TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ ỨNG DỤNG CỦA PHỨC CHẤT LYSINE VỚI MỘT SỐ KIM LOẠI SINH HỌC

Trong phạm vi đề tài nghiên cứu này, chúng tôi làm nổi bật ứng dụng của hợp chất kim loại sinh học với amino axit thiết yếu là lysine, nhằm cung cấp các khoáng chất cần thiết, bổ sung và

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Vi Thị Thanh Thủy

TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ ỨNG DỤNG CỦA PHỨC

CHẤT LYSINE VỚI MỘT SỐ KIM LOẠI SINH HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Vi Thị Thanh Thủy

TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ ỨNG DỤNG CỦA PHỨC

CHẤT LYSINE VỚI MỘT SỐ KIM LOẠI SINH HỌC

Chuyên ngành: Hóa vô cơ

LỜI CẢM ƠN

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

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo của bộ môn Hóa Vô Cơ & Đại Cương - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, các thầy cô bộ môn Hóa Vô Cơ - Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn

Em 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

Vi Thị Thanh Thủy

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU………

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN………

1.1 Vai trò của kim loại sinh học………

1.2 Vai trò sinh học của lysine………

1.3 Vai trò và ứng dụng của phức chất kim loại – lysine………

1.4 Tổng hợp phức chất của kim loại sinh học với amino axit thiết yếu…

CHƯƠNG 2 - THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………

2.1 Thực nghiệm………

2.1.1 Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm………

2.1.2 Nghiên cứu sự tạo phức bằng phương pháp chuẩn độ đo pH…………

2.1.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tạo phức………

2.1.4 Tổng hợp phức chất………

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

2.2 Các phương pháp nghiên cứu………

2.2.1 Phương pháp chuẩn độ đo pH………

2.2.2 Phương pháp phổ UV – Vis………

2.2.3 Phương pháp phân tích nguyên tố………

2.2.4 Phương pháp phổ khối lượng………

2.2.5 Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại………

2.2.6 Phương pháp phổ 13C – NMR………

2.2.7 Phương pháp phân tích nhiệt………

2.2.8 Phương pháp mô phỏng Gaussian………

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN………

3.1 Kết quả nghiên cứu sự tạo phức bằng phương pháp chuẩn độ đo pH……

3.2 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo phức………

3.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ………

1

3

3

7

9

12

17

17

17

17

17

19

19

20

20

22

23

24

25

26

27

27

29

29

33

33

3.2.2 Ảnh hưởng của thời gian………

3.2.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ các chất tham gia phản ứng………

3.3 Phân tích cấu trúc, tính chất của phức chất tổng hợp………

3.3.1 Kết quả phân tích nguyên tố………

3.3.2 Kết quả phổ khối lượng………

3.3.3 Kết quả phổ UV – Vis………

3.3.4 Kết quả phổ hồng ngoại………

3.3.5 Kết quả phổ 13C – NMR………

3.3.6 Kết quả phân tích nhiệt………

3.3.7 Kết quả phương pháp mô phỏng Gaussian………

3.4 Kết quả nghiên cứu độ bền của phức chất trong môi trường mô phỏng dịch ruột và dịch dạ dày………

KẾT LUẬN………

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN VĂN………

TÀI LIỆU THAM KHẢO………

PHỤ LỤC

34

36

37

37

37

40

41

43

45

49

51

53

54

55

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CuLys2: [Cu(C6H13N2O2)2(H2O)]

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Một số metaloenzim thiết yếu ở động vật………

Bảng 1.2 Sự hấp thu các dạng hóa học của khoáng chất vào tế bào niêm

mạc ruột của chuột bạch đực………

Bảng 1.3 Ảnh hưởng của phức chất kim loại – lysine tới bò sữa…………

Bảng 1.4 Ảnh hưởng của sắt – glixin tới lợn nái………

Bảng 3.1 Kết quả chuẩn độ H2Lys+ và các hệ Mn+: H2Lys+ = 1:2…………

Bảng 3.2 Kết quả chuẩn độ H2Lys+ và hệ Mn+: H2Lys+ = 1:3………

Bảng 3.3 Logarit hằng số bền của các phức chất………

Bảng 3.4 Kết quả phân tích hàm lượng kim loại trong các phức chất……

Bảng 3.5 Kết quả phân tích phổ MS của ZnLys2………

Bảng 3.6 Kết quả phân tích phổ MS của CuLys2………

Bảng 3.7 Các tín hiệu cộng hưởng trên phổ 13C – NMR của HLys và

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Cấu hình electron của đồng………

Hình 1.2 Cấu hình electron của kẽm………

Hình 1.3 Hai dạng đồng phân quang học của lysine………

Hình 1.4 Cấu trúc không gian của L – Lysine ………

Hình 1.5 Quy trình tổng hợp phức chất [M(Val)2(phen)]………

Hình 1.6 Công thức cấu tạo của phức chất [M(N-phtalyl)], [M(N-phtalyl)2]………

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp phức chất………

Hình 3.1 Đường cong chuẩn độ H2Lys+ và các hệ Mn+: H2Lys+………

Hình 3.2 Phổ UV – Vis của Cu(Ac)2 và CuLys2 theo nhiệt độ phản ứng…………

Hình 3.3 Sự phụ thuộc của nồng độ CuLys2 vào nhiệt độ phản ứng………

Hình 3.4 Phổ UV – Vis của Cu(Ac)2 và CuLys2 theo thời gian phản ứng…………

Hình 3.5 Sự phụ thuộc của nồng độ CuLys2 vào thời gian phản ứng………

Hình 3.6 Phổ UV–Vis của Cu(Ac)2 và CuLys2 theo các tỉ lệ Cu(Ac)2 : HLys khác nhau………

