Nội dung của Luận văn trình bày về phức chất của các nguyên tố đất hiếm với axit cacboxylic là một trong những lĩnh vực được nhiều nhà khoa học quan tâm. Các phức chất này có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong khoa học vật liệu để tạo ra các chất siêu dẫn, các đầu dò phát quang trong phân tích sinh học, đánh dấu huỳnh quang sinh y, trong vật liệu quang điện, trong khoa học môi trường, công nghệ sinh học tế bào và nhiều lĩnh vực khác nhau. Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
––––––––––––––––
PHẠM THỊ HOA
TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT PHỨC CHẤT 3,4 - DIHYDROXYXINAMAT CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM NẶNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC
THÁI NGUYÊN - 2019
Trang 2ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
––––––––––––––––
PHẠM THỊ HOA
TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT PHỨC CHẤT 3,4 - DIHYDROXYXINAMAT CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM NẶNG
Ngành: Hóa vô cơ
Mã số: 8 44 01 13
LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN THỊ HIỀN LAN
THÁI NGUYÊN - 2019
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa có ai công bố trong một luận văn nào khác
Thái Nguyên, tháng 07 năm 2019
Tác giả luận văn
Phạm Thị Hoa
…
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Bản luận văn được hoàn thành tại Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên Trong quá trình làm luận văn em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ để hoàn thành luận văn
Trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Cô giáo PGS.TS.Nguyễn Thị Hiền Lan, đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kinh nghiệm cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này
Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô bộ môn Hóa học ứng dụng, khoa Hóa học, phòng Đào tạo, thư viện trường Đại học Sư phạm, Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn của mình
Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và các anh chị học viên đã luôn quan tâm, giúp đỡ, động viên, chia sẻ và tạo mọi điều kiện giúp em hoàn thành tốt khóa học
Thái Nguyên, tháng 07 năm 2019
Trang 5MỤC LỤC
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục chữ viết tắt iv
Danh mục các bảng v
Danh mục các hình vi
MỞ ĐẦU 1
Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2
1.1 Giới thiệu chung về các nguyên tố đất hiếm (NTĐH) và khả năng tạo phức của chúng 2
1.1.1 Đặc điểm chung của các nguyên tố đất hiếm 2
1.1.2 Khả năng tạo phức của các NTĐH 5
1.2 Axit cacboxylic và các cacboxylat kim loại 7
1.2.1 Axit cacboxylic 7
1.2.2 Các cacboxylat kim loại 10
1.2.3 Tình hình nghiên cứu phức chất cacboxylat 11
1.3 Một số phương pháp hóa lí nghiên cứu phức chất 13
1.3.1 Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại 13
1.3.2 Phương pháp phân tích nhiệt 14
1.3.3 Phương pháp phổ khối lượng 16
1.3.4 Phương pháp thử hoạt tính sinh học 17
Chương 2: THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 20
2.1 Dụng cụ và hoá chất 20
2.1.1 Dụng cụ 20
2.1.2 Hóa chất 20
2.2 Chuẩn bị hoá chất 20
Trang 62.2.1 Dung dịch LnCl3 20
2.2.2 Dung dịch NaOH 0,1M 21
2.2.3 Dung dịch EDTA 10-2M 21
2.2.4 Dung dịch Asenazo III ~ 0,1% 21
2.2.5 Dung dịch đệm axetat có pH ≈ 5 21
2.3 Tổng hợp phức chất 22
2.4 Phân tích hàm lượng của ion đất hiếm trong phức chất 22
2.5 Nghiên cứu các phức chất bằng phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại 24
2.6 Nghiên cứu các phức chất bằng phương pháp phân tích nhiệt 28
2.7 Nghiên cứu các phức chất bằng phương pháp phổ khối lượng 31
2.8 Phương pháp đánh giá hoạt tính ức chế tế bào ung thư 41
KẾT LUẬN 44
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO 47
Trang 7DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
DMEM Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium EDTA Etylenđiamintetraaxetic
FBS Fetal bovine serum
HCaf Axit 3,4 - dihydroxyxinamic (axit caffeic) IC50 Inhibitory concentration 50%
NTĐH Nguyên tố đất hiếm
Trang 8DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Bán kính ion của các NTĐH 3 Bảng 1.2 Một số đại lượng đặc trưng của Tb, Dy, Er, Yb 3 Bảng 2.1 Hàm lượng ion kim loại trong các phức chất 24 Bảng 2.2 Các số sóng hấp thụ đặc trưng trong phổ hấp thụ hồng ngoại của
