Liệu pháp sử dụng thuốc hay các thực phẩm bổ sung sắt để điều trị bệnh thiếu máu do thiếu sắt đã trở nên rất phổ biến trên thế giới. Rất nhiều loại hợp chất sắt dạng vô cơ (FeSO4…) và hữu cơ (sắt fumarat, NaFeEDTA, các phức chất của sắt với polysaccarit…) đã được dùng vào mục đích này. Các loại thuốc hoặc nguyên liệu cho việc bào chế thuốc chống thiếu máu do thiếu sắt hiện ở Việt Nam hiện nay đều nhập khẩu từ nước ngoài. Vì vậy, việc nghiên cứu tổng hợp nhằm tiến tới sản xuất loại hợp chất thích hợp dùng làm nguyên liệu bào chế thuốc chống thiếu máu phục vụ nhu cầu trong nước là vấn đề khoa học mang tính thực tiễn cao. Do việc sử dụng các phức sắt polysaccarit trong điều trị thiếu máu do thiếu sắt trong vài thập niên gần đây tỏ ra rất có hiệu quả, nhiều nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu cấu trúc của một số phức sắt trong nhóm hợp chất này. Nhiều nghiên cứu cho thấy sắt tồn tại trong phức với polysaccarit ở dạng akaganeite. Tuy nhiên, các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành akaganeite và phức sắt polysaccarit chưa được đề cập nhiều.
Trang 1LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầyThS.Nguyễn Đình Vinh đã giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đềtài này Không những thế, trong quá trình nghiên cứu đề tài thầy đã chỉ bảo vàhướng dẫn tận tình cho em những kiến thức lý thuyết, cũng như các kỹ năng trongquá trình tiến hành, cách giải quyết vấn đề, đặt câu hỏi … Thầy luôn là người truyềnđộng lực trong em, giúp em hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu khoa học
Cho phép em gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo, các anh chị kỹthuật viên phòng thí nghiệm Hóa học, trường Đại học Khoa học đã tạo mọi điềukiện về cơ sở vật chất, máy móc và nhiệt tình giúp đỡ em cũng như các sinh viênkhác hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè cũng nhưtập thể lớp Cử Nhân HóaK8 đã luôn sát cánh và động viên em trong những giaiđoạn khó khăn nhất
Trong quá trình thực hiện đề tài, do còn hạn chế về mặt kinh nghiệm cũng nh ưtrình độ nghiên cứu nên còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiếnđóng góp quý báu của quý thầy cô, các nhà khoa học và các bạn
En xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 3 năm 2013 Sinh viên
Vũ Thị Thúy Hà
Trang 2MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5
1.1 Tổng quan về akaganeite 5
1.1.1 Cấu trúc 5
1.1.2 Sự phân bố 5
1.1.3 Tính chất 6
1.1.4 Ứng dụng 6
1.2 Tổng quan về polysaccarit: 7
1.3 Cấu trúc của phức sắt polysaccarit 8
1.4 Ứng dụng của phức sắt polysaccarit 10
1.5 Các phương pháp điều chế phức sắt polysaccari 12
1.6 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc phức sắt polysaccarit 13
1.6.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 14
1.6.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét(SEM) 14
1.6.3 Phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR 15
1.6.4 Phương pháp TEM 16
1.6.5 Phương pháp nhiệt 17
1.6.5.1 Phương pháp phân tích nhiệt .17
1.6.5.2 Phương pháp nung mẫu .17
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 19
2.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị 19
2.1.1 Hóa chất 19
2.1.2 Dụng cụ 19
2.1.3 Thiết bị 19
2.2 Quy trình điều chế 19
2.3 Các phương pháp phân tích thành phần và cấu trúc sản phẩm 20
2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X(XRD) 20
2.3.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) và phương pháp TEM 21
2.3.3 Phương pháp phân tích nhiệt 21
2.3.4 Phương pháp phân tích nhiệt 21
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 22
Trang 33.1 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ 22
3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ 23
3.3 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG 24
KẾT LUẬN 27
TÀI LIỆU THAM KHẢO 28
Trang 4Liệu pháp sử dụng thuốc hay các thực phẩm bổ sung sắt để điều trị bệnhthiếu máu do thiếu sắt đã trở nên rất phổ biến trên thế giới Rất nhiều loại hợp chấtsắt dạng vô cơ (FeSO4…) và hữu cơ (sắt fumarat, NaFeEDTA, các phức chất của sắtvới polysaccarit…) đã được dùng vào mục đích này Các loại thuốc hoặc nguyênliệu cho việc bào chế thuốc chống thiếu máu do thiếu sắt hiện ở Việt Nam hiện nayđều nhập khẩu từ nước ngoài Vì vậy, việc nghiên cứu tổng hợp nhằm tiến tới sảnxuất loại hợp chất thích hợp dùng làm nguyên liệu bào chế thuốc chống thiếu máuphục vụ nhu cầu trong nước là vấn đề khoa học mang tính thực tiễn cao.