Hình 3.7 Phổ MS của ZnLys2………

Hình 3.8 Sơ đồ phân mảnh của ZnLys2(H2O)2……… …

Hình 3.9 Phổ MS của CuLys2………

Hình 3.10 Sơ đồ phân mảnh của CuLys2………

Hình 3.11 Phổ MS của MnLys2………

Hình 3.12 Kết quả phổ UV – Vis………

Hình 3.13 Phổ hồng ngoại của HLys và các phức chất………

Hình 3.14 Phổ 13C – NMR của HLys………

Hình 3.15 Phổ 13C – NMR của ZnLys2………

Hình 3.16 Giản đồ phân tích nhiệt của ZnLys2………

Hình 3.17 Giản đồ phân tích nhiệt của FeLys3………

Hình 3.18 Giản đồ phân tích nhiệt của CuLys2………

Hình 3.19 Giản đồ phân tích nhiệt của MnLys2………

Hình 3.20 Cấu trúc phân tử FeLys3………

4

6

8

8

15

15

19

25

32

33

34

35

35

36

38

38

39

40

40

42

44

44

45

46

46

47

50

Hình 3.21 Cấu trúc phân tử ZnLys2………

Hình 3.22 Cấu trúc phân tử CuLys2………

Hình 3.23 Cấu trúc phân tử MnLys2………

Hình 3.24 Phổ UV–Vis của CuLys2 trong môi trường mô phỏng dịch dạ dày……

Hình 3.25 Phổ UV–Vis của CuLys2 trong môi trường mô phỏng dịch ruột………

MỞ ĐẦU

Những năm gần đây, trong lĩnh vực hóa sinh thường có nhiều bài viết đề cập tới tầm quan trọng của các ion kim loại đối với sinh vật Nghiên cứu mới nhất về vấn đề này là tập trung vào quá trình tổng hợp và phân loại các hợp chất sinh học có chứa ion kim loại do ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực y dược, dinh dưỡng và khoa học nông nghiệp [25-26, 28-29]

Trong phạm vi đề tài nghiên cứu này, chúng tôi làm nổi bật ứng dụng của hợp chất kim loại sinh học với amino axit thiết yếu là lysine, nhằm cung cấp các khoáng chất cần thiết, bổ sung vào thức ăn cho gia súc, gia cầm Các khoáng chất thiết yếu đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng, hỗ trợ sự phát triển của các mô tế bào và tham gia vào việc điều tiết các quá trình của cơ thể

Do cơ thể động vật rất khó hấp thu các dạng khoáng vô cơ và các sản phẩm

từ tự nhiên thì lại có hàm lượng dinh dưỡng thấp Trong khi đó dạng phức chất hữu

cơ lại được cơ thể hấp thu dễ dàng Kết hợp với khả năng tạo phức tốt của amino axit (lysine) với kim loại chuyển tiếp, chúng tôi hi vọng tạo ra các phức chất của lysine với các kim loại sinh học, nhằm tạo ra các khoáng chất an toàn về mặt sinh học áp dụng trong lĩnh vực chăn nuôi

Ở Việt Nam, hiện nay gần như chưa sản xuất được các sản phẩm thức ăn bổ sung kim loại và amino axit dạng phức chất mà phải nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành cao và không chủ động được nguồn sản phẩm

Với các lý do trên, đề tài: “Tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc và ứng dụng

của phức chất Lysine với một số kim loại sinh học” được lựa chọn với mục đích:

 Nghiên cứu sự tạo phức bằng phương pháp chuẩn độ đo pH, tính hằng số bền của các phức chất

 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng (thời gian, nhiệt độ, tỷ lệ các chất phản ứng) đến quá trình tổng hợp phức chất

 Tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc các phức chất của lysine với một số kim loại sinh học như: Cu(II), Zn(II), Mn(II) và Fe(III)

 Khảo sát độ bền của phức chất tổng hợp được trong môi trường mô phỏng dịch ruột và dịch dạ dày

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 1 TỔNG QUAN 1.1 Vai trò của kim loại sinh học [5]

Trong các điều kiện tự nhiên, trên trái đất có khoảng 90 nguyên tố hóa học được tìm thấy ở những hàm lượng khác nhau, nhưng trong thành phần của các hệ sinh học phổ biến thì chỉ thấy có 18 nguyên tố tham gia và trong đó có 10 nguyên tố

là kim loại (chúng được gọi là kim loại của sự sống hay kim loại sinh học) Theo quan điểm của hóa vô cơ hiện đại, kim loại sinh học được chia thành 2 nhóm: nhóm các nguyên tố không chuyển tiếp (Na, K, Ca, Mg, Zn) và nhóm các nguyên tố chuyển tiếp (Mn, Fe, Co, Cu, Mo) Trong phạm vi đề tài nghiên cứu này, sẽ tập trung nghiên cứu 4 kim loại sinh học phổ biến là sắt, đồng, mangan và kẽm

* Vai trò sinh học của sắt [5-6, 8]

Sắt có số thứ tự 26, thuộc nhóm VIIIB, chu kỳ 4 trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Cấu hình electron của sắt là: [Ar]3d64s2, nó thể hiện các mức oxi hóa từ -2 đến +6, trong đó các mức oxi hóa đặc trưng nhất là +2 và +3 (hai mức oxi hóa này có thể chuyển hóa qua lại tùy theo môi trường) Trong thiên nhiên sắt có 4 đồng vị bền là: 54

Fe, 56Fe, 57Fe và 58Fe, trong đó 56

Fe chiếm 91,68%

Sắt là một trong những nguyên tố phổ biến nhất của vỏ trái đất (đứng hàng thứ tư sau O, Si và Al) và có vai trò sinh học rất lớn thông qua các phức chất sinh học quan trọng như : hemoglobin, mioglobin, transferin, feritin…thực hiện chức năng giữ và vận chuyển oxi

Sắt chiếm khoảng 0,02% khối lượng của thực vật và khoảng 0,01% khối lượng của động vật Khi thiếu sắt cơ thể mắc bệnh thiếu máu, sức khỏe suy giảm, da xanh, thai nhi nếu thiếu sắt có thể dẫn đến dị dạng ống thần kinh… Nhu cầu về sắt của người vào khoảng 15 mg/người/ngày Tuy nhiên, lượng sắt trong thức ăn phải vào khoảng 150 mg, vì cơ thể chỉ có thể đồng hóa được 10% sắt trong thực phẩm Những thực phẩm giàu sắt là nước mận ép, nho khô, hồ đào, bánh mì đen, gan động vật…

* Vai trò sinh học của đồng [5-6, 30]

Đồng là nguyên tố kim loại kém hoạt động, có số thứ tự 29, thuộc nhóm IB, chu kỳ 4 trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học Đồng có cấu hình electron [Ar]3d104s1 Trong các hợp chất, đồng thể hiện số oxi hoá +1, +2, +3, trong đó mức oxi hóa +2 là bền nhất Trong tự nhiên, đồng có hai đồng vị bền là: 63Cu (70,13%)

và 65Cu (29,87%)

Hình 1.1 Cấu hình electron của đồng

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 enzim chứa đồng Chúng có mặt trong các cơ thể sống dưới các dạng khác nhau và có vai trò rất khác nhau Đồng đóng vai trò quan trọng trong tổng hợp sắc tố da, mắt, tóc, tham gia vào quá trình hình thành xương và tổng hợp các tế bào máu Đồng cũng tạo thành một 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 được tìm thấy ở một số loài nhuyễn thể, có phân tử khối vào khoảng 4.000.000 đvC 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 bệnh thiếu máu Sự thiếu đồng cũng dẫn đến chứng bạc tóc Nhu cầu về đồng của cơ thể khoảng 2 – 3 mg/ ngày Đối với những cơ thể thiếu đồng có

thể bổ sung các thực phẩm giàu đồng như gan, lòng đỏ trứng, sữa chua, quả hồ đào, bánh mì đen…

