thống chiết chất lỏng với dung môi có tỉ khối thấp

Hình (c): hệ thống chiết chất lỏng với chất rắn)

1.3.2 Phương pháp tách

Tách chất hay biến hỗn hợp thành nhiều đơn chất hay quá trình tách chất trong hóa học và công nghệ hóa học được sử dụng để tách một hỗn hợp các chất thành hai hay nhiều sản phẩm khác nhau Những sản phẩm được tách ra có thể có tính chất hóa học và vật lý khác với hỗn hợp ban đầu như kích thước phân tử, nhiệt

độ nóng chảy, nhiệt kết tinh, nhiệt bay hơi, màu sắc, mùi vị

Ngoài một số chất, hầu hết các nguyên tố hoặc hợp chất được tìm thấy trong

tự nhiên đều ở trạng thái hỗn hợp của hai hay nhiều chất khác nhau Do nhu cầu sử dụng nên quá trình tách chất trong công nghệ hóa học là rất cần thiết

Tách chất liên quan mật thiết đến quá trình chuyển khối, là thuật ngữ được dùng nhiều trong các quá trình công nghệ hóa học Sự phân loại của quá trình này

có thể dựa vào bản chất của quá trình đó như quá trình tách cơ học hay tách hóa học Tùy thuộc vào mục đích và thành phần hỗn hợp chất cần tách mà ta lựa chọn quá trình nào cho thích hợp Đôi khi người ta cũng lựa chọn kết hợp các phương pháp tách chất để thu được hiệu quả cao hơn

Phân loại phương pháp tách

v Tách hỗn hợp không đồng nhất là hỗn hợp có ít nhất hai pha không hòa lẫn vào nhau

- Lọc, ly tâm: áp dụng cho hỗn dịch

- Thay đổi nhiệt độ, pH, lắng, gặn: áp dụng cho nhũ tương

v Tách hỗn hợp đồng nhất

- Chia cắt pha hỗn hợp đồng nhất

- Chuyển một pha từ pha này sang pha khác: chiết, thẩm thấu, sắc ký

v Tách pha lỏng khỏi pha rắn

-Vật liệu lọc dạng sợi hoặc xốp

- Chất vô cơ : Dioxyd silic, amiang, thủy tinh

- Chất hữu cơ: Cellulose (giấy lọc), màng polymer

Kỹ thuật lọc

- Lọc áp suất thường

- Lọc ở áp suất giảm( lọc chân không)

1.3.3 Phương pháp kết tinh (phương pháp kết tinh lại)

Kết tinh là quá trình hình thành và phát triển của tinh thể từ tướng nóng chảy, dung dịch hay khí Phương pháp kết tinh lại là phương pháp tinh chế quan trọng dựa trên tính bão hòa của chất rắn cần tinh chế khi đun nóng trong dung môi thích hợp, loại bỏ chất phụ và chất kết tinh trở lại khi làm lạnh

Quá trình kết tinh lại gồm các giai đoạn sau:

ü Hòa tan mẫu chất rắn không tinh khiết trong dung môi thích hợp

ü Lọc nóng dung dịch trên để loại bỏ chất phụ không tan

ü Làm lạnh dung dịch hoặc đuổi bớt dung môi để tạo dung dịch bão hòa

Nguyên tắc

Phương pháp sắc ký lớp mỏng được dùng để định tính, thử tinh khiết và đôi khi để bán định lượng hoặc định lượng hoạt chất thuốc Sắc ký lớp mỏng là một kỹ thuật tách các chất được tiến hành khi cho pha động di chuyển qua pha tĩnh trên đó

đã đặt hỗn hợp các chất cần tách Pha tĩnh là chất hấp phụ được chọn phù hợp theo từng yêu cầu phân tích, được trải thành lớp mỏng đồng nhất và được cố định trên các phiến kính hoặc phiến kim loại Pha động là một hệ dung môi đơn hoặc đa thành phần được trộn với nhau theo tỷ lệ quy định trong từng chuyên luận Trong quá trình di chuyển qua lớp hấp phụ, các cấu tử trong hỗn hợp mẫu thử được di chuyển trên lớp mỏng, theo hướng pha động, với những tốc độ khác nhau Kết quả,

ta thu được một sắc ký đồ trên lớp mỏng Cơ chế của sự chia tách có thể là cơ chế hấp phụ, phân bố, trao đổi ion, sàng lọc phân tử hay sự phối hợp đồng thời của nhiều cơ chế tùy thuộc vào tính chất của chất làm pha tĩnh và dung môi làm pha động

