Luận văn thạc sĩ: Phức chất kim loại chuyển tiếp với phối tử benzamidin ba càng

Tài liệu nghiên cứu tổng hợp, cấu trúc và hoạt tính sinh học của phức chất kim loại chuyển tiếp với phối tử benzamidin từ thiosemcacbazit.

• Tác giả: Dương Thu Trang
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hùng Huy
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Phức Chất Kim Loại Chuyển Tiếp Với Phối Tử Benzamiđin Ba Càng Dẫn Xuất Từ Thiosemicacbazit
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Khoa học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm về Phức chất Kim loại và Phối tử Benzamiđin

Phức chất kim loại là những hợp chất được hình thành từ sự liên kết giữa một ion kim loại trung tâm và các phối tử xung quanh nó. Trong nghiên cứu hóa học, phối tử benzamiđin ba càng dẫn xuất từ thiosemicacbazit đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong hóa học vô cơ. Các phức chất này có khả năng tạo thành các cấu trúc phức tạp với nhiều kim loại chuyển tiếp như Paladi (Pd), Niken (Ni) và các kim loại khác. Benzamiđin là một lớp phối tử đa chức năng có khả năng liên kết mạnh mẽ với ion kim loại, giúp tạo ra các phức chất bền vững và có hoạt tính sinh học cao. Sự kết hợp này mở ra những ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như xúc tác hóa học, y dược và công nghệ vật liệu.

1.1. Định nghĩa Phức chất Kim loại

Phức chất kim loại là những hợp chất hóa học gồm một ion kim loại trung tâm liên kết với các phối tử thông qua những liên kết cộng hóa trị hoặc tương tác điện từ. Trong đó, phối tử là những phân tử hoặc ion có khả năng cho cặp electron cho ion kim loại. Các phức chất này thường có cấu trúc hình học xác định và thể hiện những tính chất độc đáo khác biệt so với các thành phần riêng lẻ của chúng.

1.2. Benzamiđin Ba Càng và Tầm quan trọng

Benzamiđin ba càng là một loại phối tử đa chức năng có ba vị trí liên kết khác nhau với ion kim loại. Loại phối tử này được dẫn xuất từ thiosemicacbazit, một hợp chất hữu cơ chứa các nhóm chức năng chứa lưu huỳnh và nitơ. Khả năng liên kết đa dạng của benzamiđin ba càng giúp tạo ra những phức chất có cấu trúc ổn định và hoạt tính sinh học đáng kể.

II. Các Phương pháp Tổng hợp và Đặc trưng

Quá trình tổng hợp phức chất kim loại benzamiđin ba càng dẫn xuất từ thiosemicacbazit được thực hiện thông qua một loạt các bước phản ứng có kiểm soát. Đầu tiên, phối tử benzamiđin được tổng hợp từ thiosemicacbazit thông qua những phản ứng hữu cơ. Sau đó, các phục chất kim loại được hình thành bằng cách phản ứng phối tử với các muối kim loại như Paladi(II) chloride hoặc các chất tiền chất khác. Các phương pháp nghiên cứu hiện đại như phổ hồng ngoại IR, phổ cộng hưởng từ ¹H-NMR, phổ khối lượng ESI-MS và nhiễu xạ tia X đơn tinh thể được sử dụng để xác định cấu trúc và tính chất của các sản phẩm tạo thành.

2.1. Quy trình Tổng hợp Phối tử

Quá trình tổng hợp phối tử H₂L benzamiđin ba càng bắt đầu từ thiosemicacbazit và trải qua nhiều bước phản ứng phức tạp. Benzoylthioure được tổng hợp trước, sau đó chuyển đổi thành benzimidozyl chloride. Cuối cùng, 4,4'-dialkylthiosemicacbazit được tạo thành và tinh chế để thu được phối tử benzamiđin ba càng với độ tinh khiết cao, sẵn sàng để phản ứng với các ion kim loại.

2.2. Phương pháp Đặc trưng và Phân tích

Các phức chất kim loại được phân tích chi tiết bằng nhiều phương pháp quang phổ học. Phổ hồng ngoại IR tiết lộ các dải hấp thụ đặc trưng của những nhóm chức năng. Phổ ¹H-NMR cung cấp thông tin về các proton trong phối tử và phức chất. Phổ khối lượng ESI-MS xác định khối lượng phân tử chính xác. Nhiễu xạ tia X đơn tinh thể xác định cấu trúc ba chiều chính xác của các phức chất.