* Vai trò sinh học của mangan [5-6]

Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, mangan là nguyên tố kim loại

có số thứ tự 25, thuộc nhóm VIIB, chu kỳ 4 Mangan có cấu hình electron [Ar]3d54s2, nó thể hiện các mức oxi hóa phong phú từ -3 đến +7, trong đó mức oxi hóa +2 là bền nhất Dạng bề ngoài mangan giống sắt nhưng cứng và khó nóng chảy hơn

Mangan rất quan trọng đối với sự sống, đóng vai trò là chất hoạt hóa một số enzim xúc tác quá trình tạo thành clorophin (chất diệp lục), tạo máu và sản xuất những kháng thể nâng cao sức đề kháng Đối với cây trồng, có nhiều bằng chứng chứng tỏ Mn tham gia vào hệ quang hợp II (PSII) với chức năng oxi hóa nước để giải phóng oxi và tham gia vào quá trình đồng hóa nitơ của thực vật Không những thế, các quá trình tổng hợp các vitamin B, C, hemoglobin, protein đều cần có sự góp mặt của mangan Một số enzim chứa mangan như arginaza, cholinestenaza, photphoglucomutaza….có nhiệm vụ kiểm soát các quá trình tương ứng như quá trình phân tách amino axit, quá trình đông máu hay trao đổi cacbohiđrat

Mangan thuộc nguyên tố vi lượng, hàm lượng mangan trong cơ thể thực vật khoảng 10-3%và 10-5% trong cơ thể động vật Nhu cầu của người bình thường về mangan là khoảng 0,2 – 0,3 mg/ ngày/ kg trọng lượng Mangan trong cơ thể tập trung chủ yếu trong các mô xương, gan, thận, dịch dạ dày, đặc biệt là trong ti lạp thể của tế bào Nguồn thực phẩm giàu mangan có thể kể đến là chè, củ cải đỏ, cà rốt, khoai tây, hạt tiêu, gan động vật…

* Vai trò sinh học của kẽm [5-6, 11, 30]

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

Hình 1.2 Cấu hình electron của kẽm

Cùng với sắt và đồng, kẽm là một trong ba kim loại quan trọng hàng đầu đối với sự sống Kẽm giữ vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất, tổng hợp protein và axit nucleic Đến nay người ta đã xác định được 300 enzim chứa kẽm gồm các ancol dehiđrogenaza, andolaza, peptitdaza, cacboxipeptidaza, proteaza… Ngoài vai trò là trung tâm hoạt động của các enzim, 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, trong đó kẽm thường liên kết với các nguyên tử S của cystein và

N của histidin

Trong cơ thể, kẽm tập trung ở bắp thịt, gan, dịch dạ dày Khi thiếu kẽm trẻ con sẽ biếng ăn, chậm lớn, xương ròn, tóc mọc chậm Nhu cầu về kẽm phụ thuộc vào lứa tuổi và giới tính, lượng kẽm hàng ngày đối với trẻ con là 5 – 10 mg, người lớn 12 –

15 mg, phụ nữ mang thai 20 – 40 mg thậm chí là 50 mg Các thức ăn giàu kẽm phổ biến như: thịt, gan, trứng, sữa, táo, cam, quýt, rau xanh…

Bảng 1.1 Một số metaloenzim thiết yếu ở động vật [17]

Sắt

Ferredoxin Catalaza Xitocrom Succinat Đehyđrogenaza Methemoglobin Hemoglobin

Chất khử, vận chuyển (e) Thúc đẩy sự phân hủy H2O2 Vận chuyển (e)

Chuyển hóa cacbon hydrat Vận chuyển O2

Đồng

Xitocrom oxiđaza Lysyl oxiđaza Ceruloplasmin Superoxide dismutalaza

Vận chuyển O2Oxi hóa lysine Liên kết với Fe Cạnh tranh với các peoxit tự do

Kẽm

Cacboanhyđraza Cacboxypeptiđaza Photphattaza kiềm Alohol đehyđrogenaza RNA và DNA

Chuyển hóa CO2 Thủy phân peptit Thủy phân PO43- Chuyển hóa rượu Tổng hợp chuỗi RNA và DNA

Mangan

Superoxide dismutase Pyruvate cacboxylaza

Cạnh tranh với các peoxit tự do Chuyển hóa pyruvate

1.2 Vai trò sinh học của lysine [9, 31]

Lysine là một α – amino axit thiết yếu đối với sự sinh trưởng và phát triển bình thường của cơ thể người và động vật Tuy nhiên, nó không tự được tổng hợp trong cơ thể mà được bổ sung từ ngoài vào thông qua thức ăn

Công thức phân tử của lysine là C6H14N2O2, khối lượng phân tử 146,188g/mol, nhiệt độ phân hủy 200 – 300oC và tan tốt trong nước Công thức cấu tạo của lysine: NH2-(CH2)4-CH(NH2)-COOH, với hai dạng đồng phân quang học D

– Lysine và L – Lysine, trong đó cơ thể sinh vật sống chỉ hấp thụ được lysine dạng

L

D – Lysine L – Lysine

Hình 1.3 Hai dạng đồng phân quang học của lysine

Hình 1.4 Cấu trúc không gian của L – Lysine

Lysine giữ vai trò sống còn trong tổng hợp protein là chìa khóa trong sản xuất enzim, hoocmon và các kháng thể giúp cơ thể tăng cường sức đề kháng, chống bệnh tật, đặc biệt ngăn cản sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh rộp miệng hay mụn rộp sinh dục Thiếu lysine trong thức ăn dẫn đến rối loạn quá trình tạo máu, hạ thấp

số lượng hồng cầu và hemoglobin, phá vỡ quá trình cân bằng protein, gây ra hàng loạt biến đổi ở gan và phổi Đặc biệt đối với động vật còn non và trẻ em khi bị thiếu lysine sẽ xảy ra hiện tượng chậm lớn, trí tuệ kém phát triển

Lysine là một amino axit cần thiết và đòi hỏi phải luôn có sẵn trong thức ăn

để đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của cơ thể Nhu cầu tối thiểu về lysine đối với trẻ

em là 103 mg/ kg, nữ trưởng thành là 0,50 g/ ngày và 0,8 g/ ngày đối với nam trưởng thành Đối với động vật việc bổ sung lysine vào thức ăn là rất cần thiết Các thực phẩm giàu lysine là: thịt, cá, sữa, lòng đỏ trứng, lạc, đậu tương, bột đậu nành…