Do việc sử dụng các phức sắt polysaccarit trong điều trị thiếu máu do thiếusắt trong vài thập niên gần đây tỏ ra rất có hiệu quả, nhiều nhà khoa học đã tiếnhành nghiên cứu cấu trúc của một số phức sắt trong nhóm hợp chất này Nhiềunghiên cứu cho thấy sắt tồn tại trong phức với polysaccarit ở dạng akaganeite Tuynhiên, các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành akaganeite và phức sắt polysaccarit
chưa được đề cập nhiều Vì vậy, tôi mạnh dạn chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởngcủa nhiệt độ và nồng độ đến quá trình điều chế phức sắt- polysaccarit từ dextrin và sắt ( III) clorua
Trang 5CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về akaganeite
1.1.1 Cấu trúc
Tinh thể akaganeite ở dạng đơn tà có cấu trúc 3 chiều, được tạo thành từ cáchình bát diện ghép thành từng cặp, những cặp này tạo thành những đường ống dài .Tham số tế bào: a = 10.561Å, b = 3.031Å, c = 10.483Å, β = 90
Tỷ lệ: a: b: c = 3.484: 1: 3.459
Clorua Hidro
Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể β-FeOOH
Trong cấu trúc của akaganeite, 8 bát diện tạo thành một đường ống với cácion Cl- trung hòa bên trong Các ion Cl- có tác dụng trung hòa bề mặt dương của cáctinh thể làm bền thêm cấu trúc Akaganeite có thể được biểu diễn bằng công thức:β-Fe 3+O(OH,Cl)
1.1.2 Sự phân bố
Akaganeite là sản phẩm phong hóa của các loại đá có chứa FeS, nhưng chỉtìm thấy với số lượng miligram Ngoài ra, β-FeOOH được hình thành trong quátrình ăn mòn thép khi tiếp xúc với môi trường có chứa clo [7] Khoáng sảnakaganeite có trong các mẫu đất đá, phân bố rộng rãi trên bề mặt trái đất như: NhậtBản, Trung Quốc, Mỹ, Canada, Đức [12] β-FeOOH cũng được tìm thấy trong cácmẫu đá được lấy từ mặt trăng, điều này giúp các nhà khoa học kết luận được rằng:nước tồn tại trên mặt trăng Trên thực tế, thiên thạch và các mẫu đá chứa β-FeOOH
đã hấp thụ hơi nước từ không khí [5]
Trang 6Hình 1.2 Khoáng sản akaganeite (β-FeOOH)
β-β-FeOOH có khả năng hấp phụ tốt nên được dùng để loại bỏ chất hoạt động
bề mặt, làm vật liệu hấp phụ asen và các kim loại nặng khác Điều này có ý nghĩalớn trong việc xử lý ô nhiễm asen trong nước ngầm β-FeOOH có khả năng hấp thụtốt photpho nên được dùng trong xử lý nước hồ bơi [12]
Trang 7Mặt khác do có nhiều tính chất như luôn luôn tồn tại ở dạng không ion, được
cơ thể hấp thụ tốt, độc tính thấp… nên β-FeOOH là thành phần chính chứa sắt trongcác phức chất với polysaccarit dùng làm dược phẩm bổ sung sắt và điều trị bệnhthiếu máu do thiếu sắt Trong các phức này, nhân sắt β-FeOOH liên kết vớipolysaccarit qua cầu –OH [5]
Dextrin
Dextrin là một nhóm trọng lượng phân tử thấp carbohydrate được sản xuất bởiquá trình thủy phân tinh bột hoặc glycogen Dextrin là hỗn hợp polyme của đơn vịD-glucose liên kết α-(1 → 4) hoặc α-(1→6) glycosid Dextrin có thể được sản xuất
từ việc sử dụng tinh bột enzyme như amylases, như trong quá trình tiêu hóa trong
cơ thể người và trong quá trình Malting và mashing, [3] hoặc bằng cách áp dụngnhiệt khô trong điều kiện có tính axit (nhiệt phân) Quá trình này được sử dụngtrong công nghiệp, và cũng có thể xảy ra trên bề mặt của bánh mì trong quá trìnhnướng, góp phần hương vị, màu sắc và độ nét Dextrin sản xuất bởi nhiệt cũng đượcbiết đến là pyrodextrins Trong quá trình đun nóng trong điều kiện axit thủy phântinh bột và các bộ phận tinh bột chuỗi ngắn một phần tái gắn kết với liên kết α (1-6)vào các phân tử tinh bột bị suy thoái
Trang 8Hình 1.2: Cấu trúc phân tử dextrin
1.3 Cấu trúc của phức sắt polysaccarit
Mô hình bổ sung của sắt polysaccarit được trình bày trong ba giả thuyết
Đầu tiên là “mô hình vị trí liên kết”, sắt liên kết thông qua các nhóm chức
của polysaccarit Cầu nội của sắt (III) phối hợp với nhóm hidroxyl tạo thành cầu nốigiữa hai ion sắt (III) để tạo ion trung tâm phối hợp với các nhóm chức khác nhaucủa polysaccarit [6, 9, 10, 11, 21] Cầu nội được hoàn chỉnh với các phân tử nướctrong dung dịch
Thứ hai là “mô hình keo”, sắt ở dạng FeOOH kết tủa được bao phủ bằng
polysaccarit [13, 14] Liên kết chéo của polysaccarit sẽ tạo ra một vỏ biopolyme bềnlàm bền hạt sắt oxi-hidroxit
Mô hình cuối cùng là không phân biệt tương tác bao gồm hai mô hình Các
nhóm chức của polysaccarit hình thành nhân cho các ion kim loại, và dạng “cấu trúc nano” kết khối trong polysaccarit [15, 20] Kích thước và hình dạng phụ thuộc
vào các loại polysaccarit và các yếu tố (pH, nhiệt độ…)
Mô hình phối trí của sắt polysaccarit có thể phối hợp với sắt trong ba giảthuyết, như vị trí liên kết (a), dạng keo (b), và kết hợp của mô hình vị trí liên kết và
mô hình keo (c), như trong hình 3
• Mô hình vị trí liên kết [6]
• Mô hình keo [14]
Trang 9(c) Kết hợp của mô hình vị trí liên kết và mô hình keo [15]
Hình 1.3 Mô hình phối trí của sắt polysaccarit
tá tràng và trên ruột chay Nếu lượng sắt bị hấp thụ từ các chất ức chế thực phẩm:polyphenol (trong các loại rau nhất định), axit tannic (trong chè), hàm lượng axitphytic (trong thóc, ngũ cốc và một số loại rau), và Canxi (trong các sản phẩm từsữa) hoặc hấp thụ tế bào, nó sẽ ảnh hưởng đến cân bằng sắt và dẫn đến thiếu máu dothiếu sắt
Sắt là một nguyên tố cần thiết bởi vì nó là một phần trung tâm của huyết cầu
tố, trong đó vận chuyển oxi trong máu Thiếu máu thiếu sắt là một vấn đề sức khỏetrên toàn thế giới đó là đặc biệt phổ biến ở phụ nữ trẻ và trẻ em
Trang 10Trong dược phẩm, phức sắt được ứng dụng rộng rãi để bổ sung sắt trong điềutrị thiếu máu do thiếu sắt Những người mắc bệnh dạ dày không thể bổ sung sắtbằng cách uống sắt Những bệnh nhân này có thể sử dụng sắt ngoài đường tiêu hóa(sắt dextran, sắt sucrozơ, sắt sorbital) Sắt ngoài đường tiêu hóa được biết đến ở Mỹ
là sắt dextran, và ở Châu Âu là sắt sucrozơ, đã được sử dụng trong hơn 50 năm Sắtngoài đường tiêu hóa khác được biết đến là Natri gluconat sắt (II) đã được sử dụng
ở Châu Âu trong 30 năm Qua vài năm Cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm(FDA) phê duyệt sắt sucrozơ và Natri gluconat sắt (II) được sử dụng ở Mỹ Khi sosánh độc tính, sắt dextran có nhiều tác dụng phụ hơn hai sản phẩm còn lại Tốc độtruyền nhanh của sắt dextran có một phản ứng phản vệ gây ảnh hưởng dẫn đến hậuquả nghiêm trọng [19]
Sắt giúp tạo ra các tế bào máu đỏ mang oxi đi khắp cơ thể Phức sắt polysaccarit:cung cấp khoảng 46% nguyên tố sắt với các phần trăm còn lại polysaccarit Sắtpolysaccarit tạo ra một phản ứng tích cực hemalopoletic được hiển thị bằng cách tănghemoglobin và hematocrit ở những bệnh nhân trẻ em và người già
Trang 11Hình 1.5 Một số thuốc điều trị bệnh thiếu máu
1.5 Các phương pháp điều chế phức sắt polysaccarit
Các polysaccarit là tác nhân tạo phức thích hợp để ổn định các hạt sắt hidroxit kích thước nano trong dung dịch keo Các polysaccarit có nhiều nhómhidroxyl sắp xếp được một cách thích hợp có khả năng liên kết tạo phức vòng càngvới bề mặt các hạt sắt oxi-hidroxit Với polysaccarit trung tính, sự tạo phức với sắtthuận lợi ở pH cao, bởi vì các nhóm hidroxyl phân ly H+ do đó mang điện tích âm
oxi-và sẽ liên kết chặt chẽ hơn với cation sắt Sự tạo phức vòng càng với sắt lại dẫn tới
sự phân ly H+ của các nhóm hidroxyl xung quanh, do đó càng giúp tăng độ bền củaphức [7, 8] Điều chế phức chất sắt polysaccarit thường được thực hiện theo 2phương pháp:
Phương pháp 1: Đi từ muối sắt (II), tác nhân kiềm (NaOH, Na2CO3, NH3…),tác nhân oxi hóa (O2 không khí, H2O2…), polysaccarit
Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2Fe(OH)2 + [O] → FeOOH
Phương pháp 2: Đi từ muối sắt (III) (FeCl3, Fe2 (SO4)3, Fe(NO3)3….), tácnhân kiềm (NaOH, Na2CO3, NH3…), polysaccarit, dung môi (zopropanol, metanol,etanol, axeton…) Cho dung dịch muối sắt (III) phản ứng với polysaccarit, quá trìnhđược thực hiện trong môi trường axit yếu, tuy nhiên, môi trường kiềm sẽ thuân lợihơn
Fe3+ + 3OH- → Fe(OH)3Fe(OH)3 → FeOOH + H2OTrong quá trình phản ứng, giá trị pH thường tăng từ từ, để điều chỉnh pH, ta
sử dụng kiềm (NaOH, Na2CO3, NH3…) Có thể thúc đẩy phản ứng bằng cách gianhiệt, thông thường phản ứng được thực hiện trong khoảng 60-70oC Thời gian phảnứng có thể diễn ra vài chục phút đến vài giờ
Khi phản ứng kết thúc, dung dịch được làm mát và một biện pháp thích hợp (pha loãng hoặc lọc) sẽ được lựa chọn để loại bỏ cặn không tan Sau khi làm mát, giátrị pH cần được điều chỉnh về trung tính hoặc thấp hơn một chút, ví dụ pH khoảng 5đến 7 bằng cách thêm axit (HCl, H2SO4) hoặc bazơ (NaOH, Na2CO3, NH3…)
Phức chất sắt (III) được tách khỏi dung dịch bằng phương pháp kết tủa vớiancol (etanol, metanol…) hoặc bằng cách phun khô sau khi đã tinh chế dung dịch
Trang 12để loại bỏ các muối Các dung dịch sau khi tinh chế có thể dùng trực tiếp cho việcđiều chế thuốc.
Các phức chất sắt (III) thu được có hàm lượng sắt từ 10-40% theo khốilượng, đặc biệt thường gặp từ 20-35% theo khối lượng Chúng thường dễ tan trongnước Từ đó có thể điều chế dung dịch nước trung tính có hàm lượng sắt từ 1-20g/100 ml Các dung dịch này có thể được khử khuẩn bằng phương pháp nhiệt
1.6 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc phức sắt polysaccarit
1.6.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X
Phương pháp nhiễu xạ tia X được ứng dụng để nghiên cứu cấu trúc của vậtliệu sét hữu cơ tổng hợp được Ngoài ra phương pháp này còn được ứng dụng đểxác định động học của quá trình chuyển pha, kích thước hạt và xác định trạng tháiđơn lớp bề mặt của chất xúc tác ôxit kim loại trên chất mang
Nhiễu xạ tia X là một phương pháp quan trọng trong việc nghiên cứu cấutrúc tinh thể Các bước sóng của tia X nằm trong khoảng 1 đến 50Å Chúng có nănglượng lớn nên xuyên vào chất rắn Khi chiếu tia X vào các mạng tinh thể, các tia Xphản xạ từ 2 mặt cạnh nhau có hiệu quang trình:
= BC + CD = 2BC = 2dsin
Hình 1.6 Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể chất rắn
Khi tia X lan truyền trong chất rắn
Khi các tia này giao thoa với nhau ta sẽ thu được cực đại nhiễu xạ thoả mãnphương trình Vulf-bragg:
= 2dsin = n
Trang 13Trong đó:
d : khoảng cách giữa hai mặt song song
: là góc giữa tia X và mặt phẳng pháp tuyến
n : là số bậc phản xạ ( n = 1,2,3 …)
Như vậy khoảng cách giữa các mạng lưới tinh thể là :
Từ các cực đại nhiễu xạ trên giản đồ nhiễu xạ tia X, tìm được 2 thì có thểtính được d So sánh giá trị d tìm được với d chuẩn sẽ xác định được cấu trúc củamẫu
Từ giản đồ nhiễu xạ tia X có thể thu được một số thông tin quan trọng như:mức độ trật tự của tinh thể, khoảng cách giữa các mặt mạng và khích thước hạt
1.6.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
Nhờ khả năng cho ảnh có độ phóng đại lớn, rõ nét và chi tiết, kinh hiển viđiện tử quét (SEM) được ứng dụng để nghiên cứu hình thái hạt của vật liệuorganoclay tổng hợp được
Hình 8: Cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét SEM
Chú giải:
1-Nguồn phát điện tử đơn sắc; 2- Thấu kính điện tử; 3-Mẫu nghiên cứu; 4-Detectorđiện tử thứ cấp; 5- Detector điện tử xuyên qua; 6- Khuếch đại tín hiệu; 7- Bộ lọc tia
Phương pháp SEM có thể thu được những ảnh có chất lượng ba chiều cao, có
sự rõ nét hơn và không đòi hỏi sự phức tạp trong khâu chuẩn bị mẫu Tuy nhiênphương pháp này lại cho hình ảnh với độ phóng đại nhỏ hơn TEM Phương phápSEM đặc biệt hữu dụng vì nó cho độ phóng đại có thể thay đổi từ 10 đến 100 000lần với hình ảnh rõ nét, hiển thị 3 chiều phù hợp cho việc phân tích hình dạng vàphân tích cấu trúc
Trang 14Chùm electron từ ống phóng được đi qua một vật kính và được lọc thành mộtdòng hẹp Vật kính chứa một số cuộn dây (cuộn lái electron) được cung cấp vớiđiện thế không đổi, cuộn dây tạo nên một điện từ trường tác động lên chùmelectron, từ đó chùm electron sẽ quét lên bề mặt mẫu tạo thành một tường quét Tínhiệu của cuộn lái cũng được chuyển đến ống Katot để điều chỉnh quá trình quét ảnhtrên màn hình đồng bộ với quá trình quét electron trên bề mặt mẫu Khi chùmelectron đập vào bề mặt mẫu tạo thành một tập hợp các hạt thứ cấp đi tới Katot, tạiđây nó được nó được chuyển thành tín hiệu và được khuếch đại Tín hiệu được gửitới ống tia Katot và được quét lên màn hình nên ảnh Độ nét của ảnh được xác địnhbởi số hạt thứ cấp vào ống tia Katot, số hạt này lại phụ thuộc vào góc bắn ra củaelectron khỏi bề mặt mẫu, tức là phụ thuộc vào mức độ lồi lõm của bề mặt Vì thếảnh thu được sẽ phản ánh diện mạo của bề mặt vật liệu.
1.6.3 Phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR
Phương pháp này sử dụng một chùm tia sáng đơn sắc có bước sóng nằm
trong vùng hồng ngoại (50÷10.000cm-1)
Qua chất phân tích một phần nằng lượng bị chất hấp thụ làm giảm cường độ tia tới
Sụ hấp thụ này tuân theo định luật Lambert- Beer
c d k I
I
D = lg 0 = D: Mật độ quang
I0, I: Cường độ ánh sáng trước và sau khi ra khỏi chất phản ứng
c: Nồng độ chất phân tíchPhân tử hấp thụ năng lượng sẽ thực hiện dao động (xê dịch các hạt nhânnguyên tử xung quanh vị trí cân bằng) làm giảm độ dài liên kết giữa các nguyên tử
và các góc hoá trị tăng giảm tuần hoàn, chỉ có những dao động làm biến đổi momenlưỡng cực điện của liên kết mới xuất hiện tín hiệu hồng ngoại Đường biểu diễn sựphụ thuộc của độ truyền quang vào bước sóng là phổ hấp thụ hồng ngoại Mỗinhóm chức hoặc liên kết có một tần số (bước sóng) đặc trưng bằng các peak trên