Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ hóa học với đề tài "Tổng hợp và nghiên cứu cấu tạo của phức chất kim loại chuyển tiếp với một số phối tử thiosemicacbazon chứa hiđrocacbon đa vòng thơm" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Khuất Thị Thúy Hà, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Minh Hải và GS. Triệu Thị Nguyệt tại Bộ môn Hóa Vô cơ, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội (bảo vệ năm 2021, chuyên ngành Hóa Vô cơ, mã số 9440112.01).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Các hiđrocacbon đa vòng thơm (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons – PAH), tiêu biểu là antraxen và pyren, sở hữu các đặc tính quang lí đặc thù như hệ số hấp thụ cao và khả năng phát huỳnh quang mạnh. Khi kết hợp với các ion kim loại chuyển tiếp, các hợp chất chứa PAH có thể hình thành các tính chất quang lí mới như hiệu ứng phát xạ excime hoặc tăng cường phát xạ lân quang. Tuy nhiên, các hợp chất PAH nguyên bản gặp trở ngại lớn do độ tan kém trong nước và dung môi hữu cơ bởi tương tác $\pi$-$\pi$ liên phân tử mạnh, đồng thời dễ bị quang phân, đime hóa hoặc oxi hóa khi có ánh sáng.

Trong khi đó, phối tử thiosemicacbazon có khả năng phối trí linh hoạt qua các nguyên tử cho N và S, tạo ra các phức chất đơn nhân hoặc đa nhân với cấu trúc không gian đa dạng. Tại Việt Nam, các nghiên cứu trước đây về thiosemicacbazon chủ yếu tập trung vào hoạt tính sinh học (kháng nấm, kháng khuẩn, ức chế tế bào ung thư) và cảm biến quang học nhận biết ion. Hướng nghiên cứu kết hợp bộ khung thiosemicacbazon với các hợp phần PAH (antraxen, pyren) nhằm khảo sát cấu trúc phối trí và tính chất quang học vẫn còn hạn chế. Đặc biệt, các dẫn xuất thiosemicacbazon hai lần thế mạch vòng (vòng 5 cạnh tetrametylen và vòng 7 cạnh hexametylen) và phức chất của chúng với các kim loại chuyển tiếp cấu hình $d^8, d^9, d^{10}$ chưa từng được công bố.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận án được xác định cụ thể qua ba nội dung chính:

  1. Tổng hợp các phức chất kim loại chuyển tiếp (Ni(II), Pd(II), Cu(I), Cu(II), Zn(II)) với phối tử thiosemicacbazon một lần thế (metyl, etyl, phenyl) hoặc hai lần thế (tetrametylen, hexametylen) chứa hiđrocacbon đa vòng thơm như antraxen và pyren.
  2. Nghiên cứu thành phần, cấu trúc của phối tử và phức chất thu được bằng các phương pháp phổ khối lượng, phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton và nhiễu xạ tia X đơn tinh thể.
  3. Nghiên cứu tính chất quang học của một số phức chất Ni(II) và Pd(II) bằng phương pháp phổ hấp thụ điện tử, phổ phát xạ huỳnh quang và tính toán lý thuyết.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: 09 phối tử thiosemicacbazon chứa nhân antraxen và pyren (H-MeATSC, H-EtATSC, H-PhATSC, H-5cATSC, H-7cATSC, H-MePTSC, H-EtPTSC, H-5cPTSC, H-7cPTSC) và 28 phức chất của chúng với các ion kim loại chuyển tiếp Ni(II), Pd(II), Cu(I), Cu(II), Zn(II).
  • Phạm vi không gian: Thực hiện tại phòng thí nghiệm Bộ môn Hóa Vô cơ, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội.
  • Phạm vi nội dung và thời gian: Nghiên cứu tập trung vào tổng hợp hữu cơ - vô cơ, xác định cấu trúc phân tử ở trạng thái rắn và dung dịch, khảo sát phổ hấp thụ điện tử (UV-Vis), phổ phát xạ huỳnh quang (PL) trong dung môi $CH_2Cl_2$, cùng tính toán hóa học lượng tử bằng thuyết phiếm hàm mật độ (DFT). Công trình hoàn thành vào tháng 12 năm 2021.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Luận án đã hệ thống hóa các hướng nghiên cứu liên quan đến PAH, thiosemicacbazon và phức chất kim loại chuyển tiếp:

  • Phức chất chứa PAH: Nhóm nghiên cứu của Stang đã công bố cấu trúc lăng trụ tam giác $M_3L_2$ khi gắn hai nguyên tử Pt vào vị trí 1,8 của antraxen phối trí với polypyridin. Nhóm của Yip chứng minh cấu trúc đại phân tử hình chữ nhật chứa antraxen và các phức chất đa nhân, polime xoắn của Ag(I) với 9,10-bis(điphenylphotphin)antraxen. Hu và cộng sự tổng hợp các phức chất Pt(II) chứa nhân pyren phát xạ lân quang tại 620 nm nhờ hiệu ứng nguyên tử nặng làm tăng xác suất chuyển mức singlet-triplet. Các phức chất vòng kim loại của Cu(I) và Ag(I) chứa pyren được chứng minh có khả năng phát xạ excime tĩnh độc lập với nồng độ.
  • Phức chất thiosemicacbazon: Quá trình tạo phức thông qua nguyên tử S và N-azometin sau khi thiol hóa và deproton hóa thường tạo cấu hình trans do yếu tố lập thể. Tuy nhiên, Meng và cộng sự phát hiện phức chất vuông phẳng cis-Ni(II) với axetylferroxenyl thiosemicacbazon do tương tác $\pi$-$\pi$ nội phân tử (khoảng cách 3,47 Å). You và cộng sự tổng hợp phức chất cis-Ni(II), Pd(II) với 4,5-diazafloren-9-on thiosemicacbazon. Donnelly và cộng sự phát hiện kiểu phối trí vòng 4 cạnh qua N-thioamit ở phức chất Cu(II). Kiểu phối trí bất đối xứng 5-6-4 và 5-7-4 được tìm thấy ở phức chất Ni(II), Pd(II) với dẫn xuất bis(thiosemicacbazon). Nhóm Ashfield tổng hợp các cụm cluste sáu nhân ($Cu_6S_6$) và bốn nhân ($Cu_4S_4$) của Cu(I) phối trí qua S và N-thioamit.
  • Thiosemicacbazon chứa PAH và phức chất: H-ATSC được nghiên cứu gắn trên hạt nano vàng để kháng u, hoặc ứng dụng làm cảm biến huỳnh quang nhận biết $Cu^{2+}$ (cơ chế CHEF) và nhận biết anion $S_2O_8^{2-}$ (Kumbhar). H-PTSC nhận biết $Hg^{2+}$, H-PhPTSC nhận biết $F^-$. Beckford và cộng sự nghiên cứu dãy phức chất Ru(II) với H-ATSC, H-MeATSC, H-EtATSC, H-PhATSC kháng ung thư vú và trực tràng. Các phức chất Ga(III) (kháng tế bào HCT-116, Caco-2) và phức chất nửa-sandwich của Ru(II), Rh(III), Ir(III) (Therrien) cho thấy hoạt tính sinh học cao. Pal và cộng sự phát triển phức chất Pd(II) với H-MePTSC làm xúc tác đồng thể cho phản ứng ghép đôi Sonogashira.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Phần lớn các công trình trước đây chỉ khảo sát các phối tử thiosemicacbazon chứa PAH đơn giản với nhóm thế một lần ở N(4) (metyl, etyl, phenyl). Chưa có công bố nào về việc tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc của các phối tử thiosemicacbazon mang nhóm thế dị vòng no (vòng 5 cạnh tetrametyleniminyl: H-5cATSC, H-5cPTSC; vòng 7 cạnh hexametyleniminyl: H-7cATSC, H-7cPTSC) cũng như H-EtPTSC. Hơn nữa, ảnh hưởng của kích thước nhóm thế N(4) và bản chất nhân thơm (antraxen vs. pyren) đến sự định hình cấu trúc hình học (cis/trans, đối xứng/bất đối xứng, đơn nhân/đa nhân) và các tương tác yếu ($\pi$-$\pi$, C-H···$\pi$, C-H···S) trong phức chất kim loại chuyển tiếp cấu hình $d^8, d^9, d^{10}$ chưa được khảo sát một cách có hệ thống.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  • Hóa học phối trí và cơ chế tạo phức: Cân bằng tautome thion-thiol của nhóm thioamit; phản ứng ngưng tụ giữa anđehit thơm và thiosemicacbazit tạo bazơ Schiff; quá trình deproton hóa liên kết S-H tạo liên kết phối trí S-kim loại và N(azometin)-kim loại hình thành vòng phối trí 5 cạnh hoặc vòng phối trí 4 cạnh qua N-thioamit.
  • Lý thuyết quang lí phân tử: Trạng thái kích thích, chuyển mức điện tử $\pi \rightarrow \pi^$, $n \rightarrow \pi^$, cấu trúc dao động điện tử của nhân PAH, cơ chế phát quang monome, phát xạ excime động và excime tĩnh, hiệu ứng tăng cường phát xạ huỳnh quang do phối trí (CHEF).
  • Hóa học lượng tử tính toán: Thuyết phiếm hàm mật độ (DFT), tính toán tối ưu hóa cấu trúc và chênh lệch năng lượng tự do Gibbs $\Delta G^\circ = \Delta G^\circ_{\text{bđx}} - \Delta G^\circ_{\text{đx}}$ (kcal/mol) giữa các đồng phân cấu dạng bằng các bộ hàm và phương pháp B2PLYP-D2, DLPNO-CCSD(T).