phối tử và phức chất (cm-1) 27 Bảng 2.3 Kết quả phân tích nhiệt của các phức chất 30 Bảng 2.4 Các mảnh ion giả thiết trong phổ khối lượng của các phức chất 34 Bảng 2.5 Phần trăm ức chế sự phát triển của tế bào ung thư dưới tác
động của mẫu 41
Trang 9DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1 Phổ hấp thụ hồng ngoại của axit 3,4-dihydroxyxinamic 24
Hình 2.2 Phổ hấp thụ hồng ngoại của Na[Tb(Caf)4].3H2O 25
Hình 2.3 Phổ hấp thụ hồng ngoại của Na[Dy(Caf)4].3H2O 25
Hình 2.4 Phổ hấp thụ hồng ngoại của Na[Er(Caf)4].3H2O 26
Hình 2.5 Phổ hấp thụ hồng ngoại của Na[Yb(Caf)4].3H2O 26
Hình 2.6 Giản đồ phân tích nhiệt của phức chất Na[Tb(Caf)4].3H2O 28
Hình 2.7 Giản đồ phân tích nhiệt của phức chất Na[Dy(Caf)4].3H2O 29
Hình 2.8 Giản đồ phân tích nhiệt của phức chất Na[Er(Caf)4].3H2O 29
Hình 2.9 Giản đồ phân tích nhiệt của phức chất Na[Yb(Caf)4].3H2O 30
Hình 2.10 Phổ khối lượng của phức chất Na[Tb(Caf)4].3H2O 32
Hình 2.11 Phổ khối lượng của phức chất Na[Dy(Caf)4].3H2O 32
Hình 2.12 Phổ khối lượng của phức chất Na[Er(Caf)4].3H2O 33
Hình 2.13 Phổ khối lượng của phức chất Na[Yb(Caf)4].3H2O 33
Trang 10MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của ngành khoa học, hóa học phức chất của các nguyên tố đất hiếm (NTĐH) đã có những đóng góp to lớn và quan trọng cho nhiều ngành khoa học Phức chất của NTĐH có nhiều ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: nông nghiệp, y dược, luyện kim…
Phức chất của các NTĐH với axit cacboxylic là một trong những lĩnh vực được nhiều nhà khoa học quan tâm Các phức chất này có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong khoa học vật liệu để tạo ra các chất siêu dẫn, các đầu dò phát quang trong phân tích sinh học, đánh dấu huỳnh quang sinh y, trong vật liệu quang điện, trong khoa học môi trường, công nghệ sinh học tế bào và nhiều lĩnh vực khác nhau
Đã có nhiều công trình nghiên cứu về phức chất của NTĐH với phối tử axit cacboxylic, tuy nhiên số công trình nghiên cứu về phức chất của NTĐH với phối tử là axit 3,4 - dihydroxyxinamic (axit caffeic) còn rất hạn chế
Với những nhận định trên chúng tôi thực hiện đề tài: “Tổng hợp và nghiên
cứu tính chất phức chất 3,4 - dihydroxyxinamat của một số nguyên tố đất hiếm nặng”
Trang 11Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Giới thiệu chung về các nguyên tố đất hiếm (NTĐH) và khả năng tạo phức của chúng
1.1.1 Đặc điểm chung của các nguyên tố đất hiếm
Các nguyên tố đất hiếm (NTĐH) gồm mười bảy nguyên tố hoá học gồm:
3 nguyên tố thuộc nhóm IIIB là scandi (Sc, Z=21), ytri (Y, Z=39), lantan (La, Z=57) và các nguyên tố họ lantanit (Ln) Họ lantanit gồm 14 nguyên tố: từ Xeri (Ce, Z=58), Paraseodim (Pr, Z=59), Neodim (Nd, Z=60), Prometi (Pm, Z=61), Samari (Sm, Z=62), Europi (Eu, Z=63), Gadolini (Gd, Z=64), Tecbi (Tb, Z=65), Dysprosi (Dy, Z=66), Honmi (Ho, Z=67), Ecbi (Er, Z=68), Tuli (Tm, Z=69), Ytecbi (Yb, Z=70), Lutexi (Lu, Z=71)
Cấu hình electron chung của nguyên tử các nguyên tố lantanit là:
Nd 4f4
Pm 4f5
Sm 4f6
Eu 4f7
Gd 4f75d1
Nhóm
Tecbi
Tb 4f9
Dy 4f10
Ho 4f11
Er 4f12
Tm 4f13
Yb 4f14
Lu 4f145d1Các nguyên tố này có lớp electron thứ ba từ ngoài vào (phân lớp 4f) đang được xây dựng, số electron ở lớp ngoài cùng (6s2) và số electron ở lớp kề với lớp ngoài cùng (5s25p6) là như nhau Theo các dữ kiện hóa học và quang phổ trạng thái 4f và 5d của các lantanit có năng lượng gần nhau và trạng thái 4f thuận lợi hơn về mặt năng lượng Vì vậy, khi bị kích thích một năng lượng nhỏ, electron của phân lớp 4f nhảy sang phân lớp 5d, các electron còn lại bị các electron 5s25p6
chắn với tác dụng bên ngoài nên không có ảnh hưởng nhiều đến tính chất của các
Trang 12lantanit Như vậy tính chất của lantanit được quyết định bởi chủ yếu các electron phân lớp 5d và 6s Tính chất các lantanit giống nhiều với các nguyên tố d nhóm IIIB có bán kính nguyên tử (hoặc ion) tương đương
Sự khác nhau về số electron trên phân lớp 4f ít ảnh hưởng đến tính chất hóa học của các nguyên tố nên các lantanit rất giống nhau Từ La3+ đến Lu3+ bán kính ion giảm từ 1,061 A0 đến 0,848 A0 (bảng 1.1)
Bảng 1.1 Bán kính ion của các NTĐH
Ion La3+ Ce3+ Pr3+ Nd3+ Pm3+ Sm3+ Eu3+ Gd3+
r (A0 ) 1,061 1,034 1,013 1,099 0,979 0,964 0,950 0,938 Ion Tb3+ Dy3+ Ho3+ Er3+ Tm3+ Yb3+ Lu3+
Một số đại lượng đặc trưng của các nguyên tố đất hiếm Tb, Dy, Er, Yb được trình bày trong bảng 1.2
Bảng 1.2 Một số đại lượng đặc trưng của Tb, Dy, Er, Yb