1.3 Vai trò và ứng dụng của phức chất kim loại – lysine [17-18, 20]

Bảng tuần hoàn Mendeleev chứa ít nhất 104 nguyên tố hóa học thì có tới 81 nguyên tố được coi là thành phần tạo nên các khoáng chất Trong đó, 17 nguyên tố được cho là khoáng chất thiết yếu đối với sự sống của động vật (Fe, Mn, Cu, Zn, P, Mg…) Nhóm các khoáng chất thực hiện ba chức năng chính sau:

- Giữ vai trò trong sự phát triển và duy trì các mô cứng và mềm trong cơ thể

- Quy định quá trình sinh lý và sinh học của động vật Khoáng chất thiết yếu giữ vai trò như chất xúc tác trong hệ thống enzim và hoocmon

- Tham gia vào quá trình tạo năng lượng, đóng vai trò như một yếu tố cần thiết trong các phản ứng enzim, biến đổi thức ăn thành các chất chuyển hóa khác, giải phóng năng lượng để sử dụng cho các hoạt động của cơ thể

Lượng khoáng chất quá nhiều hay quá ít đều có hại tới cơ thể động vật, việc cung cấp các khoáng chất “an toàn” về mặt sinh học là hoàn toàn cần thiết Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tính sinh học của khoáng, trong phạm vi nghiên cứu này chúng tôi chỉ đề cập tới yếu tố ảnh hưởng duy nhất là: “các dạng hóa học của khoáng chất”

Một nhóm nghiên cứu [17] đã làm các thí nghiệm trên phân đoạn ruột của giống chuột bạch đực để so sánh khả năng hấp thu giữa phức amino axit với dạng

vô cơ của kim loại, kết quả được thể hiện trên bảng 1.2

Bảng 1.2 Sự hấp thu các dạng hóa học của khoáng chất vào tế bào niêm

mạc ruột của chuột bạch đực [17]

Các số liệu trên cho thấy: phức chất amino axit được hấp thu vào niêm mạc ruột tốt hơn là các cation kim loại từ dạng muối vô cơ và thí nghiệm trên còn chứng minh rằng:

- Các nguyên tố khoáng ở dạng muối vô cơ trong quá trình tiêu hoá thường phân giải thành các ion tự do, các ion này có thể kết hợp với những phân tử khác trong khẩu phần ăn, tạo nên những hợp chất khó hấp thu, làm giảm tác dụng sinh học của khoáng chất

- Trong trường hợp là phức chất của một amino axit, các ion kim loại trong phân tử là trơ về mặt hóa học do tạo liên kết với các phối tử amino axit (liên kết này

có tính cộng hóa trị và ion) Chính nhờ đặc điểm này mà kim loại trong phức chất

có hoạt tính sinh học cao và được hấp thu dễ dàng hơn

Những nghiên cứu của nhóm tác giả [18, 20] đã chứng minh sự hiệu quả khi

bổ sung các phức chất của amino axit thiết yếu với kim loại vào thức ăn cho gia súc

Nhóm tác giả Mahmoud M Abdel-Monem, Michael D Anderson [20] đã đánh giá về những ảnh hưởng của các phức kim loại – lysine đến sản lượng sữa và năng suất sinh sản của giống bò thương mại Holstein – Friesian Năm trăm năm mươi con bò Holstein Friesian trong một trang trại chăn nuôi bò sữa thương mại được xếp thành hai nhóm Nhóm I (cung cấp thức ăn thường xuyên), nhóm II (cung

cấp thức ăn thường xuyên + 360 mg kẽm – lysine + 200 mg mangan – lysine + 125

mg đồng – lysine) Nghiên cứu trên được thực hiện trong 35 ngày trước khi bò đẻ Kết quả thí nghiệm được trình bày trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Ảnh hưởng của phức chất kim loại - lysine tới bò sữa

Các kết quả trong bảng 1.3 chỉ ra rằng: những con bò có khẩu phần ăn được

bổ sung thêm các phức chất kim loại – lysine cho sản lượng sữa tăng 5,4%, tỷ lệ mang thai tăng 6,1%, trường hợp niêm vú giảm 20% đồng thời hàm lượng kim loại được hấp thu cũng cao hơn so với những con bò mà khẩu phần ăn của chúng không được bổ sung phức chất kim loại – lysine

Tác giả [18] nghiên cứu sự ảnh hưởng của sắt – glixin tới lợn nái: chọn ngẫu nhiên 40 con lợn nái và chia đều thành 2 nhóm Nhóm A (cung cấp thức ăn thường xuyên), nhóm B (cung cấp thức ăn thường xuyên + 0,2% sắt – glixin/ tổng lượng thức ăn) Thực hiện chế độ thức ăn như trên trong vòng bốn tuần trước khi đẻ cho đến hai tuần sau khi đẻ Số lượng lợn con sinh ra, trọng lượng sơ sinh, số lợn con sinh ra còn sống và trọng lượng lúc cai sữa được trình bày trong bảng 1.4

Bảng 1.4 Ảnh hưởng của sắt – glixin tới lợn nái

Trọng lượng trung bình lợn sơ sinh (kg) 1,29 1,34

Tổng trọng lượng cai sữa (kg) 877,80 1086,24 Trọng lượng cai sữa trung bình (kg) 5,32 5,84

Những con lợn nái có thức ăn được bổ sung thêm phức chất sắt – glixin (nhóm B) cho khả năng sinh sản cao, trọng lượng lợn con sinh ra lớn hơn và sức đề kháng của chúng cũng tốt hơn so với nhóm lợn nái có khẩu phần ăn không được bổ sung sắt – glixin (nhóm A)

Lĩnh vực nghiên cứu những ứng dụng của các phức chất amino axit thiết yếu với kim loại để bổ sung vào sữa, thức ăn cho con người và động vật còn được công

bố bởi các nhóm nghiên cứu của tác giả E.J Underwood [15], nhóm nghiên cứu của các tác giả [16, 17, 19, 21, 27]…

Việc sử dụng các phức chất của kim loại với các amino axit thiết yếu như chất phụ gia bổ sung vào thức ăn trong chăn nuôi, đem lại năng suất cao, nhiều lợi ích kinh tế Do đó lĩnh vực tổng hợp các loại phức chất này ngày càng được quan tâm và phát triển hơn

1.4 Tổng hợp phức chất của các kim loại sinh học với amino axit thiết yếu

[6, 7, 17]