Phương pháp thực nghiệm và công cụ phân tích

  1. Phổ khối lượng ion hóa phun điện tử (ESI-MS): Xác định khối lượng phân tử, pic ion giả phân tử $[M+H]^+$, $[M+Na]^+$ và dạng phân bố cụm pic đồng vị thực nghiệm so với lý thuyết.
  2. Phổ hấp thụ hồng ngoại (FT-IR): Khảo sát các dải dao động hóa trị đặc trưng: $\nu(C=N)$ của hợp phần azometin, $\nu(C=S)$ của dạng thion, $\nu(C-S)$ của dạng thiolat phối trí, và các dao động $\nu(N-H)$, $\nu(C-H)$.
  3. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton ($^1H$-NMR): Đo trong các dung môi $CDCl_3$, $DMSO-d_6$, $CD_2Cl_2$ nhằm xác định độ dịch chuyển hóa học ($\delta$, ppm), độ phân tách spin-spin ($J$, Hz), kiểm chứng trạng thái tạo phức qua sự biến mất của proton N(2)-H, và xác định cấu hình cis/trans dựa trên hiệu ứng chắn của các vòng thơm.
  4. Nhiễu xạ tia X đơn tinh thể (Single-crystal XRD): Xác định trực tiếp cấu trúc không gian 3 chiều, nhóm không gian tinh thể, độ dài liên kết (Å), góc liên kết ($^\circ$), góc nhị diện, cấu hình hình học (vuông phẳng, tứ diện, cụm đa nhân) và mạng lưới liên kết yếu ($\pi$-$\pi$, C-H···$\pi$, C-H···S, liên kết hiđro).
  5. Quang phổ hấp thụ điện tử (UV-Vis) và Phổ phát xạ huỳnh quang (PL): Đo trong dung môi $CH_2Cl_2$ ở nhiệt độ phòng để xác định các cực đại hấp thụ ($\lambda_{\text{max}}$, nm), hệ số hấp thụ phân tử ($\varepsilon$), bước sóng phát xạ huỳnh quang và cấu trúc dao động điện tử.

Nguồn tư liệu và hóa chất

  • Hóa chất ban đầu gồm 4-metylthiosemicacbazit (97%), 4-etylthiosemicacbazit (97%), 4-phenylthiosemicacbazit (99%) từ Sigma-Aldrich; 9-antrađehit (98%), 1-pyrencacboxanđehit (99%) từ Alfa Aesar; muối $NiCl_2\cdot 2H_2O$ (98%) từ Aladdin Chemicals; các thiosemicacbazit đóng vòng (3-tetrametyleniminylthiosemicacbazit và 3-hexametyleniminylthiosemicacbazit) được tổng hợp theo quy trình công bố. Dung môi hữu cơ (etanol, metanol, axeton, n-hexan, $CH_2Cl_2$, $CHCl_3$, trietylamin, DMF, DMSO) được tinh chế và chưng cất trước khi sử dụng.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Chương 1 trình bày tổng quan lý thuyết về ba nội dung chính:

  • Đặc điểm của PAH: Cấu tạo mặt phẳng liên hợp của antraxen ($C_{14}H_{10}$) và pyren ($C_{16}H_{10}$); các tính chất quang phổ UV-Vis và huỳnh quang đặc trưng; các phản ứng quang hóa như phản ứng đime hóa của antraxen dưới ánh sáng tử ngoại tạo liên kết C-C mới, phản ứng Diels-Alder với oxi tạo endopeoxit; hiện tượng phát xạ monome (300–400 nm) và phát xạ excime động/tĩnh (400–500 nm, khoảng cách $\sim 3,5\text{ \AA}$) của pyren.
  • Hóa học phối trí của thiosemicacbazit và thiosemicacbazon: Khả năng chuyển hóa tautome thion-thiol; phản ứng ngưng tụ chọn lọc tại vị trí N(1) mang tính nucleophin mạnh nhất; các kiểu phối trí một càng (qua S), hai càng (qua S và N-azometin), ba càng và phối trí tạo vòng 4 cạnh qua N-thioamit.
  • Tổng quan các công trình về thiosemicacbazon chứa PAH: Tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước về phức chất kim loại của H-ATSC, H-PTSC với Cu(II), Ru(II), Ga(III), Rh(III), Ir(III), Pd(II) trong ứng dụng cảm biến ion, ức chế tế bào ung thư (HeLa, MCF-7, HCT-116, A-549) và xúc tác phản ứng Sonogashira.

CHƯƠNG 2: KĨ THUẬT THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm và điều kiện đo đạc:

  • Tổng hợp phối tử: Phản ứng ngưng tụ giữa anđehit thơm (9-antrađehit hoặc 1-pyrencacboxanđehit, 1,50 mmol) với các dẫn xuất thiosemicacbazit tương ứng (1,50 mmol) trong hỗn hợp dung môi nước/etanol có axit hóa bằng HCl (pH 1–2) ở 50 °C trong 1,0 giờ. Sản phẩm kết tủa được lọc, rửa bằng nước, cồn và n-hexan nóng.
  • Tổng hợp phức chất và kỹ thuật nuôi tinh thể: Phản ứng tạo phức giữa phối tử với các muối kim loại chuyển tiếp (Ni(II), Pd(II), Cu(I), Cu(II), Zn(II)) với tỉ lệ mol thích hợp có mặt bazơ trietylamin để hỗ trợ quá trình deproton hóa; sử dụng phương pháp khuếch tán bay hơi chậm dung môi ($CH_2Cl_2$/hexan, $CHCl_3$/metanol) để kết tinh đơn tinh thể phục vụ đo tia X.
  • Mô tả chi tiết phương pháp phân tích: Điều kiện vận hành các thiết bị đo phổ ESI-MS, FT-IR, $^1H$-NMR, thiết bị nhiễu xạ tia X đơn tinh thể, quang phổ kế UV-Vis và PL, cùng phương pháp tính toán hóa học lượng tử DFT.

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 3 là phần trọng tâm của luận án, trình bày kết quả phân tích cấu tạo và tính chất của 37 hợp chất gồm 09 phối tử và 28 phức chất kim loại chuyển tiếp:

STT Kí hiệu hợp chất Tên gọi hóa học / Dạng hình học Cấu hình / Kiểu phối trí
1 H-MeATSC 9-anthraldehyde 4-methyl-3-thiosemicarbazone Phối tử tự do
2 H-EtATSC 9-anthraldehyde 4-ethyl-3-thiosemicarbazone Phối tử tự do
3 H-PhATSC 9-anthraldehyde 4-phenyl-3-thiosemicarbazone Phối tử tự do
4 H-5cATSC 9-anthraldehyde 3-tetramethyleneiminylthiosemicarbazone Phối tử tự do
5 H-7cATSC 9-anthraldehyde 3-hexamethyleneiminylthiosemicarbazone Phối tử tự do
6 H-MePTSC 1-pyrenecarboxaldehyde 4-methyl-3-thiosemicarbazone Phối tử tự do
7 H-EtPTSC 1-pyrenecarboxaldehyde 4-ethyl-3-thiosemicarbazone Phối tử tự do
8 H-5cPTSC 1-pyrenecarboxaldehyde 3-tetramethyleneiminylthiosemicarbazone Phối tử tự do
9 H-7cPTSC 1-pyrenecarboxaldehyde 3-hexamethyleneiminylthiosemicarbazone Phối tử tự do
10 Ni-MeATSC cis-nickel(II) bis(9-anthraldehyde 4-methyl-3-thiosemicarbazone) cis-vuông phẳng
11 Ni-EtATSC cis-nickel(II) bis(9-anthraldehyde 4-ethyl-3-thiosemicarbazone) cis-vuông phẳng
12 Ni-PhATSC cis-nickel(II) bis(9-anthraldehyde 4-phenyl-3-thiosemicarbazone) cis-vuông phẳng
13 Ni-5cATSC cis-nickel(II) bis(9-anthraldehyde 3-tetramethyleneiminylthiosemicarbazone) cis-vuông phẳng
14 Ni-7cATSC cis-nickel(II) bis(9-anthraldehyde 3-hexamethyleneiminylthiosemicarbazone) cis-vuông phẳng
15 Ni-MePTSC cis-nickel(II) bis(1-pyrenecarboxaldehyde 4-methyl-3-thiosemicarbazone) cis-vuông phẳng
16 Ni-EtPTSC trans-nickel(II) bis(1-pyrenecarboxaldehyde 4-ethyl-3-thiosemicarbazone) trans-vuông phẳng
17 Ni-5cPTSC cis-nickel(II) bis(1-pyrenecarboxaldehyde 3-tetramethyleneiminylthiosemicarbazone) cis-vuông phẳng
18 Ni-7cPTSC cis-nickel(II) bis(1-pyrenecarboxaldehyde 3-hexamethyleneiminylthiosemicarbazone) cis-vuông phẳng
19 Pd-MeATSC trans-palladium(II) bis(9-anthraldehyde 4-methyl-3-thiosemicarbazone) trans-vuông phẳng
20 Pd-EtATSC trans-palladium(II) bis(9-anthraldehyde 4-ethyl-3-thiosemicarbazone) trans-vuông phẳng
21 Pd-PhATSC trans-palladium(II) bis(9-anthraldehyde 4-phenyl-3-thiosemicarbazone) trans-vuông phẳng
22 Pd-5cATSC trans-palladium(II) bis(9-anthraldehyde 3-tetramethyleneiminylthiosemicarbazone) trans-vuông phẳng
23 Pd-7cATSC trans-palladium(II) bis(9-anthraldehyde 3-hexamethyleneiminylthiosemicarbazone) trans-vuông phẳng
24 Pd-MePTSC cis-palladium(II) bis(1-pyrenecarboxaldehyde 4-methyl-3-thiosemicarbazone) cis-vuông phẳng
25 Pd-EtPTSC cis-palladium(II) bis(1-pyrenecarboxaldehyde 4-ethyl-3-thiosemicarbazone) cis-vuông phẳng
26 Pd-7cPTSC cis-palladium(II) bis(1-pyrenecarboxaldehyde 3-hexamethyleneiminylthiosemicarbazone) cis-vuông phẳng
27 Cu(I)-MeATSC copper(I) cluste (dạng sáu nhân $Cu_6S_6$ và bốn nhân $Cu_4S_4$) Cluste đa nhân
28 Cu(I)-EtATSC copper(I) cluste (dạng sáu nhân $Cu_6S_6$ và bốn nhân $Cu_4S_4$) Cluste đa nhân
29 Cu(II)-5cATSC copper(II) bis(9-anthraldehyde 3-tetramethyleneiminylthiosemicarbazone) Vuông phẳng
30 Cu(II)-7cATSC trans-copper(II) bis(9-anthraldehyde 3-hexamethyleneiminylthiosemicarbazone) trans-vuông phẳng
31 Cu(II)-7cPTSC trans-copper(II) bis(1-pyrenecarboxaldehyde 3-hexamethyleneiminylthiosemicarbazone) trans-vuông phẳng
32 Zn-PhATSC zinc(II) bis(9-anthraldehyde 4-phenyl-3-thiosemicarbazone) Tứ diện
33 Zn-5cATSC zinc(II) bis(9-anthraldehyde 3-tetramethyleneiminylthiosemicarbazone) Tứ diện
34 Zn-7cATSC zinc(II) bis(9-anthraldehyde 3-hexamethyleneiminylthiosemicarbazone) Tứ diện

1. Phân tích phổ khối lượng (ESI-MS) và phổ hồng ngoại (FT-IR)

  • Phổ ESI-MS của các phức chất ghi nhận các pic ion phân tử phù hợp với công thức dự kiến, đồng thời cụm pic đồng vị thực nghiệm hoàn toàn trùng khớp với tính toán lý thuyết.
  • Phổ IR của các phối tử tự do thể hiện các dao động $\nu(C=N)$ ở vùng $1580–1620\text{ cm}^{-1}$ và $\nu(C=S)$ ở vùng $800–850\text{ cm}^{-1}$. Khi tạo phức chất, dải $\nu(C=N)$ dịch chuyển về phía số sóng thấp hơn do sự phối trí của nguyên tử N-azometin; dải $\nu(C=S)$ biến mất hoặc dịch chuyển mạnh, đồng thời xuất hiện dao động $\nu(C-S)$ ở vùng số sóng thấp hơn, minh chứng phối tử tồn tại ở dạng thiolat deproton hóa.