III. Cấu trúc và Tính chất của Phức chất Paladi

Phức chất Paladi(II) [Pd(HL)Cl] và [{Pd(L)}₃] được tạo thành từ phối tử benzamiđin ba càng dẫn xuất từ thiosemicacbazit và Paladi. Trong phức chất [Pd(HL)Cl], ion Paladi(II) liên kết với phối tử ở trạng thái một phần mất proton (HL), tạo thành một cấu trúc vuông phẳng điển hình của Paladi. Trong khi đó, phức chất [{Pd(L)}₃] là một oligomer gồm ba đơn vị Paladi liên kết thông qua phối tử hoàn toàn mất proton. Những phức chất kim loại này thể hiện các tính chất hóa học và sinh học độc đáo, bao gồm khả năng xúc tác và hoạt tính chống vi khuẩn. Cấu trúc ba chiều được xác định từ các dữ liệu nhiễu xạ tia X cho thấy những liên kết chặt chẽ giữa Paladi và phối tử.

3.1. Cấu trúc Phức chất Pd HL Cl

Phức chất [Pd(HL)Cl] có cấu trúc vuông phẳng với Paladi(II) ở trung tâm. Phối tử benzamiđin ba càng liên kết thông qua ba vị trí khác nhau, tạo ra một cấu trúc chặt chẽ. Chloride chiếm vị trí thứ tư trong hình vuông phẳng. Các độ dài liên kết Pd-N và Pd-S được xác định từ tế bào đơn tinh thể, cho thấy những liên kết mạnh mẽ và ổn định.

3.2. Cấu trúc Phức chất Pd L ₃

Phức chất [{Pd(L)}₃] là một oligomer trinuclear gồm ba ion Paladi(II) được liên kết bởi các phối tử benzamiđin ba càng hoàn toàn mất proton. Cấu trúc này hình thành một mạng lưới ba chiều phức tạp. Mỗi Paladi vẫn giữ lại hình học vuông phẳng điển hình. Sự kết hợp của ba Paladi qua các phối tử tạo ra một hệ thống đa kim loại với các tính chất quang phổ học và sinh học độc đáo.

IV. Ứng dụng và Hoạt tính Sinh học của Phức chất

Phức chất kim loại benzamiđin ba càng dẫn xuất từ thiosemicacbazit có tiềm năng ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ. Các nghiên cứu sinh học ban đầu chỉ ra rằng những phức chất Paladi này thể hiện hoạt tính kháng vi khuẩn đáng kể và có khả năng ức chế sự phát triển của các loại vi khuẩn bệnh nhân. Ngoài ra, phức chất kim loại này có thể được ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác hóa học, giúp thúc đẩy các phản ứng hữu cơ quan trọng. Khả năng liên kết DNA của những phối tử benzamiđin cũng được khám phá, mở ra khả năng sử dụng trong các liệu pháp ung thư. Sự ổn định nhiệt và hóa học của những phức chất kim loại này cũng làm chúng trở thành ứng cử viên tiềm năng cho các ứng dụng trong công nghệ vật liệu và kỹ thuật hóa học.

4.1. Hoạt tính Kháng Vi khuẩn

Phức chất [Pd(HL)Cl] và [{Pd(L)}₃] được thử nghiệm chống lại các chủng vi khuẩn bệnh nhân khác nhau. Kết quả cho thấy hoạt tính kháng vi khuẩn rõ rệt so với phối tử gốc. Cơ chế tác dụng có thể liên quan đến khả năng của phức chất kim loại xâm nhập vào tế bào vi khuẩn và phá vỡ các cấu trúc sinh học quan trọng. Những kết quả này mở ra khả năng phát triển các loại thuốc chống vi khuẩn mới có hiệu quả cao.

4.2. Ứng dụng trong Xúc tác và Y dược

Phức chất kim loại benzamiđin được khảo sát cho các phản ứng xúc tác hóa học, đặc biệt là các phản ứng liên kết chéo C-C. Cấu trúc vuông phẳng của Paladi(II) là lý tưởng cho những ứng dụng này. Trong lĩnh vực y dược, khả năng liên kết DNA của phối tử benzamiđin làm cho các phức chất Paladi trở thành những ứng cử viên tiềm năng cho liệu pháp chống ung thư. Những ứng dụng này cần được khám phá thêm qua các thử nghiệm lâm sàng toàn diện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Benzamiđin hai càng là lớp phối tử vòng càng thông dụng chứa nhóm thioure, có công thức chung: Với R1, R2, R3 = H, ankyl, aryl. Hóa học phối trí của benzamiđin hai càng bắt đầu phát triển mạnh từ những năm 1980. Giống nhƣ các dẫn xuất chứa nhóm thioure khác, hợp chất của benzamiđin hai càng đƣợc quan tâm nhiều bởi hoạt tính sinh học của chúng. Cho đến nay, phức chất của chúng với các kim loại chuyển tiếp đã đƣợc nghiên cứu đầy đủ và hệ thống.

