Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong lĩnh vực hóa học vô cơ và hóa sinh hiện đại, việc nghiên cứu tổng hợp phức chất của các kim loại chuyển tiếp với các phối tử hữu cơ tự nhiên hoặc dẫn xuất tổng hợp đang là hướng nghiên cứu thu hút nhiều sự quan tâm. Phối tử thuộc họ thiosemicarbazone và các dẫn xuất của chúng sở hữu khả năng tạo phức phong phú nhờ chứa các trung tâm cho điện tử như nitơ, oxy và lưu huỳnh. Các phức chất này thường thể hiện hoạt tính sinh học đa dạng bao gồm tính kháng nấm, kháng khuẩn, chống oxy hóa và ức chế sự phát triển của tế bào ung thư, đồng thời có thể ứng dụng trong phân tích trắc quang, xúc tác hóa học và ức chế ăn mòn kim loại.
Đề tài tập trung vào hai ion kim loại có đặc tính sinh hóa và ứng dụng thực tiễn tương phản:
- Mangan (Mn): Nguyên tố vi lượng thiết yếu đối với sinh vật, tham gia cấu trúc xương, kiểm soát insulin, kích hoạt enzyme và thúc đẩy quang hợp ở thực vật; tuy nhiên ở nồng độ cao trong nước uống, mangan có thể gây độc thần kinh và làm suy giảm trí tuệ trẻ em.
- Chì (Pb): Kim loại nặng độc hại, không có vai trò sinh lý, tích lũy gây tổn thương hệ thần kinh, máu, thận và giảm khả năng sinh sản, nhưng lại có nhiều ứng dụng trong công nghiệp pin/ắc quy, vật liệu chắn bức xạ và chất tạo màu.
Việc nghiên cứu sự tạo phức của $Mn(II)$ và $Pb(II)$ với dẫn xuất 5-bromosalicylaldehyde thiosemicarbazone (5-BSAT) được thực hiện nhằm mở rộng dữ liệu cấu trúc phức chất mới và thăm dò hoạt tính kháng khuẩn của chúng.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:
- Tổng hợp phối tử (thuốc thử) 5-BSAT và làm sạch sản phẩm.
- Tổng hợp phức chất rắn của $Mn(II)$ và $Pb(II)$ với thuốc thử 5-BSAT.
- Nghiên cứu cấu trúc của thuốc thử 5-BSAT và các phức chất tổng hợp được bằng phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (FT-IR) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1H\text{-NMR}$).
- Thử nghiệm thăm dò hoạt tính sinh học (kháng khuẩn) của thuốc thử 5-BSAT và hai phức chất $Mn(II)\text{-}(5\text{-BSAT})$, $Pb(II)\text{-}(5\text{-BSAT})$.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Phối tử 5-bromosalicylaldehyde thiosemicarbazone ($C_8H_8BrN_3OS$) và các phức chất rắn tạo thành giữa 5-BSAT với ion kim loại $Mn^{2+}$, $Pb^{2+}$.
- Phạm vi không gian: Thực hiện tổng hợp và khảo sát hoạt tính sinh học tại Khoa Hóa học và Khoa Sinh học - Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh; đo phổ FT-IR tại Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh; đo phổ $^1H\text{-NMR}$ tại Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam; đo phổ UV-Vis tại Trường Đại học Sài Gòn.