2. Phân tích phổ cộng hưởng từ proton ($^1H$-NMR)

  • Trên phổ $^1H$-NMR của các phối tử tự do, proton N(2)-H xuất hiện dưới dạng mũi đơn ở vùng trường thấp ($\delta = 9,5–12,0\text{ ppm}$). Tín hiệu này hoàn toàn biến mất trong phổ của các phức chất Ni(II), Pd(II), Zn(II), Cu(I), khẳng định quá trình thiol hóa và tách proton khi tạo phức.
  • Tín hiệu proton của nhân PAH (antraxen: 7,4–9,7 ppm; pyren: 7,6–9,6 ppm) và proton azometin (-CH=N-) dịch chuyển có quy luật. Trong các phức chất cis-Ni(II), do hai mặt phẳng PAH nằm song song và che chắn lẫn nhau, các proton nhân thơm chịu hiệu ứng chắn mạnh làm dịch chuyển về phía trường cao so với phối tử tự do.

3. Cấu trúc tia X đơn tinh thể và tương tác không liên kết

  • Cấu trúc phối tử: Khung thiosemicacbazon duy trì tính đồng phẳng cao với nhân PAH. Tinh thể phối tử tự do được bền hóa bởi các tương tác xếp chồng $\pi$-$\pi$, tương tác C-H···$\pi$, và cấu trúc dạng xương cá (herringbone) đối với H-EtPTSC.
  • Phức chất Ni(II): Hầu hết các phức chất Ni(II) (với cả antraxen và pyren) đều kết tinh ở dạng cấu hình cis-vuông phẳng biến dạng (Ni-MeATSC, Ni-EtATSC, Ni-PhATSC, Ni-5cATSC, Ni-7cATSC, Ni-MePTSC, Ni-5cPTSC, Ni-7cPTSC), được bền hóa bởi tương tác $\pi$-$\pi$ nội phân tử giữa hai vòng PAH định hướng gần như song song. Ngoại lệ duy nhất là Ni-EtPTSC kết tinh ở cấu hình trans-vuông phẳng.
  • Phức chất Pd(II): Thể hiện sự phân hóa rõ rệt: Các phức chất chứa antraxen (Pd-MeATSC, Pd-EtATSC, Pd-PhATSC, Pd-5cATSC, Pd-7cATSC) kết tinh ở cấu hình trans-vuông phẳng (được bền hóa bởi tương tác C-H···S hoặc cấu dạng cánh bướm); trong khi các phức chất chứa pyren (Pd-MePTSC, Pd-EtPTSC, Pd-7cPTSC) lại ưu tiên cấu hình cis-vuông phẳng.
  • Phức chất Cu(I): Phản ứng của Cu(I) với phối tử thiosemicacbazon chứa antraxen tạo ra các hợp chất cluste đa nhân: dạng sáu nhân mang lõi trung tâm $Cu_6S_6$ và dạng bốn nhân mang lõi $Cu_4S_4$. Các nguyên tử Cu(I) có số phối trí 3, liên kết qua nguyên tử S cầu nối và N-thioamit.
  • Phức chất Cu(II) và Zn(II): Phức Cu(II) (Cu(II)-7cATSC, Cu(II)-7cPTSC) có cấu trúc trans-vuông phẳng; phức Zn(II) (Zn-PhATSC, Zn-5cATSC, Zn-7cATSC) có cấu trúc tứ diện biến dạng điển hình của ion trung tâm cấu hình $d^{10}$.

4. Tính toán hóa học lượng tử và quang phổ học (UV-Vis, PL)

  • Tính toán DFT xác định năng lượng tự do Gibbs ($\Delta G^\circ$) giải thích độ bền tương đối của dạng đối xứng và bất đối xứng ở các phức chất Pd(II), cũng như sự ưu tiên cấu hình cis ở phức chất Ni(II).
  • Phổ hấp thụ UV-Vis của các hợp chất chứa antraxen trong $CH_2Cl_2$ thể hiện các dải hấp thụ trong vùng 300–400 nm; các hợp chất chứa pyren hấp thụ trong vùng 310–380 nm với cấu trúc dao động điện tử rõ nét.
  • Phổ phát xạ huỳnh quang ghi nhận huỳnh quang màu xanh da trời đến xanh lá cây. Sự phối trí với ion kim loại chuyển tiếp ($Ni^{2+}, Pd^{2+}$) làm biến đổi cường độ và dịch chuyển vị trí cực đại phát xạ do tương tác chuyển điện tích giữa kim loại và phối tử (MLCT/LMCT) cùng sự thay đổi cấu trúc không gian của hệ liên hợp $\pi$.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về lý luận và thực tiễn

  1. Tổng hợp thành công hệ thống phối tử và phức chất mới: Đã tổng hợp và đặc trưng đầy đủ 09 phối tử thiosemicacbazon chứa nhân antraxen và pyren (trong đó có 05 phối tử mới chứa nhóm thế vòng 5 cạnh H-5cATSC, H-5cPTSC, vòng 7 cạnh H-7cATSC, H-7cPTSC và H-EtPTSC) cùng 28 phức chất kim loại chuyển tiếp Ni(II), Pd(II), Cu(I), Cu(II), Zn(II).
  2. Phát hiện quy luật lập thể bất thường trong hóa học phối trí: Chứng minh sự chi phối của tương tác $\pi$-$\pi$ nội phân tử giữa các nhân PAH dẫn đến sự hình thành ưu tiên cấu hình cis-vuông phẳng ở các phức chất Ni(II) (khác biệt với xu hướng tạo cấu hình trans thông thường do hiệu ứng lập thể của phối tử hai càng). Đồng thời chỉ ra sự phân hóa cấu hình ở phức chất Pd(II) (trans đối với dẫn xuất antraxen và cis đối với dẫn xuất pyren).
  3. Xác định các cấu trúc cụm đa nhân Cu(I): Khẳng định khả năng tự tập hợp của phối tử thiosemicacbazon chứa antraxen với Cu(I) tạo thành các cụm cluste đa nhân $Cu_6S_6$ và $Cu_4S_4$ có độ bền cao trong không khí.
  4. Làm sáng tỏ mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất quang lí: Kết hợp dữ kiện tinh thể tia X, quang phổ thực nghiệm (UV-Vis, PL, $^1H$-NMR) và tính toán nhiệt động hóa học lượng tử (B2PLYP-D2, DLPNO-CCSD(T)) để giải thích cơ chế bền hóa cấu trúc và biến đổi quang phổ của các phức chất kim loại chứa PAH.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất ứng dụng các phức chất Ni(II), Pd(II), Zn(II) chứa antraxen và pyren vào nghiên cứu chế tạo vật liệu phát quang, điốt phát quang hữu cơ (OLED) và cảm biến quang học nhờ độ bền cấu trúc và tính chất phát xạ huỳnh quang.
  • Khuyến nghị tiếp tục khảo sát hoạt tính xúc tác đồng thể của các phức chất Pd(II) trong các phản ứng tổng hợp hữu cơ (ghép đôi C-C) và khảo sát hoạt tính sinh học ức chế tế bào ung thư của các phức chất Cu(I), Cu(II), Zn(II).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Các phép đo quang phổ hấp thụ và phát xạ huỳnh quang trong luận án mới chỉ được thực hiện trong dung môi $CH_2Cl_2$ ở nhiệt độ phòng đối với một số đại diện phức chất Ni(II) và Pd(II); chưa mở rộng đo đạc trên nhiều hệ dung môi có độ phân cực khác nhau hoặc ở trạng thái màng rắn.
  • Luận án chưa đo đạc hiệu suất lượng tử huỳnh quang tuyệt đối ($\Phi_F$) và thời gian sống huỳnh quang ($\tau$) cho toàn bộ dãy phức chất.
  • Hoạt tính sinh học (kháng khuẩn, ức chế tế bào ung thư) và hoạt tính xúc tác của các phức chất mới tổng hợp chưa được thử nghiệm thực nghiệm trực tiếp trong khuôn khổ luận án.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng nghiên cứu tính chất quang vật lý ở trạng thái rắn, màng mỏng và khảo sát hiện tượng phát xạ lân quang ở nhiệt độ thấp (77 K).
  • Thử nghiệm hoạt tính sinh học in vitro của các phức chất kim loại chuyển tiếp mới đối với các dòng tế bào ung thư và vi sinh vật kiểm định.
  • Nghiên cứu ứng dụng các phức chất Pd(II) làm xúc tác cho các phản ứng ghép đôi Suzuki-Miyaura, Sonogashira và Heck.
  • Khảo sát khả năng tạo phức với các kim loại chuyển tiếp nhóm platin khác như Pt(II), Ru(II), Ir(III).