Nếu nhóm thế R3 có thêm một nguyên tử cho khác có khả năng tạo phức chất vòng càng thì phối tử này trở thành benzamiđin ba càng. Phức chất của benzamiđin ba càng với các kim loại chuyển tiếp chắc chắn sẽ hứa hẹn nhiều điều thú vị hơn so với benzamiđin hai càng. Mặc dù vậy, hiện nay phức chất của benzamiđin ba càng mới đƣợc nghiên cứu chủ yếu với Re và Tc [13-20]. Những nghiên cứu này tập trung trong lĩnh vực phát triển thuốc chứa đồng vị phóng xạ 188 Re và 99mTc.

Bên cạnh đó, ngƣời ta còn phát hiện khả năng ức chế sự phát triển tế bào ung thƣ vú ở ngƣời của benzamiđin ba càng dẫn xuất từ thiosemicacbazit và phức chất của nó với Renioxo(V) (ReO 3+) cao hơn hàng chục lần so với cis-platin [17]. Các phức chất benzamdin ba càng với các kim loại chuyển tiếp khác mới đƣợc nghiên cứu trong một vài năm trở lại đây, bao gồm: các phức chất của Ni(II), Cu(II) và Pd(II) với benzamiđin dẫn xuất từ aminometyl piridin; và phức chất của Au(III) với benzamiđin dẫn xuất từ thiosemicacbazit. Các phức chất này đều có hoạt tính sinh học tốt, có khả năng ức chế tế bào ung thƣ vú ở ngƣời tốt. 1 Lý do chọn đề tài Qua thống kê về tình hình nghiên cứu benzamiđin ba càng, có thể nói rằng hoá học phức chất của benzamiđin ba càng còn rất sơ khai.

Việc tổng hợp các hệ phối tử và nghiên cứu sự tạo phức của benzamiđin ba càng với kim loại chuyển tiếp còn thiếu tính hệ thống. Thêm vào đó hoạt tính sinh học của lớp hợp chất này có triển vọng tốt nhƣng chƣa đƣợc quan tâm nhiều. Phạm vi hƣớng nghiên cứu về benzamiđin ba càng rất rộng vì từ một khung phối tử ban đầu, tiến hành thay đổi các nhóm thế, sử dụng các amin khác nhau nhƣ amin kháng sinh, amin có hoạt tính sinh học mạnh trong các cây dƣợc liệu hoặc thay bằng các axit amin, các peptit nhỏ.là có thể thu đƣợc những phối tử có hoạt tính sinh học quý giá. Từ một phối tử tổng hợp đƣợc nhƣ vậy, tiến hành nghiên cứu tạo phức với các kim loại chuyển tiếp d dãy thứ nhất, thứ hai, thứ ba, các nguyên tố đất hiếm., tìm điều kiện tạo phức ở các nhiệt độ, dung môi, xúc tác.

Tất cả những nghiên cứu ấy sẽ làm cơ sở để lựa chọn những hoạt chất tốt nhất ứng dụng vào sản xuất thuốc chữa bệnh. Nội dung chính Nội dung bản luận văn này nhằm góp phần mở rộng các nghiên cứu về phức chất của benzamiđin ba càng với các kim loại chuyển tiếp; trong đó, phối tử benzamiđin ba càng đƣợc nghiên cứu là benzamiđin ba càng dẫn xuất từ thiosemicacbazit và ion trung tâm là ion Pd 2+. Các phức chất đƣợc tổng hợp dƣới dạng rắn, sau đó đƣợc xác định cấu trúc và thử khả năng ức chế tế bào ung thƣ vú. 2 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.

Giới thiệu về kim loại 1. Tính chất chung của Paladi Palađi là kim loại chuyển tiếp thuộc nhóm VIIIB, chu kì 5, nằm ở ô 46. Cấu hình electron là [Kr]4d105s0 [7]. Cấu hình electron của Pd nhƣ vậy là do sự chênh lệch mức năng lƣợng giữa 4d và 5s nhỏ hơn giữa 3d và 4s và điều này cũng tuân theo quy luật là các obitan có số lƣợng tử chính càng lớn thì mức năng lƣợng sẽ càng gần nhau.

