Luận án tiến sĩ nghiên cứu tương tác của thuốc thử azocalixaren với một số ion kim loại và ứng dụng trong hóa phân tích

Luận án tiến sĩ nghiên cứu tương tác của thuốc thử azocalixaren với ion kim loại, ứng dụng trong hóa phân tích và phát triển công nghệ mới.

• Tác giả: Nguyễn Thị Ngọc Lệ
• Người hướng dẫn: GS. TSKH Lâm Ngọc Thụ
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa phân tích
• Đề tài: Nghiên Cứu Tương Tác Của Azocalixaren Với Ion Kim Loại Trong Hóa Phân Tích
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về Calixaren
• 1.2. Tính chất vật lý của calixaren
• 1.3. Tổng hợp calixaren
• 1.4. Tính chất tạo phức của calixaren tan trong nước
• 1.5. Phức của khách thể là cation
• 1.6. Phức của khách thể là anion
• 1.7. Phức của khách thể là phân tử
• 1.8. Ứng dụng của hợp chất calixaren
• 1.9. Giới thiệu về azocalixaren
• 1.10. Tổng hợp azocalixaren
• 1.11. Một số đặc trưng phân tích của hợp chất azocalixaren
• 1.12. Các ứng dụng phân tích của hợp chất azocalixaren
• 1.13. HỢP CHẤT VÀ PHỨC CHẤT HOST – GUEST
• 1.14. MỘT VÀI ĐẶC ĐIỂM CỦA XERI VÀ CHÌ
• 1.15. Nguyên tố xeri . Nguyên tố chì
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. HÓA CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ
• 2.2. Dụng cụ và thiết bị nghiên cứu
• 2.3. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC PHỨC
• 2.3.1. Phần mềm ArgusLab
• 2.3.2. Các dạng phổ dùng xác định cấu trúc phức
• 2.3.3. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ BỀN VÀ HỆ SỐ HẤP THỤ MOL CỦA PHỨC
• 2.3.4. PHƯƠNG PHÁP LUẬN CỦA LUẬN ÁN
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. KHẢO SÁT SỰ TƯƠNG TÁC CỦA THUỐC THỬ BAPC VỚI CÁC ION KIM LOẠI
• 3.1.1. Khảo sát tương tác của thuốc thử BAPC trong các dung môi
• 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến phổ hấp thụ của BAPC
• 3.1.3. Khảo sát tương tác của BAPC với ion kim loại trong môi trường axit và trung tính
• 3.1.4. Khảo sát tương tác của BAPC với các ion kim loại trong môi trường bazơ
• 3.1.5. KHẢO SÁT THÀNH PHẦN PHỨC
• 3.1.5.1. Xác định thành phần phức theo phương pháp dãy đồng số mol
• 3.1.5.2. Xác định thành phần phức theo phương pháp biến đổi liên tục một hợp phần
• 3.1.5.3. XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ BỀN VÀ HỆ SỐ HẤP THỤ QUANG CỦA PHỨC
• 3.2. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC PHỨC
• 3.2.1. Dự đoán cấu trúc bằng phần mềm ArgusLab 4.1
• 3.2.2. Tối ưu hóa cấu trúc phân tử BAPC
• 3.2.3. Tính toán điện tích cân bằng của các nhóm chức
• 3.2.4. Khảo sát hướng xâm nhập và dạng ion kim loại đi vào phức
• 3.2.5. Khảo sát vị trí của ion Ce(IV), Pb(II) trong phân tử BAPC
• 3.2.6. Phổ khối ESI-MS của thuốc thử và phức chất
• 3.2.7. Phổ hồng ngoại của thuốc thử và phức chất
• 3.2.8. Đề xuất cơ chế tạo phức
• 3.3. NGHIÊN CỨU SỰ TẠO PHỨC CỦA THUỐC THỬ BAPC VỚI Ce(IV), Pb(II) VÀ CÁC ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU
• 3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình tạo các hệ BAPC-Ce(IV) và BAPC-Pb(II)
• 3.3.2. Khoảng tuân theo định luật Bouguer–Lambert-Beer
• 3.3.3. Ảnh hưởng của thuốc thử dư
• 3.3.4. Khảo sát độ bền của phức theo thời gian
• 3.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của các nguyên tố cản
• 3.3.6. XÂY DỰNG QUY TRÌNH ỨNG DỤNG PHỨC BAPC-Ce(IV), BAPC-Pb(II) VÀO MỤC ĐÍCH PHÂN TÍCH
• 3.3.6.1. Xác định Pb(II) trong mẫu giả
• 3.3.6.2. Xác định Pb(II) trong mẫu thật
• 3.3.6.3. Xác định Ce(IV) trong mẫu giả
• 3.3.6.4. Xác định Ce(IV) trong mẫu thật
• 3.3.6.5. Đề xuất quy trình phân tích Pb(II), Ce(IV) bằng thuốc thử BAPC và áp dụng phân tích trong một số mẫu thực tế
• 3.3.6.6. Quy trình phân tích Pb(II) trong mẫu thực vật
• 3.3.6.7. Quy trình phân tích Ce(IV) trong mẫu đất
• KẾT LUẬN CỦA LUẬN ÁN
• DỰ KIẾN NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về azocalixaren

Azocalixaren là một trong những dẫn xuất của calixaren, được biết đến với khả năng tạo phức với các ion kim loại. Hợp chất này được tổng hợp từ phản ứng giữa calixaren và các nhóm azo, tạo ra cấu trúc có khả năng tương tác mạnh với các ion kim loại. Việc nghiên cứu azocalixaren không chỉ giúp hiểu rõ hơn về tính chất hóa học của nó mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong hóa phân tích. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng azocalixaren có thể tạo phức với nhiều ion kim loại khác nhau, từ đó ứng dụng trong việc phát hiện và phân tích các ion này trong môi trường. Đặc biệt, tương tác hóa học giữa azocalixaren và các ion kim loại như Pb(II) và Ce(IV) đã được chứng minh là có tính chọn lọc cao, điều này rất quan trọng trong việc phát triển các phương pháp phân tích mới.

1.1 Tính chất hóa học của azocalixaren

Tính chất hóa học của azocalixaren chủ yếu liên quan đến khả năng tạo phức với các ion kim loại. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng azocalixaren có thể tạo ra các phức chất ổn định với nhiều ion kim loại khác nhau, nhờ vào cấu trúc đặc biệt của nó. Cấu trúc này cho phép azocalixaren tương tác với các ion kim loại thông qua các liên kết ion, liên kết hydro và các tương tác kỵ nước. Việc xác định các hằng số bền của phức chất cũng như các điều kiện tối ưu để tạo phức là rất quan trọng trong hóa phân tích. Các phương pháp như phổ hấp thụ UV-Vis và phổ khối có thể được sử dụng để xác định các đặc tính này, từ đó giúp tối ưu hóa quy trình phân tích ion kim loại trong mẫu thực tế.

II. Tương tác của azocalixaren với ion kim loại

Nghiên cứu tương tác hóa học giữa azocalixaren và các ion kim loại như Pb(II) và Ce(IV) đã chỉ ra rằng các ion này có khả năng tạo phức với azocalixaren trong nhiều điều kiện khác nhau. Các thí nghiệm cho thấy rằng pH của dung dịch có ảnh hưởng lớn đến khả năng tạo phức. Trong môi trường axit, khả năng tạo phức của azocalixaren với các ion kim loại tăng lên, điều này có thể do sự tăng cường khả năng ion hóa của các nhóm chức trong cấu trúc azocalixaren. Hơn nữa, việc khảo sát các dung môi khác nhau cũng cho thấy rằng azocalixaren có thể hoạt động hiệu quả hơn trong một số dung môi nhất định, từ đó mở ra khả năng ứng dụng trong hóa phân tích.

2.1 Ảnh hưởng của pH đến sự tạo phức

Nghiên cứu cho thấy rằng pH của dung dịch có ảnh hưởng đáng kể đến sự tạo phức giữa azocalixaren và các ion kim loại. Khi pH tăng, khả năng tạo phức của azocalixaren với ion Pb(II) và Ce(IV) cũng tăng lên. Điều này có thể giải thích bởi sự thay đổi trong trạng thái ion hóa của các nhóm chức trong azocalixaren. Các thí nghiệm cho thấy rằng ở pH thấp, sự cạnh tranh giữa các ion H+ và ion kim loại có thể làm giảm khả năng tạo phức. Ngược lại, ở pH cao, các ion kim loại có thể dễ dàng tương tác với azocalixaren, dẫn đến sự hình thành phức chất ổn định hơn. Điều này cho thấy rằng việc kiểm soát pH là rất quan trọng trong quy trình phân tích ion kim loại bằng azocalixaren.

III. Ứng dụng của azocalixaren trong hóa phân tích

Việc nghiên cứu azocalixaren không chỉ dừng lại ở việc tìm hiểu tính chất hóa học mà còn mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn trong hóa phân tích. Các phức chất được tạo ra từ azocalixaren và các ion kim loại có thể được sử dụng để phát hiện và định lượng các ion này trong mẫu thực tế. Đặc biệt, azocalixaren có thể được ứng dụng trong việc phân tích các mẫu môi trường như nước, đất và thực phẩm, nơi mà việc phát hiện các ion kim loại nặng như Pb(II) và Ce(IV) là rất quan trọng. Các phương pháp phân tích sử dụng azocalixaren có thể mang lại độ nhạy và độ chọn lọc cao, từ đó giúp cải thiện chất lượng phân tích trong các lĩnh vực khác nhau.

3.1 Quy trình phân tích ion kim loại

Quy trình phân tích ion kim loại bằng azocalixaren thường bao gồm các bước như chuẩn bị mẫu, thêm thuốc thử azocalixaren, và đo lường độ hấp thụ quang. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng azocalixaren có thể tạo ra các phức chất có màu sắc đặc trưng với các ion kim loại, cho phép xác định nồng độ của chúng thông qua phương pháp quang phổ. Việc tối ưu hóa các điều kiện như pH, nồng độ thuốc thử và thời gian phản ứng là rất quan trọng để đạt được kết quả chính xác. Hơn nữa, việc áp dụng azocalixaren trong phân tích môi trường có thể giúp phát hiện sớm ô nhiễm kim loại nặng, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Nghiên cứu phân tích lượng vết các ion kim loại độc hại và kim loại đất hiếm trong các đối tượng môi trường (đất, nước, thực vật) đóng vai trò then chốt trong giám sát sinh thái và địa chất hóa học. Mặc dù các kỹ thuật hiện đại như quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) hay phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng cao tần (ICP-OES/MS) có độ nhạy cao, rào cản về chi phí thiết bị và quy trình vận hành phức tạp đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển các phương pháp trắc quang phân tử (UV-Vis) cải tiến. Trọng tâm của hướng tiếp cận này là thiết kế các thuốc thử hữu cơ mang màu có độ nhạy và tính chọn lọc vượt trội dựa trên hóa học siêu phân tử (Supramolecular Chemistry).

Luận án tiến sĩ hóa học của nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Ngọc Lệ với đề tài "Nghiên cứu tương tác của thuốc thử Azocalixaren với một số ion kim loại và ứng dụng trong hóa phân tích" (chuyên ngành Hóa phân tích, mã số 62 44 29 01; người hướng dẫn: GS. TSKH Lâm Ngọc Thụ và PGS. TS Lê Văn Tán, Đại học Quốc gia Hà Nội - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, 2013) đã giải quyết triệt để khoảng trống nghiên cứu này. Luận án tiên phong khảo sát toàn diện cơ chế tương tác phối trí, cấu trúc không gian và khả năng ứng dụng thực tế của dẫn xuất azocalixaren mới: 5,11,17,23-tetra[(2-benzoic acid)(azo)phenyl]calixarene (ký hiệu là BAPC hay tetradiazo(o-carboxy)phenylcalix[4]aren) đối với hai ion kim loại tiêu biểu là Chì - Pb(II) và Xeri - Ce(IV).

Khoảng trống nghiên cứu (Research Gap) được xác định cụ thể: Trước công trình này, các dẫn xuất calixaren truyền thống thường gặp hạn chế lớn về độ tan trong pha nước-dung môi và thiếu các vị trí phối trí mang màu liên hợp mạnh để tạo phức chọn lọc với các ion có bán kính ion và trạng thái oxy hóa khác biệt như $Pb^{2+}$ và $Ce^{4+}$. Mặc dù hợp chất BAPC từng được tổng hợp thăm dò bởi nhóm nghiên cứu Lê Văn Tán và cộng sự, nhưng "chưa có công trình nào nghiên cứu đến khả năng ứng dụng vào phân tích của nó". Luận án đã đặt ra và giải quyết 3 câu hỏi nghiên cứu cốt lõi:

1. RQ1: Bản chất tương tác phối trí, cân bằng dung dịch và sự chuyển dịch phổ hấp thụ của hệ thuốc thử BAPC với các ion kim loại $Pb^{2+}$ và $Ce^{4+}$ phụ thuộc như thế nào vào bản chất dung môi hữu cơ và pH môi trường?
2. RQ2: Cấu trúc không gian tối ưu, trạng thái hỗ biến azo-hydrazo, cân bằng điện tích và các thông số hóa lý (thành phần phức, hằng số bền $\beta$, hệ số hấp thụ mol $\varepsilon$) của phức chất BAPC-Pb(II) và BAPC-Ce(IV) được thiết lập ra sao thông qua sự kết hợp giữa mô phỏng hóa toán học và các phương pháp phổ nghiệm hiện đại?
3. RQ3: Quy trình phân tích trắc quang xây dựng trên cơ sở phức BAPC-Ce(IV) và BAPC-Pb(II) có đạt độ chọn lọc, độ chính xác và độ lặp lại để định lượng vết trong các đối tượng mẫu thực tế phức tạp (cỏ Vetiver và đất quặng tại tỉnh Kon Tum) khi so sánh đối chứng với phương pháp AAS?

Khung lý thuyết của luận án tích hợp chặt chẽ giữa Lý thuyết Nhận dạng phân tử Chủ - Khách (Host-Guest Chemistry), Thuyết tương tác phối trí trường phối tử, và Định luật quang phổ hấp thụ Bouguer-Lambert-Beer. Đóng góp đột phá của công trình được định lượng qua việc xác lập quy trình phân tích quang phổ có giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) ở mức microgam/lít ($\mu g/L$), chứng minh khả năng thay thế hiệu quả các thiết bị đắt tiền trong kiểm nghiệm mẫu thực tế với quy mô mẫu kiểm định đa dạng ($n=5$).

Literature Review và Positioning

Lịch sử phát triển của hợp chất vòng lớn calixaren bắt đầu từ các phản ứng trùng ngưng giữa phenol và fomandehyt bởi Adolf von Baeyer (1835), Leo Baekeland (1908), Alois Zinke (1944) và được David Gutsche định danh chính thức vào thập niên 1970 nhờ cấu trúc hình chiếc cốc đặc thù. Khung phân tử calix[n]aren được cấu thành từ ba phần giải phẫu không gian rõ rệt: "vành phía trên (upper rim), vành phía dưới (lower rim) và vòng ở giữa (annulus); cấu dạng của calixaren rất khó bị thay đổi cho nên nó tồn tại như phân tử chủ (host)".

Nhánh nghiên cứu thứ nhất tập trung vào việc chức năng hóa calixaren để hòa tan trong nước và chiết chọn lọc cation. Điển hình là công trình mang tính bước ngoặt của Rocco Ungaro và cộng sự (1984) với axit tetracacboxylic của p-tert-butylcalix[4]aren, cùng công trình của Seiji Shinkai (1984) tổng hợp p-sulfonatocalix[6]aren được mệnh danh là "siêu-uranophil", có khả năng chiết chọn lọc ion $UO_2^{2+}$ từ nước biển với tỷ lệ chọn lọc vượt bậc so với các ion cản trở: $(K_{UO_2}/K_M) > 10^{17}$ đối với $Mg^{2+}$, $10^{15.1}$ đối với $Zn^{2+}$, và $10^{12}$ đối với $Cu^{2+}$.

Nhánh nghiên cứu thứ hai hướng tới các phân tử mang màu Chromoionophore - tích hợp tâm nhận diện ion (ionophore) với tâm phát tín hiệu quang học (chromophore). Khi các hợp chất này tạo phức với cation, sự biến đổi mật độ điện tử gây ra hiệu ứng chuyển dịch dời bước sóng (bathochromic hoặc hypsochromic shift): "Phổ hấp thụ điện tử của các dẫn xuất azocalix[4]aren trong phạm vi 300-700 nm tương ứng sự dịch chuyển $\pi \rightarrow \pi^$ và $n \rightarrow \pi^$ của nhóm diazo". Nghiên cứu của Fikret Karci và cộng sự (2003) tại Đại học Pamukkale (Thổ Nhĩ Kỳ) đã chứng minh rằng ở trạng thái rắn azocalix[4]aren tồn tại chủ yếu ở dạng azo-enol, trong khi trong dung dịch tồn tại cân bằng hỗ biến linh động azo-enol $\rightleftharpoons$ keto-hydrazo phụ thuộc chặt chẽ vào dung môi và pH.

Trong bức tranh tổng quan đó, các tranh luận học thuật nổi bật gồm:

1. Tranh luận về vị trí phối trí: Giữa quan điểm cho rằng cation kim loại chỉ tạo liên kết chelat tại vành dưới (lower rim) thông qua các nhóm phenolic -OH tự do, đối lập với quan điểm cho rằng các nhóm thế chức năng hóa ở vành trên (upper rim) như azo (-N=N-) kết hợp o-carboxyl (-COOH) đóng vai trò quyết định cấu trúc phức chất vòng càng.
2. Tranh luận về cơ chế bao bọc khoang kỵ nước: Sự thâm nhập của ion kim loại dạng ion trần hay dạng ion hydroxo phức tạp vào hốc calixaren trong các môi trường pH khác nhau.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế tiêu biểu:

• Nghiên cứu của Isabelle Dumazet-Bonnamour (2005) tổng hợp dẫn xuất 25,27-bis-[(β-ketoimin)-etoxi]-26,28-dihydroxycalix[4]aren chỉ đạt hiệu suất chiết chọn lọc ion $Pb^{2+}$ là 86,7% tại pH = 8 khi có mặt pyridin làm thuốc thử cộng hợp. Trong khi đó, thuốc thử BAPC trong luận án tạo phức trực tiếp với $Pb^{2+}$ trong môi trường kiềm (pH = 12,5) với độ nhạy quang cao mà không cần tác nhân cộng hợp phức tạp.
• Công trình của Lilin Lu, Shufang Zhu và cộng sự (2004, 2005) tại Trung Quốc phát triển azocalix[4]aren chọn lọc với $Cr^{3+}$ ở bước sóng cực đại $\lambda_{max} = 520$ nm tại pH = 3. Nghiên cứu của Quanli Ma và Huimin Ma (2001) dùng 5,17-bis(quinolyl-8-azo)-calix[4]aren để xác định $Ni^{2+}$ theo tỷ lệ 1:1 tại $\lambda = 580$ nm (khoảng tuyến tính $1,7 \cdot 10^{-6} - 8,5 \cdot 10^{-5}$ M). Luận án của Nguyễn Thị Ngọc Lệ đã định vị xuất sắc khi mở rộng biên giới ứng dụng của azocalixaren sang đồng thời hai đối tượng phức tạp: kim loại nặng $Pb(II)$ và nguyên tố đất hiếm $Ce(IV)$, thiết lập mô hình phối trí đa tâm hoàn chỉnh.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án đã mở rộng thuyết Nhận dạng phân tử và Hóa học Chủ - Khách của Donald J. Cram, Jean-Marie Lehn và Charles J. Pedersen (Giải Nobel Hóa học 1987) bằng việc làm sáng tỏ cơ chế phối trí đa chức năng của một phối tử vòng lớn đa càng (macrocyclic polydentate ligand). Luận án chứng minh rằng tính chọn lọc của BAPC không đơn thuần dựa trên sự tương thích kích thước hình học phân tử theo nguyên lý "ổ khóa và chìa khóa" (Lock and Key) của Emil Fischer (1894), mà là sự phối hợp hiệp đồng giữa:

1. Hiệu ứng bao gói không gian của hốc kỵ nước calix[4]aren cố định ở cấu dạng hình nón (cone conformation).
2. Hiệu ứng chelat hóa mạnh mẽ của hệ thống liên kết phối trí giữa ion kim loại với nguyên tử nitơ của nhóm azo (-N=N-), nguyên tử oxy của nhóm carboxyl (-COOH) và nhóm phenolic (-OH).
3. Động học chuyển dịch cân bằng hỗ biến azo-enol sang keto-hydrazo/keto-quinon được kích hoạt bởi trường tĩnh điện của cation kim loại xâm nhập.

Khung mô hình lý thuyết đề xuất bao gồm 3 mệnh đề khoa học được kiểm chứng:

• Mệnh đề 1: Sự gia tăng độ phân cực của dung môi hữu cơ (acetonitril, metanol) thúc đẩy sự ion hóa các nhóm axit ở vành trên, tạo điều kiện cho các orbital $d$ hoặc $f$ trống của cation kim loại nhận cặp electron tự do từ phối tử.
• Mệnh đề 2: Với ion $Ce^{4+}$ có bán kính ion nhỏ và điện tích cao, quá trình tạo phức diễn ra thuận lợi trong môi trường axit yếu (pH = 6), trong đó ion kim loại xâm nhập một phần vào hốc calixaren và tạo liên kết bền với các nhóm chức biến tính.
• Mệnh đề 3: Với ion $Pb^{2+}$, phản ứng tạo phức diễn ra tối ưu trong môi trường kiềm (pH = 12,5) nhờ sự deproton hóa hoàn toàn các nhóm chức, tạo nên phức chất chuyển dịch bathochromic rõ rệt.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án là sự tích hợp liên ngành giữa ba trụ cột lý thuyết: Hóa học phối trí siêu phân tử, Cơ học lượng tử/Cơ học phân tử (Molecular Mechanics - MM) và Quang phổ học phân tử. Khái niệm Chromoionophore đa vị trí được chuẩn hóa, cho phép mô tả chính xác sự chuyển dịch cấu dạng khi ion khách (guest) thâm nhập vào phân tử chủ (host).

Điều kiện biên (boundary conditions) của khung phân tích được xác định tường minh:

• Giới hạn dung môi: Tỷ lệ pha trộn dung môi hữu cơ (acetonitril/metanol) - nước phải đảm bảo độ tan đồng thể của phối tử và phức chất mà không làm phân hủy khung calixaren.
• Cửa sổ pH phản ứng: pH 5,0 - 7,0 đối với hệ BAPC-Ce(IV) nhằm tránh sự thủy phân hoàn toàn tạo kết tủa hydroxide của Ce(IV); pH 11,0 - 13,0 đối với hệ BAPC-Pb(II) nhằm khử proton triệt để các nhóm mang tính axit.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Luận án vận dụng thế giới quan khoa học thực chứng (Positivism) kết hợp chủ nghĩa hiện thực phản biện (Critical Realism). Thiết kế nghiên cứu đa tầng (Multi-level design) được triển khai tuần tự và liên kết chặt chẽ:

• Cấp độ mô phỏng vi mô (Micro-computational Level): Sử dụng phần mềm chuyên dụng ArgusLab 4.01 áp dụng trường lực tổng quát UFF (Universal Force Field) và thuật toán cân bằng điện tích QEq (Charge Equilibration) để tối ưu hóa hình học không gian của phân tử BAPC ở dạng azo-phenol và dạng keto-quinon, tính toán điện tích từng nguyên tử, mô phỏng hướng xâm nhập của ion kim loại và tính toán năng lượng cực tiểu ($\Delta E_{min}$) của các cấu dạng phức.
• Cấp độ thực nghiệm phổ nghiệm (Spectroscopic Level): Sử dụng phổ khối ion hóa bụi điện tử (ESI-MS), phổ hồng ngoại (FTIR dạng viên nén KBr) và phổ hấp thụ phân tử UV-Vis để đối chiếu và xác thực cấu trúc phối trí thực tế.
• Cấp độ phân tích ứng dụng (Analytical Application Level): Khảo sát các thông số hóa lý định lượng, tối ưu hóa các điều kiện đo quang và thẩm định quy trình phân tích trên nền mẫu thật.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình thực nghiệm tuân thủ các chuẩn mực phân tích quang học:

• Thuốc thử BAPC được tinh chế và kiểm tra độ tinh khiết nghiêm ngặt. Nồng độ làm việc của thuốc thử được duy trì ở mức $2,0 \cdot 10^{-5}$ M trong môi trường acetonitril hoặc metanol.
• Phương pháp xác định thành phần phức: Kết hợp độc lập hai phương pháp kinh điển là Phương pháp dãy đồng số mol (Equimolar series method) và Phương pháp biến đổi liên tục một hợp phần (Continuous variation / Job's method) nhằm triệt tiêu sai số hệ thống.
• Phương pháp tam giác đạc dữ liệu (Data Triangulation): Kết quả mô phỏng hình học không gian trên ArgusLab được đối chiếu trực tiếp với các bước nhảy số sóng trên phổ FTIR ($\Delta \nu$) và giá trị tỷ số khối trên điện tích ($m/z$) từ phổ ESI-MS.
• Đánh giá độ tin cậy và độ lặp lại: Mọi phép đo quang đều thực hiện lặp lại tối thiểu 5 lần ($n=5$), tính toán độ lệch chuẩn ($SD$) và độ lệch chuẩn tương đối ($RSD%$).

Data và phân tích

• Phân tích tương quan phổ: Xác lập khoảng nồng độ tuyến tính tuân theo định luật Bouguer-Lambert-Beer cho cả hai hệ phức. Phương trình hồi quy tuyến tính đạt hệ số tương quan $R^2 > 0,99$.
• Tính toán hằng số bền ($\beta$) và hệ số hấp thụ phân tử mol ($\varepsilon$): Áp dụng phương pháp tính toán từ số liệu đo độ hấp thụ quang ở các tỷ lệ nồng độ phối tử - ion kim loại khác nhau.
• Thử nghiệm độ bền vững (Robustness checks): Khảo sát toàn diện giới hạn cản trở của hơn 15 ion lạ phổ biến bao gồm các cation kiềm, kiềm thổ ($Na^+, K^+, Ca^{2+}, Mg^{2+}$), kim loại chuyển tiếp ($Fe^{3+}, Cu^{2+}, Ni^{2+}, Co^{2+}, Zn^{2+}, Mn^{2+}, Cr^{3+}$) và các anion vô cơ ($Cl^-, NO_3^-, SO_4^{2-}, PO_4^{3-}$).

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Sự phụ thuộc dung môi và cân bằng hỗ biến của BAPC: Khảo sát phổ hấp thụ của BAPC ($2,0 \cdot 10^{-5}$ M) cho thấy cực đại hấp thụ dời đáng kể theo bản chất dung môi: trong axetonitril xuất hiện đỉnh hấp thụ đặc trưng ở bước sóng $\lambda_{max} = 385$ nm, trong metanol ở 388 nm. Sự thay đổi pH dẫn đến biến đổi phổ sâu sắc: ở pH kiềm tính, xuất hiện dải hấp thụ mới tại vùng bước sóng dài (vùng khả kiến) do sự hình thành anion deproton hóa và dạng hỗ biến keto-hydrazo.
2. Cơ chế tạo phức và tỷ lệ thành phần: Bằng cả hai phương pháp dãy đồng số mol và phương pháp Job, luận án xác định chính xác tỷ lệ mol tạo phức giữa BAPC với $Ce(IV)$ tại pH = 6 là 1:1; và giữa BAPC với $Pb(II)$ tại pH = 12,5 là 1:1. Hằng số bền và hệ số hấp thụ mol của phức chất được xác định chính xác, khẳng định độ bền nhiệt động học cao của phức vòng càng siêu phân tử.
3. Mô hình hóa hình học phân tử và tính toán năng lượng: Kết quả tối ưu hóa hình học bằng ArgusLab 4.01 chứng minh rằng phân tử BAPC duy trì cấu dạng nón bền vững. Khi $Ce^{4+}$ và $Pb^{2+}$ tiếp cận, cấu trúc phức đạt trạng thái năng lượng cực tiểu khi ion kim loại nằm ở vị trí liên kết phối trí với nguyên tử nitơ của nhóm azo và nguyên tử oxy của nhóm carboxyl và hydroxyl. Phổ ESI-MS xác nhận sự tồn tại của pic ion phân tử phức chất tương ứng với mô hình 1:1.
4. Bằng chứng phổ hồng ngoại (FTIR) về liên kết phối trí: So sánh phổ FTIR (viên nén KBr) của BAPC tự do và các phức BAPC-Ce(IV), BAPC-Pb(II) ghi nhận: dải dao động của nhóm $-OH$ trong vùng $3200 - 3500$ $cm^{-1}$ bị dịch chuyển và biến đổi cường độ; dải dao động của nhóm liên kết đôi azo $-N=N-$ tại vùng $1500 - 1600$ $cm^{-1}$ và nhóm cacbonyl $C=O$ ($1600 - 1700$ $cm^{-1}$) có sự dịch chuyển số sóng rõ rệt từ 15 đến 30 $cm^{-1}$ về phía tần số thấp hơn, chứng minh sự tham gia trực tiếp của các nhóm chức này vào cầu phối trí với $Ce^{4+}$ và $Pb^{2+}$.
5. Độ chọn lọc và khoảng tuyến tính định lượng: Hệ Ce(IV)-BAPC tuân theo định luật Beer trong khoảng nồng độ tuyến tính rộng ở pH = 6 với độ ổn định quang học cao theo thời gian. Hệ Pb(II)-BAPC cho tín hiệu hấp thụ quang chọn lọc cao tại pH = 12,5, loại trừ hoàn toàn sự ảnh hưởng của các ion kiềm thổ và kim loại chuyển tiếp khi có mặt chất che lấp thích hợp.

Implications đa chiều

• Ý nghĩa lý thuyết: Cung cấp cơ sở thực nghiệm và dữ liệu tính toán lượng tử chuẩn xác cho các mô hình tương tác Host-Guest giữa azocalixarene và cation đa hóa trị; hoàn thiện lý thuyết về hiệu ứng dung môi lên cân bằng hỗ biến chromoionophore.
• Đổi mới phương pháp luận: Thiết lập quy trình kết hợp hài hòa giữa phần mềm hóa tính toán (ArgusLab) với các phương pháp phổ nghiệm thực nghiệm (UV-Vis, FTIR, ESI-MS), tạo thành một quy chuẩn phương pháp luận mẫu mực cho việc thiết kế và đánh giá thuốc thử phân tích mới.
• Ứng dụng thực tiễn: Xây dựng thành công 02 quy trình phân tích trắc quang hoàn chỉnh:
  1. Quy trình định lượng chì Pb(II) trong mẫu thực vật (cỏ Vetiver dùng trong xử lý ô nhiễm đất).
  2. Quy trình định lượng xeri Ce(IV) trong mẫu đất địa chất tại tỉnh Kon Tum.
• Độ chính xác tương thích quốc tế: Kết quả định lượng Pb(II) và Ce(IV) trong các mẫu thực tế bằng thuốc thử BAPC cho sai số tương đối ($RE%$) không đáng kể so với phương pháp chuẩn đối chứng là Phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), nhưng tiết kiệm trên 70% chi phí phân tích và rút ngắn thời gian chuẩn bị mẫu.

Limitations và Future Research

Mặc dù đạt được những kết quả đột phá, công trình vẫn tồn tại một số giới hạn khoa học cần được nhìn nhận khách quan:

1. Giới hạn về hệ dung môi: Thuốc thử BAPC có độ tan hạn chế trong pha nước nguyên chất, bắt buộc phải sử dụng một tỷ lệ dung môi hữu cơ phối trộn (acetonitril hoặc metanol), điều này đòi hỏi việc kiểm soát nghiêm ngặt độ bay hơi và an toàn dung môi trong phòng thí nghiệm.
2. Cấu trúc tinh thể tia X: Chưa thu được đơn tinh thể phức chất BAPC-Ce(IV) và BAPC-Pb(II) đủ kích thước tiêu chuẩn để đo nhiễu xạ tia X đơn tinh thể (Single-crystal X-ray diffraction), do đó cấu trúc không gian chủ yếu dựa trên mô phỏng hóa toán học kết hợp dữ liệu phổ ESI-MS và FTIR.
3. Động học tương tác tại các dải nhiệt độ khác nhau: Luận án chủ yếu khảo sát cân bằng tạo phức ở nhiệt độ phòng tiêu chuẩn (25°C), chưa mở rộng đánh giá các thông số nhiệt động học ($\Delta H^\circ, \Delta S^\circ, \Delta G^\circ$) qua dải nhiệt độ biến thiên rộng.

Định hướng nghiên cứu tiếp nối (Future Agenda):

• Tổng hợp các dẫn xuất azocalixaren gắn thêm các nhóm ưa nước cực mạnh (như sulfonate $-SO_3H$ hoặc polyethylene glycol chains) để tạo thuốc thử tan 100% trong pha nước.
• Ứng dụng thuốc thử BAPC vào chế tạo vật liệu màng cảm biến quang học (Optode) và màng điện cực chọn lọc ion (ISE) phục vụ quan trắc hiện trường thời gian thực.
• Mở rộng ứng dụng BAPC trong kỹ thuật chiết pha rắn (Solid Phase Extraction - SPE) để làm giàu vết các nguyên tố đất hiếm nhóm Lantanit từ quặng và rác thải điện tử.

Tác động và ảnh hưởng

• Tác động học thuật: Đặt nền móng vững chắc cho chuyên ngành Hóa phân tích siêu phân tử tại Việt Nam. Các kết quả của luận án đã được công bố trên các tạp chí chuyên ngành uy tín và kỷ yếu hội nghị khoa học toàn quốc, đóng góp tài liệu tham khảo giá trị cho các nghiên cứu về vật liệu calixaren.
• Chuyển giao công nghệ và môi trường: Đóng góp trực tiếp vào công tác quan trắc môi trường và tài nguyên khoáng sản tại khu vực Tây Nguyên (đặc biệt là tỉnh Kon Tum). Quy trình phân tích Pb(II) trong cỏ Vetiver phục vụ đắc lực cho công nghệ xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng bằng thực vật (Phytoremediation).
• Ý nghĩa kinh tế - xã hội: Cung cấp giải pháp phân tích chi phí thấp cho các trạm quan trắc địa phương, chi cục đo lường chất lượng và các trường đại học chưa có điều kiện trang bị hệ thống phổ kế nguyên tử đắt tiền.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Tiếp cận phương pháp luận mẫu mực kết hợp giữa hóa học tính toán (ArgusLab) và hóa học thực nghiệm trong khảo sát phức chất siêu phân tử.
• Các nhà khoa học phân tích và hóa vô cơ: Thừa hưởng bộ dữ liệu hóa lý chuẩn xác về hằng số bền, hệ số hấp thụ mol, và cơ chế phối trí của dẫn xuất azocalix[4]aren.
• Kỹ thuật viên phòng thí nghiệm môi trường & địa chất: Ứng dụng trực tiếp quy trình trắc quang định lượng Pb(II) và Ce(IV) với độ tin cậy cao, hóa chất dễ kiếm và chi phí tối ưu.
• Nhà quản lý môi trường và doanh nghiệp khai khoáng: Có thêm công cụ giám sát phát thải kim loại nặng và đánh giá hàm lượng đất hiếm phục vụ hoạch định khai thác bền vững.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào? Trả lời: Đóng góp độc đáo nhất là việc mở rộng Thuyết Nhận dạng phân tử Chủ - Khách (Host-Guest Chemistry) sang hệ phối tử đa càng mang màu azocalix[4]aren tứ hoán vị vành trên mang nhóm o-carboxyphenylazo (BAPC). Luận án chứng minh sự phối hợp đồng thời giữa hiệu ứng không gian của hốc calixaren dạng nón với hiệu ứng tạo phức chelat liên hợp đa vòng giữa cation kim loại ($Ce^{4+}, Pb^{2+}$) với các nguyên tử dị tố ($N, O$) của nhóm azo và carboxyl.

2. Điểm mới về mặt phương pháp luận so với các công trình quốc tế trước đây? Trả lời: Khác với nghiên cứu của Isabelle Dumazet-Bonnamour (2005) phải dùng pyridin làm thuốc thử cộng hợp để chiết $Pb^{2+}$, hay nghiên cứu của Lilin Lu (2004) chỉ dừng lại ở khảo sát trắc quang $Cr^{3+}$, luận án đã tích hợp phương pháp luận "tam giác đạc": Mô phỏng hóa học tính toán trường lực UFF trên phần mềm ArgusLab 4.01 để dự đoán cấu trúc/năng lượng $\rightarrow$ Phân tích cấu trúc thực nghiệm bằng ESI-MS và FTIR $\rightarrow$ Tối ưu hóa điều kiện trắc quang phân tích trên mẫu thật.

3. Phát hiện bất ngờ nhất trong quá trình thực nghiệm kèm minh chứng số liệu? Trả lời: Tính chọn lọc quang phổ tuyệt đối của BAPC đối với $Pb(II)$ trong môi trường kiềm mạnh (pH = 12,5) và đối với $Ce(IV)$ trong môi trường axit yếu (pH = 6). Mặc dù các ion kim loại chuyển tiếp ($Fe^{3+}, Cu^{2+}, Ni^{2+}, Co^{2+}$) thường gây nhiễu nghiêm trọng đối với các thuốc thử azo truyền thống như PAN hay Dithizone, hệ BAPC duy trì độ hấp thụ quang ổn định với dung sai nồng độ ion cản trở gấp từ hàng chục đến hàng trăm lần nồng độ chất phân tích.

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lập thực nghiệm (Replication Protocol) hoàn chỉnh không? Trả lời: Luận án cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết và hoàn chỉnh từ bước chuẩn bị hóa chất, pha chế dung môi, căn chỉnh pH bằng hệ đệm, quy trình tạo phức theo tỷ lệ thể tích/nồng độ, đến quy trình phân hủy mẫu thực tế (tro hóa mẫu cỏ Vetiver bằng hỗn hợp axit vô cơ, hòa tan mẫu đất quặng Kon Tum) và dựng đường chuẩn định lượng với các thông số thống kê ($R^2, LOD, LOQ, RSD%$).

5. Lộ trình nghiên cứu 10 năm tiếp theo được vạch ra như thế nào? Trả lời: Lộ trình tập trung vào 3 hướng chính: (1) Cố định hóa BAPC lên nền chất mang rắn (silica gel, graphene oxide, màng polyme) để chế tạo cột chiết pha rắn và sensor quang học; (2) Thiết kế các điện cực chọn lọc ion (ISE) tích hợp màng BAPC lỏng-rắn; (3) Mở rộng khảo sát định lượng đồng thời chuỗi nguyên tố đất hiếm nhóm Lantanit bằng kỹ thuật trắc quang đa cấu tử kết hợp thuật toán hóa trắc lượng (Chemometrics).

Kết luận

1. Tổng hợp, tinh chế và làm sáng tỏ đặc trưng phổ của thuốc thử siêu phân tử mới 5,11,17,23-tetra[(2-benzoic acid)(azo)phenyl]calixarene (BAPC) với cấu trúc vòng nón cố định và khả năng tạo phức chuyển màu nhạy bén.
2. Thiết lập thành công mô hình cấu trúc không gian và tính toán năng lượng cực tiểu của phức BAPC-Ce(IV) và BAPC-Pb(II) bằng phần mềm ArgusLab 4.01, được minh chứng xác thực bằng phổ khối ESI-MS và phổ hồng ngoại FTIR.
3. Xác định chính xác thành phần phức chất theo tỷ lệ phân tử 1:1, hằng số bền tạo phức và hệ số hấp thụ mol của các hệ phức trong dung môi nước - hữu cơ.
4. Tối ưu hóa toàn diện các điều kiện hóa lý phân tích (pH, dung môi, thời gian ổn định, lượng thuốc thử dư, ảnh hưởng ion cản), xác định giới hạn phát hiện và định lượng đạt độ nhạy cấp độ vết ($\mu g/L$).
5. Xây dựng và chuẩn hóa 02 quy trình phân tích định lượng Ce(IV) trong đất quặng và Pb(II) trong cỏ Vetiver tại tỉnh Kon Tum, đạt độ chính xác và độ tin cậy tương đương phương pháp AAS tiêu chuẩn.
6. Mở ra hướng nghiên cứu mới trong ứng dụng hóa học siêu phân tử calixaren phục vụ công nghệ phân tích môi trường và địa chất khoáng sản tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 - TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về Calixaren Calixaren là phân tử bao gồm những đơn vị phenol nối với nhau bằng cầu metylen (-CH2-) hình thành “hốc” kỵ nước (hydrophobic). Calixaren được Adolph Von Baeyer (Đức) tổng hợp đầu tiên vào năm 1835, là sản phẩm của phản ứng giữa phenol với andehit fomic trong môi trường axit mạnh. Do thời kì đó không thể tách riêng những chất này, Baeyer đã không thể xác định được cấu trúc sản phẩm phản ứng.

Năm 1908, Leo Baekeland (Bỉ) đã đưa ra qui trình sản xuất nhựa bakelit - sản phẩm của phản ứng trùng ngưng giữa phenol với fomandehyt, sản phẩm đầu tiên của nhựa tổng hợp dù chưa xác định được cấu trúc của nhựa. Năm 1944 Alois Zinke, một giáo sư hóa học ở Graz - Úc, và đồng nghiệp - Erich Zeiglei đã đề ra cấu trúc vòng tetrame, sản phẩm của p-tert-butylphenol và fomandehit. Sau đó, Alois Zinke đã giới thiệu cấu trúc đầy đủ của sản phẩm giữa phenol và fomandehit vào năm 1952. Năm 1970, những nhà khoa học ở Học viện Petrolite ở Misouri đã sản xuất nhựa oxyankyl ankylphenol- fomandehit và xây dựng “quy trình Petrolite” để tạo nên những vòng oligomer.

David Gutsche (Mỹ) chính thức đặt tên cho những sản phẩm đã tìm ra khi cho p-tertbutyl phenol phản ứng với andehit fomic là calixaren. Theo tiếng Hy lạp, Calix nghĩa là cái lọ hoa hay một khoang hình cốc, calixaren có hình dạng của cái cốc mà thành bên của nó là những vòng aren nối với nhau. Số lượng vòng aren “n” được thêm vào giữa để tạo thành tên gọi hoàn chỉnh là calix[n]aren (Hình 1. 22 z Nếu n = 3, R = tert butyl thì tên hợp chất là p-t-butyl calix[6]aren Hình 1.1 Tên gọi calix[n]aren Các calixaren nhỏ như calix[4]aren có dạng cái bát.

Dạng phổ biến nhất là p- tert-butylcalix[4]aren với cấu trúc hình nón được chỉ ra trong Hình 1. Vành trên Vành dưới Hình 1. Cấu trúc p-tert butylCalix[4]aren (R: tert butyl). 23 z Calixaren gồm ba phần chính: vành phía trên (upper rim), vành phía dưới (lower rim) và vòng ở giữa (annulus); cấu dạng của calixaren rất khó bị thay đổi cho nên nó tồn tại như phân tử chủ (host) [45], [74].

Vành trên Vòng giữa Vành dưới Hình 1.3 Cấu trúc của calix[4]aren 1. Tính chất vật lý của calixaren Độ tinh khiết của hợp chất calixaren có thể được xác định thông qua việc đo điểm nóng chảy của nó. Hầu hết các calixaren có điểm nóng chảy trên 250°C. Các nhóm thế khác nhau làm cho các dẫn xuất calixaren có nhiệt độ nóng chảy khác nhau và sự khác nhau đó còn ảnh hưởng tới tính tan của hợp chất calixaren.

Hầu hết các hợp chất calixaren đều không tan trong nước bởi có chứa vòng thơm, nhưng chúng có thể tan trong một số dung môi hữu cơ và người ta lợi dụng tính chất này để tinh chế chúng. Khi thêm các nhóm thế có khả năng làm giảm nhiệt độ nóng chảy của calixaren sẽ làm tăng khả năng hòa tan của chúng vào dung môi hữu cơ. Những đặc trưng cấu trúc và tính chất của hợp chất calixaren được nghiên cứu qua các dạng phổ hồng ngoại (IR), tử ngoại (UV), cộng hưởng từ (NMR), tia X, phổ khối (MS) và phổ huỳnh quang. Mỗi kỹ thuật cung cấp những thông tin về cấu trúc và các thuộc tính của calixaren dựa trên các kiểu bức xạ khác nhau.

Phổ IR của calixaren có tần số thấp, ở bước sóng từ 3150 cm-1 đến 3300 cm-1 chỉ sự dao động của nhóm – OH. Nguyên nhân dao động ở tần số thấp này chính là do các liên kết hydrô nội phân tử của các nhóm hydroxyl tại đáy nhỏ của hình nón; dao 24 z động của nhóm –OH này có tần số thấp ở calix[4]aren và tăng dần từ calix[5]aren trở đi. Phổ UV của hợp chất calixaren xuất hiện ở vùng tử ngoại gần 280-288 nm. Tỷ lệ cường độ phổ tại hai bước sóng này là một hàm phụ thuộc vào kích thước của hợp chất calixaren, ví dụ: 1,30; 0,90 và 0,75 tương ứng với những dẫn xuất tert - butyl của calix[4]aren, calix[6]aren và calix[8]aren.

Hệ số hấp thụ mol (max, Lmol-1 cm-1) dao động từ 9.100 tại 280 nm và từ 7.000 tại 288 nm và tăng tỷ lệ thuận theo sự gia tăng kích thước của calixaren. Phổ NMR của hợp chất calixaren tương đối đơn giản vì phân tử của chúng có tính chất đối xứng. Trong cấu hình dạng nón xuất hiện cặp pic đôi ở 3,2 ppm và 4,9 ppm là dao động của các proton trong cầu nối metylen. Dao động của các proton trong nhân thơm khoảng 7-8 ppm.

Trong khi đó, proton của nhóm –OH cho dao động trong khoảng từ 8-10 ppm tùy thuộc vào kích thước phân tử calixaren. Vào năm 1979 Andreetti và các cộng sự ở đại học Parma – Ý, đã công bố cấu trúc đơn tinh thể của calix[4]aren khi dùng các dữ kiện của phổ X-ray để chứng minh cấu trúc của phân tử calixaren. Việc sử dụng phổ MS tuy không chứng minh được cấu trúc như phổ cấu trúc tinh thể tia X nhưng cũng góp phần làm sáng tỏ cấu tạo của calix[4]aren. Phổ huỳnh quang cũng là một công cụ hữu ích để nghiên cứu khả năng hình thành phức chất của calixaren.

Tổng hợp calixaren Sau công trình tổng hợp tert- butylcalix[n]aren (n = 4, 6, 8) của Gutsche, các nhóm nghiên cứu trên thế giới đã bắt đầu tổng hợp các dẫn xuất của calixaren, tạo ra một hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực hoá học siêu phân tử (supramolecular chemistry) [85], [86], [99], [101]. Cấu trúc của calixaren có những gốc phenyl mang phần kị nước lớn vì vậy chúng ít tan trong nước. Điều này làm cho calixaren khó tạo được liên kết với các chất khác trong dung dịch nước. Do vậy, việc tổng hợp các dẫn xuất có khả năng hòa tan 25 z trong nước là cần thiết để mở rộng khả năng ứng dụng của nó trong thực tiễn.

Vào năm 1984, Ungaro và các cộng sự đã công bố dẫn xuất đầu tiên của calixaren có thể hòa tan trong nước, đó là sản phẩm axit tetracacboxylic của p-tertbutylcalix[4]aren, hợp chất này có bốn nhóm carboxylic gắn vào vòng thấp của calixaren, tạo ra khả năng hòa tan trong nước. Cùng năm đó, Shinkai cũng đã công bố sản phẩm p-sunfonat calix[6]aren, rồi đến là các sản phẩm sunfonat tetrame, octame, anionic tan trong nước và những dẫn xuất có chứa nhóm nitro, axit photphoric và phân nửa là gốc cacboxyl. Shinkai cũng là người đầu tiên công bố tổng hợp được cation calixaren hòa tan được trong nước, nó liên kết mạnh với anion của phân tử khách thể và có cơ chế hoạt động tương tự enzym. Để tránh các liên kết không đặc trưng và lực đẩy của các nhóm ion trong phức, người ta sử dụng phân tử calixaren tan trong nước đã được tổng hợp với nhóm sunfoamit, nhóm hydroxyl – có chứa amit, đường, polyoxyetylen và polyalcol (Hình 1.

Hằng số phân li axit (pKa) của các calixaren tan trong nước được xác định bằng phương pháp chuẩn độ axit-bazơ. Kết quả cho thấy proton đầu tiên tách ra ở giá trị pH thấp. Điều này khá phù hợp với những tính toán lý thuyết về chuẩn độ dung dịch của calix[4]aren trong những dung môi hữu cơ sử dụng ion picrat như là một chất chỉ thị, tuy nhiên việc xác định chính xác của những giá trị pKa2 – pKa4 thì gặp rất nhiều khó khăn, do sự có mặt của những muối vô cơ. Kết quả cho thấy sự tách của proton đầu tiên ở những giá trị pH khá thấp (từ 1.9), tương ứng với một sự thay đổi bước nhảy so với phenol khoảng 8 đơn vị pK.

Trong khi đó giá trị pKa2 – pKa4 được xác định tại những giá trị pH trung bình hoặc tại những giá trị pH cao hơn so với phenol. Giá trị pK của sunfonat (1); nitro (2) và sunfoamit (3) calix[4]aren (Hình 1.4) được tóm tắt trong bảng 1. 26 z Anion calixaren Cation calixaren Phân tử calixaren Hình 1.4 Một số calixaren tan trong nước Bảng 1. Giá trị pKa của một số calix[4]aren tan trong nước Calix[4]aren Dung môi (Hỗn hợp dung môi) pKa pKa1 pKa2 pKa3 pKa4 (1) H2 O 1 3.5 >13 27 z Dẫn xuất thế tetra calix[4]aren trong bảng 1.1 có giá trị pKa1 rất thấp.

Điều này chứng tỏ rằng liên kết hydro nội phân tử mạnh làm cho nhóm OH đầu tiên có tính axit, liên kết hydro qua ba proton còn lại ổn định dạng mono - anion. Giá trị pKa4 rất cao, bởi vì proton cuối bị giữ lại trong chuỗi 4 nguyên tử oxy. Shinkai và các cộng sự cho rằng liên kết hydro mạnh bất thường trong trong “hốc” calixaren gây ra sự khác nhau lớn trong các giá trị pKa và liên kết hydro này duy trì dạng hình nón cho calixaren [102]. Tính chất tạo phức của calixaren trong dung dịch nước Do cấu trúc đặc biệt nên phần lớn các hợp chất calixaren có khả năng tạo thành phức chất nội phân tử với nhiều chất khác.

Chúng có thể là các cation kim loại (nhóm chính, kim lọai chuyển tiếp, nhóm actinit và lantanit), các cation và anion hữu cơ, các phân tử để tạo thành các phức chất có sự chọn lọc cao về hóa học, vật lý và sinh học [104]. Khả năng tạo phức chất theo tỷ lệ 1:1 giữa calixaren và các phân tử chất thơm khác đã được công bố vào năm 1979. Tuy nhiên, quá trình tạo phức chỉ xảy ra trong dung môi hữu cơ. Vì hầu hết các quá trình hoá học đều xảy ra trong nước, nên trong những năm sau đó những nhà nghiên cứu đã tìm mọi cách để tổng hợp các hợp chất calixaren tan trong nước.

Phức của khách thể là cation Dẫn xuất axit cacboxylic của p-tertbutylcalix[4]aren có khả năng chiết các cation uranyl (UO22+), chì và kim loại kiềm thổ rất hiệu quả từ nước vào diclometan, nhưng tính chọn lọc không cao. Sau đó, Shinkai đã tổng hợp được dẫn xuất hexacacboxylat của p-sunfonat calix[6]aren và cho là “siêu-uranophil”, có khả năng chiết chọn lọc uranium từ nước biển, khi có lượng lớn các kim loại khác. Sau đó ông dùng một cột sắc ký chứa những calixaren giống nhau làm pha tĩnh trong nhựa polyme để thu được UO22+ trực tiếp từ nước biển. Shinkai đã đánh giá cao sự chọn lọc quang của siêu-uranophil do khác biệt trong hấp thụ của phức calixaren – UO22+ khi có các 28 z cation kim loại (Mn+).

Ông và cộng sự đã thu được những kết quả chọn lọc như sau: tỉ lệ ( KUO / K M ) > 10+17 cho Mg2+; 10+15.1 cho Zn2+ và 10+12 cho Cu2+. 2 2 2 Sự chọn lọc cao này được giải thích bởi quan điểm hình học phối trí, ở đó calixaren cung cấp nhóm phối tử được sắp xếp theo kiểu thích hợp cho mặt phẳng số phối trí sáu của UO22+. Các cation còn lại có cấu trúc hình học phối trí mặt phẳng vuông hoặc tứ diện không thuận lợi cho liên kết.