Ðại lượng đặc trưng cho mức độ di chuyển của chất phân tích là hệ số di chuyển Rf được tính bằng tỷ lệ giữa khoảng dịch chuyển của chất thử và khoảng dịch chuyển của dung môi:

Dụng cụ: bình triển khai, thường bằng thuỷ tinh trong suốt có kích thước phù

hợp với các phiến kính cần dùng và có nắp đậy kín Ðèn tử ngoại, phát các bức xạ có bước sóng ngắn 254 nm và bước sóng dài 365nm

Chấm chất phân tích lên bản mỏng: Lượng chất hoặc hỗn hợp chất đưa lên

bản mỏng có ý nghĩa quan trọng đối với hiệu quả tách sắc ký, đặc biệt ảnh hưởng rất lớn đến trị số Rf Lượng chất quá lớn làm cho vết sắc ký lớn và kéo dài, khi đó, vết của các chất có trị số Rf gần nhau sẽ bị chồng lấp Lượng chất nhỏ quá có thể không phát hiện được do độ nhạy của thuốc thử không đủ (thông thường độ nhạy của các thuốc thử trên 0,005 mg) Lượng mẫu thông thường cần đưa lên bản mỏng

là 0,1 - 50 mg ở dạng dung dịch trong ether, cloroform, nước hay dung môi thích hợp khác Thể tích dung dịch từ 0,001 ml đến 0,005 ml đối với trường hợp đưa mẫu lên bản mỏng dưới dạng điểm và từ 0,l - 0,2 ml khi đưa mẫu lên bản mỏng dưới dạng vạch như trong trường hợp sắc ký điều chế Ðối với sắc ký điều chế thì lượng chất có thể lên tới 10 - 50 mg Ðối với các dung dịch có nồng độ rất loãng thì có thể làm giàu trực tiếp trên bản mỏng bằng cách chấm nhiều lần ở cùng một vị trí và sấy khô sau mỗi lần chấm Ðường xuất phát phải cách mép dưới của bản mỏng 1,5cm -

2 cm và cách bề mặt dung môi từ 0,8 - 1 cm Các vết chấm phải nhỏ, có đường kính

2 - 6 mm và cách nhau 15 mm Các vết ở bìa phải cách bờ bên của bản mỏng ít nhất

1 cm để tránh hiệu ứng bờ Khi làm sắc ký lớp mỏng bán định lượng, độ chính xác của kết quả phân tích phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của lượng chất thử đưa lên bản mỏng, tức là thể tích dung dịch chấm lên bản mỏng Do đó, với những trường hợp phân tích bán định lượng phải dùng các mao quản định mức chính xác Khi không cần định lượng dùng micropipet hoặc ống mảo quản thường

Triển khai sắc ký: Ðặt bản mỏng gần như thẳng đứng với bình triển khai,

các vết chấm phải ở trên bề mặt của lớp dung môi khai triển Ðậy kín bình và để yên ở nhiệt độ không đổi Khi dung môi đã triển khai trên bản mỏng được một đoạn theo quy định trong chuyên luận, lấy bản mỏng ra khỏi bình, đánh dấu mức dung môi, làm bay hơi dung môi còn đọng lại trên bản mỏng rồi hiện vết theo chỉ dẫn trong chuyên luận riêng

định tính, phát hiện tạp chất hoặc định lượng như quy định trong chuyên luận riêng

1.3.5 Phương pháp sắc ký cột

Sắc ký cột được tiến hành ở điều kiện áp suất khí quyển Pha tĩnh là những hạt có kích thước tương đối lớn (50-150um), được nạp trong cột thủy tinh Mẫu chất cần phân tích được đặt trên đầu cột, phía trên pha tĩnh (có một lớp thủy tinh che chở

để lớp mặt không bị xáo trộn), bình chứa dung môi giải ly được đặt phái trên cao Dung môi giải ly ra khỏi cột ở phần bên dưới cột được hứng vào những lọ nhỏ đặt ngay ống dẫn ra của cột Phương pháp này thường làm cho quá trình tách bị chậm, hiệu quả thấp so với sắc ký lỏng cao áp (HPLC) Tuy vậy, sắc ký cột cũng có ưu điểm là pha tĩnh và các dụng cụ rẻ tiền, dễ kiếm, có thể triển khai với một lượng mẫu tương đối lớn [15]