Mangan, đồng và sắt là các nguyên tố kim loại chuyển tiếp nhóm d, do sự có mặt của lớp vỏ electron chưa đầy đủ nên các nguyên tố này có khả năng tạo thành phức chất Thành phần và hình dạng của phân tử phức chất phụ thuộc vào nhiều yếu

tố: bản chất ion trung tâm, bản chất phối tử, điều kiện phản ứng như nhiệt độ, pH dung dịch…

- Mn2+ có khả năng tạo thành phức chất với hầu hết các phối tử thông thường nhưng hằng số bền của các phức chất đó thường nhỏ hơn so với hằng số bền của các phức chất các kim loại hóa trị II khác (Fe, Co, Ni) vì rằng: ion Mn2+ có bán kính lớn nhất so với các ion cùng điện tích của các kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất đồng thời năng lượng làm bền bởi trường tinh thể bằng không Hơn nữa Mn2+ với cấu hình d5 khá bền vững làm cho nó không có dạng phối trí nào đặc biệt chiếm ưu thế trong phức chất của Mn(II), các phức chất có thể là tứ diện ([MnBr4]2-), vuông phẳng ([Mn(phtaloxyanin)], bát diện ([Mn(H2O)6], lưỡng chóp tam giác… trong đó phức chất bát diện có phần phổ biến hơn

- Cu2+ có cấu hình electron là [Ar]3d9 là trường hợp thể hiện rõ nhất hiệu ứng Jahn – Teller khi bị đặt vào trường phối tử bát diện hay tứ diện, dẫn tới các phức chất tạo thành không có tính đối xứng cao Cu(II) tạo thành phức chất với nhiều amin khác nhau, các phức chất này có màu xanh đậm hơn phức chất aqua Phổ hấp thụ electron của chúng có cực đại chuyển dịch về phía sóng ngắn hơn so với [Cu(H2O)6]2+ Cu2+ là một chất tạo phức mạnh, với số phối trí thay đổi từ 3 đến 8, trong đó các số phối trí 4 và 6 là phổ biến nhất

- Fe(III) với cấu hình [Ar]3d5 có khả năng tạo thành phức chất với hầu hết các phối tử Dạng hình học phổ biến nhất là các phức chất bát diện: [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 Hiện tượng này được giải thích bằng phổ chuyển điện tích Ion Fe3+ có mật độ điện tích 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

Zn2+ có khả năng tạo nhiều phức chất, tuy nhiên khả năng tạo phức của nó kém hơn đồng Zn2+ với cấu hình electron d10 với năng lượng bền hóa bởi trường phối tử bằng không, do đó nó không ưu tiên một dạng hóa lập thể nào Nói chung

kẽm có các số phối trí từ 2 đến 7, trong đó các số phối trí 4, 5 và 6 là phổ biến hơn

cả Những ion phức thường gặp là: [ZnCl4]2-, [Zn(NH3)6]2+, [Zn(NH3)4]2+… cũng

do cấu hình bền 3d10, nên 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

Trong dung dịch L – Lysine tồn tại ở dạng ion lưỡng cực:

Anion H2NCHRCOO- (R = NH2-(CH2)4) chứa 3 nhóm cho electron (N, O- và

=O), trong đó oxi xeton ít khi liên kết với ion kim loại cùng với 2 nhóm cho kia Vấn đề là ở chỗ khi phối trí như vậy thì sẽ tạo thành vòng 4 cạnh không bền Trong các phức chất ion kim loại liên kết với gốc cacboxyl hoặc với nhóm amin, hoặc với

cả 2 nhóm đó và trong trường hợp sau cùng thì sẽ tạo thành vòng chelat 5 cạnh bền vững (các liên kết mang đặc tính của liên kết cộng hóa trị và liên kết ion)

Trên thế giới, đã có rất nhiều những công trình nghiên cứu của các nhà khoa học ở các quốc gia khác nhau về lĩnh vực tổng hợp và phân tích cấu trúc của phức chất kim loại với amino axit [22 - 26, 28 - 29, 32]… Từ đó cho thấy sự đa dạng trong các phương pháp tổng hợp và sự phong phú về cấu trúc của phức chất amino axit

Nhóm tác giả Noori.K Fayad, Taghreed Hashim Al- Noor, Atheer A Mahmood, Ibtihaj Kadhim Malih [26] đã tiến hành tổng hợp các phức chất của

Mn(II), Cu(II), Fe(II), Co(II), Ni(II) và Cd(II) với đồng thời 2 phối tử là L – valine

và 1,10-

phenanthroline) theo quy trình sau:

(M: Fe(III), Cr(III), Co(II)) [25]

Tác giả Csoergh.I (Thụy Điển) [14] đã tổng hợp được phức rắn của Honmi với

axit L – Aspatic ứng với thành phần Ho(L-Asp)Cl2.6H2O Phân tích cấu trúc của phức chất, tác giả đã chỉ ra ion Ho3+ có số phối trí là 8 với các liên kết qua 5 nguyên

tử oxi của nước (H2O) và 3 nguyên tử oxi của ba nhóm aspactat Trong khi đó,

nhiều tác giả khác lại chỉ ra sự tham gia đồng thời của cả hai nhóm chức vào việc hình thành phức chất

Tác giả Ibrahim S.A (Ai Cập) [14] đã tổng hợp và nghiên cứu tính chất của các phức chất Ce(III) với một số amino axit như L – Alanin, L – Aspactic và L – Glutamic Bằng các phương pháp phân tích hoá học, phổ hồng ngoại và đo độ dẫn điện đã chỉ ra sự phối trí giữa các amino axit với Ce3+ thực hiện qua nguyên tử oxi của nhóm cacboxyl và nguyên tử nitơ của nhóm amin

Hiện nay ở nước ta, lĩnh vực nghiên cứu phức chất cũng ngày càng được quan tâm Có thể kể đến nhóm nghiên cứu của PGS.TS Lê Hữu Thiềng và GS Nguyễn Trọng Uyển [10], đã tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc phức chất của các nguyên tố đất hiếm với một số amino axit (tổng hợp các phức rắn của một số ion đất hiếm với L-Tryptophan với công thức H3[Ln(Trp)3(NO3)3].3H2O với Ln: Sm, Gd,