Trang 13Electron hóa trị của lantanit chủ yếu là các electron 5d16s2 nên mức oxi hóa bền và đặc trưng của chúng là +3, ngoài ra còn mức oxi hóa +4 ở các nguyên
tố Ce, Pr, Tb và mức oxi hóa +2 ở các nguyên tố Sm, Eu và Yb Tuy nhiên các mức oxi hóa +2 và +4 đều kém bền và có xu hướng chuyển về mức oxi hóa +3
Màu sắc của các ion lantanit (Ln3+) biến đổi một cách có quy luật theo độ bền tương đối của trạng thái 4f Chẳng hạn, các ion có cấu hình 4f0, 4f7 và 4f14
cũng như 4f1 và 4f13 (4f1 gần 4f0, 4f13 gần 4f14) đều không màu, các ion còn lại đều có màu Sự biến đổi màu của cả dãy nguyên tố đất hiếm có tính chất tuần hoàn Bảy nguyên tố đầu màu đậm hơn bảy nguyên tố sau Số electron ở phân lớp 4f của 7 nguyên tố sau được điền nhiều hơn do đó bền hơn Vì thế nguyên nhân đổi màu là do mức độ lấp đầy electron vào phân lớp 4f (màu của ion Ln3+
sinh ra là do sự chuyển rời f-f) [1]
Lantan và các lantanit kim loại có tính khử mạnh Ở nhiệt độ cao các lantanit có thể khử được oxit của nhiều kim loại, ví dụ như sắt, mangan, Kim loại xeri ở nhiệt độ nóng đỏ có thể khử được CO, CO2 về C Ở dạng tấm, các
Trang 14lantanit bền trong không khí khô Trong không khí ẩm các lantanit tác dụng với hơi nước, với CO2
Công thức chung các oxit của nguyên tố đất hiếm là Ln2O3 Tuy nhiên một vài oxit có dạng khác là: CeO2, Tb4O7, Pr6O11,… Oxit Ln2O3 giống với kim loại kiềm thổ, chúng bền với nhiệt và khó nóng chảy
Các oxit đất hiếm là các oxit bazơ điển hình, không tan trong nước nhưng tác dụng với nước tạo thành các hydroxit và tỏa nhiệt Chúng dễ tan trong axit
vô cơ tạo thành dung dịch chứa ion [Ln(H2O)x]3+ (x = 8÷9) Riêng CeO2 chỉ tan trong axit đặc nóng
Muối của lantanit(III): clorua, bromua, iodua, nitrat và sunfat tan trong nước, còn các muối florua, cacbonat, photphat và oxalat không tan Các muối Ln(III) bị thủy phân một phần trong dung dịch nước, khả năng đó tăng dần từ Ce đến Lu Điểm nổi bật của các Ln3+ là dễ tạo muối kép có độ tan khác nhau, vì thế nên người ta thường dùng muối kép để tách các lantanit
Ở trạng thái rắn cũng như trong dung dịch các Ln3+ (trừ lantan và lutexi)
có phổ hấp thụ electron ứng với các dải hấp thụ đặc trưng trong vùng phổ hồng ngoại, khả kiến và tử ngoại [20]
1.1.2 Khả năng tạo phức của các NTĐH
Với các obitan trống 5d và 4f, các nguyên tố đất hiếm có khả năng tạo phức rất lớn, phức chất của các nguyên tố đất hiếm có nhiều tính chất phong phú
và có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực hóa học khác nhau
Người ta nhận thấy rằng các phức chất của NTĐH với các phối tử vô cơ dung lượng phối trí thấp, điện tích nhỏ như Cl-, NO3-… đều rất kém bền, trong khi đó phức chất của các NTĐH với các phối tử hữu cơ, đặc biệt là phối tử có dung lượng phối trí lớn và điện tích âm lớn rất bền Điều đó được giải thích như sau: một là các phức chất chelat của các phối tử đa càng được làm bền bởi các hiệu ứng có bản chất entropy, hai là liên kết ion đất hiếm - phối tử chủ yếu mang
Trang 15bản chất ion Vì vậy điện tích âm của phối tử càng lớn, tương tác tĩnh điện của
nó với ion kim loại trung tâm càng mạnh và do đó phức chất tạo thành càng bền
Đối với các phối tử có nguyên tử phối trí khác nhau, ở dãy kim loại chuyển tiếp d, thể hiện khuynh hướng tạo phức giảm dần theo trật tự N>S>O còn đối với các NTĐH trật tự này là O>N>S Đặc điểm này được giải thích dựa vào quan điểm axit - bazơ cứng - mềm của Pearson Các ion đất hiếm Ln3+ thuộc loại axit cứng do đó ưu tiên tạo phức bền hơn với các bazơ cứng mà đa số phối tử S thường
là bazơ mềm
Một đặc điểm quan trọng của hóa học phức chất các NTĐH là số phối trí cao và thay đổi của chúng Thực nghiệm cho thấy số phối trí của các NTĐH có thể là 6, 7, 8, 9, 10, 12 Sự biến đổi số phối trí trong một khoảng rộng như vậy của các NTĐH được giải thích bởi nhiều nguyên nhân Một nguyên nhân chủ yếu là bán kính ion lớn của Ln3+, vì vậy thông thường các phối tử đa phối trí chỉ lấp đầy một phần cầu phối trí của chúng, phần còn lại khi đó có thể bị chiếm bởi các phối tử khác có mặt trong hệ hoặc bởi các phân tử dung môi, chẳng hạn như