Các bước thực hiện sắc ký cột:

- Lựa chọn chất hấp thu: pha tĩnh là silicagel loại thường, hợp chất không phân cực được giải ly khỏi cột trước, hợp chất phân cực được giải ly sau Với 2 phân tử không phân cực, phân tử nào có trọng luợng phân tử lớn sẽ có tính phân cực mạnh hơn phân tử kia, nó bị pha tĩnh giữ lại trong cột nên di chuyển ra khỏi cột

chậm hơn so với các phân tử nhỏ, và cũng có khi nó ở lại lâu hơn trong cột so với phân tử tuy có tính phân cực

- Lựa chọn dung môi: mẫu cần sắc ký đuợc hoà tan hoàn toàn trong dung môi phù hợp với nồng độ 10mg/ml, gọi là dung dịch mẫu (A) Chuẩn bị 4-6 tấm bản mỏng 2,5x10cm Chấm lên những tấm bản này mỗi tấm khoảng 2-5ml dd(A) Mỗi bản mỏng được triển khai với một loại dungmôi giải ly khác nhau, kế đó phát hiện bằng đèn UV hay thuốc thử Với đơn dung môi sẽ dễ dàng thấy được dung môi nào phù hợp Từ kết quả đó, cố gắng tìm một hỗn hợp dung môi, trong đó một dung môi phân cực và một dung môi kém phân cực thí dụ như ete dầu hỏa: etyl acetate

- Nạp chất hấp thu dạng khô vào cột: dùng kẹp giữ cho cột thẳng đứng trên giá, cho dung môi loại kém phân cực nhất vào khoảng 2/3 chiều cao cột Cho chất hấp thu dạng khô vào thẳng trong cột, đều đặn, mỗi lần một lượng nhỏ, vừa cho vừa khỏ nhẹ vào thành cột Khi lớp chất hấp thu đạt được chiều cao khoảng 2cm trong cột, thì mở nhẹ khoá ở bên dưới để cột để cho dung môi chảy ra, hứng vào một becher trống để bên dưới cột, dung môi này dẽ được rót lại lên đầu cột Sau khi nạp xong, cho dung môi chảy qua chất hấp thu vài lần đến khi chất hấp thu trong cột đồng nhất

- Nạp mẫu: mẫu ở dạng lỏng cho trực tiếp lên đầu cột sắc ký Nếu mẫu ở dạng rắn thì hoà tan mẫu chất vào trong một lượng nhỏ dung môi, loại dung môi cho khởi đầu sắc ký

1.3.6 Phương pháp rửa giải

Kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi nhất trong các phương pháp sắc kí hiện nay Một lượng nhỏ hỗn hợp mẫu được giới thiệu vào cột với pha động có ái lực với pha tĩnh bé hơn so với bất kì cấu tử cần tách có trong mẫu Vì thế các cấu tử cần tách di chuyển với tốc độ chậm hơn so với chất rửa giải Tốc độ này được xác định bởi ái lực tương đối của mỗi cấu tử lên pha tĩnh so với pha động, đó chính là hệ số phân bố K = Csp/Cmp Ở đây Csp, Cmp là nồng độ của cấu tử đang xét trên pha tĩnh và trong pha động Các cấu tử được rửa giải theo trật tự ái lực của chúng nhưng tốc độ di chuyển tương đối của chúng phụ thuộc vào tương tác 3 thành phần giữa

chúng với pha động, với pha tĩnh và giữa pha động với pha tĩnh Bởi vì các cấu tử được tách khỏi nhau với một vùng pha động ở giữa chúng nên phương pháp này được sử dụng trong các phép tách với mục đích phân tích Pha động có thể không thay đổi thành phần dung môi trong suốt quá trình rửa giải; có thể thay đổi dung môi rửa giải sau một thời gian định trước (rửa giải theo từng giai đoạn); cũng có thể không thay đổi các dung môi tạo nên pha động nhưng thay đổi nồng độ của các

thành phần có trong pha động sau một thời gian định trước (rửa giải gradient)