Tb và H3[Pr (Trp)3 (NO3)3 ].2H2O Mỗi phân tử L – Tryptophan chiếm hai vị trí trong cầu nội phức chất, liên kết giữa phối tử và các ion đất hiếm được thực hiện qua nguyên tử nitơ của nhóm amin và nguyên tử oxi của nhóm cacboxyl) [14] Nhóm nghiên cứu của PGS Trần Thị Đà và GS Nguyễn Hữu Đĩnh tại Khoa Hóa Học, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội đã nghiên cứu tổng hợp, xác định cấu trúc, tính chất và ứng dụng của các nguyên tố kim loại chuyển tiếp với các phối tử hữu

cơ như hợp chất dị vòng oxadiazole, triazole, thiazoline, indole, quinolin và hợp chất đồng vòng có trong tinh dầu thực vật, các amino axit, các gốc axit hữu cơ…Tuy nhiên, các nghiên cứu về tổng hợp và ứng dụng của các phức chất amino axit thiết yếu với các kim loại sinh học chưa thấy công bố trước đây

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Thực nghiệm

2.1.1 Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm

* Hóa chất

- L – Lysine monohydrochloride, EDTA, ET – OO, pepsin, glucoza

- Cu(CH3COO)2.H2O, Zn(CH3COO)2, FeCl3.H2O, MnCl2.4H2O, MgSO4.7H2O

- HCl đặc (36,5%), H2SO4 đặc (98%), axit sufosalixylic, dung dịch Na2S2O3, NaOH viên, tinh thể KOH, hồ tinh bột, (NH4)2S2O8, AgNO3, FeSO4, NaCl, KCl, CaCl2,

KH2PO4, KNO3, NaHCO3

- Dung môi: nước cất, etanol 98%, axeton; Giấy lọc băng vàng, giấy đo pH

Các hóa chất có độ tinh khiết PA

* Dụng cụ

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

- Phễu thủy tinh, buret, bình định mức 50 ml, 100 ml, 1000 ml; pipet 5 ml, 10 ml,

20 ml

- 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

2.1.2 Nghiên cứu sự tạo phức bằng phương pháp chuẩn độ đo pH

Chuẩn độ riêng rẽ 50 ml dung dịch phối tử L (L: lysine) bằng dung dịch KOH 5.10-2 M trong điều kiện không và có mặt ion kim loại Mn+ lấy theo tỷ lệ mol

Mn+: L là 1:2 đối với trường hợp Mn+ là: Cu2+, Zn2+, Mn2+ và 1:3 khi Mn+ là Fe3+, với nồng độ Mn+ bằng 10-3M, lực ion trong các thí nghiệm là 0,1 (dùng dung dịch KNO3 1M để điều chỉnh lực ion) Tiến hành chuẩn độ ở nhiệt độ phòng 30 ± 1oC Kết quả thu được được trình bày ở bảng 3.1, bảng 3.2 và hình 3.1

2.1.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo phức

*Ảnh hưởng của nhiệt độ

Sử dụng phương pháp phổ UV – Vis để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tổng hợp CuLys2 Các thí nghiệm phản ứng giữa Cu(Ac)2 và HLys theo tỉ

lệ 1:2 được thực hiện trong cùng một khoảng thời gian là 4 giờ ở các nhiệt độ khác nhau: 30oC, 40oC, 50oC, 60oC, 70oC, 80oC và 90oC Đo phổ UV – Vis của các dung dịch sau phản ứng và so sánh với phổ UV – Vis của dung dịch Cu(Ac)2 ban đầu Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở hình 3.2 và 3.3

Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tổng hợp ZnLys2 và MnLys2 dựa vào tính chất và trạng thái của sản phẩm Các thí nghiệm phản ứng giữa Zn(Ac)2 với HLys và MnCl2 với HLys theo tỉ lệ mol 1:2 được thực hiện trong cùng một khoảng thời gian là 4 giờ ở các nhiệt độ khác nhau: 30oC, 40oC, 50oC,

60oC, 70oC, 80oC và 90oC Nhỏ dung dịch NaHCO3 1M vào các dung dịch sau phản ứng trên, sau đó quan sát và giải thích hiện tượng xảy ra

* Ảnh hưởng của thời gian

Dùng phương pháp phổ UV – Vis để khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình tổng hợp phức chất CuLys2 Các thí nghiệm phản ứng giữa Cu(Ac)2 và HLys theo tỉ lệ 1:2 cùng được thực hiện ở nhiệt độ 80oC Đo phổ UV – Vis của các dung dịch sau mỗi 15 phút phản ứng (tổng thời gian phản ứng là 6,5 giờ) và so sánh với phổ UV – Vis của dung dịch Cu(Ac)2 ban đầu Kết quả được thể hiện ở hình 3.4

và 3.5

* Ảnh hưởng của tỷ lệ các chất tham gia phản ứng

Ảnh hưởng của tỷ lệ các chất tham gia phản ứng đến quá trình tổng hợp phức CuLys2 được khảo sát bằng phổ UV – Vis Các thí nghiệm phản ứng giữa Cu(Ac)2

và HLys cùng được thực hiện trong 2 giờ, ở nhiệt độ 80oC theo các tỷ lệ: (2:1), (1:1), (1:1,5), (1:2), (1:2,5) và (1:3) Đo phổ UV – Vis của các dung dịch sau phản ứng và so sánh với phổ UV – Vis của dung dịch Cu(Ac)2 ban đầu Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở hình 3.6

2.1.4 Tổng hợp phức chất

Phương trình tổng hợp như sau:

Mn+ + nHL → MLn + nH+Cách tiến hành: cân một lượng chính xác m1 gam muối vô cơ (Cu(CH3COO)2.H2O, Zn(CH3COO)2, MnCl2.4H2O,FeCl3.H2O) tương ứng với 5 mmol ion kim loại và m2 gam HLys tương đương với 10 mmol phối tử đối với trường hợp của Cu(II), Zn(II), Mn(II) hoặc 15 mmol với trường hợp của Fe(III), hòa tan bằng 50 ml H2O, sau đó dung dịch được khuấy và gia nhiệt ở 80oC trong 6 giờ Trong quá trình khuấy, sử dụng dung dịch NaOH 2M để điều chỉnh pH của dung dịch phản ứng Phức chất rắn thu được đem rửa bằng axeton và tiến hành kết tinh lại bằng dung môi etanol nguyên chất, phức chất thu được đem sấy ở 70oC trong 24 giờ Quy trình tổng hợp được tóm tắt theo sơ đồ sau:

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp phức chất

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

và dịch dạ dày [17]

Môi trường mô phỏng dịch dạ dày: để pha 1 lít dung dịch mô phỏng dịch

dạ dày cần 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

Môi trường mô phỏng dịch ruột (Krebs – Ringer Bicacbonat) KRB: để

pha 1 lít KRB cần 6,3 gam NaCl, 0,35 gam KCl, 0,14 gam CaCl2, 0,16 gam

KH2PO4, 0,15 gam MgSO4.7H2O , 0,21 gam NaHCO3 và 5 gam glucoza trong 1 lít nước cất

