Nghiên Cứu Phức Chất Nguyên Tố Đất Hiếm Với L-Serin Và Hoạt Tính Sinh Học

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp nghiên cứu phức chất của một số nguyên tố đất hiếm nặng với l serin và bước đầu thăm dò, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Nguyễn Hương Giang
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Hữu Thiềng
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Phức Chất Nguyên Tố Đất Hiếm Với L-Serin Và Hoạt Tính Sinh Học
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Phức Chất Nguyên Tố Đất Hiếm Với L Serin

Nghiên cứu phức chất nguyên tố đất hiếm với L-Serin đang thu hút sự chú ý trong lĩnh vực hóa học và sinh học. Các phức chất này không chỉ có tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp mà còn trong y dược và nông nghiệp. L-Serin, một amino axit quan trọng, có khả năng tương tác với các ion kim loại, tạo ra các phức chất có hoạt tính sinh học cao. Việc hiểu rõ về các phức chất này sẽ mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu và ứng dụng mới.

1.1. Định nghĩa và vai trò của nguyên tố đất hiếm

Nguyên tố đất hiếm (NTĐH) là nhóm các nguyên tố hóa học có tính chất đặc biệt. Chúng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghệ đến y học. NTĐH có khả năng tạo phức với các amino axit, trong đó có L-Serin, tạo ra các hợp chất có hoạt tính sinh học cao.

1.2. L Serin và tính chất hóa học của nó

L-Serin là một amino axit không thiết yếu, có vai trò quan trọng trong nhiều quá trình sinh hóa. Tính chất hóa học của L-Serin cho phép nó tạo phức với các ion kim loại, đặc biệt là các nguyên tố đất hiếm, từ đó hình thành các phức chất có hoạt tính sinh học.

II. Vấn đề và Thách thức trong Nghiên Cứu Phức Chất Nguyên Tố Đất Hiếm

Mặc dù nghiên cứu phức chất nguyên tố đất hiếm với L-Serin có nhiều tiềm năng, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức. Các vấn đề như độ bền của phức chất, khả năng tương tác với môi trường và tính khả thi trong ứng dụng thực tiễn cần được giải quyết. Việc tìm ra các phương pháp nghiên cứu hiệu quả sẽ giúp tối ưu hóa quá trình tổng hợp và ứng dụng các phức chất này.

2.1. Độ bền của phức chất và ảnh hưởng của môi trường

Độ bền của phức chất nguyên tố đất hiếm với L-Serin phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm pH, nhiệt độ và nồng độ ion. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc xác định các điều kiện tối ưu để duy trì độ bền của phức chất trong môi trường thực tế.

2.2. Khả năng tương tác và ứng dụng thực tiễn

Khả năng tương tác của phức chất với các yếu tố bên ngoài như ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm có thể ảnh hưởng đến hoạt tính sinh học của chúng. Việc nghiên cứu sâu về các yếu tố này sẽ giúp cải thiện khả năng ứng dụng của phức chất trong nông nghiệp và y dược.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Phức Chất Nguyên Tố Đất Hiếm Với L Serin

Để nghiên cứu phức chất nguyên tố đất hiếm với L-Serin, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm phân tích nhiệt, phổ hấp thụ hồng ngoại và đo độ dẫn điện. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và hạn chế riêng, và việc kết hợp chúng sẽ mang lại kết quả chính xác hơn.

3.1. Phân tích nhiệt trong nghiên cứu phức chất

Phân tích nhiệt là một phương pháp quan trọng để xác định tính chất nhiệt của phức chất. Phương pháp này giúp đánh giá độ bền và khả năng phân hủy của phức chất trong các điều kiện khác nhau.

3.2. Phổ hấp thụ hồng ngoại và ứng dụng của nó

Phổ hấp thụ hồng ngoại là một công cụ hữu ích để xác định cấu trúc của phức chất. Phương pháp này cho phép nhận diện các liên kết hóa học trong phức chất, từ đó hiểu rõ hơn về tính chất hóa học của chúng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Phức Chất Nguyên Tố Đất Hiếm Với L Serin

Phức chất nguyên tố đất hiếm với L-Serin có nhiều ứng dụng thực tiễn trong nông nghiệp và y dược. Chúng có thể được sử dụng như chất kích thích sinh trưởng cho cây trồng hoặc trong các liệu pháp điều trị bệnh. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng này sẽ mang lại lợi ích lớn cho ngành công nghiệp và sức khỏe con người.

4.1. Ứng dụng trong nông nghiệp

Phức chất này có thể được sử dụng để cải thiện sự phát triển của cây trồng. Nghiên cứu cho thấy rằng chúng có thể tăng cường khả năng nảy mầm và phát triển của hạt giống, từ đó nâng cao năng suất cây trồng.