- Thời gian thực hiện: Hoàn thành vào tháng 5 năm 2013.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khóa luận xây dựng hệ thống cơ sở lý thuyết và quy trình thực nghiệm dựa trên các nguyên lý hóa học phức chất và phân tích phổ cấu trúc:
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Đại cương về Mangan, Chì và 5-BSAT
Chương 1 tổng quan tài liệu về tính chất hóa lý, độc học, vai trò sinh hóa và khả năng tạo phức của hai kim loại $Mn, Pb$ cùng phối tử 5-BSAT:
| Thông số / Đặc tính |
Mangan ($Mn$, $Z=25$) |
Chì ($Pb$, $Z=82$) |
| Khối lượng nguyên tử |
54,938 đ.v.C |
207,19 đ.v.C |
| Cấu hình electron / Nhóm |
$[Ar]4s^23d^5$, Phân nhóm VIIB |
$[Xe]4f^{14}5d^{10}6s^26p^2$, Phân nhóm IVA |
| Khoáng vật tự nhiên chính |
Hausmanit ($Mn_3O_4$), Pirolusit ($MnO_2$), Braunit ($Mn_2O_3$), Manganit ($MnOOH$) |
Galena ($PbS$), Cesurite ($PbCO_3$), Anglesite ($PbSO_4$) |
| Trạng thái oxy hóa |
+2, +3, +4, +6, +7 |
+2, +4 (trạng thái +2 bền nhất) |
| Vai trò sinh học & Độc tính |
Vi lượng thiết yếu (nhu cầu người lớn 8 mg/ngày); gây độc thần kinh khi nồng độ cao trong nước |
Độc kim loại nặng, hủy hoại thần kinh, thận, máu; giải độc bằng dimercaprol, succimer |
| Ứng dụng thực tế |
Luyện kim chế tạo thép $Mn$ (1-2% và 10-15%), pin khô, chất oxy hóa ($KMnO_4$) |
Ắc quy, vỏ cáp, áo giáp chắn tia X/phóng xạ, thủy tinh pha lê, men gốm |
Về phối tử 5-BSAT, hợp chất có công thức phân tử $C_8H_8BrN_3OS$, là chất rắn màu vàng nhạt, ít tan trong nước và ethanol, tan tốt trong DMF và dioxan tạo dung dịch màu vàng chanh, bị phân hủy trong môi trường axit. Hợp chất được tổng hợp qua phản ứng ngưng tụ giữa 5-bromosalicylaldehyde và thiosemicarbazide. Tác giả tổng hợp các công trình trước đây ứng dụng 5-BSAT làm thuốc thử trắc quang xác định vết $Fe(III)$ trong máu/lá nho, $Co(II)$ trong thép siêu bền và $Cu(II)$ trong hợp kim nhôm (nhóm nghiên cứu Reddy).
Chương 2: Đại cương về quang phổ
Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết của hai phương pháp quang phổ phân tử dùng trong quy kết cấu trúc:
- Quang phổ hồng ngoại (FT-IR): Trình bày nguyên lý hấp thụ hồng ngoại vùng $4000 - 400\text{ }cm^{-1}$. Trình bày bảng tra cứu số sóng hấp thụ đặc trưng của các dao động liên kết: $\nu(C\text{-}H)$ ankan ($2850 - 2960\text{ }cm^{-1}$), $\nu(C=C)$ thơm ($1470 - 1600\text{ }cm^{-1}$), $\nu(O\text{-}H)$ phenol ($3300 - 3500\text{ }cm^{-1}$), $\nu(C=O)$ andehit/xeton ($1650 - 1800\text{ }cm^{-1}$), $\nu(C=N)$ ($1600 - 1650\text{ }cm^{-1}$), $\nu(C=S)$ hợp chất lưu huỳnh ($1000 - 1200\text{ }cm^{-1}$, $800 - 900\text{ }cm^{-1}$) và vùng liên kết kim loại - phối tử ($M\text{-}O, M\text{-}N, M\text{-}S$) ở vùng tần số thấp ($400 - 700\text{ }cm^{-1}$).
- Quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1H\text{-NMR}$): Phân tích nguyên lý phân tách mức năng lượng spin trong từ trường ngoài, nguồn gốc độ dịch chuyển hóa học ($\delta$), ảnh hưởng của hiệu ứng chắn nghịch từ và thuận từ, ảnh hưởng của độ âm điện, dung môi và nhiệt độ đến vị trí dịch chuyển. Trình bày quy tắc cộng số gia $\Delta\delta$ tính toán độ dịch chuyển hóa học cho proton liên kết với $C_{sp^3}$ và proton trên vòng benzen thế, hiện tượng tương tác spin-spin ($J$) và quy tắc tách vạch bội ($n+1$).
Chương 3: Tổng hợp thuốc thử 5-BSAT và phức rắn
Chương 3 là trọng tâm thực nghiệm tổng hợp hóa học và biện luận cấu trúc phức chất:
-
Quy trình tổng hợp 5-BSAT:
Hòa tan hoàn toàn 2,0000 g 5-bromosalicylaldehyde vào 75 ml ethanol trong bình cầu 100 ml có lắp sinh hàn và đá bọt. Thêm tiếp 0,9113 g thiosemicarbazide, đun hồi lưu trong 6 giờ. Để nguội hỗn hợp, lọc lấy kết tủa thô, để khô trong 2 ngày. Tiến hành lọc nóng và kết tinh lại 2 lần trong hệ dung môi 1,4-dioxan : ethanol (tỉ lệ mol 1:1).
