Luận văn: Nghiên cứu phức chất Ni(II) với thiosemicacbazon pyruvic

Luận văn thạc sĩ trình bày quá trình tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc và hoạt tính sinh học của phức chất Ni(II) với dẫn xuất thiosemicacbazon pyruvic.

• Tác giả: Ngô Xuân Trường
• Người hướng dẫn: Pgs.Ts Trịnh Ngọc Châu
• Trường học: Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Tổng hợp và nghiên cứu phức chất của Ni(II) với một số dẫn xuất thế N(4)-thiosemicacbazon pyruvic
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiosemicacbazon và dẫn xuất của nó

Thiosemicacbazon là một loại ligand hữu cơ quan trọng trong hóa học phức chất, đặc biệt là trong các ứng dụng về tổng hợp và nghiên cứu phức chất với các kim loại chuyển tiếp như Ni(II). Các dẫn xuất thiosemicacbazon, bao gồm axit pyruvic thiosemicacbazon (H2thpy), N(4)-metyl thiosemicacbazon pyruvic (H2mthpy), N(4)-allyl thiosemicacbazon pyruvic (H2athpy), và N(4)-phenyl thiosemicacbazon pyruvic (H2pthpy), đã được phát triển với các tính chất hóa học và sinh học đặc biệt. Những hợp chất này có khả năng tạo thành các phức chất bền với Ni(II) thông qua việc phối hợp qua các nguyên tử nitơ và lưu huỳnh, tạo ra các cấu trúc đa càng. Nghiên cứu về thiosemicacbazon không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế phối hợp mà còn mở ra các ứng dụng tiềm năng trong y học và công nghệ.

1.1. Định nghĩa và cấu trúc của thiosemicacbazon

Thiosemicacbazon là những hợp chất chứa nhóm thiosemicacbazonid với công thức tổng quát có chứa liên kết C=N và S. Cấu trúc này cho phép chúng hoạt động như các ligand đơn hoặc đa giác khi phối hợp với các ion kim loại. Các đặc tính của thiosemicacbazon phụ thuộc vào các nhóm thế trên nguyên tử nitơ N(4), quyết định tính chất hóa học và sinh học của chúng.

1.2. Các dẫn xuất pyruvic thiosemicacbazon

Các dẫn xuất pyruvic thiosemicacbazon được tổng hợp từ axit pyruvic và các thiosemicacbazon khác nhau. Mỗi dẫn xuất (H2thpy, H2mthpy, H2athpy, H2pthpy) có các nhóm thế khác nhau, ảnh hưởng đến độ tan, tính ổn định và khả năng phối hợp với Ni(II). Những sự khác biệt này làm cho mỗi hợp chất có các tính chất độc đáo trong ứng dụng thực tiễn.

II. Phức chất Ni II với thiosemicacbazon Cơ chế phối hợp

Phức chất Ni(II) được tạo thành từ sự phối hợp giữa ion Ni(II) và các ligand thiosemicacbazon thông qua các nguyên tử cho electron. Niken là một kim loại chuyển tiếp có khả năng tạo phức mạnh, thường nhận vị trí phối hợp d8 trong các phức chất của nó. Các phức chất như Ni(thpy)NH3, Ni(mthpy)NH3, Ni(athpy)NH3 và Ni(pthpy)NH3 được tổng hợp bằng cách kết hợp muối Ni(II) với các phối tử thiosemicacbazon trong điều kiện kiểm soát. Cấu trúc ba chiều của những phức chất này được xác định thông qua các phương pháp phổ học như phổ hồng ngoại (IR), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), và phổ khối lượng (MS). Những phức chất này thể hiện tính ổn định cao và có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.

2.1. Cơ chế phối hợp và hình học phức chất

Ion Ni(II) phối hợp với thiosemicacbazon qua các nguyên tử nitơ và lưu huỳnh, tạo thành các phức chất dạng nhiều càng có hình học bát diện hoặc tứ diện. Sự phối hợp này được hỗ trợ bởi liên kết điều phối mạnh giữa nguyên tử kim loại và electron đôi từ ligand. Các phối tử NH3 thêm vào tăng cường tính ổn định của phức chất thông qua các tương tác bổ sung.

2.2. Tính ổn định và độc tính của phức chất

Phức chất Ni(II) - thiosemicacbazon thể hiện tính ổn định cao trong các dung môi khác nhau và ở các điều kiện pH khác nhau. Độ bền của các phức chất này làm chúng trở thành những ứng cử viên tốt cho các ứng dụng sinh học và y dược. Hoạt tính sinh học, đặc biệt là hoạt tính kháng vi sinh vật, của những phức chất này đã được kiểm định và cho thấy tiềm năng lâm sàng.