H2O Số phối trí cao và thay đổi của các NTĐH trong phức chất phù hợp với bản chất ion của liên kết kim loại - phối tử trong các phức chất này bởi vì tính không định hướng và không bão hòa là những thuộc tính cơ bản của liên kết ion Như vậy các phức chất của NTĐH thuộc loại phức linh động (kém bền) chứ không phải phức trơ.Một đặc trưng quan trọng của các phức chất các NTĐH là sự gần nhau về các tính chất của chúng: các giá trị hằng số bền, độ bền nhiệt, cấu trúc tinh thể…chỉ khác nhau rất ít Sở dĩ như vậy là do sự giống nhau về cấu trúc electron lớp ngoài cùng và sự thay đổi rất chậm bán kính ion khi tăng dần số thứ
tự trong dãy NTĐH do sự nén lantanit Người ta nhận thấy rằng, khuynh hướng chung là sự tăng dần hằng số bền của phức chất các NTĐH theo chiều giảm dần bán kính ion của chúng, bởi vì theo chiều đó, tương tác tĩnh điện của ion kim loại với phối tử tăng lên
Trang 16Cấu trúc hình học của phức các NTĐH cũng rất đa dạng Ứng với một số phối trí nhất định có thể có một vài cấu trúc: khối lập phương, khối mười hai mặt, lăng trụ vuông
Mặc dù liên kết ion kim loại - phối tử chủ yếu mang bản chất ion, nhưng cũng có những bằng chứng thực nghiệm cho thấy trong nhiều phức chất liên kết của NTĐH với các nguyên tử cho electron của phối tử mang một phần đặc tính cộng hóa trị Chẳng hạn, nhiều phức chất của các NTĐH với các β-đixeton có tính bay hơi và bền ở pha khí Điều đó chứng tỏ rằng các obitan 4f bị chắn không hoàn toàn khỏi trường phối tử và sự tương tác giữa chúng với các obitan của phối
tử gây ra đặc tính cộng hóa trị của liên kết trong phức chất, mặc dù ở mức độ không lớn Theo Ioghenxen, điện tích hiệu dụng của các ion NTĐH trong phức chất có thể giảm xuống đến còn +2,7; +2,8 do ảnh hưởng của đặc tính cộng hóa trị của liên kết kim loại - phối tử [1]
1.2 Axit cacboxylic và các cacboxylat kim loại
Trang 17- Nhóm cabonyl (-COOH)
- Gốc hiđrocacbon (R)
Nhóm -COOH trong phân tử axit cacboxylic là tổ hợp của một nhóm cacbonyl (C=O) và một nhóm hidroxyl -OH, các liên kết O-H và C=O luôn luôn phân cực về phía các nguyên tử oxi Ngoài ra, nhóm -OH và nhóm C=O lại có ảnh hưởng lẫn nhau, electron tự do của oxi trong nhóm -OH liên hợp với elctron π của nhóm C=O làm cho mật độ electron dịch chuyển về phía nhóm C=O
Vì vậy, liên kết O-H đã phân cực lại càng phân cực mạnh hơn, dễ phân li hơn
để sinh ra proton nên axit cacboxylic tạo được liên kết hiđro mạnh hơn ancol Mặt khác, axit cacboxylic có khả năng tạo liên kết hiđro với nguyên tử oxi có độ âm điện lớn của lưỡng cực cacbonyl hơn là với oxi của nhóm hiđroxyl khác
Các axit cacboxylic ở dạng lỏng và rắn phần lớn tồn tại dưới dạng đime vòng, hoặc dạng polime do tạo liên kết hiđro
Dạng đime
Dạng polime
Do đó, các axit cacboxylic có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao hơn hẳn so với ancol và dẫn xuất halogen
Tính chất của các axit cacboxylic được quyết định bởi nhóm chức cabonyl
Do hiệu ứng liên hợp +C mà liên kết O-H trong axit cacboxylic phân cực về phía oxi mạnh hơn nên dễ dàng bị proton hóa Tuy nhiên các axit cacboxylic đều là các axit yếu (hằng số phân li axit Ka ~ 10-5), khi mạch cacbon càng dài và càng phân nhánh thì tính axit càng giảm Nhờ tính linh động của nguyên tử hiđro trong
Trang 18nhóm cacboxyl và khả năng cho electron của nguyên tử oxi trong nhóm -COO
-nên các axit cacboxylic tạo phức rất tốt với các kim loại, thường gặp nhất là trường hợp tạo phức trong đó ion kim loại thay thế nguyên tử hiđro tạo nên phức vòng càng
Khả năng tan trong nước của axit cacboxylic tốt hơn ancol có cùng số nguyên tử C vì có thể tạo liên kết hiđro bền hơn
Axit 3,4-dihydroxyxinamic (axit caffeic)
Axit 3,4-dihydroxyxinamic là một axit hữu cơ được phân loại là axit
hydroxyxinamic Trong phân tử gồm có nhóm chức phenolic và acrylic có công thức phân tử là C9H8O4, công thức cấu tạo là:
Axit 3,4-dihydroxyxinamic có khối lượng mol phân tử: 180,16 g/mol, khối
lượng riêng: 1,478 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy là 223 0C ÷ 225 0C Axit này ít tan trong nước nhưng tan tốt trong dung môi hữu cơ như ancol etylic, ete… Axit 3,4-dihydroxyxinamic là một chất có trong tất cả các loại thực vật, bao gồm rau, trái
cây, thảo dược, hạt cà phê, gia vị,…Axit 3,4-dihydroxyxinamic có tiềm năng sinh
học rất lớn, có tác dụng chống viêm, chống oxy hóa và có nhiều lợi ích cho sức khỏe con người
Trong phân tử axit axit 3,4-dihydroxyxinamic, nguyên tử H ở nhóm cacboxyl (-COOH) rất linh động và trong nhóm cacboxylat (-COO-), nguyên tử
oxi có khả năng cho electron nên axit 3,4-dihydroxyxinamic có khả năng tạo