Trong tự nhiên, Pd thƣờng tồn tại dƣới dạng tự sinh, hợp kim tự sinh hay các quặng sunfua, asenua [4]. Pd2+ là một axít mềm, điều này cho phép dự đoán Pd 2+ sẽ tạo phức tốt với các phối tử chứa bazơ mềm nhƣ S, N. Các mức oxi hóa có thể có của palađi là 0,[Pd(PPh3)3]; +1,[Pd2(PMe3)6]2+; +2,[Pd(CN)4]2-; +3,Pd2(hpp)4Cl2; +4,[PdCl6]2-; các mức oxi hóa thƣờng gặp là +2 và +4, trong đó mức +2 bền nhất, các hợp chất đơn giản và phức chất của Pd(II) đều bền. Các hợp chất đơn giản của Pd(IV) có tính oxi hóa cao, dễ chuyển hóa thành hợp chất Pd(II).

Các phức chất của Pd(IV) bền hơn so với hợp chất Pd(IV) đơn giản tuy nhiên số lƣợng của chúng tƣơng đối ít [4]. Khả năng tạo phức chất của Pd(II) Pd(II) có khuynh hƣớng vƣợt trội đối với sự tạo thành các phức chất vuông phẳng. Điều này là do tính chất đặc biệt của cấu hình electron d 8, nên không những chỉ Pd(II) mà cả những nguyên tố nằm cùng nhóm nhƣ Ni(II), Pt(II) cũng thể hiện khuynh hƣớng nhƣ vậy. Tuy nhiên, khuynh hƣớng đó ở Pd(II) còn mạnh hơn cả Ni(II), bởi lẽ lực trƣờng phối tử tăng lên nhiều khi chuyển từ nguyên tử trung tâm Ni(II) sang Pd(II) [7].

Sự tách mức năng lượng của các obitan d và sự sắp xếp electron của ion Pd2+ (d8) trong trường đối xứng bát diện, bát diện lệch và vuông phẳng. Đối với phức chất vuông phẳng của Pd(II), 8 electron đƣợc xếp trên 4 obitan dxz, dyz, dxy và d. Trạng thái này có năng lƣợng thấp hơn nhiều so với trạng thái 2 z trong phức chất bát diện lệch (hình 1. Các phức chất vuông phẳng của Pd (II) không có xu hƣớng kết hợp thêm phối tử thứ năm, trong khi nguyên tố Ni(II) cùng nhóm lại có xu hƣớng này.

Điều này dẫn đến cơ chế của phản ứng thế phối tử của các phức chất Pd(II) là S N1 trong khi cơ chế tƣơng ứng ở phức chất Ni(II) là SN2. Trong lý thuyết chung về cấu tạo phức chất, liên kết giữa phối tử với ion trung tâm không thuần túy là cộng hóa trị (thuyết VB) hay thuần túy ion (thuyết trƣờng tinh thể) mà nó là một sự tổ hợp phức tạp của liên kết ion và liên kết cộng hóa trị. Pd(II) có số lớp electron lớn nên chúng dễ bị phân cực hóa, dẫn đến bên cạnh hợp phần ion thì liên kết giữa Pd(II) với phối tử có sự đóng góp của hợp phần 4 cộng hóa trị nhiều hơn, điều này làm cho liên kết giữa Pd(II) với phối tử thƣờng bền hơn và khả năng tạo phức chất của Pd(II) cũng tốt. Năng lƣợng bền hóa trong trƣờng vuông phẳng của Pd(II) cao, nên chúng có khả năng thể hiện phức chất vuông phẳng cao, điều này thể hiện qua việc các tetrahalogenua của Pd(II) đều có cấu dạng vuông phẳng [6].

Cũng vì năng lƣợng bền hóa ở phức chất Pd(II) lớn nên tính trơ động học của nó cũng cao, việc áp dụng kết quả “ảnh hƣởng trans” vào việc điều chế các phức chất đó sẽ hiệu quả hơn. Một số phức chất điển hình của Pd(II) Phức chất của Pd(II) chủ yếu tồn tại dạng vuông phẳng, chẳng hạn: [Pd(NH3)4]2+,[Pd(NH3)2Cl2], [PdCl2]n, [Pd(CN)4]2-. Trong một số trƣờng hợp đặc biệt, phức chất Pd(II) có thể tồn tại dạng bát diện nhƣ [Pd(diars)2I2] hoặc lƣỡng chóp tam giác nhƣ [Pd(diars)2Cl]+. Các phức chất của Pd có độ bền cao của liên kết hóa học, do đó trơ về mặt động học.