III. Các phương pháp nghiên cứu và đặc trưng hóa

Để đặc trưng hóa các phức chất Ni(II) - thiosemicacbazon, các nhà nghiên cứu sử dụng nhiều phương pháp phổ học hiện đại. Phổ hấp thụ hồng ngoại (IR) cung cấp thông tin về các nhóm chức năng và liên kết trong phức chất. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton (1H NMR) và phổ cộng hưởng từ carbon-13 (13C NMR) cho phép xác định cấu trúc chi tiết của các phối tử và phức chất. Phổ khối lượng (MS) xác định khối lượng phân tử và các mảnh vỡ đặc trưng. Ngoài ra, phân tích hàm lượng kim loại được thực hiện để xác minh thành phần hóa học của các phức chất. Các phương pháp này kết hợp với nhau cung cấp một bức tranh toàn diện về cấu trúc, tính ổn định và tính chất của các phức chất được tổng hợp.

3.1. Phổ hồng ngoại IR và phổ khối lượng MS

Phổ IR của phối tử H2thpy, H2mthpy, H2pthpy, H2athpy và các phức chất tương ứng cho thấy sự thay đổi đặc trưng trong các dải hấp thụ, đặc biệt là dải liên quan đến nhóm C=N, C=S và liên kết N-H. Phổ MS của các phức chất như Ni(mthpy)NH3 cung cấp thông tin về cường độ tương đối của các cụm pic đồng vị, giúp xác nhận cấu trúc phân tử.

3.2. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR

Phổ 1H NMR và phổ 13C NMR của các phối tử và phức chất cung cấp thông tin chi tiết về môi trường hóa học của các nguyên tử trong phân tử. Các tín hiệu cộng hưởng trong phổ NMR cho phép xác định các nhóm chức năng khác nhau và xác nhận sự phối hợp của ligand với Ni(II).

IV. Ứng dụng sinh học và triển vọng phát triển

Các phức chất Ni(II) với thiosemicacbazon đã được kiểm định hoạt tính kháng vi sinh vật và cho thấy hiệu quả cao chống lại các chủng vi sinh vật kiểm định khác nhau. Hoạt tính sinh học của những phức chất này phụ thuộc vào cấu trúc của phối tử, số lượng và loại nhóm thế trên nguyên tử nitôn N(4). Các dẫn xuất khác nhau (H2thpy, H2mthpy, H2athpy, H2pthpy) thể hiện các mức độ hoạt tính khác nhau, mở ra các khả năng để tối ưu hóa hiệu suất kháng khuẩn. Ngoài ứng dụng kháng vi sinh vật, những phức chất này cũng có tiềm năng trong các ứng dụng khác như chẩn đoán hình ảnh y tế, xúc tác hóa học, và các thử nghiệm độc tính sinh học. Những nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động ở cấp độ phân tử và phát triển các phức chất mới với hoạt tính sinh học được cải thiện.

4.1. Hoạt tính kháng vi sinh vật và kiểm định

Hoạt tính kháng vi sinh vật của các phối tử và phức chất Ni(II) được kiểm định đối với các chủng vi sinh vật khác nhau bao gồm vi khuẩn gram dương, gram âm và nấm. Phương pháp kiểm định hoạt tính kháng vi sinh vật tiêu chuẩn được sử dụng để đánh giá hiệu quả của các hợp chất. Kết quả cho thấy rằng phức chất thường có hoạt tính kháng khuẩn cao hơn so với phối tử tự do, chứng minh vai trò của kim loại Ni(II) trong tăng cường hoạt tính sinh học.

4.2. Triển vọng và hướng nghiên cứu tương lai

Các phức chất Ni(II) - thiosemicacbazon mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực hóa học dược phẩm, hóa học vô cơ y tế, và công nghệ sinh học. Những nghiên cứu tương lai nên tập trung vào việc phát triển các phối tử mới, tối ưu hóa điều kiện tổng hợp, và điều tra sâu hơn về cơ chế hoạt động sinh học của các phức chất này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Việc nghiên cứu các phức chất của thiosemicacbazit và thiosemicacbazon với các kim loại chuyển tiếp vẫn đang là lĩnh vực thu hút nhiều nhà hoá học, dược học, sinh – y học trong và ngoài nước. Các đề tài trong lĩnh vực này rất phong phú bởi sự đa dạng về thành phần, cấu tạo, kiểu phản ứng của các thiosemicacbazon. Người ta đã phát hiện hoạt tính diệt nấm, diệt khuẩn của thiosemicacbazit và các dẫn xuất thiosemicacbazon của nó [1,3]. Đặc biệt từ năm 1969, sau khi phát hiện phức chất cis-platin [Pt(NH3)2Cl2] có hoạt tính ức chế sự phát triển ung thư thì nhiều nhà hoá học và dược học chuyển sang nghiên cứu hoạt tính sinh học của các thiosemicacbazon cũng như phức chất của chúng.