phức tốt với ion kim loại Cacboxylat kim loại được hình thành do nguyên tử kim loại thay thế nguyên tử H của nhóm hyđroxyl trong nhóm -COOH và liên kết kim loại - phối tử được thực hiện qua nguyên tử oxi của nhóm cacbonyl trong chức -COOH tạo nên phức chất vòng càng bền vững
Trang 191.2.2 Các cacboxylat kim loại
Nhờ tính linh động của nguyên tử H trong nhóm -OH và khả năng cho electron của nguyên tử oxi trong nhóm C=O nên các axit cacboxylic tạo phức chất tốt với các nguyên tốt với các nguyên tố đất hiếm, đặc biệt là các phức chất vòng càng, trong đó ion kim loại đồng thời thay thế nguyên tử hiđro của nhóm -
OH và tạo liên kết phối trí với nguyên tử oxi của nhóm -C=O trong phân tử monocacboxylic [5]
Trên cơ sở phân tích cấu trúc bằng tia Rơnghen, người ta đã đưa ra 5 dạng cấu trúc của các cacboxylat đất hiếm:
Dạng liên kết cầu - hai càng Dạng ba càng - hai cầu Dạng liên kết vòng - hai càng
Dạng liên kết cầu - ba càng Dạng một càng
Dạng phối trí của nhóm -COOH phụ thuộc vào bản chất của gốc R và ion đất hiếm Ln3+ Khi hằng số phân li của axit giảm thì số nhóm cacboxylat ở dạng cầu - hai càng sẽ tăng, còn dạng vòng - hai càng sẽ giảm Số thứ tự của đất hiếm càng lớn thì số nhóm cacboxylat ở dạng vòng - hai càng càng tăng và số nhóm ở dạng cầu - hai càng càng giảm
Kiểu phối trí vòng - hai càng thường ít phổ biến hơn kiểu phối trí một càng Trong cả hai kiểu cacboxylat phối trí vòng - hai càng và cầu - hai càng có hai liên kết cacbon-oxi tương đương như trong ion tự do, tuy nhiên, góc OCO trong phức chất vòng - hai càng thường nhỏ hơn trong phức chất cầu - hai càng [17]
Quá trình tổng hợp các cacboxylat đất hiếm có thể được tiến hành theo nhiều phương pháp khác nhau Nhưng thường dùng là phương pháp đun hồi lưu một lượng axit cacboxylic với oxit, hiđroxit hoặc cacbonat đất hiếm tương ứng
Trang 20Tùy từng trường hợp mà các cacboxylat đất hiếm thu được ở dạng khan hay hiđrat với thành phần khác nhau
1.2.3 Tình hình nghiên cứu phức chất cacboxylat
Trên thế giới, hóa học phức chất của đất hiếm với axit cacboxylic thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu bởi sự phong phú về tính chất và khả năng ứng dụng của chúng, đã có nhiều những đóng góp to lớn và quan trọng cho nhiều ngành khoa học Các tác giả [26] đã tổng hợp thành công phức chất của Pr (III) với axit 3,4,5-trimetoxybenzoic Phức chất đã được nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt TGA-DSC, phương pháp phân tích nguyên tố C, H, N Qua
đó đã xác định được phức chất có thành phần là Pr(DMBz)3 (DMBz: Axit trimetoxybenzoic) Các sản phẩm khí phát sinh trong quá trình phân hủy nhiệt cũng được theo dõi trong khí quyển N2 khi sử dụng hệ thống TGA/FT-IR Bằng các phương pháp nhiễu xạ tia X đã xác định được cấu trúc tinh thể của phức chất,
3,4,5-đó là một hệ đơn sắc của nhóm không gian P21/c với cấu trúc polyme [Pr (DMBz)3]n
Một trong những công bố gần đây nhất của các tác giả [32] là phức chất
có khả năng phát quang của Tb3+ được dùng như một cảm biến để phát hiện metanol có lẫn trong ethanol Phức chất này được tổng hợp bởi 0.230 mmol Tb(NO3), 0.115 mmol axit trimesic, 6 mL DMF, 6 mL etanol EtOH và 4.0 mL nước cất Các phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại, phân tích nhiệt, hiển vi điện
Trang 21tử quét và nhiễu xạ tia X đã được sử dụng để nghiên cứu sự tổng hợp thành công
và tính chất của phức chất Kết quả cho thấy phức chất có số phối trí 7, trong đó mỗi ion Tb3+ tạo liên kết với ion Tb3+ khác qua 3 nhóm COO- của 3 phối tử trimesat và số phối trí thứ 7 được hình thành bởi một phân tử H2O, có thể mô tả như sau:
Các phức chất của đất hiếm [Ln4(μ3-OH)2 (η2-accp)4 ((μ-O) -η2-accp)6] (Ln = Y (4), Gd (5); accp = 2-axetylxyclopentanoat) đã được các tác giả [22] tổng hợp bằng cách cho muối nitrat của đất hiếm [M(NO3)3.6H2O] (M = Y (1),
Gd (2) tác dụng với axit 2-axetylxyclopentanoat theo tỉ lệ mol 1:3 với sự có mặt của NaOH Đã xác định được cấu trúc phân tử của phức chất (4) và (5) ở trạng thái rắn Tính chất phân hủy nhiệt của phức chất (4) và (5) được nghiên cứu bởi
TG trong khí quyển Ar và O2, cho thấy các quá trình phân hủy xảy ra qua nhiều giai đoạn Kết quả đo XRD của sản phẩm còn lại sau khi phân hủy đã xác nhận
sự hình thành Ln2O3 Bằng phương pháp phủ quay (spin-coating), từ các phức chất (4) và (5) tác giả [22] đã tạo được các màng mỏng Ln2O3 trên đế silic Các màng mỏng thu được có độ dày 18,87 ± 1,13 nm và 25,59 ± 4,55nm đối với Ln
= Y và Gd Phương pháp SEM và EDX đã được sử dụng để nghiên cứu các màng mỏng thu được
Axit 3,4-dihydroxyxinamic hay còn gọi là axit caffeic là một trong những hợp chất phenolic carboxylic acid có nhiều trong các loài thực vật [25] [35] [36] Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng cafeic acid có nhiều hoạt tính sinh học tốt như hoạt tính kháng viêm [28], hoạt tính chống oxi hóa [28] và hoạt tính ức chế
Trang 22tế bào ung thư [24] [28] [31] Đến này đã có một số công trình công bố về tổng hợp phức chất của axit caffeic với kim loại như là sắt và đồng, sau đó đánh giá khả năng chống oxi hóa của phức chất tổng hợp được, kết quả cho thấy các phức chất có khả năng chống oxi hóa quá trình hình thành gốc tự do của phản ứng oxi hóa Fenton [23] Đến nay chưa ghi nhận có công bố về việc đánh giá khả năng
ức chế tế bào ung thư của phức chất tổng hợp từ axit caffeic và ion kim loại đất hiếm
Như vậy, ở Việt Nam, những nghiên cứu toàn diện về phức chất dihydroxyxinamat của một số nguyên tố đất hiếm còn ít đề cập đến
3,4-1.3 Một số phương pháp hóa lí nghiên cứu phức chất
1.3.1 Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại
Phổ hấp thụ là phương pháp vật lý hiện đại cho nhiều thông tin quan trọng
về thành phần và cấu tạo của phức chất Khi chiếu mẫu nghiên cứu bằng bức xạ hồng ngoại có thể làm dịch chuyển mức năng lượng dao động quay của các phân
tử Đối với các phân tử đơn giản có thể dùng công thức năng lượng dao động để tính tần số của dải hấp thụ ứng với dao động cơ bản Còn đối với các phân tử phức tạp ta thường dùng phương pháp gần đúng dao động nhóm Phương pháp này dựa trên giả thiết trong phân tử các nhóm nguyên tử là tương đối độc lập nhau Do vậy mỗi nhóm nguyên tử được đặc trưng bằng một phổ hấp thụ nhất định trong phổ hồng ngoại
Khi có sự tạo phức giữa phối tử và ion kim loại, sự thay đổi vị trí các dải hấp thụ nhóm khi chuyển từ phổ của phối tử tự do sang phổ của phức, cho ta biết
vị trí phối trí, bản chất liên kết kim loại - phối tử trong phức chất , cách phối trí của phân tử phối tử
Để đánh giá bản chất và đặc tính của các liên kết trong phức chất giữa kim loại M và phối tử L, người ta thường so sánh phổ các phức chất với muối kim loại kiềm và phối tử như KnL (K là kim loại kiềm), đó là những chất mang bản chất ion, hoặc với phổ của các hợp chất kiểu R - L (R là alkyl hay H) có liên kết
Trang 23mang bản chất cộng hóa trị Phần lớn kết luận này mang tính chất định tính
Xét một vài số sóng đặc trưng của liên kết: C - O; O - H
Các số sóng C O
as
, C O as
, C O s
Phổ hồng ngoại của các axit cacboxylic và muối (hoặc phức chất) của chúng có tính đặc thù cao Đặc trưng của các nhóm -COOH là các dải hấp thụ trong vùng 1700÷1750 cm-1 (C O
- Dao động hóa trị của nhóm C=O trong nhóm -COOH ở vùng 1740÷1800
cm-1 khi axit tồn tại ở dạng monome và ở vùng 1680÷1720 cm-1 khi axit tồn tại
ở dạng đime
- Dao động hóa trị của nhóm -OH của mono cacboxylic nằm trong vùng 3500÷3570 cm-1, đime cacboxylic ở vùng 2500÷3000 cm-1 (vạch rộng kéo dài cả vùng)
1.3.2 Phương pháp phân tích nhiệt
Phương pháp phân tích nhiệt là phương pháp rất thuận lợi để nghiên cứu các phức rắn Trong quá trình gia nhiệt ở các mẫu chất rắn có thể xảy ra các quá trình biến đổi hóa lí khác nhau như: sự phá vỡ mạng lưới tinh thể, sự biến đổi đa hình, sự tạo thành và nóng chảy các dung dịch rắn, sự thoát khí, bay hơi, thăng hoa, các tương tác hóa học Đồ thị biểu diễn sự biến đổi tính chất của một chất trong hệ tọa độ: nhiệt độ - thời gian gọi là giản đồ nhiệt Thông thường giản đồ nhiệt có ba đường
- Đường T chỉ sự biến đổi đơn thuần của mẫu nghiên cứu theo thời gian Đường này cho biết nhiệt độ xảy ra sự biến hóa
Trang 24- Đường DTA cũng chỉ ra sự biến đổi của nhiệt độ nhưng so với mẫu chuẩn (đường vi phân) Đường này cho biết hiệu ứng nào là hiệu ứng thu nhiệt, hiệu ứng hiệu ứng nào là hiệu ứng tỏa nhiệt Hiệu ứng thu nhiệt ứng với pic cực tiểu, hiệu ứng tỏa nhiệt ứng với pic cực đại trên đường DTA
- Đường TGA cho biết biến thiên khối lượng của mẫu nghiên cứu trong quá trình đun nóng Nhờ đường này có thể suy luận thành phần của phức chất khi xảy ra các hiệu ứng nhiệt
Dựa vào phương pháp phân tích nhiệt, cho phép chúng ta thu được những
dữ kiện về tính chất của phức rắn như:
- Độ bền nhiệt của phức và các yếu tố ảnh hưởng tới độ bền nhiệt
- Xác định được phức có chứa nước hay không chứa nước Phức chứa nước hiệu ứng mất nước thường là hiệu ứng thu nhiệt Nhiệt độ của hiệu ứng mất nước kết tinh thường thấp hơn nhiệt độ của hiệu ứng mất nước phối trí
- Hiện tượng đồng phân hình học, hiện tượng đa hình của phức thường kèm theo hiệu ứng tỏa nhiệt [8]
Nhiều phức chất đã được nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt ví
dụ, phức chất 2-phenoxybenzat của một số nguyên tố đất hiếm nặng Ln(Phen)3
(Ln3+: Tb3+, Dy3+, Ho3+, Yb3+, Pheb: 2-phenoxybenzoat) bị phân hủy nhiệt ở khoảng (400 - 500)0C tạo thành sản phẩm cuối cùng Ln2O3 [11]; phức chất 2-hiđroxynicotinat của một số nguyên tố đất hiếm nặng (Ln: Ho, Er, Yb) bị phân hủy bởi nhiệt trong khoảng (3000C - 5120C) sản phẩm cuối cùng thu được là KLnO2 [10]; phức chất hỗn hợp phối tử 2-hyđroxynicotinat và o-phenantrolin của một số nguyên tố đất hiếm nặng (Ln: Tb, Dy, Ho, Yb) bị phân hủy bởi nhiệt
độ trong khoảng (1850C - 5800C) sản phẩm cuối cùng thu được là Ln2O3 [9], ngoài ra còn nhiều công trình nghiên cứu khác bằng phương pháp phân tích nhiệt như La(Met) (NO ) , La(Leu) (NO ) [19], [30]
Trang 251.3.3 Phương pháp phổ khối lượng
Phương pháp phổ khối lượng là một trong những phương pháp quan trọng
để xác định cấu trúc của các hợp chất nói chung Phương pháp này có nhiều ứng dụng, bao gồm:
- Xác định các hợp chất chưa biết bằng cách dựa vào khối lượng của phân
tử hợp chất hay từng phần tách riêng của nó
- Xác định kết cấu chất đồng vị của các thành phần trong hợp chất
- Xác định cấu trúc của một hợp chất bằng cách quan sát từng phần tách riêng của nó
Đối với phức chất, phương pháp phổ khối lượng góp phần tích cực trong việc khảo sát thành phần và cấu trúc của chúng, đặc biệt là những phức chất có phối tử là các hợp chất hữu cơ Ngoài việc thay thế cho phương pháp phân tích nguyên tố, phổ khối lượng còn cung cấp một thông tin vô cùng quan trọng là trọng lượng phân tử
Cơ sở của phương pháp là sự bắn phá các phân tử trung hòa thành các ion phân tử mang điện tích dương, các mảnh ion hoặc các gốc bằng các phần tử mang năng lượng cao (chùm electron, nơtron ) Sự phá vỡ này phụ thuộc vào cấu tạo của phần tử, phương pháp bắn phá và năng lượng bắn phá Qúa trình này gọi là quá trình ion hóa
Quá trình ion hóa phân tử có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp ion hóa electron (EI - electron Ionization Mass Spectrometry), phương pháp ion hóa phun điện (ESI), phương pháp ion hóa học (CI), phương pháp ion hóa trường (FI),
Trong các phương pháp ion hóa phân tử thì phương pháp EI được sử dụng rất phổ biến Với phương pháp này, quá trình ion hóa được thực hiện nhờ sự tương tác giữa chất phân tích và chùm electron mang năng lượng cao tạo ra một gốc cation gốc: M + e→ M+ • + 2e-
Trang 26Phương pháp EI thích hợp để nghiên cứu các phân tử hữu cơ có khối lượng phân tử tương đối nhỏ (M<700) Các mẫu sử dụng trong phương pháp
EI phải dễ bay hơi và bền nhiệt Năng lượng ion hóa sử dụng trong phương pháp EI thường bằng 70eV để đạt được độ nhạy tối đa [18]
Trong điều kiện của phương pháp EI, một số chất bị phân mảnh quá nhanh, dẫn đến không thu được ion phân tử cần thiết Vì vậy, việc cung cấp được thông tin
về khối lượng phân tử là không có hoặc có nhưng không chính xác
Phương pháp ESI là phương pháp ion hóa chủ yếu được sử dụng để nghiên cứu các phân tử có khối lượng lớn và khó bay hơi như các hợp chất peptit, protein, polime và hợp chất cơ kim loại Trong phương pháp ESI, mẫu chất được
đo ở dạng lỏng bằng cách hòa tan trong một dung môi dễ bay hơi
Phương pháp ESI tạo ra các ion mang nhiều điện tích Trong quá trình ion hóa, các ion thu được có thể là các ion tựa phân tử bằng cách thêm một cation như H+, Na+, NH4+,… tạo thành các cation [M+H]+, [M+Na]+, [M+NH4]+,… hoặc tách một proton tạo thành anion [M-H]- Phương pháp phổ khối lượng sẽ cho chúng ta biết khối lượng phân tử của chất nghiên cứu thông qua tỉ số m/z Thông thường z =1 nên m/z = m Trường hợp z lớn hơn 1 (thường là lớn hơn rất nhiều) cũng có nhưng không phổ biến
1.3.4 Phương pháp thử hoạt tính sinh học
Khi khảo sát hoạt tính sinh học của phối tử và các phức chất đất hiếm đã tổng hợp, chúng tôi sử dụng vật liệu và phương pháp xác định độc tính tế bào ung thư Trong phương pháp xác định tính độc tế bào ung thư, trước hết cần phải tiến hành nuôi cấy tế bào (theo phương pháp in vitro) Cụ thể như sau:
• Vật liệu
- Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM), fetal bovine serum (FBS) were from Life Technologies, Inc., (Gaithersburg, MD, USA) Các hóa chất cần thiết khác của các hãng Sigma, GIBCO, Invitrogen, Promega v.v
- Dòng tế bào: Các dòng tế bào ung thư do GS TS J M Pezzuto, Trường Đại học Long-Island, US; GS Jeanette Maier, trường Đại học Milan, Italia; GS
Trang 27• Phương pháp nuôi cấy tế bào in vitro
- Các tế bào được nuôi cấy trong môi trường DMEM với thành phần kèm theo gồm 2 mM L-glutamine, 10 mM HEPES, và 1,0 mM sodium pyruvate, ngoài ra bổ sung 10% fetal bovine serum - FBS (GIBCO)
- Tế bào được cấy chuyển sau 3-5 ngày với tỉ lệ (1:3) và nuôi trong tủ ấm
CO2 ở điều kiện 37oC, 5% CO2 [34]
• Phương pháp xác định tính độc tế bào ung thư (cytotoxic assay) đối với tế
bào nuôi cấy dạng đơn lớp
Phương pháp thử độ độc tế bào ung thư in vitro được Viện Ung thư Quốc
gia Hoa Kỳ (National Cancer Institute - NCI) xác nhận là phép thử độ độc tế bào chuẩn nhằm sàng lọc, phát hiện các chất có khả năng kìm hãm sự phát triển hoặc
diệt TBUT ở điều kiện in vitro Phép thử này được thực hiện theo phương pháp
của Monks (1991) [29] Phép thử tiến hành xác định hàm lượng protein tế bào tổng số dựa vào mật độ quang học (OD - Optical Density) đo được khi thành phần protein của tế bào được nhuộm bằng Sulforhodamine B (SRB) Giá trị OD máy đo được tỉ lệ thuận với lượng SRB gắn với phân tử protein, do đó lượng tế bào càng nhiều (lượng protein càng nhiều) thì giá trị OD càng lớn Phép thử được thực hiện trong điều kiện cụ thể như sau:
- Chất thử được pha thành các dải nồng độ thích hợp
- Trypsin hóa tế bào thí nghiệm để làm rời tế bào và đếm trong buồng đếm để điều chỉnh mật độ cho phù hợp với thí nghiệm
- Chất thử đã pha ở các nồng độ được đưa vào các giếng của đĩa 96 giếng, thêm tế bào đã điều chỉnh nồng độ phù hợp ở trên vào các giếng này sao cho nồng
độ chất thử trong giếng là 100 g/ml; 20 g/ml; 4 g/ml và 0.8 g/ml Ủ trong tủ
ấm 48 giờ Giếng không có chất thử nhưng có TBUT (180l) sẽ được sử dụng làm đối chứng ngày 0 Sau 1 giờ, giếng đối chứng ngày 0 tế bào sẽ được cố định bằng Trichloracetic acid - TCA
Trang 28- Sau 48 giờ, tế bào được cố định bằng TCA trong 1 giờ, được nhuộm bằng SRB trong 30 phút ở 37 oC, rửa 3 lần bằng acetic acid rồi để khô ở nhiệt độ phòng
- 10 mM unbuffered Tris base để hòa tan lượng SRB, lắc nhẹ trong 10 phút
- Đọc kết quả OD ở bước sóng 515-540 nm trên máy ELISA Plate Reader (Bio-Rad)
- Phần trăm ức chế sự phát triển của tế bào khi có mặt chất thử sẽ được xác định thông qua công thức sau:
% ức chế = 100% - [OD(chất thử) - OD(ngày 0)] × 100
OD(đối chứng âm) - OD(ngày 0)
- Phép thử được lặp lại 3 lần để đảm bảo tính chính xác Ellipticine ở các nồng
độ 10 g/ml; 2 g/ml; 0,4 g/ml; 0,08 g/ml được sử dụng như là chất đối chứng dương;
- DMSO10% luôn được sử dụng như đối chứng âm Giá trị IC50 (nồng độ
ức chế 50% sự phát triển) sẽ được xác định nhờ vào phần mềm máy tính TableCurve 2Dv4
- Theo tiêu chuẩn của Viện ung thư quốc gia Hoa Kỳ (NCI), cặn chiết được coi có hoạt tính tốt với IC50 20 μg/ml, trong khi chất tinh khiết được coi có hoạt tính tốt khi IC50 5 μM [Hughes JP, (2011)]
Trang 29Chương 2 THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
- Máy lọc hút chân không
- Phễu lọc thủy tinh xốp
Cân một lượng oxit ứng với 10-4 mol Ln2O3 cho vào cốc chịu nhiệt 100
ml, thêm một lượng axit HCl 36,5% dư Đậy miệng cốc bằng mặt kính đồng hồ,
Trang 30đun và khuấy hỗn hợp ở nhiệt độ khoảng 700C Sau khoảng 45 phút oxit đất hiếm tan hoàn toàn theo phương trình phản ứng:
2.2.3 Dung dịch EDTA 10 -2 M
Sấy EDTA tinh khiết trong tủ sấy ở nhiệt độ 800C đến khối lượng không đổi, để nguội Cân chính xác 0,3720 gam EDTA trên cân điện tử (tương ứng với 0,001 mol EDTA) Chuyển toàn bộ lượng cân vào bình định mức 100 ml, thêm nước cất đến 1/3 bình lắc đều cho tan hết Cho nước cất đến vạch định mức và lắc đều sẽ thu được dung dịch EDTA 10-2 M
2.2.4 Dung dịch Asenazo III ~ 0,1%
Cân 0,05 gam asenazo III, chuyển vào cốc thủy tinh cỡ 100 ml, hòa tan bằng một ít nước cất, nhỏ từng giọt dung dịch Na2CO3 10% cho đến khi dung dịch có màu xanh tím, đun nóng đến 600C Sau đó nhỏ từng giọt dung dịch HCl loãng vào cho đến khi dung dịch có màu tím đỏ Chuyển tất cả vào bình định mức 50 ml, thêm nước cất đến vạch định mức, lắc đều được dung dịch asenazo III ~ 0,1%