Một trong những phức chất quan trọng và tan đƣợc là M[PdCl4] màu vàng. Vai trò sinh học của Palađi Các phức chất của Pt(II) đƣợc biết đên nhiều bởi hoạt tính sinh học và ứng dụng trong thuốc chữa nhiều loại ung thƣ khác nhau. Ví dụ nhƣ CisPlatin (phức chất dạng cis của Pt với hai phối tử NH3 và hai phối tử Cl) có tác dụng ức chế sự phát triển của tế bào ung thƣ; đƣợc sử dụng làm thuốc hóa trị liệu chống ung thƣ: tinh hoàn, đầu, cổ, tử cung, phổi và bàng quang. Cis Platin tạo thành các liên kết chéo bên trong và giữa các sợi DNA, nên làm thay đổi cấu trúc DNA và ức chế sự tổng hợp DNA.

PdCl2 đã từng đƣợc dùng để điều trị bệnh lao, tuy nhiên nó có nhiều tác dụng phụ tiêu cực vì thế sau này ngƣời ta thay thế PdCl2 bằng các loại thuốc khác. Giới thiệu về Benzamiđin 1. Benzamiđin hai càng Benzamiđin hai càng đầu tiên trên thế giới đƣợc tổng hợp thành công vào năm 1982 bởi L.Bayer và các cộng sự [10]. Kể từ đó, có rất nhiều công trình nghiên cứu về benzamiđin hai càng.

Các phối tử dạng này thƣờng đƣợc sử dụng trong quá trình tách chiết kim loại quý [12]. Nhiều phức chất benzamiđin có khả năng kháng nấm, kháng khuẩn cao. Để điều chế benzamiđin hai càng, thƣờng xuất phát từ benzamiđoyl clorua, khi cho benzamiđoyl clorua phản ứng với NH3 hay các amin bậc một sẽ thu đƣợc benzamiđin hai càng [10, 11]: Trong dung dịch, benzamiđin hai càng tồn tại ở một số dạng tautome nằm cân bằng với nhau, trong đó proton có thể định cƣ trên các nguyên tử N của khung benzamiđin hay trên nguyên tử S của nhóm thioure: Tuy nhiên ở trạng thái rắn, khi nghiên cứu cấu trúc đơn tinh thể của benzamiđin ngƣời ta thấy rằng nguyên tử H thƣờng liên kết với N(1), trong một số ít trƣờng hợp, nguyên tử H có thể định cƣ trên nguyên tử N(2) [10]. Sự tồn tại của đồng phân chứa nhóm thiol (-SH) ở trạng thái rắn chƣa đƣợc xác nhận.

Benzamiđin hai càng tạo phức chất vòng 6 cạnh bền với hầu hết kim loại chuyển tiếp qua nguyên tử cho là S và N. Phản ứng tạo phức chất thƣờng đi kèm với quá trình tách một proton của khung benzamiđin và phối tử lúc này mang điện 7 tích 1–, điện tích âm này không định cƣ trên một nguyên tử nào mà đƣợc giải tỏa trên năm nguyên tử phi kim của vòng chelat. Điều này làm tăng độ bền của các phức chất tạo thành [12]. Thực nghiệm đã xác định rằng benzamiđin hai càng có xu hƣớng tạo thành phức chất vuông phẳng ở dạng cis với các ion kim loại M2+ thuộc nhóm VIIIB (nhƣ Ni2+, Pd2+, Pt2+) và kể cả Cu2+.

Những tính toán lƣợng tử cũng cho thấy dạng cis bền hơn dạng trans [11]. Tuy nhiên do ảnh hƣởng của hiệu ứng không gian, khi nhóm thế R3 có kích thƣớc lớn thì sự tạo thành phức chất dạng trans lại chiếm ƣu thế. Trong một số trƣờng hợp, đặc biệt là phức chất của Ag + và Au+ với benzamiđin hai càng, chúng không tạo thành phức chất vòng càng mà ion trung tâm chỉ liên kết với phối tử qua nguyên tử S nhƣ những phối tử thioure đơn giản. Benzamiđin ba càng 1.

Benzamiđin ba càng Phải mất gần 30 năm sau kể từ khi các benzamiđin hai càng đầu tiên đƣợc tổng hợp, đến cuối năm 2008 những benzamiđin ba càng đầu tiên dẫn xuất từ 2- aminophenol, 2-(aminometyl)piriđin, axit antranilic, benzoylhiđrazin và thiosemicacbazit mới đƣợc công bố (hình 1.