- Khối lượng sản phẩm lý thuyết: 2,7275 g.
- Khối lượng sản phẩm thực tế: 1,4540 g.
- Hiệu suất phản ứng: $H = 53,31%$. Sản phẩm thu được ở dạng tinh thể màu vàng nhạt.
-
Quy trình tổng hợp phức rắn:
- Phức $Mn(II)\text{-}(5\text{-BSAT})$: Hòa tan 0,1690 g ($1\text{ mmol}$) $MnSO_4\cdot H_2O$ trong nước cất, nhỏ từ từ vào dung dịch chứa 0,2741 g ($1\text{ mmol}$) 5-BSAT trong 30 ml metanol. Khuấy từ liên tục và gia nhiệt ở $50 - 55^\circ C$ trong $50 - 60$ phút. Để nguội, tách ra tinh thể màu vàng nâu. Lọc kết tủa, rửa bằng một lượng nhỏ ethanol và ete, làm khô trong không khí.
- Phức $Pb(II)\text{-}(5\text{-BSAT})$: Hòa tan 0,3312 g ($1\text{ mmol}$) $Pb(NO_3)_2$ trong nước cất, phối trộn với dung dịch chứa 0,2741 g ($1\text{ mmol}$) 5-BSAT trong 30 ml metanol. Khuấy từ và đun nóng ở $50 - 55^\circ C$ trong $50 - 60$ phút. Tách ra tinh thể màu xám nhạt. Lọc, rửa kết tủa bằng ethanol, ete và làm khô.
-
Phân tích và thảo luận kết quả phổ FT-IR:
| Nhóm dao động đặc trưng |
Phối tử tự do 5-BSAT ($\nu, cm^{-1}$) |
Phức $Mn(II)\text{-}(5\text{-BSAT})$ ($\nu, cm^{-1}$) |
Nhận xét quy kết cấu trúc phối trí |
| $\nu(O\text{-}H)$ |
3455 |
3455 |
Tần số không đổi $\rightarrow$ Nhóm $-OH$ không tham gia phối trí |
| $\nu(N\text{-}H_2)$ |
3250 |
3250 |
Tần số không đổi $\rightarrow$ Nhóm $-NH_2$ tự do, không tạo phức |
| $\nu(C=N)$ (azomethine) |
1613 |
1610 |
Dịch chuyển về số sóng thấp hơn $\rightarrow$ Nguyên tử $N$ azomethine cho cặp electron phối trí với ion kim loại |
| $\nu(C\text{-}N)$ |
1188 và 1119 |
1190 và 1121 |
Dịch chuyển về số sóng cao hơn $\rightarrow$ Bền hóa liên kết $C\text{-}N$ sau khi tạo phức |
| $\nu(C=S)$ |
1061 và 870 |
1061 và 872 |
Không thấy dải $\nu(S\text{-}H)$ ở $2570\text{ }cm^{-1} \rightarrow$ Phối tử tồn tại dạng thion; biến đổi dải $870 \rightarrow 872\text{ }cm^{-1}$ chứng tỏ có sự liên kết qua nguyên tử $S$ |
| Vùng liên kết kim loại ($M\text{-}L$) |
Dải ở 474 và 534 |
Biến đổi dải $474, 534\text{ }cm^{-1}$, xuất hiện dải mới vùng $400-700$ |
Xác nhận sự hình thành liên kết phối trí giữa ion kim loại trung tâm với các nguyên tử cho ($N, S$) |
Dữ liệu phổ $^1H\text{-NMR}$ đo trên máy 500 MHz (dung môi $DMSO\text{-}d_6$) tiếp tục được tác giả quy kết tín hiệu proton của vòng thơm, nhóm azomethine ($-\text{CH=N-}$), proton nhóm $-NH-$ và $-NH_2$ để chứng minh cấu trúc không gian và vị trí phối trí của phối tử quanh ion kim loại.
Chương 4: Thử hoạt tính sinh học của 5-BSAT và các phức chất của nó
Chương 4 trình bày quy trình chuẩn bị môi trường, cấy chủng vi sinh vật thực nghiệm và đánh giá định tính/bán định lượng hoạt tính kháng khuẩn của phối tử 5-BSAT so sánh với hai phức chất rắn $Mn(II)\text{-}(5\text{-BSAT})$ và $Pb(II)\text{-}(5\text{-BSAT})$. Tác giả đo đường kính vòng vô khuẩn (vùng ức chế sinh trưởng) sinh ra xung quanh vị trí đặt mẫu thử trên đĩa thạch, từ đó lập bảng so sánh khả năng kháng khuẩn giữa phối tử ban đầu và các phức chất kim loại tương ứng.
Kết quả và đóng góp
Khóa luận đạt được các kết quả cụ thể sau:
- Kết quả tổng hợp thực nghiệm:
- Đã tổng hợp thành công phối tử 5-bromosalicylaldehyde thiosemicarbazone (5-BSAT) từ 5-bromosalicylaldehyde và thiosemicarbazide với hiệu suất phản ứng đạt $53,31%$ (khối lượng thực tế thu được 1,4540 g từ 2,0000 g chất đầu).
- Đã điều chế thành công 2 phức chất rắn ở tỉ lệ mol phản ứng 1:1: phức $Mn(II)\text{-}(5\text{-BSAT})$ (tinh thể màu vàng nâu) và phức $Pb(II)\text{-}(5\text{-BSAT})$ (tinh thể màu xám nhạt).
- Kết quả xác định cấu trúc phức:
- Chứng minh được thuốc thử 5-BSAT ở trạng thái rắn tồn tại chủ yếu ở dạng thion ($>C=S$) do không xuất hiện dải dao động $\nu(S\text{-}H)$ ở vùng $2570\text{ }cm^{-1}$.
- Xác định tâm phối trí của phối tử 5-BSAT với ion $Mn(II)$ và $Pb(II)$ diễn ra thông qua nguyên tử nitơ của nhóm azomethine ($>C=N-$) và nguyên tử lưu huỳnh của nhóm thion ($>C=S$); các nhóm chức $-\text{OH}$ phenol và $-\text{NH}_2$ không trực tiếp tham gia liên kết phối trí.
- Đóng góp của đề tài:
- Bổ sung dữ liệu thực nghiệm mới về phương pháp tổng hợp và thông số phổ hấp thụ hồng ngoại (FT-IR), phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1H\text{-NMR}$) của hai phức chất rắn mới của $Mn(II)$ và $Pb(II)$ với dẫn xuất thiosemicarbazone.
- Cung cấp dẫn liệu bước đầu về hoạt tính kháng khuẩn (qua đo đường kính vòng vô khuẩn) của phức chất so với phối tử tự do, làm cơ sở định hướng nghiên cứu ứng dụng trắc quang hoặc hoạt tính sinh học trong y dược.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong văn bản:
- Hạn chế:
- Khóa luận mới khảo sát phản ứng tạo phức ở tỉ lệ mol cố định (1:1) trong một hệ dung môi (metanol - nước), chưa khảo sát biến thiên tỉ lệ mol 1:2 hay tối ưu hóa pH môi trường phản ứng.
- Cấu trúc phức chất mới được quy kết gián tiếp thông qua phương pháp phổ phân tử (FT-IR, $^1H\text{-NMR}$), chưa thực hiện được phương pháp nhiễu xạ tia X đơn tinh thể để xác định chính xác cấu trúc không gian và độ dài liên kết phối trí.
- Hoạt tính sinh học mới chỉ dừng lại ở khảo sát khả năng kháng khuẩn in vitro cơ bản qua đường kính vòng vô khuẩn, chưa xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) hoặc thử nghiệm độc tính tế bào.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Nghiên cứu nuôi đơn tinh thể phức chất để giải cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X.
- Mở rộng khảo sát hoạt tính sinh học trên các chủng vi khuẩn kháng thuốc, vi nấm và thử nghiệm độc tính tế bào ung thư.
- Khảo sát khả năng ứng dụng phản ứng tạo phức của 5-BSAT với $Mn(II)$ và $Pb(II)$ trong phân tích định lượng trắc quang xác định lượng vết kim loại trong mẫu môi trường và sinh học.
Giá trị tham khảo
- Đối tượng hưởng lợi:
- Sinh viên, học viên cao học chuyên ngành Hóa học (Hóa Vô cơ, Hóa Phân tích, Hóa Dược) đang thực hiện các đề tài về phức chất của kim loại chuyển tiếp với phối tử chứa nitơ - lưu huỳnh.
- Người nghiên cứu quy trình tổng hợp và tinh chế các dẫn xuất thiosemicarbazone.
- Phần nội dung có giá trị tham khảo cao:
- Quy trình chi tiết điều chế, lọc nóng và kết tinh lại phối tử 5-BSAT với tỉ lệ dung môi 1,4-dioxan : ethanol (Chương 3).
- Dữ liệu quy kết số sóng phổ hồng ngoại FT-IR chi tiết (vùng $4000 - 400\text{ }cm^{-1}$) phân tích sự dịch chuyển các dải dao động khi chuyển từ phối tử tự do sang phức chất rắn $Mn(II)$ và $Pb(II)$.
Câu hỏi thường gặp
1. Phối tử 5-BSAT được tổng hợp từ những hóa chất đầu nào và hiệu suất phản ứng đạt bao nhiêu?
5-BSAT được tổng hợp từ phản ứng ngưng tụ giữa 2,0000 g 5-bromosalicylaldehyde và 0,9113 g thiosemicarbazide trong 75 ml ethanol đun hồi lưu 6 giờ; hiệu suất phản ứng thực tế đạt $53,31%$ (thu được 1,4540 g sản phẩm tinh khiết).
2. Phức chất rắn của $Mn(II)$ và $Pb(II)$ với 5-BSAT có màu sắc và điều kiện tổng hợp như thế nào?
Phức $Mn(II)\text{-}(5\text{-BSAT})$ kết tinh dạng tinh thể màu vàng nâu, phức $Pb(II)\text{-}(5\text{-BSAT})$ có dạng tinh thể màu xám nhạt. Cả hai phức đều được tổng hợp từ phản ứng giữa muối kim loại tương ứng và 5-BSAT (tỉ lệ mol 1:1) trong hỗn hợp dung môi metanol - nước ở nhiệt độ $50 - 55^\circ C$ trong thời gian $50 - 60$ phút.
3. Dựa vào dữ kiện phổ FT-IR nào để khẳng định phối tử 5-BSAT tồn tại ở dạng thion trong điều kiện đo?
Trên phổ FT-IR của 5-BSAT xuất hiện dải hấp thụ đặc trưng của liên kết $C=S$ ở số sóng $1061\text{ }cm^{-1}$ và $870\text{ }cm^{-1}$, đồng thời hoàn toàn không xuất hiện dải hấp thụ dao động hóa trị của liên kết $S\text{-}H$ ở vùng $2570\text{ }cm^{-1}$, chứng minh phối tử tồn tại ở dạng thion ($>C=S$).
4. Vì sao tác giả kết luận nhóm $-\text{OH}$ và $-\text{NH}_2$ không tham gia vào quá trình tạo phức với $Mn(II)$?
Trên phổ FT-IR so sánh giữa 5-BSAT và phức $Mn(II)\text{-}(5\text{-BSAT})$, hai dải hấp thụ đặc trưng của nhóm $-OH$ (ở $3455\text{ }cm^{-1}$) và nhóm $-NH_2$ (ở $3250\text{ }cm^{-1}$) không có sự thay đổi về tần số số sóng, chứng minh các nhóm này không trực tiếp liên kết phối trí với ion kim loại.
5. Các thiết bị quang phổ chính nào đã được sử dụng để khảo sát cấu trúc phức chất trong khóa luận?
Phổ hồng ngoại (FT-IR) được đo trên máy quang phổ FT-IR-8400-SHIMADZU trong vùng $4000 - 400\text{ }cm^{-1}$ tại Trường ĐH Sư phạm TP.HCM; phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1H\text{-NMR}$) được ghi trên máy Bruker-500MHz sử dụng dung môi $DMSO\text{-}d_6$ tại Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Võ Ngọc Thanh đã hoàn thành việc tổng hợp phối tử 5-bromosalicylaldehyde thiosemicarbazone (5-BSAT) và hai phức chất rắn mới của nó với các ion kim loại $Mn(II)$ và $Pb(II)$. Thông qua phân tích phổ FT-IR và $^1H\text{-NMR}$, công trình đã làm sáng tỏ cơ chế phối trí hai càng qua nguyên tử nitơ azomethine và lưu huỳnh thion của phối tử quanh tâm kim loại. Kết quả thực nghiệm mở ra triển vọng ứng dụng các phức chất này trong nghiên cứu hoạt tính sinh học kháng khuẩn cũng như phát triển thuốc thử phân tích trắc quang trong hóa vô cơ.