Tổng quan luận án

Hóa học phức chất giữa các nguyên tố đất hiếm (NTĐH) và các aminoaxit là một nhánh nghiên cứu quan trọng của hóa sinh vô cơ, đóng vai trò mô hình mô tả tương tác protein - ion kim loại trong các cơ thể sống. Trước thời điểm nghiên cứu của luận án, các công trình khảo sát sự tạo phức của NTĐH với aminoaxit mạch thẳng đã thu được nhiều kết quả, nhưng các kết luận về cơ chế tạo phức trong dung dịch và bản chất liên kết phối trí trong phức rắn vẫn còn nhiều quan điểm chưa thống nhất. Đặc biệt, số lượng công trình nghiên cứu có hệ thống trên toàn dãy nguyên tố họ lantanit với các aminoaxit vòng thơm như L-phenylalanin còn rất hạn chế.

Bên cạnh giá trị lý thuyết, các hợp chất chứa NTĐH và aminoaxit dạng đồng phân quang học $L(-\alpha)$ đều sở hữu hoạt tính sinh học tự nhiên, mở ra tiềm năng ứng dụng trong nông nghiệp (kích thích sinh trưởng cây trồng, vật nuôi) và y dược (kháng khuẩn, thăm dò hoạt tính chống khối u). Tại Việt Nam, nguồn tài nguyên khoáng sản đất hiếm dồi dào cùng với sự phát triển của công nghệ sinh học giúp giá thành sản xuất L-phenylalanin giảm mạnh là tiền đề thực tiễn để tác giả thực hiện đề tài.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm 3 nhiệm vụ chính:

  1. Nghiên cứu sự tạo phức của một số NTĐH với L-phenylalanin trong dung dịch bằng phương pháp chuẩn độ đo pH, xác định hằng số bền của các phức chất tạo thành.
  2. Tổng hợp và nghiên cứu thành phần, cấu trúc, độ bền nhiệt và tính chất điện li của các phức rắn giữa một số NTĐH với L-phenylalanin.
  3. Thăm dò hoạt tính sinh học của một số phức chất tổng hợp được đối với sự phát triển của mầm hạt đỗ xanh (Phaseolus aureus), chủng nấm mốc Aspergillus flavus (Asp. flavus) và một số chủng vi khuẩn gây bệnh.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng hóa học: 12 cation kim loại đất hiếm họ lantanit ($Ln^{3+}$: $\text{La}^{3+}, \text{Pr}^{3+}, \text{Nd}^{3+}, \text{Sm}^{3+}, \text{Eu}^{3+}, \text{Gd}^{3+}, \text{Tb}^{3+}, \text{Dy}^{3+}, \text{Ho}^{3+}, \text{Er}^{3+}, \text{Tm}^{3+}, \text{Lu}^{3+}$) và phối tử L-phenylalanin ($C_9H_{11}NO_2$, viết tắt là HPhe).
  • Đối tượng sinh học: Mầm hạt đỗ xanh, chủng nấm sợi Aspergillus flavus, 9 chủng vi khuẩn gồm 4 chủng Gram dương (Staphylococcus aureus, Bacillus pumilus, Bacillus subtilis, Sarcina lutea) và 5 chủng Gram âm (Pseudomonas aeruginosa, Salmonella typhi, Shigella flexneri, Escherichia coli, Proteus mirabilis).
  • Phạm vi thực hiện: Luận án Tiến sĩ Hóa học, chuyên ngành Hóa vô cơ (Mã số: 1.01.01), bảo vệ năm 2002 tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của PGS. PTS. Nguyễn Trọng Uyển và TS. Đào Văn Chung.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan các hướng nghiên cứu lớn về hóa học phối trí của đất hiếm và hoạt tính sinh học của phức chất:

  • Đặc điểm hóa học và khả năng tạo phức của NTĐH: Các công trình của Spitsyn, Martynenko, Kostromina, Moeller chỉ ra rằng do các electron lớp $4f$ bị chắn mạnh bởi phân lớp $5s^2 5p^6$, liên kết giữa ion $Ln^{3+}$ và phối tử chủ yếu mang bản chất tĩnh điện. Ion đất hiếm có bán kính tương đối lớn ($r_{La^{3+}} = 1,06\text{ \AA}$ giảm dần đến $r_{Lu^{3+}} = 0,88\text{ \AA}$ do hiện tượng nén lantanit), dẫn đến đặc trưng số phối trí cao và biến đổi linh hoạt từ 6 đến 12 (ví dụ số phối trí 8 trong phức của EDTA, 10 trong phức của DTPA).
  • Cơ chế phối trí của aminoaxit với NTĐH: Các tác giả đưa ra hai nhóm quan điểm:
    • Quan điểm thứ nhất (Moeller, Katzin và Gulyas, 1968): Aminoaxit đóng vai trò phối tử 2 càng, liên kết đồng thời qua nguyên tử oxi của nhóm cacboxyl và nguyên tử nitơ của nhóm amin để tạo vòng chelat 5 cạnh.
    • Quan điểm thứ hai (Batyaev, Martynenko và cộng sự, 1962-1975; Vickery, 1950): Trong môi trường trung tính hoặc axit, do ái lực của $Ln^{3+}$ với oxi lớn hơn nitơ, aminoaxit chỉ phối trí đơn càng qua nguyên tử oxi của nhóm cacboxyl dạng ion lưỡng cực ($NH_3^+-R-COO^-$). Sự tạo vòng càng qua nguyên tử nitơ chỉ diễn ra khi dung dịch được kiềm hóa ($pH > pI$).
    • Nghiên cứu về phức rắn: Celia R. và Massabni (1997) nghiên cứu tương tác giữa $\text{Eu}^{3+}, \text{Tb}^{3+}$ với L-triptophan và L-phenylalanin; Jan Starosta và cộng sự (1989) nghiên cứu phức của $\text{Ni(II)}$ với phenylalanin; Indrasenan và Lakshmy (1997) tổng hợp 14 phức của đất hiếm nitrat và axetat với lơxin có công thức $[Ln(Leu)_3X_3]_2$.
  • Ứng dụng nông nghiệp và y sinh học: Các nghiên cứu tại Trung Quốc (Gao Bosheng, 1987; Chen Zitao, 1987; Bai Baozhang, 1993) chỉ ra phân vi lượng đất hiếm làm tăng năng suất lúa mì, mía, củ cải đường từ 5–10%, thúc đẩy nảy mầm và tăng hàm lượng diệp lục. Ở Việt Nam, các thử nghiệm ban đầu của Viện Khoa học Vật liệu và Viện Thổ nhưỡng Nông hóa (Đặng Vũ Minh, Lưu Minh Đại, 1995) ghi nhận phân đất hiếm làm tăng năng suất lúa 14–29%. Các thử nghiệm chống u của đất hiếm aspactat trên chuột thực nghiệm cũng được công bố bởi Nguyễn Trọng Uyển, Lê Xuân Thành (1995) và Anghileri (1980).

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn: Phần lớn các nghiên cứu trước đây tập trung vào aminoaxit mạch hở đơn giản (glixin, alanin, axit aspactic). Luận án của Lê Hữu Thiềng tập trung giải quyết khoảng trống về sự tạo phức có tính quy luật của toàn bộ dãy 12 nguyên tố đất hiếm với L-phenylalanin (một aminoaxit vòng thơm), xác định cấu trúc phức rắn thu được và đánh giá toàn diện hoạt tính sinh học trên cả mô hình thực vật, nấm mốc và vi khuẩn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

  • Cấu trúc ion lưỡng cực của L-phenylalanin: Trong dung dịch nước, L-phenylalanin tồn tại ở dạng lưỡng cực $NH_3^+-CH(C_6H_5CH_2)-COO^-$, có tính chất lưỡng tính với 2 hằng số phân li axit $K_1$ (nhóm $-COOH$) và $K_2$ (nhóm $-NH_3^+$).
  • Lý thuyết nhiệt động học tạo phức: Khả năng tạo phức vòng chelat giữa ion kim loại $Ln^{3+}$ và phối tử hữu cơ được thúc đẩy bởi hiệu ứng vòng càng (tăng entropi $\Delta S > 0$ do giải phóng các phân tử nước phối trí) và tương tác tĩnh điện giữa cation $Ln^{3+}$ với anion phối tử.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Luận án kết hợp đồng bộ các phương pháp hóa lý hiện đại và thử nghiệm sinh hóa:

  1. Phương pháp chuẩn độ đo pH (phương pháp Bjerrum):

    • Đo sức điện động trên máy đo pH có độ chính xác cao ở nhiệt độ ổn định $25 \pm 0,5^\circ C$.
    • Duy trì lực ion không đổi $I = 0,1$ bằng dung dịch điện li trơ $KNO_3\text{ 1M}$.
    • Chuẩn độ các hệ dung dịch $HPhe$, hệ hỗn hợp $Ln(NO_3)_3 : HPhe$ theo các tỉ lệ mol $1:1, 1:2, 1:3$ bằng dung dịch chuẩn $KOH\text{ } 5 \cdot 10^{-2}\text{ M}$.
    • Tính toán hàm tạo thành $\bar{n}$ (số phối tử trung bình liên kết với một ion kim loại) và chỉ số nồng độ phối tử tự do $p[Phe]$ để xác định hằng số bền từng bậc ($k_1$).

  2. Phương pháp phân tích nhiệt (DTA, TGA, DTG):

    • Thực hiện trên hệ thiết bị vi sai Shimadzu DTA-50 và TGA-50H trong môi trường không khí.
    • Xác định độ bền nhiệt, các khoảng nhiệt độ mất nước kết tinh, mất nước phối trí và nhiệt độ phân hủy nhiệt hoàn toàn của phức chất.

  3. Phương pháp đo độ dẫn điện:

    • Xác định độ dẫn điện riêng $\kappa$ và độ dẫn điện mol $\mu$ của dung dịch phức chất nồng độ $10^{-3}\text{ M}$ ở $25 \pm 0,5^\circ C$.
    • Đánh giá kiểu phân li điện li của phức chất trong dung dịch (chất điện li kiểu 1:1, 1:2 hay 1:3).

  4. Phương pháp quang phổ hấp thụ hồng ngoại (FT-IR):

    • Ghi phổ trong vùng số sóng $4000 - 400\text{ cm}^{-1}$ dưới dạng viên nén KBr.
    • Khảo sát độ dịch chuyển tần số dao động hóa trị đối xứng $\nu_s(COO^-)$, bất đối xứng $\nu_{as}(COO^-)$, dao động biến dạng của nhóm $-\text{NH}_2$ và các dao động đặc trưng của anion $\text{NO}_3^-$ phối trí.

  5. Phương pháp đánh giá hoạt tính sinh học:

    • Trên mầm hạt đỗ xanh: Ngâm ủ hạt, tưới dung dịch thử nghiệm ở các nồng độ khác nhau (25 đến 250 ppm tính theo ion kim loại), đo khối lượng, chiều dài thân và rễ.
    • Trên nấm mốc Asp. flavus: Nuôi cấy thuần khiết trên môi trường lỏng Czapek bổ sung phức chất ở các nồng độ từ 15 đến 90 ppm.
    • Phương pháp sinh hóa: Định lượng protein tổng số theo phương pháp Lowry cải tiến (đo mật độ quang ở bước sóng $750\text{ nm}$); xác định hoạt độ proteaza bằng cơ chất tirozin ($750\text{ nm}$); xác định hoạt độ $\alpha$-amilaza bằng phản ứng thủy phân tinh bột với thuốc thử iot ($560\text{ nm}$).
    • Phương pháp kháng khuẩn: Thử nghiệm bằng phương pháp khuếch tán trên môi trường thạch đặc Mueller-Hinton và pha loãng trong môi trường dịch thể tại Phòng thí nghiệm Vi sinh – Trường Đại học Dược khoa Hà Nội.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương này hệ thống hóa các cơ sở lý thuyết và thực nghiệm từ 111 tài liệu tham khảo trong và ngoài nước:

  • Phân tích cấu hình electron lantanit $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^2 4p^6 4d^{10} 4f^n 5s^2 5p^6 5d^m 6s^2$ ($n = 0 \div 14, m = 0 \div 1$), chia thành phân nhóm nhẹ (xeri) và phân nhóm nặng (tecbi). Nêu rõ sự biến đổi tính chất do hiện tượng nén lantanit.
  • Trình bày tính chất hóa lý của L-phenylalanin ($M = 165,19\text{ g/mol}$, phân hủy trên $275^\circ C$, độ quay cực $[\alpha]D = -7,5^\circ$, độ tan $2,965\text{ g}/100\text{g } H_2O$ ở $25^\circ C$) và phổ hồng ngoại đặc trưng trong KBr ($\nu_s = 1410\text{ cm}^{-1}, \nu{as} = 1565\text{ cm}^{-1}$).
  • Tổng kết các công trình về phức chất của aminoaxit với kim loại chuyển tiếp họ d ($\text{Cu}^{2+}, \text{Ni}^{2+}, \text{Co}^{2+}, \text{Zn}^{2+}$) và các dữ liệu hiếm hoi về phức chất đất hiếm với L-phenylalanin.
  • Khái quát về các đối tượng sinh học thử nghiệm và cơ chế xúc tác của enzym thủy phân ($\alpha$-amilaza, proteaza).

Chương 2: Đối tượng, phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật thực nghiệm

Chương này mô tả chi tiết quy trình chuẩn bị hóa chất, thiết bị và các bước tiến hành thực nghiệm:

  • Chuẩn bị hóa chất: Sử dụng các oxit đất hiếm $Ln_2O_3$ độ sạch cao để điều chế dung dịch muối nitrat $Ln(NO_3)_3$, chuẩn độ nồng độ ion $Ln^{3+}$ bằng dung dịch chuẩn DTPA $10^{-2}\text{ M}$ với chỉ thị Asenazo III hoặc Xylenol da cam. Chuẩn bị dung dịch L-phenylalanin $10^{-2}\text{ M}$, dung dịch nền $KNO_3\text{ 1M}$, dung dịch chuẩn $KOH\text{ } 5 \cdot 10^{-2}\text{ M}$.
  • Pha chế thuốc thử sinh hóa: Thuốc thử phenoldisunfonic, thuốc thử Folin-Ciocalteu, dung dịch đệm photphat $pH = 6,0$, cơ chất tinh bột 1% và cơ chất tirozin.
  • Quy trình chuẩn độ và đo đạc: Hiệu chuẩn máy đo pH bằng các dung dịch đệm chuẩn (Kalibiphtalat $0,05\text{ M}$, hỗn hợp $KH_2PO_4 + Na_2HPO_4\text{ } 0,025\text{ M}$, Borax $0,01\text{ M}$) ở các mốc nhiệt độ từ $15^\circ C$ đến $50^\circ C$. Thiết lập hệ đo ổn nhiệt $25 \pm 0,5^\circ C$.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

1. Nghiên cứu tạo phức trong dung dịch bằng chuẩn độ pH

  • Luận án xác định các giá trị hằng số phân li của L-phenylalanin ở $25 \pm 0,5^\circ C, I=0,1$: $pK_1 = 1,83 \pm 0,02$; $pK_2 = 9,13 \pm 0,02$.
  • Dựa trên đường cong chuẩn độ các hệ $Sm(NO_3)_3 : HPhe$ với tỉ lệ $1:1, 1:2, 1:3$, tác giả xác định phức chất tạo thành trong dung dịch có thành phần tỉ lệ mol $1:1$ ($LnPhe^{2+}$). Quá trình tạo phức diễn ra thuận lợi trong khoảng $pH = 6,0 \div 7,5$ đối với các ion đất hiếm nhẹ và $pH = 6,0 \div 7,0$ đối với các ion đất hiếm nặng.
  • Giá trị hằng số bền $\lg k_1$ của các phức chất $Ln^{3+}$ với L-phenylalanin ở $25^\circ C$ được tính toán theo phương pháp Bjerrum, thể hiện quy luật biến đổi hai nhánh đặc trưng: tăng dần từ $\text{La}^{3+}$ đến $\text{Eu}^{3+}$, giảm xuống tại $\text{Gd}^{3+}$ (điểm gãy gadolini), sau đó tiếp tục tăng đều từ $\text{Tb}^{3+}$ đến $\text{Lu}^{3+}$.

2. Tổng hợp và khảo sát cấu trúc phức rắn

  • Tác giả đã tổng hợp thành công 12 phức rắn ở dạng tinh thể từ dung dịch nước của muối nitrat đất hiếm và L-phenylalanin.
  • Kết quả phân tích định lượng nguyên tố (Ln, C, H, N) và hàm lượng anion nitrat ($\text{NO}_3^-$) xác định công thức tổng quát của các phức rắn là: $$H_3[Ln(Phe)_3(NO_3)_3] \cdot nH_2O$$ Trong đó: $n = 2$ đối với phức của Lanthan ($La$), và $n = 3$ đối với các phức của các nguyên tố còn lại (Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu).
  • Phân tích nhiệt (DTA/TGA): Các phức chất đều mất nước kết tinh trong khoảng nhiệt độ $80 - 130^\circ C$ (hiệu ứng thu nhiệt trên DTA kèm giảm khối lượng trên TGA). Sau khi mất nước, phức khan bền nhiệt đến khoảng $190 - 210^\circ C$, tiếp đó xảy ra quá trình phân hủy khung phối tử L-phenylalanin và anion nitrat qua các hiệu ứng tỏa nhiệt mạnh, tạo sản phẩm cuối cùng là oxit đất hiếm $Ln_2O_3$.
  • Đo độ dẫn điện: Độ dẫn điện mol $\mu$ của dung dịch các phức chất ở nồng độ $10^{-3}\text{ M}$ ($25^\circ C$) nằm trong khoảng $380 - 430\text{ }\Omega^{-1} \cdot \text{cm}^2 \cdot \text{mol}^{-1}$, chứng minh trong dung dịch nước phức chất phân li thành 4 ion (chất điện li kiểu 1:3), tương ứng với $3H^+$ và anion phức $[Ln(Phe)_3(NO_3)_3]^{3-}$.
  • Phổ hồng ngoại (FT-IR): Trên phổ IR của phức chất so với L-phenylalanin tự do:
    • Dải dao động $\nu_{as}(COO^-)$ dịch chuyển về phía số sóng cao hơn ($1610 - 1630\text{ cm}^{-1}$) và $\nu_s(COO^-)$ dịch chuyển về phía số sóng thấp hơn ($1380 - 1390\text{ cm}^{-1}$), chứng minh nhóm cacboxylat phối trí với ion $Ln^{3+}$.
    • Dải dao động của nhóm amin biến đổi rõ rệt, chứng minh nguyên tử nitơ của nhóm $-\text{NH}_2$ tham gia liên kết phối trí với $Ln^{3+}$. Mỗi phân tử L-phenylalanin đóng vai trò phối tử 2 càng.
    • Xuất hiện các dải dao động đặc trưng của gốc nitrat phối trí đơn càng qua nguyên tử oxi.

3. Hoạt tính sinh học của các phức chất

a. Ảnh hưởng đến sự phát triển của mầm hạt đỗ xanh

Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng phức $H_3[Eu(Phe)_3(NO_3)_3] \cdot 3H_2O$ ở các nồng độ từ 25 đến 250 ppm (tính theo ion $\text{Eu}^{3+}$) sau 4 ngày ngâm ủ:

Mẫu thử nghiệm Nồng độ (ppm) Khối lượng (g / 50 hạt) Chiều dài thân (cm) Chiều dài rễ (cm) % ức chế thân ($A_t$) % ức chế rễ ($A_r$)
Đối chứng ($H_2O$) 0 18,36 6,85 5,72 0 0
Phức Eu(III) 25 16,84 5,98 2,43 12,70 57,52
Phức Eu(III) 50 16,19 5,63 2,25 17,81 60,66
Phức Eu(III) 100 16,03 5,06 2,04 26,13 64,33
Phức Eu(III) 150 15,47 4,86 1,94 29,05 66,08
Phức Eu(III) 250 14,75 4,45 1,68 35,04 70,62

Nhận xét: Phức chất có tác dụng ức chế sự sinh trưởng chiều dài thân và rễ của mầm đỗ xanh, mức độ ức chế tăng theo nồng độ (rõ rệt từ 100 ppm). Phức chất ức chế mạnh hơn so với ion kim loại tự do $Eu(NO_3)_3$ và phối tử tự do HPhe. Tuy nhiên, phức chất lại làm tăng hàm lượng protein tổng số, tăng hoạt độ proteaza và $\alpha$-amilaza trong mầm đỗ.

b. Ảnh hưởng đến chủng nấm mốc Aspergillus flavus

Khảo sát tác động của phức $H_3[La(Phe)_3(NO_3)_3] \cdot 2H_2O$, muối $La(NO_3)_3$ và phối tử HPhe ở nồng độ 45 ppm:

Chỉ tiêu sinh hóa Mẫu đối chứng Phối tử HPhe (135 ppm) Phức chất La (45 ppm) Muối $La(NO_3)_3$ (45 ppm)
Protein tổng số (mg/ml) 0,340 (100%) 0,352 (103,5%) 0,396 (116,5%) 0,392 (115,3%)
Hoạt độ Proteaza (đvhd/ml) 0,256 (100%) 0,262 (102,3%) 0,322 (125,8%) 0,316 (123,4%)
Hoạt độ $\alpha$-amilaza (đvhd/ml) 0,560 (100%) 0,570 (108,0%) 0,650 (116,0%) 0,642 (114,6%)

Nhận xét: Phức chất đất hiếm ức chế sự phát triển hệ sợi của nấm mốc Asp. flavus (rõ rệt từ nồng độ 45 ppm), đồng thời kích thích làm tăng đáng kể hàm lượng protein và hoạt độ các enzym thủy phân nội bào, hiệu quả cao hơn so với dùng muối đơn lẻ và phối tử tự do.

c. Hoạt tính kháng khuẩn

Kết quả thử nghiệm đường kính vòng vô khuẩn (mm) ở nồng độ 10% trên 9 chủng vi khuẩn:

Chủng vi khuẩn Phức La (Mẫu 1) Phức Eu (Mẫu 2) $La(NO_3)_3$ (Mẫu 3) HPhe (Mẫu 4) $Eu(NO_3)_3$ (Mẫu 5)
Staphylococcus aureus (Sta) 22,0 21,3 31,5 0 28,5
Sarcina lutea (SL) 12,5 10,5 27,0 0 21,8
Bacillus pumilus (BP) 12,0 14,5 25,4 0 21,0
Bacillus subtilis (BS) 12,5 10,5 20,0 0 15,3
Shigella flexneri (Shi) 12,5 14,2 26,5 0 21,7
Salmonella typhi (Ty) 13,3 17,5 23,6 0 22,5
Escherichia coli (Ec) 15,5 14,0 24,0 0 18,6
Proteus mirabilis (Pro) 12,2 11,3 22,5 0 21,0
Pseudomonas aeruginosa (Pseu) 9,7 11,5 22,3 0 18,0

Nhận xét:

  • Phối tử HPhe tự do hoàn toàn không có hoạt tính kháng khuẩn.
  • Các phức chất thể hiện hoạt tính kháng khuẩn rõ rệt trên toàn bộ 9 chủng vi khuẩn, nhạy nhất đối với S. aureus và E. coli. Nồng độ ức chế tối thiểu của phức La và Eu đối với S. aureus là 1,25%, đối với E. coli là 2,5%.
  • Hoạt tính kháng khuẩn của phức chất thấp hơn so với muối nitrat tự do tương ứng.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Dữ liệu nhiệt động tạo phức trong dung dịch: Luận án là công trình đầu tiên tại Việt Nam xác định một cách có hệ thống hằng số bền của phức chất giữa 12 ion đất hiếm họ lantanit với L-phenylalanin ở $25^\circ C, I=0,1$. Công trình chứng minh phức trong dung dịch có tỉ lệ mol $1:1$ ($LnPhe^{2+}$) và xác nhận quy luật biến đổi hằng số bền có điểm gãy tại Gadolini ($\text{Gd}^{3+}$).
  2. Tổng hợp và làm sáng tỏ cấu trúc 12 phức rắn mới: Luận án đã cô lập và xác định công thức phân tử của 12 phức chất rắn $H_3[Ln(Phe)_3(NO_3)_3] \cdot nH_2O$. Luận án chứng minh bằng thực nghiệm phổ hồng ngoại rằng L-phenylalanin phối trí 2 càng (qua nhóm cacboxylat và nhóm amin), còn các gốc $\text{NO}_3^-$ phối trí 1 càng qua nguyên tử oxi.
  3. Phát hiện hoạt tính sinh học đa chiều: Luận án phát hiện tác động kép của phức chất đất hiếm với L-phenylalanin: ức chế sự sinh trưởng hình thái bên ngoài (thân, rễ mầm hạt đỗ xanh và khuẩn lạc nấm mốc), nhưng đồng thời kích thích hoạt động sinh tổng hợp protein và làm tăng hoạt độ của các enzym trao đổi chất quan trọng ($\alpha$-amilaza, proteaza).

Đề xuất và định hướng ứng dụng

  • Ứng dụng các phức chất đất hiếm với aminoaxit làm chất điều hòa sinh trưởng thực vật có kiểm soát hoặc chất kích thích tăng sinh enzym trong công nghệ lên men vi sinh vật.
  • Định hướng nghiên cứu phát triển các chế phẩm kháng khuẩn chọn lọc trên cơ sở phức chất phối tử hỗn hợp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các thử nghiệm sinh học mới được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm (in vitro) trên một số mô hình đại diện (mầm đỗ xanh, nấm mốc Asp. flavus và các chủng vi khuẩn mẫu), chưa được thử nghiệm trên cây trồng ngoài đồng ruộng hoặc trên cơ thể động vật sống (in vivo).
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Cần tiếp tục nghiên cứu cấu trúc tinh thể đơn tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X để xác định chính xác các độ dài liên kết và góc liên kết; mở rộng khảo sát cơ chế tương tác ở mức độ màng tế bào và cấu trúc phân tử của enzym.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu cơ bản: Cung cấp tập hợp số liệu chuẩn xác về hằng số bền, phổ hồng ngoại, giản đồ phân tích nhiệt DTA/TGA và độ dẫn điện mol cho các nghiên cứu sinh, học viên cao học chuyên ngành Hóa vô cơ, Hóa phân tích và Hóa sinh học.
  • Đối với ứng dụng thực tiễn: Là tài liệu tham khảo giá trị cho các nhà khoa học thuộc lĩnh vực Nông hóa, Công nghệ sinh học và Hóa dược trong việc định hướng tổng hợp các hợp chất phối trí có hoạt tính sinh học từ nguồn tài nguyên đất hiếm Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Thành phần và cấu trúc tổng quát của các phức rắn tổng hợp được trong luận án là gì?

Các phức rắn có công thức phân tử tổng quát là $H_3[Ln(Phe)_3(NO_3)_3] \cdot nH_2O$, trong đó $n = 2$ đối với Lanthan ($La$) và $n = 3$ đối với 11 nguyên tố lantanit còn lại (Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu). Trong phức chất, mỗi phân tử L-phenylalanin đóng vai trò phối tử 2 càng liên kết qua nguyên tử nitơ của nhóm $-\text{NH}_2$ và nguyên tử oxi của nhóm $-\text{COO}^-$, còn mỗi gốc $\text{NO}_3^-$ phối trí đơn càng qua 1 nguyên tử oxi.

2. Quy luật biến đổi hằng số bền của phức chất đất hiếm với L-phenylalanin trong dung dịch diễn ra như thế nào?

Hằng số bền bậc 1 ($\lg k_1$) của các phức chất $LnPhe^{2+}$ ở $25^\circ C$ biến đổi theo quy luật hai nhánh dọc theo dãy lantanit: tăng dần từ $\text{La}^{3+}$ đến $\text{Eu}^{3+}$, giảm xuống tại $\text{Gd}^{3+}$ (hiệu ứng gãy Gadolini), sau đó tiếp tục tăng đều từ $\text{Tb}^{3+}$ đến $\text{Lu}^{3+}$.

3. Phức chất đất hiếm tác động như thế nào đến sự phát triển của mầm hạt đỗ xanh?

Ở nồng độ từ 25 đến 250 ppm (tính theo ion kim loại), phức chất (như phức của $\text{Eu}^{3+}$) có tác dụng ức chế sự kéo dài thân và rễ của mầm hạt đỗ xanh (ức chế rõ rệt từ 100 ppm, rễ phân nhánh nhiều rễ phụ). Tuy nhiên, phức chất lại làm tăng hàm lượng protein tổng số và kích thích làm tăng hoạt độ của hai enzym $\alpha$-amilaza và proteaza trong mầm hạt.

4. Khả năng kháng khuẩn của phức chất so với muối kim loại và phối tử tự do khác nhau ra sao?

Phối tử L-phenylalanin tự do hoàn toàn không thể hiện tính kháng khuẩn. Các phức chất $H_3[Ln(Phe)_3(NO_3)_3] \cdot nH_2O$ thể hiện hoạt tính kháng khuẩn rõ rệt trên cả 9 chủng vi khuẩn Gram âm và Gram dương (nhạy nhất với S. aureus ở nồng độ tối thiểu 1,25% và E. coli ở 2,5%), tuy nhiên hoạt tính kháng khuẩn của phức chất thấp hơn so với các muối nitrat đất hiếm tự do.

Kết luận

Luận án của NCS. Lê Hữu Thiềng đã thực hiện thành công việc nghiên cứu có hệ thống quá trình tạo phức trong dung dịch và trạng thái rắn giữa 12 nguyên tố đất hiếm họ lantanit với aminoaxit vòng thơm L-phenylalanin. Bằng các phương pháp chuẩn độ pH, phân tích nhiệt vi sai, đo độ dẫn điện và quang phổ hồng ngoại, luận án đã xác định được hằng số bền, bản chất liên kết phối trí 2 càng của L-phenylalanin và công thức của 12 phức rắn $H_3[Ln(Phe)_3(NO_3)_3] \cdot nH_2O$. Đồng thời, công trình đã làm sáng tỏ hoạt tính sinh học đa chiều của các phức chất trên thực vật, vi nấm và vi khuẩn, đóng góp cơ sở dữ liệu quan trọng cho lĩnh vực hóa học phức chất và định hướng ứng dụng đất hiếm tại Việt Nam.