Trong số các loại phức chất được nghiên cứu, phức chất của thiosemicacbazon và dẫn xuất của thiosemicacbazon đóng vai trò quan trọng [3,10,16,27]. Ngày nay, hàng năm có hàng trăm công trình nghiên cứu hoạt tính sinh học, đặc biệt là hoạt tính chống ung thư cảu các phức chất thiosemicacbazon và dẫn xuất của chúng được đăng trên các tạp chí Hoá học, Dược học, Y-sinh học….như Polyhedron, Inorganica Chimica Acta, Inorganic Biochemistry, European Journal of Medicinal Chemistry, Toxicology and Applied Pharmacology, Bioinorganic and Medicinal Chemistry, Journal of Inorganic Biochemistry… Các nghiên cứu hiện nay tập trung chủ yếu vào việc tổng hợp mới các thiosemicacbazon, dẫn xuất của thiosemicacbazon và phức chất của chúng với các ion kim loại khác nhau, nghiên cứu cấu tạo của phức chất sản phẩm bằng các phương pháp khác nhau và khảo sát hoạt tính sinh học của chúng. Trong một số công trình gần đây, ngoài hoạt tính sinh học người ta còn khảo sát một số tính chất khác của thiosemicacbazon như tính chất điện hoá, hoạt tính xúc tác, khả năng ức chế ăn mòn kim loại… Mục tiêu của việc khảo sát hoạt tính sinh học là tìm kiếm được các hợp chất có hoạt tính cao đồng thời đáp ứng tốt nhất các yêu cầu sinh – y học khác như không 1 Luận văn thạc sĩ – Tổng hợp và nghiên cứu Phức chất của độc, không gây hiệu ứng phụ, không gây hại cho các tế bào lành để dùng làm thuốc chữa bệnh cho người và vật nuôi. Xuất phát từ mục đích trên, em chọn đề tài: “Tổng hợp và nghiên cứu phức chất của Ni(II) với một số dẫn xuất thế N(4)-thiosemicacbazon pyruvic” 2 Luận văn thạc sĩ – Tổng hợp và nghiên cứu Phức chất của CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.

THIOSEMICACBAZIT VÀ DẪN XUẤT CỦA NÓ 1. Thiosemicacbazit và thiosemicacbazon Thiosemicacbazit là chất rắn kết tinh màu trắng, nóng chảy ở 181-1830C. Kết quả nghiên cứu nhiễu xạ tia X cho thấy phân tử có cấu trúc như sau: (1) H2N Gãc liªn MËt ®é ®iÖn tÝch (2) kÕt NH N(1) = -0.5 Trong đó các nguyên tử N(1), N(2), N(4), C, S cùng nằm trên một mặt phẳng. Ở trạng thái rắn, phân tử thiosemicacbazit có cấu hình trans (nguyên tử S nằm ở vị trí trans so với nhóm NH2 ) [1] Khi thay thế một nguyên tử hidro nhóm N (4)H2 bằng các gốc RH khác nhau ta thu được các dẫn xuất của thiosemicacbazit.

Ví dụ như N (4)-phenyl thiosemicacbazit, N(4)-allyl thiosemicacbazit, N(4)-metyl thiosemicacbazit,… Khi phân tử thiosemicacbazit hay sản phẩm thế của nó ngưng tụ với các hợp chất cacbonyl sẽ tạo thành các hợp chất thiosemicacbazon theo sơ đồ 1.) R R H C+ O + + H2N N NHR'' R' C N N NHR'' CH C R' S H O H S R R C N N NHR'' R' C N N NHR'' CH H2O C H R' H S OH H S Sơ đồ 1. Ngưng tụ thiosemicacbazit hay sản phẩm thế của nó với các hợp chất cacbonyl. 3 Luận văn thạc sĩ – Tổng hợp và nghiên cứu Phức chất của Phản ứng tiến hành trong môi trường axit theo cơ chế A N. Vì thế trong số các nguyên tử N có thiosemicacbazit cũng như dẫn xuất thế N (4) của nó chỉ có nguyên tử N(1) là mang điện tích âm nên trong điều kiện bình thường, phản ứng ngưng tụ chỉ xảy ra ở nhóm N(1)H2 hidrazin [4].