4.2. Ứng dụng trong y dược

Trong y dược, phức chất nguyên tố đất hiếm với L-Serin có thể được nghiên cứu như một liệu pháp điều trị mới. Chúng có khả năng tương tác với các tế bào sinh học, mở ra cơ hội cho các phương pháp điều trị hiệu quả hơn.

V. Kết Luận và Tương Lai của Nghiên Cứu Phức Chất Nguyên Tố Đất Hiếm

Nghiên cứu phức chất nguyên tố đất hiếm với L-Serin đang mở ra nhiều hướng đi mới trong khoa học và công nghệ. Các kết quả nghiên cứu hiện tại cho thấy tiềm năng lớn của các phức chất này trong nhiều lĩnh vực. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn và giá trị kinh tế cao.

5.1. Tương lai của nghiên cứu phức chất

Nghiên cứu phức chất nguyên tố đất hiếm với L-Serin sẽ tiếp tục được mở rộng. Các nghiên cứu mới sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và ứng dụng thực tiễn của chúng.

5.2. Giá trị kinh tế và xã hội

Việc phát triển các ứng dụng của phức chất này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống. Các sản phẩm từ nghiên cứu này có thể giúp cải thiện sức khỏe và năng suất trong nông nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, nguyên tố đất hiếm (NTĐH) cũng như phức chất của chúng với các amino axit được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, nông nghiệp, công nghệ sinh học, y dược… Các amino axit là hợp chất tạp chức có khả năng tạo phức tốt với nhiều ion kim loại. Dạng L(-  ) của các amino axit có hoạt tính sinh học và có vai trò quan trọng trong sự sống. Các ion đất hiếm cũng có hoạt tính sinh học và với hàm lượng rất nhỏ là không độc đối với cơ thể sinh vật. Qua các tài liệu tham khảo cho thấy phức chất của các NTĐH với những phối tử khác nhau thì có những hoạt tính sinh học khác nhau.

Phức chất của các NTĐH với phối tử là các amino axit rất đa dạng và phong phú, đã có nhiều công trình nghiên cứu của phức chất đất hiếm với các phối tử khác nhau như L-lơxin, L-phenylalanin, L-trytophan. Tuy nhiên các công trình nghiên cứu chưa phủ kín đối với các amino axit trong đó có phối tử L-serin. Trên cơ sở đó, tôi lựa chọn đề tài: “Tổng hợp, nghiên cứu phức chất của một số nguyên tố đất hiếm với L-serin và bước đầu thăm dò hoạt tính sinh học của chúng”. Mục đích nghiên cứu - Tổng hợp phức rắn của một số NTĐH với L-serin.

- Nghiên cứu các phức chất bằng phương pháp vật lí và hóa lí. - Tiến hành nghiên cứu hoạt tính sinh học của một số phức chất tổng hợp được. Nội dung nghiên cứu 1. Tổng hợp các phức chất của Pr, Nd, Sm, Eu, Gd với L-serin 2.

Xác định thành phần của các phức chất: kim loại, nitơ, cacbon, clo. Nghiên cứu cấu trúc của các phức chất đã tổng hợp được bằng phương pháp phổ hồng ngoại (IR), phân tích nhiệt, đo độ dẫn điện. Thử hoạt tính sinh học của một số phức chất tổng hợp được đối với mầm hạt thóc và một số vi sinh vật kiểm định. 1 Chƣơng 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.

Sơ lược về các nguyên tố đất hiếm (NTĐH) và khả năng tạo phức của chúng 1. Sơ lược về các NTĐH 1. Đặc điểm chung của các NTĐH Các NTĐH bao gồm: 3 nguyên tố thuộc nhóm IIIB trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học là scandi (Sc, Z=21), ytri (Y, Z=39), lantan (La, Z=57) và 14 nguyên tố thuộc họ lantanit (Ln) là xeri (Ce, Z=58), praseodim (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) và lutexi (Lu, Z=71). Tất cả các nguyên tố này đều có khả năng tồn tại trong tự nhiên, riêng nguyên tố Pm có tính phóng xạ.

Ion Y3+ có bán kính xấp xỉ ion Tb3+ và Dy3+, vì vậy ytri thường gặp trong khoáng sản lantanit nhóm nặng. Scanđi có tính chất hóa học chiếm vị trí trung gian giữa nhôm, ytri và các lantanit. Do đó, cả ytri và scanđi cũng được xem thuộc các NTĐH. Cấu hình electron chung của nguyên tử các nguyên tố lantanit là: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104fn5s25p65dm6s2 n nhận các giá trị từ 0 ÷ 14 m chỉ nhận giá trị là 0 hoặc 1 Dựa vào cấu tạo và cách điền eletron vào obitan 4f, các nguyên tố lantanit thường được chia thành 2 nhóm: La 4f05d1 Nhóm xeri Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd 4f2 4f3 4f4 4f5 4f6 4f7 4f75d1 Nhóm tecbi Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 4f9 4f10 4f11 4f12 4f13 4f14 4f145d1 2 Các nguyên tố đất hiếm có phân lớp 4f đang được điền electron.

Năng lượng tương đối của các obitan 4f và 5d rất gần nhau và electron dễ được điền vào cả 2 obitan này. Tất cả các nguyên tử của các nguyên tố từ La đến Lu đều không có electron trên obitan 5d (trừ La, Gd, Lu). Khi bị kích thích một năng lượng nhỏ, một hoặc hai electron trên obitan 4f (thường là một) nhảy sang obitan 5d, các electron còn lại bị các electron 5s25p6 chắn với tác dụng bên ngoài nên không có ảnh hưởng quan trọng đến tính chất của đa số lantanit. Như vậy, tính chất của các các lantanit được quyết định chủ yếu bởi các electron ở phân lớp 5d16s2.

Các lantanit giống với nhiều nguyên tố d nhóm IIIB có bán kính nguyên tử và ion tương đương [9]. Sự khác nhau trong cấu trúc nguyên tử ở lớp thứ ba từ ngoài vào ít ảnh hưởng đến tính chất hóa học của các nguyên tố nên các lantanit rất giống nhau. Tính chất chung của các NTĐH * Tính chất vật lý  Các NTĐH đều là những kim loại mềm, có màu trắng bạc (riêng Pr, Nd có màu vàng rất nhạt, ở trạng thái bột có màu xám đen).  Tương đối mềm, dẻo, dễ dát mỏng, dễ kéo sợi, độ cứng tăng theo số hiệu nguyên tử.

 Các NTĐH có độ dẫn điện tương đương thủy ngân(Hg).  Có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng theo chiều tăng của điện tích hạt nhân, tuy nhiên chúng thay đổi trong một khoảng rộng so với những giá trị của các nguyên tố thông thường (riêng Eu và Yb có giá trị cực tiểu). * Tính chất hóa học Các lantanit là những kim loại hoạt động, chỉ kém kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ. Các NTĐH nhóm nhẹ hoạt động hơn các NTĐH nhóm nặng, chúng dễ bị oxi hóa: Ln + xH2O  [Ln(H2O)x]3+ + 3e (môi trường axit) Ln + 3OH-  Ln(OH)3 + 3e (môi trường kiềm)  Kim loại dạng tấm bền trong không khí, trong không khí ẩm tác dụng với hơi nước và khí cacbonic.

 Ở 200 - 4000 C, các lantanit cháy trong không khí tạo oxit và nitrua. 3  Tác dụng với halogen ở nhiệt độ không cao, tác dụng với N2, C, S, Si, P, H2 khi đun nóng.  Tác dụng chậm với nước nguội, nhanh với nước nóng giải phóng H2.  Tan dễ dàng trong các dung dịch axit HCl, HNO3, ít tan trong axit HF, H3PO4.

 Không tan trong kiềm kể cả khi đun nóng.  Ở nhiệt độ cao, lantanit có thể khử được oxit của nhiều kim loại, ví dụ: oxit sắt, oxit mangan,… Ce nóng đỏ có thể khử được CO, CO2 thành C [9]. Ngoài những tính chất đặc biệt giống nhau, các lantanit cũng có những tính chất không giống nhau, từ Ce đến Lu một số tính chất biến đổi tuần tự và một số tính chất biến đổi tuần hoàn. Sự biến đổi tuần tự các tính chất của chúng được giải thích bằng sự co lantanit và việc điền electron vào các obitan 4f.

Co lantanit là sự giảm bán kính nguyên tử theo chiều tăng của số thứ tự nguyên tử. Electron hóa trị của lantanit chủ yếu là các electron 5d16s2 nên số oxi hóa bền và đặc trưng của chúng là + 3. Tuy nhiên, một số nguyên tố có số oxi hóa thay đổi như Ce (4f25d06s2), Pr (4f35d06s2), Tb (4f95d06s2), Dy (4f105d06s2) ngoài số oxi hóa + 3 do 1 electron trên obitan 4f chuyển sang obitan 5d, còn có số oxi hóa đặc trưng là + 4 do 2 electron trên obitan 4f chuyển sang obitan 5d. Ngược lại Eu (4f75d06s2), Sm (4f65d06s2), Tm (4f135d06s2), Yb (4f145d06s2) ngoài số oxi hóa + 3 còn có số oxi hóa + 2 [13].

Khả năng tạo phức của các NTĐH nhóm nhẹ tốt hơn so với các nguyên tố nhóm nặng. Sơ lược về các nguyên tố Prazeođim, Neođim, Samari, Europi, Gađolini Các nguyên tố prazeođim (Pr), Neođim (Nd), samari (Sm), europi (Eu), gađolini (Gd) thuộc nhóm NTĐH nhẹ (nhóm xeri). Một số thông số cơ bản của các nguyên tố Pr, Nd, Sm, Eu và Gd được đưa ra ở bảng 1. Các thông số cơ bản của các nguyên tố Pr, Nd, Sm, Eu và Gd [9, 12] NTĐH Prazeođim Neođim Samari Europi Gađolini Thông số 59Pr 60Nd 62Sm 63Eu 64Gd Khối lƣợng 140,91 144,24 150,36 151,96 157,25 nguyên tử (đvC) Cấu hình electron [Xe]4f36s2 [Xe]4f46s2 [Xe]4f66s2 [Xe]4f76s2 [Xe]4f75d16s2 Màu Xám trắng Trắng bạc Trắng bạc Trắng bạc Trắng bạc Trạng thái vật chất Chất rắn Chất rắn Chất rắn Chất rắn Chất rắn Nhiệt độ nóng chảy (°C) 935 1024 1072 826 1312 Nhiệt độ sôi (°C) 3017 3210 1794 1529 3273 Mức oxi hóa +3, +4 +3 +3, +2 +3, +2 +3, +2 Độ âm điện 1,13 1,14 1,10 1,22 1,20 (thang Pauling) I1 527 565,8 544,5 547,1 593,4 Năng lƣợng ion hóa I2 1020 1110 1070 1085 1170 (kJmol−1) I3 2086 2114 2260 2404 1990 Lục Lục Lục Lục Cấu trúc tinh thể Lục phương phương phương phương phương Tính chất hóa học của các nguyên tố Pr, Nd, Sm, Eu và Gd: Các NTĐH này thường bị thụ động hóa trong nước nguội, không phản ứng với kiềm, hidrat amoniac.

Là chất khử mạnh, bị nước nóng oxi hóa, phản ứng với axit. Một số phản ứng: 2Ln + 6H2O(nóng)  2Ln(OH)3 + 3H2 2Ln + 6HCl(loãng)  2LnCl3 + + 3H2 Ln + 6HNO3(đặc)  Ln(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O 12Ln + 11O2  2Ln6O11 3500 C 2Ln + 3Cl2  2LnCl3 3000 C 5008000 C 2Ln + 3S   Ln2S3 5 1. Khả năng tạo phức của các NTĐH So với các nguyên tố họ d, khả năng tạo phức của các NTĐH kém hơn, do các electron f bị chắn bởi các electron 5s25p6 và các ion Ln3+ có kích thước lớn làm giảm lực hút tĩnh điện giữa chúng với các phối tử. Vì vậy khả năng tạo phức của các NTĐH chỉ tương đương các kim loại kiềm thổ.

Lực liên kết trong phức chất chủ yếu do lực hút tĩnh điện. Giống với ion Ca2+, ion Ln3+ có thể tạo với các phối tử vô cơ thông thường như Cl-, CN-, NH3, NO3-, SO42-,… những phức chất không bền. Trong dung dịch loãng những phức chất đó phân li hoàn toàn, trong dung dịch đặc chúng kết tinh ở dạng muối kép. Với các phối tử hữu cơ, đặc biệt là các phối tử có dung lượng phối trí lớn và điện tích âm lớn, ion đất hiếm có thể tạo với chúng những phức chất rất bền.

Ví dụ phức chất của NTĐH với etylen điamin tetraaxetic (EDTA) giá trị lgβ (β là hằng số bền) vào khoảng 15÷19, với đietylen triamin pentaaxetic (DTPA) khoảng 22 ÷ 23 [12]. Sự tạo thành các phức bền giữa các ion Ln3+ với các phối tử hữu cơ được giải thích theo hai yếu tố: Một là do hiệu ứng chelat (hiệu ứng vòng) có bản chất entropi (quá trình tạo phức vòng gắn liền với sự tăng entropi). Ví dụ với phối tử là DTPA phản ứng tạo phức với Ln3+ xảy ra: Ln(H2O)n3+ + DTPA → Ln(H2O)n-8DTPA2- + 8H2O (bỏ qua sự cân bằng về điện tích) Trong hệ phức trên, quá trình phản ứng làm tăng số tiểu phân từ 2 đến 9, tăng entropi của hệ, do đó quá trình tạo phức thuận lợi về entropi. Sự tăng số tiểu phân càng nhiều thì phức càng bền, các phối tử có dung lượng phối trí càng lớn thì hiệu ứng vòng càng lớn.