Khảo sát độ bền của các phức chất trong môi trường mô phỏng dịch dạ dày

Cân một lượng chính xác phức chất kim loại Hòa tan phức chất 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 thụ và bước sóng có cường độ hấp thụ cực đại Kết quả khảo sát được chỉ ra trong hình 3.24

Khảo sát độ bền của các phức chất trong môi trường mô phỏng dịch ruột

Hòa tan phức chất trong 10 ml mô phỏng dịch ruột trên máy khuấy từ để được dung dịch nồng độ 2.10-2

M Ghi phổ UV – Vis của mẫu từ 0 – 3 giờ để theo dõi độ hấp thụ và bước sóng có cường độ hấp thụ cực đại Kết quả được chỉ ra trong hình 3.25

2.2 Các phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp chuẩn độ đo pH [10, 13]

* Cơ sở phương pháp chuẩn độ đo pH

Có nhiều phương pháp khác nhau để nghiên cứu sự tạo phức trong dung dịch như: phương pháp quang phổ, phương pháp trao đổi ion, phương pháp điện thế, phương pháp đo độ tan… Trong luận văn này, phương pháp chuẩn độ đo pH được

sử dụng để nghiên cứu sự tạo phức

Giả thiết M là ion tạo phức, HL là phối tử, khi có sự tạo phức giữa ion kim loại với phối tử có sự giải phóng ion H+:

M + HL <=> ML + H+ (bỏ qua sự cân bằng điện tích)

Do đó khi xác định được nồng độ ion H+ có thể xác định được mức độ tạo phức của hệ Phối tử là axit yếu thường được chuẩn độ bằng dung dịch bazơ mạnh

có mặt chất điện li trơ ở nồng độ thích hợp để duy trì lực ion Để điều chỉnh lực ion người ta thường dùng các chất điện li trơ như KCl, KNO3, NaClO4 Lực ion được tính theo công thức sau:

∑ Zi2

Trong đó I là lực ion, còn Ci và Zi là nồng độ và điện tích của ion thứ i

Tiến hành chuẩn độ dung dịch phối tử khi không và có mặt ion Cu2+, Zn2+,

Mn2+, Fe3+ Xây dựng đường cong chuẩn độ biểu diễn sự phụ thuộc của pH vào số đương lượng bazơ kết hợp với một mol axit, từ đó dựa vào sự khác nhau của hai đường cong đó để kết luận về sự tạo phức trong dung dịch

* Phương pháp xác định hằng số bền của phức

Giả thiết phức chất tạo thành từng bậc như sau:

M + L ML; k1

ML + L ML2; k2 …

MLn-1 + L MLn; knTrong đó: k1, k2,… kn là các hằng số bền từng bậc của các phức tương ứng Giá trị của các hằng số bền từng bậc được xác định theo các công thức sau:

(1.1)

Trong luận văn này, phương pháp Bjerrum được sử dụng để xác định hằng

số bền của phức chất Theo Bjerrum, hằng số bền của phức tạo thành được xác định thông qua nồng độ của phối tử tự do

̅ = (1.2) Với [L] là nồng độ phối tử tại thời điểm cân bằng, CL và CM là nồng độ chung của phối tử và kim loại trong dung dịch, ̅ là nồng độ phối tử tự do (hệ số trung bình các phối tử)

 ̅̅ k1[L] + ̅

̅ k1k2[L]2 + …+ ̅

̅ k1k2…kn[Ln] = 1(1.3) Thay các đại lượng đã biết vào phương trình (1.3) ta sẽ tính được k1, k2… kn

Mỗi bước chuyển này được đặc trưng bằng giá trị bước sóng (năng lượng) và

hệ số tắt phân tử Ɛ Tuy nhiên bước sóng cực đại có thể bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng nhóm thể, hiệu ứng lập thể, dung môi

Thông thường các kim loại chuyển tiếp như Mn, Fe, Co, Ni, và Cu chứa obitan d cho dải hấp thụ đặc trưng trong vùng khả kiến có đặc điểm là các dải hấp thụ thường rộng Đối với các phức của ion kim loại chuyển tiếp thì các phối tử cũng ảnh hưởng đến vị trí hấp thụ cực đại Trong luận văn này, phương pháp UV – Vis được sử dụng để chứng minh có sự tạo phức xảy ra 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 phức chất nghiên cứu được đo trên máy UV – Vis Agilent 8453 tại Bộ môn Hoá Vô cơ & Đại cương – Trường Đại Học Bách Khoa

Hà Nội

2.2.3 Phương pháp phân tích nguyên tố

σ σ* П П* n П*

σ*

Để phân tích hàm lượng các nguyên tố trong phức chất, người ta thường sử dụng các phương pháp sau: phương pháp EDS [1], phương pháp phổ UV – Vis [4], phương pháp chuẩn độ Trong đề tài nghiên cứu này, chúng tôi xác định hàm lượng kim loại trong phức chất tạo thành bằng phương pháp chuẩn độ [14]

Xác định % Zn(II), Fe(III) trong phức chất ZnLys2, FeLys3 bằng phương pháp chuẩn độ complexon:

- Zn2+ tạo phức bền với EDTA ở pH=10: Zn2+ + H2Y2-→ ZnY

+ 2H+ Chất chỉ thị ET – OO có màu xanh khi ở dạng tự do, có màu đỏ nho khi ở dạng phức Sát điểm tương đương EDTA phản ứng với phức ZnInd chuyển chúng trở lại ở dạng tự do:

ZnInd + H2Y2- → ZnY2- + H2Ind (đỏ nho) (xanh)

Thực nghiệm: tiến hành cân một lượng phức chất nhất định đem nung ở

800oC trong 1,5 giờ để chuyển hết về dạng oxit Hòa tan oxit bằng dung dịch HCl loãng, cô cạn trên bếp cách thủy ở 80oC để đuổi hết axit dư, dùng nước cất 2 lần để định mức đến thể tích nhất định, sau đó tiến hành chuẩn độ theo các phương pháp trên để xác định hàm lượng kim loại trong phức chất tương ứng Kết quả được trình bày trong bảng 3.4

2.2.4 Phương pháp phổ khối lượng [12]

Phương pháp phổ khối lượng có ý nghĩa rất quan trọng đối với việc nghiên cứu, xác định cấu trúc các hợp chất hữu cơ, vì thế phương pháp này thường được sử dụng trong các nghiên cứu về phức chất 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