Phức chất của kim loại chuyển tiếp với các thiosemicabazit: Jesen là người đầu tiên nghiên cứu và tổng hợp các phức chất của thiosemicacbazit [1]. Trong phức chất của thiosemicacbazit với Cu(II) ông đã chỉ ra rằng: + Trong các hợp chất này thiosemicacbazit phối trí hai càng qua nguyên tử S và N của nhóm hidrazin (N(1)H2). + Trong quá trình tạo phức phân tử thiosemicacbazit có sự chuyển cấu hình từ trans sang cấu hình cis, đồng thời xảy ra sự chuyển nguyên tử H từ nhóm imin (- N(2)H) sang nguyên tử S và nguyên tử H này bị thay thế bởi kim loại. Do đó sự tạo thành phức phải xảy ra theo sơ đồ 1.2: NH NH2 2 N N M C H2N H2 C H2N S NH2 NH N N M S cis C C S NH2 H2N S NH2 NH 2 C HS N M D¹ng thion D¹ng thiol C N H2N H2N trans S Sơ đồ 1.

Sự tạo phức của thiosemicacbazit. Cũng trong nghiên cứu phức chất của Ni(II), Cu(II), Pt(II), Pd(II), Co(II) [13,16, 31] , Zn(II) [14] với thiosemicacbazit bằng các phương pháp từ hoá, phổ hấp thụ e, phổ hấp thụ hồng ngoại, các tác giả cũng đưa ra kết luận: liên kết giữa phân tử thiosemicacbazit với nguyên tử kim loại được thực hiện trực tiếp qua nguyên tử S 4 Luận văn thạc sĩ – Tổng hợp và nghiên cứu Phức chất của và nguyên tử N của nhóm N(1)H2; đồng thời khi tạo phức phân tử thiosemicacbazit tồn tại ở cấu hình cis. Theo các tài liệu [8, 13, 23], trong đa số các trường hợp thiosemicacbazit tồn tại ở cấu hình cis và đóng vai trò như một phối tử hai càng, như vậy có xu hướng thể hiện dung lượng phối trí bằng hai và liên kết được thực hiện qua nguyên tử S và N(1) của nhóm hidrazin. Để thực hiện sự phối trí kiểu này cần phải tiêu tốn năng lượng cho quá trình di chuyển nguyên tử H của nhóm N (2)H sang sang nguyên tử S.

Năng lượng này được bù trừ bởi năng lượng dư do việc tạo thêm một liên kết và hiệu ứng đóng vòng. Tuy nhiên trong một số ít các trường hợp do khó khăn về mặt lập thể, thiosemicacbazit đóng vai trò như một phối tử một càng và giữ nguyên cấu hình trans, khi đó liên kết được thực hiện qua nguyên tử S. Ví dụ điển hình về kiểu phối trí này ta có thể liệt kê là phức thiosemicacbazit của Ag(I), Cu(II), Co(II). Phức chất của kim loại chuyển tiếp với thiosemicacbazon: Hoá học phức chất của các kim loại chuyển tiếp với các thiosemicacbazon bắt đầu phát triển mạnh sau khi Domagk nhận thấy hoạt tính kháng khuẩn của một số thiosemicacbazon [41] Để làm sáng tỏ cơ chế tác dụng ấy của thiosemicacbazon người ta đã tổng hợp các phức chất của chúng với các kim loại và tiến hành thử hoạt tính kháng khuẩn của các hợp chất tổng hợp được.

Phức chất của thiosemicacbazon sở dĩ cũng được quan tâm nghiên cứu nhiều bởi tính đang dạng của các hợp chất cacbonyl bởi nó cho phép thay đổi trong một giới hạn rất rộng bản chất các nhóm chức cũng như cấu tạo hình học thiosemicacbazon. Cũng như thiosemicacbazit, các thiosemicacbazon có khuynh hướng thể hiện dung lượng phối trí cực đại. Nếu phần hợp chất cacbonyl không chứa nguyên tố có khả năng tham gia tạo phức thì phối tử đóng vai trò như phối tử hai càng giống thiosemicacbazit. 5 Luận văn thạc sĩ – Tổng hợp và nghiên cứu Phức chất của VD: thiosemicacbazon của benzanđehit, xyclohexanon axetophenon, octanal M N S N SH MN S N C N N H NH2 NH2 NH2 D¹ng thion D¹ng thiol Sơ đồ 1.

