CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. THIOSEMICACBAZIT VÀ DẪN XUẤT CỦA NÓ 1. Thiosemicacbazit và thiosemicacbazon Thiosemicacbazit là chất kết tinh màu trắng, nóng chảy ở 181-183oC. Kết quả nghiên cứu nhiễu xạ tia X cho thấy phân tử có cấu trúc như sau: (1) H2N Gãc liªn kÕt MËt ®é ®iÖn tÝch (2) N(1) = -0.306 b (4) Trong đó các nguyên tử N(1), N(2), N(4), C, S nằm trên cùng một mặt phẳng.
Ở trạng thái rắn, phân tử thiosemicacbazit có cấu hình trans, nguyên tử S nằm ở vị trí trans so với nhóm NH2 [1]. Khi thay thế một nguyên tử hiđro trong nhóm N(4)H2 bằng các gốc hiđrocacbon khác nhau thì thu được các dẫn xuất thế của thiosemicacbazit. Ví dụ: 4-phenyl thiosemicacbazit,4-etyl thiosemicacbazit, 4-metyl thiosemicacbazit, 4- allyl thiosemicacbazit… Khi thiosemicacbazit hoặc dẫn xuất thế của nó ngưng tụ với các hợp chất cacbonyl sẽ tạo thành các thiosemicacbazon tương ứng theo sơ đồ 1. R H R + + C O + H2N N C NHR'' R' C N N C NHR'' H H R' S O H S R R C N N C NHR'' R' C N N C NHR'' H H2O H R' S OH H S Sơ đồ 1.1: Cơ chế phản ứng ngưng tụ tạo thành thiosemicacbazon Phản ứng này xảy ra rất dễ dàng trong môi trường axit theo cơ chế AN.
Trong điều kiện thường, phản ứng ngưng tụ chỉ xảy ra ở nhóm N(1)H2 hiđrazin [4] vì trong 3 z số các nguyên tử N của thiosemicacbazit cũng như dẫn xuất thế N(4) của nó, nguyên tử N(1) có mật độ điện tích âm lớn nhất. Phức chất của kim loại chuyển tiếp với các thiosemicacbazit và thiosemicacbazon Jensen là người đầu tiên tổng hợp và nghiên cứu các phức chất của thiosemi- cacbazit. Ông đã tổng hợp, nghiên cứu phức chất của thiosemicacbazit với Cu(II) và đã chứng minh rằng trong các hợp chất này thiosemicacbazit phối trí hai càng qua nguyên tử S và N(1). Trong quá trình tạo phức, phân tử thiosemicacbazit có sự chuyển từ cấu hình trans sang cấu hình cis, đồng thời xảy ra sự chuyển nguyên tử H từ nhóm amin sang nguyên tử S và nguyên tử H này bị thay thế bởi kim loại.
NH2 NH2 N N M C C H2N H2N S NH2 H2N S NH N M cis phøc chÊt d¹ng cis C C NH2 S NH2 H2N S HS NH2 N C M D¹ng thion D¹ng thiol C N (cÊu h×nh trans) (cÊu h×nh cis) H2N S H2N trans phøc chÊt d¹ng trans Sơ đồ 1.2: Sự tạo phức của thiosemicacbazit Sau Jensen, nhiều tác giả khác cũng đưa ra kết quả nghiên cứu về sự tạo phức của thiosemicacbazit với các kim loại chuyển tiếp khác. Nghiên cứu phức chất của thiosemicacbazit với Ni(II) [1, 31] và Zn(II) [14] bằng các phương pháp từ hoá, phổ hấp thụ electron, phổ hấp thụ hồng ngoại, các tác giả cũng đưa ra kết luận rằng liên kết giữa phân tử thiosemicacbazit với nguyên tử kim loại được thực hiện trực tiếp qua nguyên tử S và nguyên tử N(1), đồng thời khi tạo phức phân tử thiosemicacbazit tồn tại ở cấu hình cis. Kết luận này cũng được khẳng định khi các tác giả [13,16] nghiên cứu phức của thiosemicacbazit với một số ion kim loại như Pt(II), Pd(II), Co(II). 4 z Như vậy, thiosemicacbazit có xu hướng thể hiện dung lượng phối trí bằng hai và liên kết được thực hiện qua nguyên tử S và N(1).
Để thực hiện kiểu phối trí này cần phải tiêu tốn năng lượng cho quá trình chuyển phân tử từ cấu hình trans sang cấu hình cis và chuyển vị nguyên tử H từ nguyên tử N(2) sang nguyên tử S. Năng lượng này được bù trừ bởi năng lượng dư ra do việc tạo thêm một liên kết và hiệu ứng đóng vòng. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, do khó khăn về lập thể, thiosemicacbazit cũng thể hiện là phối tử một càng và giữ nguyên cấu hình trans, khi đó liên kết được thực hiện qua nguyên tử S. Một số ví dụ điển hình về kiểu phối trí này là phức của thiosemicacbazit với Ag(I) [23].
Sự đa dạng của các hợp chất cacbonyl làm cho các thiosemicacbazon phong phú cả về số lượng và tính chất. Cũng như thiosemicacbazit, các thiosemicacbazon và các dẫn xuất của chúng luôn có khuynh hướng thể hiện dung lượng phối trí cực đại. Nếu phần hợp chất cacbonyl không chứa các nguyên tử có khả năng tạo phức thì thiosemicacbazon là phối tử hai càng giống như thiosemicacbazit. Đó là các thiosemicacbazon của benzanđehit, xyclohexanon, axetophenon, octanal, menton … M N NHR N NHR N S N C N C N C H S SH H NHR dạng thion dạng thiol tạo phức Sơ đồ 1.3: Sự tạo phức của thiosemicacbazon 2 càng (R (H, CH3, C3H5, C6H5…)) Nếu ở phần hợp chất cacbonyl có thêm nguyên tử có khả năng tham gia phối trí (D) và nguyên tử này được nối với nguyên tử N(1) qua hai hay ba nguyên tử trung gian thì khi tạo phức, thiosemicacbazon này thường có khuynh hướng thể hiện dung lượng phối trí bằng 3 với bộ nguyên tử cho: D, N(1), S.
Ví dụ: thiosemicacbazon hay dẫn xuất thế N(4) - thiosemicacbazon của salixylanđehit (H2thsa hay H2pthsa), isatin (H2this hay H2pthis), axetylaxeton (H2thac hay H2pthac), pyruvic (H2thpy hay 5 z H2pthpy). Trong các phức chất của chúng với Cu2+, Co2+, Ni2+, Pt2+., các phối tử này có bộ nguyên tử cho là O, S, N cùng với sự hình thành các vòng 5 hoặc 6 cạnh bền [1,3,6]. Mô hình tạo phức của phối tử thiosemicacbazon ba càng [1,3] như sau: D D M M hoÆc N S N S N N NH2 H NH2 a) a') Các thiosemicacbazon bốn càng thường được điều chế bằng cách ngưng tụ hai phân tử thiosemicacbazit với một phân tử đicacbonyl. NHR N C R R N SH O H2N NHR'' C C 2 + 2 H2O + N C C C H S R' R' O N SH N C NHR'' Sơ đồ 1.4: Sự hình thành thiosemicacbazon 4 càng Các phối tử bốn càng loại này có bộ nguyên tử cho N, N, S, S nằm trên cùng một mặt phẳng và do đó chúng chiếm bốn vị trí phối trí trên mặt phẳng xích đạo của phức chất tạo thành.
Trong một số ít trường hợp, do khó khăn về lập thể các thiosemicacbazon mới thể N N S NH hiện vai trò của phối tử một càng [24,25]. Ví HN Cu + C l O 4- N dụ như phức chất của Cu(II) với 4-phenyl HN S N N thiosemicacbazon 2-benzoylpyridin [24] có (I) (II) cấu tạo như hình bên. Trong đó, phối tử thứ nhất là một càng còn phối tử thứ hai là 3 càng. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THIOSEMICACBAZON VÀ PHỨC CHẤT CỦA CHÚNG Các phức chất của thiosemicacbazon được quan tâm rất nhiều không chỉ vì ý nghĩa khoa học mà còn vì các hợp chất này còn nhiều khả năng ứng dụng trong thực tiễn.
Trong các ứng dụng thực tế, người ta đặc biệt quan tâm đến hoạt tính sinh học của các thiosemicacbazon và phức chất của chúng. Hoạt tính sinh học của các thiosemicacbazon được phát hiện đầu tiên bởi Domagk. Sau phát hiện của Domagk, hàng loạt tác giả khác [10,11,17,32] cũng đưa ra kết quả nghiên cứu về hoạt tính sinh học của thiosemicacbazit, thiosemicacbazon cũng như phức chất của chúng. Tác giả [35] cho rằng tất cả các thiosemicacbazon có dẫn xuất thế para của benzanđehit đều có khả năng diệt vi trùng lao.
Trong đó, p-axetaminobenzanđehit thiosemicacbazon (thiacetazon - TB1) được xem là thuốc chữa bệnh lao hiệu nghiệm nhất hiện nay. H3C C NH CH N NH C NH2 O S (TB1) Ngoài TB1, các thiosemicacbazon của pyriđin-3, 4-etylsunfobenzanđehit (TB3) và pyriđin-4, cũng đang được sử dụng để chữa bệnh lao. Thiosemicacbazon isatin được dùng để chữa bệnh cúm, đậu mùa và làm thuốc sát trùng. Thiosemicacbazon của monoguanyl hiđrazon có khả năng diệt khuẩn gam (+).
Phức chất của thiosemicacbazit với các muối clorua của mangan, niken, coban đặc biệt là kẽm được dùng làm thuốc chống thương hàn, kiết lị, các bệnh đường ruột và diệt nấm. Phức chất của đồng(II) với thiosemicacbazit có khả năng ức chế sự phát triển của tế bào ung thư [22]. Ở Việt Nam đã có một số nghiên cứu về hoạt tính sinh học của các thiosemicacbazon và phức chất với một số kim loại chuyển tiếp như Cu, Ni, Mo. Kết quả thử hoạt tính sinh học cho thấy các phức chất đều có khả năng kháng khuẩn mạnh hơn các phối tử tương ứng và cả hai phức chất Cu(Hthis)Cl và Mo(Hth)3Cl3 đều có khả năng ức chế sự phát triển của các tế bào ung thư SARCOMAR-TG180 trên chuột trắng SWISS với chỉ số tương ứng là 43,99% và 36,8%.
Tiếp sau đó, các tác giả [3, 6] đã tổng hợp và nghiên cứu phức chất của Pt(II), Co(II), Ni(II), Cu(II) với một số thiosemicacbazon. Kết quả cho thấy, các phức chất của Pt(II) với 4-phenyl thiosemicacbazon isatin, thiosemicacbazon furanđehit có khả năng ức chế sự phát triển của tế bào ung thư gan, ung thư màng tim, ung thư màng tử cung. Phức chất của Pt(II) với 4-metyl thiosemicacbazon isatin, 4-metyl thiosemicacbazon furanđehit đều có khả năng ức chế tế bào ung thư màng tim và ung thư biểu mô ở người. Tác giả [7] đã tổng hợp và nghiên cứu hoạt tính sinh học của phức chất giữa Co(II), Ni(II), Cu(II) với các thiosemicacbazon mà hợp chất cacbonyl có nguồn gốc từ tự nhiên như octanal, campho, xitronenlal, mentonua.
Trong số đó, phức chất Cu(II) của các phối tử thiosemicacbazon xitronenal và thiosemicacbazon menton đều có khả năng ức chế mạnh trên cả hai dòng tế bào ung thư gan và phổi. Ngoài ứng dụng trong y, dược học, gần đây người ta còn phát hiện ra nhiều khả năng ứng dụng mới của thiosemicacbazon và phức chất của chúng trong các lĩnh vực xúc tác, chống ăn mòn kim loại, phân tích hóa học v.v… Sivadasan Chettian và các cộng sự đã tổng hợp những chất xúc tác gồm phức chất của thiosemicacbazon với một số kim loại chuyển tiếp trên nền polistiren [15]. Đây là những chất xúc tác dị thể được sử dụng trong phản ứng tạo nhựa epoxit từ xiclohexen và stiren. Các phức chất của Pd với thiosemicacbazon cũng có thể làm xúc tác khá tốt cho phản ứng nối mạch của anken (phản ứng Heck) [19].
Một số thiosemicacbazon cũng đã được sử dụng làm chất ức chế quá trình ăn mòn kim loại. đã nghiên cứu tác dụng chống ăn mòn kim loại của 4- metyl thiosemicacbazon, 4-phenyl thiosemicacbazon của 2-axetylpyriđin đối với 8 z thép nhẹ (98%Fe). Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả ức chế cực đại của chất đầu là 74,59% còn chất sau đạt 80,67% [12,20]. Các thiosemicacbazon cũng được sử dụng trong hóa học phân tích để tách cũng như xác định hàm lượng của nhiều kim loại.