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.