Sơ đồ tạo phức của thiosemicacbazon 2 càng (R: H, CH3, C2H5, C6H5….) Trong công trình nghiên cứu của mình, các tác giả [3,19,30] đã đưa ra cấu tạo của phức 2 càng giữa Pt(II) với N (4)-phenyl thiosemicacbazon furaldehit và phức giữa Pd(II) với N(4)-phenyl thiosemicacbazon 2-axetyl piridin như sau: NH NH S N S N N O N C S N C S H3C CH3 Pd Pt H H C N S C N S N S O N NH N S NH Phức của Pt(II) với N(4)-phenyl Phức của Pt(II) với N(4)- phenyl Nếu ở phần hợp chất cacbonyl có thêm nguyên tử có khả năng tham gia phối trí (D) và nguyên tử này được nối với nguyên tử N-hidrazin (N (1)) qua hai hay ba nguyên tử trung gian thì khi tạo phức phối tử này thường có khuynh hướng thể hiện như một phối tử ba càng với bộ nguyên tử cho là D, N (1), S. Một số phối tử loại này là các thiosemicacbazon hay dẫn xuất thiosemicacbazon của salixylanđehit (H 2thsa hay H2phthsa), isatin (H2this hay H2pthis), axetylaxeton (H2thac hay H2pthac), pyruvic (H2thpy hay H2pthpy)….Trong phức chất của chúng với các ion kim loại 6 Luận văn thạc sĩ – Tổng hợp và nghiên cứu Phức chất của Cu2+, Co2+, Ni2+, Pt2+….phối tử này tạo liên kết với bộ nguyên tử cho là O, S, N cùng với sự hình thành vòng 5 hoặc 6 cạnh [1,3,6]. Mô hình tạo phức của các phối tử thiosemicacbazon ba càng và các ví dụ cụ thể đã được các tác giả [1,3] xác định như sau: D D M M N N hoÆ Hoặc S c S N N NH NH2 2 H a) a') H3C O OH2 NH O Cl HC Ni O Cu Cl N S C N S Pt C N S H3C N C N H N NH2 C NH2 C NH2 H b) c) d) Hình 1.1: Mô hình tạo phức của thiosemicacbazon 3 càng và công thức cấu tạo của phức chất giữa thiosemicacbazon với một số kim loại chuyển tiếp. a, a') M« h×nh t¹o phøc cña thiosemicacbazon 3 cµng.

Phøc vu«ng ph¼ng Ni(thac). Phøc vu«ng ph¼ng Pt(Hthsa)Cl. Phøc vu«ng ph¼ng Cu(Hthis)Cl Nói chung, trong đa số các trường hợp, phần khung thiosemicacbazon đều tham gia phối trí qua hai nguyên tử cho là S và N (4) để tạo thành vòng 5 cạnh như mô hình dưới đây: 7 Luận văn thạc sĩ – Tổng hợp và nghiên cứu Phức chất của M M S N hoÆc Hoặc N S N N H NH2 NH2 Tuy nhiên, trong trường hợp tạo thành phức chất hỗn hợp với các phối tử khác, tuỳ thuộc vào kích thước không gian của phần hợp chất cacbonyl mà thiosemicacbazon có thể tạo thành các phức chất chứa vòng 4 hoặc 5 cạnh. Trong công trình nghiên cứu [43], tác giả đã tổng hợp được các phức chất của một số thiosemicacbazon với các kim loại họ platin như Ru, Os với phản ứng chung là: [M(bpy) X ] + Hthio NaClO4 22 [M(bpy) 2 (thio)]C4lO hoÆc -HX [M(PPh) X ] + Hthio [M(PPh2 ) (thio)] -HX; -PPh 3 2 2 3 Trong đó bpy là bipyridin, PPh3 là triphenylphotphat, X là Cl, Br; Hthio là thiosemicacbazon salixiandhit, các dẫn xuất của thiosemicacbazon benzandehit.

Tóm lại, trong đa số các trường hợp, các thiosemicacbazon luôn có xu hướng thể hiện số phối trí cực đại. Tuỳ vào phần hợp chất cacbonyl mà thiosemicacbazon có thể là phối tử 1 càng, 2 càng hay 3 càng.