Nguyên tắc chung của phương pháp phổ khối lượng là phá vỡ phân tử trung hòa thành ion phân tử và các ion dương mảnh có số khối m/z (m là khối lượng, z là điện tích ion) Sau đó phân tách các ion này theo số khối và ghi nhận thu được phổ khối lượng của mẫu phân tích

ESI là phương pháp ion hóa phổ biến dùng cho nghiên cứu phức chất và phù hợp với các hợp chất kém bay hơi Phương pháp này có đặc điểm là quá trình ion hóa xảy ra êm dịu Trong kỹ thuật ESI, các ion dương tạo thành có thể gắn thêm một proton và các ion âm tạo thành có thể mất bớt một proton, do vậy ion dương [M – H]-

có khối lượng nhỏ hơn khối lượng phân tử một đơn vị Trong nhiều trường hợp các ion dương được tạo thành do kết hợp với các cation có sẵn trong dung dịch như Na+, K+ tạo nên các ion dương [M + Na]+, [M + K]+

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

2.2.5 Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại [6, 7, 12]

Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại là một trong những phương pháp vật lý hiện đại cho nhiều thông tin quan trọng về thành phần và cấu tạo của phức chất 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…Những biến đổi trong phổ hồng ngoại do phối tử đi vào cầu phối trí của phức chất thường được xét khi nghiên cứu kiểu liên kết kim loại - phối tử Nguyên tắc chung là so sánh phổ của phức chất nghiên cứu (tạo bởi ion kim loại M và phối tử L) với phổ của những hợp chất khác chứa phối tử

L có kiểu liên kết đã biết

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 nằmtrong 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 của các amin 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 hơnvà 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 amin (M là kim loại trung tâm) Dựa vào mức độ giảm νN-H trên phổ của các phức so với phổ của các muối của natri hoặc kali với các phối tử để đánh giá độ bền của liên kết

M – N, sự chuyển dịch này càng lớn thì liên kết càng bền

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

1640 – 1615 cm-1 (δOH)

Các liên kết M – O và M – N: việc nghiên cứu phổ hồng ngoại của các liên kết M – O và M – N cho ta thông tin trực tiếp về đặc tính của liên kết kim loại - phối tử Nhưng hiện nay chưa đủ tính xác định khi quy gán các dải M – O và M –

N Thông thường, các dải M – O và M – N nằm trong vùng 300 ÷ 600 cm-1

Do sự hấp thụ của nhóm amin bị xen phủ bởi sự hấp thụ của nước kết tinh và 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

2.2.6 Phương pháp phổ 13 C – NMR [12]

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (phổ NMR) là một phương pháp vật lý hiện đại nghiên cứu cấu tạo các hợp chất hữu cơ, nó có ý nghĩa quan trọng để xác định cấu tạo các phân tử phức tạp Phương pháp phổ biến được dùng là phổ 1H – NMR và phổ 13C – NMR Trong đề tài này chúng tôi sử dụng phổ 13C – NMR để nghiên cứu phức chất

Cả hai phương pháp phổ 13C tương tác 1H và xóa tương tác 1H đều cho các thông tin giá trị trong việc phân tích cấu trúc phức chất Tuy nhiên phổ 13C tương tác 1H cho nhiều nhóm đỉnh do sự khác nhau về số proton trong các nhóm CH, CH2

và CH3, cường độ của nhiều đỉnh quá nhỏ lẫn với cả nhiễu của máy, do đó việc giải phổ gặp khó khăn Vì vậy chúng tôi sử dụng phổ 13C xóa tương tác 1

H

Để khẳng định chính xác hơn về sự tạo phức, vị trí của các liên kết mới và cấu trúc của phức chất, ta so sánh phổ 13C xóa tương tác 1H của phức chất nghiên cứu (kim loại – lysine) với phổ 13C xóa tương tác 1

H của lysine Xem xét độ dịch chuyển hóa học của các nhóm C-N, C=O, C-C để chứng minh có xảy ra sự tạo phức

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR của các phức chất được đo trên máy Avance 500, tần số 500 MHz tại Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam

2.2.7 Phương pháp phân tích nhiệt [7]

Phương pháp phân tích nhiệt là tổ hợp của các phương pháp xác định nhiệt chuyển pha và những đặc điểm khác về nhiệt của các hợp chất riêng lẻ hoặc của hệ gồm nhiều chất tương tác Đây là phương pháp thuận lợi để nghiên cứu phức chất Dựa vào hiệu ứng nhiệt có thể nghiên cứu những quá trình biến đổi hoá lý phát sinh

ra khi đun nóng hoặc làm nguội chất, ví dụ sự phá vỡ mạng tinh thể, sự chuyển pha,

sự biến đổi đa hình, sự tạo thành và nóng chảy các dung dịch rắn, các tương tác hoá học…

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 sai (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 của phức chất và các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền nhiệt của nó

- 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

- Sự thay đổi số phối trí và 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 10o

C/phút, nhiệt độ từ 30oC đến 800oC trong khí N2

2.2.8 Phương pháp mô phỏng Gaussian [3]

Phần mềm Gaussian tính toán dựa trên nhiều mô hình lý thuyết khác nhau, thường được gọi là mô hình hóa học Mô hình hoá học này được đặc trưng bởi phương pháp lý thuyết và hệ hàm cơ sở

* Phương pháp lý thuyết

Bộ phần mềm Gaussian chứa một hệ thống từ thấp đến cao các thủ tục tính toán tương ứng với các phương pháp gần đúng khác nhau, còn được gọi là mức lý thuyết Một số phương pháp thường được sử dụng: phương pháp trường tự hợp Hartree – Fock (HF), phương pháp lý thuyết hàm mật độ 3 thông số loại Becke (B3LYP), phương pháp lý thuyết nhiễu loạn Moller – Plesset bậc 2 (MP2), phương pháp lý thuyết nhiễu loạn Moller – Plesset bậc 4 (MP4)….Trong đề tài nghiên cứu này, sử dụng phương pháp trường tự hợp Hartree – Fock (HF) do thời gian tính toán hợp lý và độ chính xác chấp nhận được

* Hệ hàm cơ sở

Hệ hàm cơ sở là sự biểu diễn toán học của các vân đạo phân tử Một hệ hàm

cơ sở có thể được xem như là sự giới hạn từng điện tử vào một vùng không gian riêng biệt Hệ hàm cơ sở càng lớn thì các điện tử càng ít bị giới hạn về vị trí không gian và do đó, các vân đạo phân tử được mô tả càng chính xác

Dùng phương pháp Gaussian trong để mô phỏng cấu trúc của các phức chất tạo thành, thu được các thông tin về: vị trí, độ dài liên kết, năng lượng liên kết, góc liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử