Đặt vấn đề Thực phẩm, nước uống, dược phẩm, hóa mỹ phẩm, nước sinh hoạt là những sản phẩm không thể thiếu đối với cuộc sống hàng ngày và vi lượng các ion kim loại là rất cần thiết cho các cơ thể sống và con người. Nhưng một hàm lượng lớn các ion kim loại thì sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm, sức khỏe của con người gây ra nhiều bệnh chứng như: rụng tóc, thiếu máu, dị tật, suy thận, gan và ung thư. Nguồn gốc của các ion kim loại là do dư lượng trong thuốc bảo vệ thực vật trong nông nghiệp, và chất thải của sản xuất công nghiệp: mạ, hàn, chế tao pin, màu nhuộm, sơn, đã phát tán vào trong môi trường đất canh tác và nước ngầm [1]. Do đó, sự kiểm tra và phân tích định lượng các ion kim loại là yếu tố quan trọng.
Hiện nay, có nhiều phương pháp để xác định các ion kim loại khác nhau như: chuẩn độ comlexon, điện hóa, các phương pháp quang phổ (ICP-OES, huỳnh quang, UV- Vis). Trong các phương pháp hấp thu quang phổ thì UV-Vis là phương pháp phổ biến, đơn giản, rẻ tiền, thuận tiện dựa trên sự tạo phức màu giữa thuốc thử hữu cơ với các ion kim loại cần phân tích. Trong những năm đầu thập niên 60 các dẫn xuất thiosemicarbazone đã được nghiên cứu [2], chúng có hoạt tính sinh học đa dạng như: kháng khuẩn, kháng nấm [3], kháng HIV [4], kháng tế bào ung thư [5], kháng oxy hóa [6]. Các dẫn xuất thiosemicarbazone có chứa dị tố lưu huỳnh, nitơ có khả năng tạo phức tốt với ion kim loại chuyển tiếp, chúng được nghiên cứu từ rất sớm và được ứng dụng làm thuốc thử [7].
Phức chất của chúng cũng làm tăng hoạt tính sinh học [8] và ứng dụng trong lĩnh vực như: xúc tác [9], xác định anion trong trong tế bào [10]. Đặc biệt, các hoạt tính sinh học phức ion kim loại chuyển tiếp với dẫn xuất thiosemicarbazone cần phát triển thêm các phức chất có hoạt tính sinh học cao. Bên cạnh đó, cũng nghiên cứu thêm nhiều thuốc thử có độ nhạy và độ chọn lọc cao với ion kim loại chuyển tiếp từ dẫn xuất thiosemicarbazone. 1 Trong bài luận văn này, chúng tôi tiến hành tổng hợp dẫn xuất thiosemicarbazone, từ carbazole và tiến hành tổng hợp phức chất, khảo sát các yếu tố tạo phức với ion kim Cu2+, Zn2+.
Mục tiêu đề tài Mục tiêu cơ bản của đề tài là tổng hợp, xác định cấu trúc các hợp chất bằng các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại, dẫn xuất thiosemicarbazone và phức chất của chúng với ion kim loại Cu2+, Zn2+ từ chất ban đầu là carbazole và khảo sát khả năng tạo phức. Đây là lĩnh vực mới mẻ, thú vị, thu hút nhiều nhà khoa học không chỉ ở Việt Nam mà trên thế giới tìm hiểu và khám phá các dẫn xuất thiosemicarbazone mới có khả năng tạo phức với các ion kim loại khác nhau để có thể ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu - 2-((6-bromo-9-ethyl-9H-carbazol-3yl)methylene) hydrazinecarbothioamide dựa trên nguyên liệu đầu carbazole (Caz – TSC). - Phức chất Cu2+, Zn2+ với 2-((6-bromo-9-ethyl-9H-carbazol-3yl)methylene) hydrazinecarbothioamide.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu 2-((6-bromo-9-ethyl-9H-carbazol-3yl)methylene) hydrazinecarbothioamide (Caz – TSC), tổng hợp phức chất và khảo sát khả năng tạo phức với ion kim loại Cu2+, Zn2+.
Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Tổng hợp dẫn xuất 2-((6-bromo-9-ethyl-9H-carbazol-3yl)methylene) hydrazinecarbothioamide dựa trên nguyên liệu đầu carbazole và phức chất ion kim loại Cu2+, Zn2+ trải qua 4 bước chính: 2 - Ethyl hóa carbazole (N-alkyl hóa) – phản ứng thế nucleophile của Ethyl brom trên carbazole. - Carbonyl hóa ethylcarbazole (Carbonyl hóa dị vòng thơm) – phản ứng Vilsmeier. - Brom hóa ethyl carbazole carbonyl – phản ứng thế thân điện tử vào dị vòng thơm. - Phản ứng cộng nucleophile của thiosemicarbazide với hợp chất (3) hình thành dẫn xuất thiosemicarbazone.
- Tổng hợp phức chất của Cu2+, Zn2+ với 2-((6-bromo-9-ethyl-9H-carbazol-3 yl) methylene) hydrazinecarbothioamide. - Khảo sát khả năng tạo phức của 2-((6-bromo-9-ethyl-9H-carbazol-3 yl) methylene) hydrazinecarbothioamide với Cu2+, Zn2+. Ý nghĩa của đề tài Theo những kết quả nghiên cứu trước đây, dẫn xuất của thiosemicarbazone được ứng dụng làm thuốc thử hữu cơ và phức chất với các ion kim loại được thử nghiệm các hoạt tính sinh học. Do đó, dẫn xuất thiosemicarbazone đã được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng.
Từ các ứng dụng trong phân tích và dược phẩm của các dẫn xuất thiosemicarbazone và phức chất, chúng tôi đã tiến hành chọn đề tài ‘‘Tổng hợp 2-((6-bromo-9-ethyl- 9H-carbazol- 3yl) methylene) hydrazinecarbothioamide, khảo sát khả năng tạo phức với Cu(II), Zn(II) và định hướng sử dụng làm thuốc thử trong phân tích trắc quang’’. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Thiosemicarbazone Lịch sử Thiosemicarbazone 1.1 Thiosemicarbazide Thiosemicarbazide hoặc 1-amino-2-thiourea (H2N-NH-CS-NH2) là một hợp chất hữu cơ có tinh thể màu trắng, không mùi, rất dễ hòa tan trong nước, ethanol gần với semicarbazide. Thiosemicarbazide tổng hợp bằng cách phản ứng potassium thiocyanate (KNCS) với hydrazin hydrochloride ClH2N-NH2Cl. Thiosemicarbazide được sử dụng nhiều cho phản ứng tổng hợp các sản phẩm với các ứng dụng như: thuốc diệt nấm, kháng khuẩn và kháng virus.
Ngoài ra, còn được dùng tổng hợp nhiều loại dị vòng lớn, chẳng hạn như 1, 2, 4 triazoles. Cũng được sử dụng làm thuốc thử cho ketone, chế biến kim loại (xử lý bề mặt) và trong nhiếp ảnh.2 Thiosemicarbazone Thiosemicarbazone là một nhóm các hợp chất có cấu trúc chung R1R2C = N-NH- CS-NH2. Các dẫn xuất thiosemicarbazone có thể được tổng hợp bằng cách ngưng tụ thiosemicarbazide với aldehyde hoặc ketone [11]. Bên cạnh đó, các biến thể trên nguyên tử lưu huỳnh, nitơ hình thành các dẫn xuất mới [12].1 Sơ đồ tổng hợp dẫn xuất thiosemicarbazone tổng quát Vào những 1950, các nghiên cứu đầu tiên về dẫn xuất thiosemicarbazones với ứng dụng trong dược phẩm như: thuốc chống bệnh phong và lao [13].
Sau đó, các hoạt tính kháng virus và kháng ung thư [5], cũng như sự tham gia điều trị bệnh đậu mùa [14] cũng được nghiên cứu. Các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu các hoạt tính 5 sinh học và thiosemicarbazone ngày càng được quan tâm bởi vì nhiều thuộc tính có liên quan đến nhiều lĩnh vực như: ức chế ăn mòn cho hợp kim, kim loại, tách kim loại, trong đo quang phổ, floromet, quang phổ hấp thụ nguyên tử và cảm biến hóa học [15], hóa học đại phân tử [16], tác dụng dược lý như thuốc kháng ung thư, diệt nấm, diệt khuẩn và kháng virus. Các dẫn xuất thiosemicarbazone có chứa nguyên tử N, S nên có khả năng tạo phức với các cation kim loại chuyển tiếp, chúng có hoạt tính sinh học tốt hơn so với các phối tử và được ứng dụng nhiều như thuốc thử hữu cơ có thể định lượng và định tính tốt [17]. Một số nghiên dẫn xuất thiosemicarbazone ứng dụng thuốc thử xác định ion kim loại 1.1 Trong nước Năm 2013, tác giả Lê Ngọc Tứ cùng các cộng sự đã thực hiện xác định đồng thời Zn(II) và Ni(II) trong nước thải, Sử dụng thuốc thử 5-bromosalicylaldehyde thiosemicarbarzone (5-BSAT) bằng phương pháp trắc quang.
Thuốc thử 5-BSAT phản ứng với Ni(II) và Zn(II) để tạo thành phức [Ni(II)-(5-BSAT)2] và [Zn(II)-5- BSAT]. Độ hấp thụ cực đại của các phức này lần lượt là λMax=378 nm và λMax =381 nm. Nồng độ tuân theo định luật Lamber – Beer [Ni(II) - (5-BSAT)2], [Zn(II) -5- BSAT] là 2,0 × 10-6 M 6,0 × 10-5 M và có khả năng hấp thu lần lượt là 0,92×104 L.2 Ligand 5-bromosalicylaldehyde thiosemicarbarzone (5-BSAT). Năm 2018, tác giả Lê Ngọc Tứ cùng cộng sự đã tiếp tục thực hiện xác định đồng thời Cu(II) và Co(II) trong nước thải bằng phương pháp trắc quang và sử dụng thuốc thử 5-bromosalicylaldehyde thiosemicarbarzone (5-BSAT) để tạo thành phức [Cu(II) -5-BSAT] và [Co(II) - (5-BSAT)2] , trong môi trường pH=5.
Độ hấp thụ 6 cực đại của các phức này lần lượt là λMax =378 nm và λMax=381 nm. Đối với Cu(II) là 4,0 × 10-6 M 9,6×10-6 M và Co(II), giới hạn phát hiện là 8,0×10-6 M 8,0×10-5 M [19].2 Trên thế giới Năm 1992, tác giả G. Ramana Murthy cùng cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp ligand o-hydroxyacetophenone thiosemicarbazone có khả năng kết hợp với kim loại Pd (II) tạo ra phức và dùng ligand này để xác định Pd (II) trong hợp chất bằng phương pháp trắc quang [20].3 Cấu trúc của ligand O-Hydroxyacetophenone thiosemicarbazone (HAPT) Ligand HAPT tạo phức với Pd(II) trong môi trường pH=6,0 phức này được khảo sát ở bước sóng λMax=370nm, giới hạn phát hiện Pd(II) là 0,42–10,6 μg/mL. Ứng dụng của phương pháp này nhằm xác định hàm lượng Pd(II) trong công nghiệp sản xuất thép, kiểm tra hàm lượng các kim loại Pd(II) có trong thép thành phẩm.
Năm 2006, tác giả Bingol cùng cộng sự đã tổng hợp 2-benzoylpyridine-4-phenyl-3- thiosemicarbazone (BPPT) khả năng kết hợp với kim loại Co(II) tạo ra phức và dùng ligand này để xác định Co(II) trong hợp chất bằng động học quang phổ [21].4 Sơ đồ phản ứng điều chế thuốc thử 2-benzoylpyridine-4-phenyl-3- thiosemicarbazone (BPPT) 7 Phức của Co(II) với BPPT được đo ở λMax = 421 nm. Phản ứng tạo phức được thực hiện trong môi trường nước ethanol ở 25oC, giới hạn tuân theo định luật Lamber – Beer là 0,10 − 2,91 mg/L. Năm 2007, tác giả Adinarayana Reddy cùng cộng sự đã tổng hợp thuốc thử 2,6- diacetylpyridine bis-4-phenyl-3-thiosemicarbazone (2,6-DAPBPTSC), có khả năng kết hợp với kim loại Cu(II) tạo ra phức và dùng ligand này để xác định Cu(II) trong thực phẩm bằng phương pháp trắc quang [22].5 Sơ đồ điều chế 2,6-diacetylpyridine bis-4-phenyl-3-thiosemicarbazone (2,6-DAPBPTSC) 2,6-DAPBPTSC là thuốc thử có tính chọn lọc và độ nhạy cao để xác định Cu(II) trong thực phẩm, ở pH = 3,0 , trong môi trường nhiệt độ phòng tạo thành phức có màu vàng cam. Độ hấp thụ cực đại được đo ở bước sóng λMax =370 nm, giới hạn phát hiện trong khoảng 0,63 – 6,30 g/mL.
Năm 2012, Desam Nagarjuna Reddy cùng cộng sự đã sử dụng 2-Acetylpyridine-4- methyl-3-thiosemicarbazone làm thuốc thử để xác định cũng như nhận biết Ni (II) trong môi trường pH = 6,0 [23].6 Quy trình tổng hợp 2-Acetylpyridine-4-methyl-3-thiosemicarbazone (APMT) 8 Thuốc thử sẽ kết hợp với Ni(II) trong môi trường dung dịch và tạo thành phức, được đo ở bước sóng λMax=375nm, độ bền màu của phức trong 72 giờ và giới hạn tuân theo định luật Lamber – Beer 0,235 – 2,43 µg/ml. Năm 2006 và 2014, tác giả Janardhan Reddy cùng cộng sự đã dùng dẫn xuất thiosemicarbazone để xác định Zn(II), Cd (II) và Pb (II) trong các mẫu thực phẩm và nước. Dẫn xuất được dùng là N-ethyl-3-carbazolecarbaxaldehyde-3- thiosemicarbazone (ECCT) [24] [25].7 Sơ đồ điều chế N-ethyl-3-carbazolecarboxaldehyde-3-thiosemicarbazone Ligand tạo phức với Zn(II) sẽ xuất hiện màu vàng ở pH=3,0-5,5 và tạo phức bền trong benzen, được đo ở bước sóng λMax=420 nm, giới hạn phát hiện từ 0,4-60 ppm. Khi ligand tạo phức với Cd (II) và Pb (II) cho màu vàng và cam ở pH=6,0 với bước sóng lần lượt là λ=380 và λ= 440 nm.
Với giới hạn phát hiện của 2 kim loại là Cd(II) = 0,0-12,0 μg/mL và Pb(II) = 0,0-10,0 μg/mL. Hợp chất carbazole Hình 1.8 Cấu trúc của carbazole (9H-carbazole) 9 Lịch sử carbazole Năm 1908, tác giả W.