Tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc và khảo sát hoạt tính sinh học của phức chất kim loại chuyển tiếp với một số phối tử thiosemicacbazon

Tên đề tài: Tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc và khảo sát hoạt tính sinh học của phức chất kim loại chuyển tiếp với một số phối tử thiosemicacbazon.. Việc nghiên cứu phức chất của kim loại

BÁO CÁO TÓM TẮT KẾT QUẢ THỰC HIỆN NHIỆM VỤ PHẦN I THÔNG TIN CHUNG

1 Tên đề tài: Tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc và khảo sát hoạt tính sinh học của phức

chất kim loại chuyển tiếp với một số phối tử thiosemicacbazon

2 Mã số: TN.18.09

3 Danh sách các cán bộ thực hiện đề tài:

TT Học vị, họ và tên Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

(Chủ nhiệm/Tham gia)

1 ThS Phạm Thị Ngọc Oanh Khoa Hóa học,

Trường ĐHKHTN

Chủ nhiệm

2 PGS TS Nguyễn Hùng Huy Khoa Hóa học,

Trường ĐHKHTN

Tham gia

4 Đơn vị chủ trì thực hiện: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

5 Thời gian thực hiện:

5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 06 năm 2018 đến tháng 06 năm 2019

5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng… năm…

5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 06 năm 2018 đến tháng 06 năm 2019

6 Tổng kinh phí đƣợc phê duyệt của đề tài: 25 triệu đồng

7 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu: thay đổi người tham gia thực hiện:

PGS TS Nguyễn Hùng Huy được thay cho TS Phạm Chiến Thắng

PHẦN II TỔNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Đặt vấn đề

Những năm gần đây, phức chất của thiosemicabazon đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Việc nghiên cứu phức chất của kim loại chuyển tiếp với các phối tử hữu cơ, trong đó có thiosemicacbazon, ngày càng được chú ý và có nhiều ứng dụng thực tế trong nhiều lĩnh vực như hóa học, sinh học, y học,… Hiện nay, các nhà khoa học nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc tổng hợp mới các thiosemicacbazon, dẫn xuất của thiosemicacbazon và phức chất của chúng với các ion kim loại, nghiên cứu cấu tạo của các phức chất sản phẩm bằng các phương pháp khác nhau và khảo sát hoạt tính sinh học của chúng

Hóa học phức chất của phối tử thiosemicacbazon được tập trung nghiên cứu rất nhiều ở trong và ngoài nước Tuy nhiên, việc tổng hợp hệ các phối tử còn thiếu tính

hệ thống, kết quả nghiên cứu sự tạo phức của thiosemicacbazon với hầu hết kim loại chuyển tiếp vẫn còn rất thiếu Thêm vào đó hoạt tính sinh học của những lớp hợp chất này có triển vọng tốt nhưng lại chưa đc quan tâm nhiều [3,4] Với mục đích phát triển và tìm hiểu rộng thêm về các dẫn xuất của thiosemicacbazon mới, tôi hướng tới lựa chọn các dẫn xuất ít được nghiên cứu hơn như:

- Thiosemicacbazon tạo thành giữa các hợp chất cacbonyl thông dụng như 2-axetylpyridin, salixylandehit, benzandehit… với dẫn xuất thiosemicacbazit hai lần thế, 4,4-điankylthiosemicacbazit

- Thiosemicacbazon tạo thành giữa benzamiđoyl clorua với 4,4-điankylthiosemicacbazit

- Thiosemicacbazon của hợp chất cacbonyl nguồn gốc tự nhiên như curcumin Đây đều là các hướng nghiên cứu mới và có rất ít nhóm nghiên cứu đang quan tâm

về vấn đề này

2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu

- Tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc của một số phối tử thiosemicacbazon bằng phương pháp phổ hồng ngoại, phổ cộng hưởng từ hạt nhân

- Nghiên cứu tổng hợp phức chất của kim loại chuyển tiếp với phối tử thiosemicacbazon

- Nghiên cứu thành phần, cấu tạo của các phức chất thu được bằng các phương pháp hóa lí như phương pháp phổ hồng ngoại, phương pháp phân tích nhiệt, phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân, phương pháp nhiễu xạ tia X đơn tinh thể

- Khảo sát hoạt tính sinh học của phức chất

Phạm vi

Phạm vi hướng nghiên cứu về thiosemicacbazon rất rộng vì từ một khung phối tử ban đầu, tiến hành thay đổi các nhóm thế, sử dụng các amin khác nhau như amin kháng sinh, amin có hoạt tính sinh học mạnh trong các cây dược liệu hoặc thay bằng các axit amin, các peptit nhỏ…là có thể thu được những phối tử có hoạt tính sinh học quý giá Từ một phối tử tổng hợp được như vậy, tiến hành nghiên cứu tạo phức với các kim loại chuyển tiếp d dãy thứ nhất, thứ hai, thứ ba, các nguyên tố đất hiếm…, tìm điều kiện tạo phức ở các nhiệt độ, dung môi, xúc tác… khác nhau Tất cả những nghiên cứu ấy sẽ làm cơ sở để lựa chọn những hoạt chất tốt nhất ứng dụng vào sản xuất thuốc chữa bệnh [2]

3 Tổng quan tài liệu

3.1 Thiosemicacbazit và thiosemicacbazon

Thiosemicacbazit là chất kết tinh màu trắng, nóng chảy ở 181 – 183o

C [1]

Khi phân tử thiosemicacbazit hay sản phẩm thế của nó ngưng tụ với các hợp chất cacbonyl (xeton hoặc anđehit) sẽ tạo thành các hợp chất thiosemicacbazon Thiosemicacbazon có công thức chung ở dạng [5]:

Hai proton ở vị trí N(4) của thiosemicacbazon có thể bị thay thế bởi các nhóm thế khác nhau và có công thức ở dạng sau:

Trong đó: R1, R2: H, ankyl, aryl hoặc là dị vòng

R3, R4: H, ankyl, dị vòng hoặc là cả R3, R4 tạo thành một vòng Khả năng hoạt động và hoạt tính sinh học của thiosemicacbazon nằm ở các nhóm chức và các nhóm thế của nó [1,8] Ở trạng thái rắn, thiosemicacbazon tồn tại ở dạng thion, nhưng khi tạo phức hầu hết chúng bị thiol hóa bởi ở dạng này chúng tạo phức chất bền nhiệt động hơn ở dạng thion

Thông thường, khi liên kết với nguyên tử kim loại trong phức chất, các phối trí được thực hiện qua nguyên tử S và các nguyên tử 1N trong nhóm hidrazin, tạo thành các vòng chelat năm cạnh [8]

Thiosemicacbazon là một phối tử linh động, nó có dạng trung hòa (HnL) và dạng anion (Ln-) Vì vậy khi hình thành liên kết phối trí của thiosemicacbazon với nguyên

tử kim loại thường kèm theo sự tách loại H+, chính điều này đã giải thích cho đặc tính axit của phối tử

3.2 Khả năng tạo phức của kim loại chuyển tiếp (Ni(II), Cu(II), Zn(II)) với thiosemicacbazon

Kim loại chuyển tiếp có phân lớp d đang được điền dần các electron (ở đây chỉ xét các nguyên tố phân nhóm d), chúng có nhiều trạng thái oxi hóa và có các trạng thái

oxi hóa cao, dễ tham gia hình thành liên kết cộng hóa trị với các nguyên tố khác bằng cách góp chung electron hoặc nhận các cặp electron để tạo cấu hình bền vững; đôi khi còn có các trường hợp cho đi cặp electron hoặc nhận các cặp electron làm tăng độ bền trong hợp chất Chính vì thế chúng có khả năng dễ dàng tham gia vào các hợp chất phức bền vững với các phối tử hữu cơ [5,6] Mặt khác, khả năng tạo phức của các kim loại chuyển tiếp còn phụ thuộc vào kích thước và điện tích của ion nguyên tố

đó Khi ion có kích thước càng nhỏ, điện tích càng lớn thì khả năng tạo phức của các nguyên tố càng mạnh Các ion kim loại chuyển tiếp thường thỏa mãn điều kiện này Bằng việc nghiên cứu sâu làm sáng tỏ cơ chế tác dụng sinh học của thiosemicacbazon người ta đã tổng hợp các phức chất của chúng với kim loại chuyển tiếp và thử hoạt tính sinh học của các phức chất tổng hợp được Người ta thấy, chúng luôn thể hiện dung lượng phối trí cực đại và hầu hết ở dạng thiol Khi không có các trung tâm phối trí thêm (hình thành ở các nhóm thế) thì thiosemicacbazon thường là những phối tử hai càng, phối trí qua trung tâm S và N của nhóm hidrazin [9]

Khi đưa thêm các nguyên tử có khả năng tạo thêm liên kết phối trí ở nhóm thế, ví dụ như đưa thêm dị vòng pyridin, thì lúc này các thiosemicacbazon thể hiện là phối tử 3 càng, 4 càng, thậm chí 5 càng như 2,6-diaxetylpyridi bis (thiosemicacbazon)…Các liên kết phối trí không chỉ hình thành qua các trung tâm phối trí S, trung tâm phối trí N của nhóm hidrazin mà còn có sự tham gia của trung tâm phối trí mới (D) [7]

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phổ hồng ngoại IR: Bằng cách so sánh phổ thực nghiệm với phổ

chuẩn của một số hợp chất hay bảng thống kê tần số dao động của các nhóm nguyên tử,

ta có thể nhận biết sự có mặt hay không của một nhóm chức nào đó ở chất nghiên cứu

- Phương pháp phổ cộng hưởng từ 1 H-NMR: Các độ chuyển dịch hóa học của

proton và các hạt nhân khác trong các “môi trường hóa học” khác nhau được tập hợp thành bảng trong các tài liệu tra cứu Bằng cách sử dụng nguồn tài liệu này, kết hợp thêm một số tương quan kinh nghiệm khác, ta có thể rút ra nhiều kết luận quan trọng

về cấu tạo phân tử và nhiều thông tin hữu ích khác

- Phương pháp phổ khối lượng ESI-MS: 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 nhiễu xạ tia X đơn tinh thể: từ các thông tin về vị trí và cường độ

của tia nhiễu xạ và bằng các tính toán toán học ta có thể xác định vị trí của từng nguyên tử có trong một ô mạng cơ sở, từ đó xây dựng được cấu trúc phân tử của chất cần nghiên cứu

5 Nội dung và kết quả nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu

5.1 Tổng hợp các phối tử pyrrolidinylthiosemicacbazit (PTC) và N-azepinylthiosemicacbazit (ATC)

Cho vào bình cầu 8,5g cacboxyl metyl N-pyrrolidinyl dithiocacbamat hoặc 9,6g cacboxyl metyl N-azepinyl dithiocacbamat cùng với 10ml hydrazin hydrat 80% và 1,5ml H2O, khuấy hòa tan hết chất rắn rồi đun hồi lưu dung dịch Sau 3 tiếng, tinh thể không màu tách ra khỏi dung dịch, kết thúc phản ứng Tinh thể được lọc, rửa sạch bằng nước cất và etanol lạnh sau đó làm khô ở nhiệt độ phòng, thu được N-pyrrolidinylthiosemicacbazit (PTC) hoặc N-azepinylthiosemicacbazit (ATC) với hiệu suất khoảng 40-50%

Sơ đồ tổng hợp dẫn xuất thiosemicacbazit:

Hình 1: Sơ đồ tổng hợp dẫn xuất thiosemicacbazit PTC

Hình 2: Sơ đồ tổng hợp dẫn xuất thiosemicacbazit ATC 5.2 Tổng hợp phối tử thiosemicacbazon từ dẫn xuất PTC

Hình 3: Sơ đồ tổng hợp phối tử thiosemicacbazon từ dẫn xuất PTC

Cho vào bình cầu 10ml nước cất đun nóng, 1 giọt axit clohidric đặc và 2,5 mmol PTC khuấy cho đến khi chất rắn tan khoảng 70% Thêm vào bình cầu 2,75 - 3 mmol benzandehit (lấy dư 15 - 20%) Khuấy và đun hồi lưu hỗn hợp phản ứng trong 1

tiếng Kết thúc phản ứng, để nguội rồi tiến hành lọc rửa kết tủa bằng nước cất và dung môi etanol, làm khô ở nhiệt độ thường thu được sản phẩm là phối tử HL1

có màu vàng, hiệu suất 90%

5.3 Tổng hợp phối tử thiosemicacbazon từ dẫn xuất ATC

Cho vào bình cầu 2,75 - 3 mmol 2-axetylpyridin (lấy dư 15-20%) Thêm vào bình cầu 5ml etanol, lắc cho tan hoàn toàn Thêm tiếp 2.5 mmol dẫn xuất ATC vào bình cầu, sau đó thêm vài giọt axit axetic làm xúc tác Khuấy tới khi các chất tan hoàn toàn và đun hồi lưu trong 3-4 giờ xuất hiện kết tủa trong hỗn hợp phản ứng Khuấy đuổi dung môi ở 50°C Tiến hành lọc, rửa với nước cất và etanol, làm khô sản phẩm

ở nhiệt độ thường Sản phẩm thu được là phối tử HL2

có màu vàng, hiệu suất 70%

5.4 Tổng hợp phức chất của phối tử HL 1

Hình 4: Sơ đồ tổng hợp phức chất của HL 1 với Ni(II), Cu(II), Zn(II)

Hòa tan hoàn toàn 0,05 mmol muối M(CH3COO)2.nH2O (với M = Ni, Cu, Zn) trong 3ml dung môi metanol ở 40-50°C trên máy khuấy từ Thêm từ từ 0,1mmol phối

tử HL1 (tỷ lệ kim loại : phối tử = 1:2), đồng thời khuấy đều tới khi tan hết phối tử Sau vài phút, các phức chất kết tủa và tách ra khỏi dung dịch Tiếp tục khuấy dung dịch trong 1 giờ ở nhiệt độ thường để phản ứng xảy ra hoàn toàn Lọc rửa phức chất với metanol lạnh rồi làm khô trong bình hút ẩm Tiến hành kết tinh lại phức chất với

hệ dung môi thích hợp Kết quả thu được các vi tinh thể phức chất [ ] là màu nâu đen, màu nâu và [ ] màu vàng

5.5 Tổng hợp phức chất của phối tử HL 2

Hòa tan hoàn toàn 0,1mmol muối Ni(CH3COO)2.4H2O trong 3ml dung môi metanol ở 40-50°C trên máy khuấy từ Thêm từ từ 0,2mmol phối tử HL2 (tỷ lệ kim loại : phối tử = 1 : 2), đồng thời khuấy đều tới khi tan hết phối tử Sau vài phút, các phức chất kết tủa và tách ra khỏi dung dịch Tiếp tục khuấy dung dịch trong 1 giờ ở

nhiệt độ thường để phản ứng xảy ra hoàn toàn Lọc rửa phức chất với metanol lạnh rồi làm khô trong bình hút ẩm Tiến hành kết tinh lại phức chất với hệ dung môi thích hợp Kết quả thu được tinh thể phức chất [ ] màu nâu đen

Hình 5: Sơ đồ tổng hợp phức chất của HL 2

với Ni(II)

Kết quả nghiên cứu

5.6 Nghiên cứu phối tử HL 1 và phức chất các ion kim loại Ni(II), Cu(II), Zn(II)

5.6.1 Nghiên cứu bằng phương pháp phổ hồng ngoại

Phổ hồng ngoại của phối tử HL1 và phức chất của nó với Ni(II) được đưa ra trên Hình 6, 7 và các dải hấp thụ đặc trưng được liệt kê trong Bảng 1

Bảng 1: Các dải hấp thụ đặc trưng của phối tử HL 1 và phức chất

Hợp

chất

Dài hấp thụ

 (NH)  (C-H)  (1N=C)  (CNN)  (NN)  (S=C)/(C-S)

HL1 3221 2968/2864 1558 1439 1070 1342/876

Phổ hồng ngoại của phối tử HL1 xuất hiện dải dao động mạnh ở 3221 cm-1, đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm NH Tuy nhiên, trong phổ của các phức chất, dải này không xuất hiện, chứng tỏ proton trong nhóm NH bị tách loại

Mặt khác, trong phổ IR của phối tử không thấy có sự xuất hiện của dải hấp thụ ở

2600 – 2500 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết S-H, mà có dải dao động tại 1342 cm-1 và 876 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết C=S, chứng tỏ phối tử tồn tại ở trạng thái thion Trên phổ IR của phức chất chỉ xuất hiện dải hấp thụ ở 750 cm-1 đặc trưng cho liên kết C-S Sự thay đổi này được giải thích là

do sự thiol hóa phần khung thiosemicacbazon và S đã tham gia liên kết với kim loại

M

Trên phổ của phối tử tự do có một dải hấp thụ mạnh tại 1558 cm-1, trong phức chất thì dải này chuyển dịch về phía sóng thấp hơn 1440 – 1490 cm-1 Đây là dải hấp thụ

đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết C=1N, chứng tỏ 1N đã liên kết phối trí với kim loại, dẫn đến mật độ electron trên liên kết C=1N bị giảm, kèm theo sự giảm độ bội liên kết và làm giảm số sóng của dải hấp thụ đặc trưng Một bằng chứng khác cho thấy liên kết phối trí được thực hiện qua 1N là dao động hóa trị của liên kết CNN và

NN có sự dịch chuyển về số sóng thấp hơn Cụ thể, trong phổ của phối tử tự do, dao động hóa trị của liên kết CNN ở 1438 cm-1 và 1070 cm-1 tương ứng, nhưng khi đi vào phức thì các dải này ở 1388 – 1398 cm-1 và 1040 – 1050 cm-1 tương ứng

Hình 6: Phổ hồng ngoại của phối tử HL 1

Hình 7: Phổ hồng ngoại của phức chất

Kết luận: Từ phổ IR của phức chất ta có thể dự đoán, trong phức chất các kim loại

liên kết với phối tử thông qua 2 nguyên tử N và S và tách ra một proton

5.6.2 Nghiên cứu bằng phương pháp phổ 1 H-NMR (trong dung môi CDCl 3 )

Phức chất của Ni(II) và Zn(II) với phối tử HL1 là những phức chất nghịch từ nên được nghiên cứu bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H Các tín hiệu cộng hưởng trên phổ 1H-NMR của phối tử và các phức chất được quy gán trong Bảng 2 Trong phổ của phối tử, tín hiệu cộng hưởng ở 9.22 ppm là tín hiệu cộng hưởng đặc trưng cho nhóm 2NH, nhưng ở phổ của phức chất thì tín hiệu này bị mất đi Điều này một lần nữa chứng tỏ ở dạng phối tử tự do HL1 tồn tại ở dạng thion; khi đi vào phức chất thì bị thiol hóa, liên kết với nguyên tử kim loại và tách ra một proton

Quá trình tạo phức chất làm thay đổi đáng kể các tín hiệu cộng hưởng ở vòng phenyl, đặc biệt là tín hiệu proton ở vị trí ortho Tín hiệu này bị dịch chuyển về vùng trường thấp 0.5 ppm trong phức chất Ni(II) và 0.7 ppm trong phức chất Zn(II) Phổ

1H-NMR của Zn(II), các tín hiệu proton có độ phân giải tốt hơn so với phổ Ni(II) Tuy nhiên, các tín hiệu ở nhóm pyrrolidinyl lại có độ phân dải kém Cụ thể là tín hiệu NCH2 là hai singlet từ 3.92 – 3.77 ppm Điều này được giải thích bởi sự quay hạn chế quanh liên kết SC-NC4H8, dẫn đến hai nhóm N-CH2 không tương đương nhau và làm giảm độ phân giải của chúng

Kết luận: Dựa vào phổ IR và 1H-NMR có thể thấy khi tạo phức chất, phối tử HL1 liên kết với ion kim loại thông qua hai nguyên tử 1N và S, một proton được tách ra

Bảng 2: Quy kết các tín hiệu trên phổ 1 H-NMR của phối tử HL 1 và phức chất

2

1

CH 7,58 (s, 1H) 7,40 (s, 1H) 7,37 (s, 1H)

Vòng

phenyl

4 C và 8

C 7,57 (d, 2H, J=5 Hz) 8,07 (d,2H,J=5 Hz) 8,27 (d,2H,J=10 Hz)

5

C, 7C, 6C 7,37 (t, 3H, J=5 Hz) 7,36 (t,3H,J=5 Hz) 7,42 (t,2H,J=5 Hz)

7,37 (t,1H,J=5 Hz)

Vòng

pyrrolidinyl

a C và a’C 3,96 (m, 4H) 3,61 (m, 4H) 3,92 (s,2H); 3,77 (s,2H)

b C và b’

C 1,95 (m, 4H) 1,98 (m, 4H) 2,02 (m, 4H)

Công thức dự kiến của hai phức chất là

Hình 8: Phổ 1

H-NMR của phối tử HL 1

Hình 9: Phổ 1

H-NMR của phức chất [ ] 5.6.3 Nghiên cứu phức chất [ ] bằng phương pháp phổ khối lượng ESI-MS

Trên phổ ESI-MS của phức chất [ ] xuất hiện hai pic có thể quy gán:

- Pic m/z = 523.32 là pic có cường độ mạnh nhất, có thể quy gán cho ion phân tử [NiL12 + H]+ tạo thành khi phân tử phối tử bị proton hóa Vậy, phân tử khối của phức chất với đồng vị 58Ni là 522, đúng với khối lượng phân tử dự đoán

- Pic m/z = 452.22 có thể quy gán cho ion mảnh [NiL12 + H – HNC4H8]+ Ion này tạo thành do mảnh m/z bằng 523.32 bị mất đi một phân tử trung hòa là HNC4H8