1.3.7 Phương pháp cô quay

Máy cô quay chân không là hệ thống bao gồm bình thắt cổ quay bay hơi, giúp tăng diện tích của bể ổn nhiệt ở điều kiện hút chân không, để nung nóng hay bay hơi giúp thu hồi sản phẩm tách chiết Quá trình bay hơi được sử dụng rộng trong việc kết tinh hóa, cô đặc sản phẩm, làm khô bột, tách dung môi, tách chiết,…[16]

1.3.8 Phương pháp sấy chân không

Một hệ thống sấy chân không thường được cấu tạo từ buồng sấy, thiết bị ngưng tụ và bơm hút chân không [16]

Nguyên lý của phương pháp sấy chân không đó là phụ thuộc vào áp suất điểm sôi của nước Nếu làm giảm áp suất trong một thiết bị chân không xuống đến

áp suất mà ở đây nước trong vật bắt đầu sôi và bốc hơi sẽ tạo nên một dòng chênh lệch áp suất đáng kể dọc theo bề mặt vật, làm hình thành nên một dòng ẩm chuyển động trong ra bề mặt vật Điều này có nghĩa là ở một áp suất nhất định nước sẽ có 1 điểm sôi nhật định, do vậy khi hút chân không sẽ làm cho áp suất trong vật giảm đi

và đến lúc nhiệt độ vật đạt đến nhiệt độ sôi của nước ở áp suất đấy Nước trong vật

sẽ hóa hơi, đây là động lực chính tạo điều kiện thúc đẩy quá trình di chuyển ẩm bên trọng vật ra ngoài bề mặt bay hơi của quá trình sấy chân không

1.3.9 Phương pháp chưng cất

Chưng cất là quá trình chuyển chất lỏng thành hơi rồi ngưng tụ thành lỏng

Để chuyển chất lỏng thành hơi, tiến hành đun sôi chất lỏng đó Chất lỏng sôi khi áp suất hơi của nó bằng áp suất bên ngoài Khi áp suất bên ngoài giảm thì nhiệt độ sôi

của chất giảm Với một chất tinh khiết thì nhiệt độ sôi không đổi trong quá trình đun, nếu không có hiện tượng hơi quá nhiệt do đun mạnh Nếu nhiệt độ sôi của chất thấp hơn nhiệt độ chất đó bị phân hủy thì có thể tiến hành chưng cất ở áp suất thường Còn nếu nhiệt độ sôi của chất cao hơn nhiệt độ phân hủy thì phải tiến hành chưng cất ở áp suất thấp

Phương pháp chưng cất thường dùng để tách biệt (tinh chế) các chất có nhiệt

độ sôi khác nhau ra khỏi hỗn hợp của nó Có nhiều phương pháp chưng cất khác nhau tùy thuộc vào tính chất của hỗn hợp chất lỏng

- Với các chất có nhiệt độ sôi xa nhau thường chọn phương pháp cất đơn hay cất thường

- Với các chất có nhiệt độ sôi gần nhau thường chọn phương pháp chưng cất phân đoạn

1.4 Tổng quan về các kỹ thuật nghiên cứu đặc trưng phổ, xác định cấu trúc của chất

1.4.1 Phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (phổ CHTHN) viết tắt của tiếng Anh là NMR (nuclear Magnetic Resonance) là một phương pháp vật lý hiện đại nghiên cứu cấu tạo của các hợp chất hữu cơ Phương pháp phổ biến được sử dụng là CHTHN- 1H

và phổ CHTHN- 13C [17]

Cơ sở vật lý học

Hạt nhân trong từ trường của mỗi đồng vị một nguyên tử được đặc trưng bởi số lượng tử spin I và số lượng tử từ m

I: số lượng tử của spin hạt nhân (I = 0, ½, 1, 3/2, 5/2… )

MI : số lượng tử từ hạt nhân mI = (2I+1) có các giá trị khác nhau là -I, -I + 1, cho đến +I

- Thực nghiệm: mỗi hạt nhân nguyên tử có một số lượng tử spin I hạt nhân nhất định, phụ thuộc vào số khối của nguyên tử A và số thứ tự của nguyên tử là Z:

Bảng 1.1: Sự phụ thuộc số khối A vào số thứ tự Z

µ = γ.p

- γ: hệ số từ thẩm đặc trưng cho mỗi hạt nhân nguyên tử

Giá trị tuyệt đối của momen spin hạt nhân P tính theo I: P = (h/2π).I

Giá trị tuyệt đối của momen từ µ tính theo I:µ = γ (h/2π).I

- I: số lượng tử spin hạt nhân

lượng để chuyển xuống mức năng lượng hấp Năng lượng cần thiết để cung cấp cho quá trình thay đổi đó đúng bằng ∆E = năng lượng cộng hưởng từ nhân Quá trình hấp thụ năng lượng ∆E để phân bố lại cân bằng động trong từ trường B1 gọi là hiện tượng cộng hưởng từ nhân Hiện tượng cộng hưởng từ xảy ra khi hạt nhân hấp thụ các năng lượng có tần số bằng ν0 được gọi là tần số cộng hưởng từ

sẽ có hằng số chắn lớn

- Hiệu ứng thuận từ: bao quanh phân tử là lớp vỏ điện tử, các điện tử này chuyển động sinh ra một dòng điện vòng, do đó xuất diện một từ trường riêng có hướng thay đổi ngược hướng hoặc cùng hướng với từ trường ngoài Tập hợp tất cả các điểm trên các đường sức mà tại đó tiếp tuyến vuông góc với từ trường ngoài sẽ tạo nên một mặt parabon Phía trong mặt parabon, từ trường tổng hợp nhỏ hơn B0 vì

từ trường riêng ngược hướng với từ trường ngoài, còn phía ngoài parabon thì từ trường tổng hợp lớn hơn B0 vì từ trường riêng cùng hướng với từ trường ngoài Do

đó hằng số chắn phía ngoài parabon nhỏ còn phía trong thì có hằng số chắn lớn nghĩa là độ chuyển dịch học cùng các proton nằm phía ngoài parabon sẽ lớn còn phía trong sẽ nhỏ

Khi đặt một hạt nhân nguyên tử vào một từ trường ngoài B0 thì các e quay quanh hạt nhân cũng sinh ra một từ trường riêng B’ có cường độ ngược hướng và tỷ

lệ với từ trường ngoài:

B’ = -σB0

Từ trường thực tác dụng lên hạt nhân là:

Hằng số chắn tỷ lệ thuận với điện tích e, mật độ e bao quanh hạt nhân và tỷ

lệ nghịch với khối lượng e Hằng số chắn σ càng lớn thì từ trường hiệu dụng Be càng nhỏ

Độ chuyển dịch hoá học đối với các hạt nhân trong phân tử càng phức tạp trong nguyên tử do ảnh hưỏng của các đám mây electron của các nguyên tử bên cạnh Ví dụ: xét 1H ở nhóm CH3 của phân tử TMS (CH3)4Si và 1H ở nhóm CH3 của axeton: Do ảnh hưởng của nhóm CO hút e làm cho đám mây electron ở 1H của axeton < ở 1H của TMS nên: σ 1H (TMS) > σ 1H (aceton) Be (TMS) < Be (aceton) tại vị trí hạt nhân 1H trong TMS so với trong aceton Do hiệu ứng chắn từ khác nhau nên các hạt nhân 1H và 13C trong phân tử có tần số cộng hưởng khác nhau Đặc trưng cho các hạt nhân 1H và 13C trong phân tử là giá trị độ chuyển dịch hoá học δ Với cùng một từ trường ngoài B1, để có tín hiệu cộng hưởng của 1H với từ trường, tần số cộng hưởng (aceton) > TMS hoặc từ trường sử dụng đối với TMS phải có cường độ lớn hơn đối với aceton Có hai phương pháp tạo ra điều kiện thoả mãn điều kiện cộng hưởng (ν1=(1/2π).γ.B0) để ghi tín hiệu cộng hưởng

Tương tác spin – spin

Phân tử etanol CH3CH2OH lẽ ra trong phổ CHTHN- 1H chỉ có 3 tín hiệu ứng với 03 nhóm CH3, CH2 và OH nhưng trên phổ thực nghiệm xuất hiện bội đỉnh

ở mỗi nhóm: CH3 là 03 đỉnh, CH2 là 04 đỉnh và OH là 03 đỉnh (với etanol khan tuyệt đối) hoặc 1 đỉnh (etanol thường) như hình vẽ dưới