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị khoa học cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Hóa Vô cơ, Hóa Phức chất: Cung cấp quy trình tổng hợp chi tiết các phối tử thiosemicacbazon chứa vòng thơm lớn và phương pháp luận trong việc giải đoán cấu trúc tinh thể tia X, quy gán phổ cộng hưởng từ hạt nhân $^1H$-NMR của các phức chất kim loại chuyển tiếp có cấu trúc không gian phức tạp.
  • Các nhà nghiên cứu Hóa Lý thuyết và Hóa học Vật liệu: Cung cấp số liệu tinh thể học chuẩn xác (độ dài liên kết, góc liên kết, tương tác không liên kết $\pi$-$\pi$, C-H···$\pi$, C-H···S) và phương pháp tính toán hóa học lượng tử DFT/DLPNO-CCSD(T) để khảo sát nhiệt động học các đồng phân hình học.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Chương 2 (kỹ thuật tổng hợp và nuôi đơn tinh thể) và Chương 3 (phân tích chi tiết cấu trúc tia X, phổ $^1H$-NMR và mối tương quan giữa tương tác nội phân tử với cấu hình cis/trans của phức chất Ni(II), Pd(II)).

Câu hỏi thường gặp

1. Phối tử thiosemicacbazon trong luận án phối trí với các kim loại chuyển tiếp theo những kiểu cấu trúc nào?
Phối tử phối trí chủ yếu theo dạng hai càng qua nguyên tử S (dạng thiolat deproton hóa) và nguyên tử N-azometin tạo vòng phối trí 5 cạnh trong các phức chất đơn nhân Ni(II), Pd(II), Cu(II), Zn(II). Ngoài ra, trong các phức chất cluste đa nhân Cu(I) ($Cu_6S_6$ và $Cu_4S_4$), phối tử liên kết qua nguyên tử S cầu nối và nguyên tử N-thioamit.

2. Vì sao đa số phức chất Ni(II) với phối tử chứa antraxen và pyren lại ưu tiên cấu hình cis-vuông phẳng thay vì cấu hình trans?
Thông thường, phối tử thiosemicacbazon ưu tiên cấu hình trans để giảm thiểu lực đẩy lập thể. Tuy nhiên, ở các phức chất Ni(II) chứa hợp phần PAH, hai mặt phẳng thơm (antraxen hoặc pyren) có diện tích liên hợp lớn được giữ ở vị trí gần nhau, tạo ra tương tác xếp chồng $\pi$-$\pi$ nội phân tử mạnh mẽ. Lực hút từ tương tác $\pi$-$\pi$ này bù trừ lực cản lập thể và làm cho cấu hình cis bền vững hơn về mặt năng lượng.

3. Sự khác biệt về cấu hình hình học giữa phức chất Pd(II) chứa antraxen và Pd(II) chứa pyren là gì?
Các phức chất Pd(II) chứa nhân antraxen ưu tiên kết tinh ở cấu hình trans-vuông phẳng (được bền hóa bởi tương tác C-H···S liên phân tử hoặc cấu dạng cánh bướm), trong khi các phức chất Pd(II) chứa nhân pyren lại ưu tiên cấu hình cis-vuông phẳng nhờ tương tác $\pi$-$\pi$ nội phân tử giữa hai mặt phẳng pyren.

4. Cấu trúc của phức chất Cu(I) với phối tử thiosemicacbazon chứa antraxen có đặc điểm gì đặc biệt?
Phức chất Cu(I) không tồn tại ở dạng đơn nhân mà tự tập hợp thành các hợp phần cluste đa nhân gồm dạng sáu nhân mang lõi $Cu_6S_6$ và dạng bốn nhân mang lõi $Cu_4S_4$. Các nguyên tử Cu(I) thể hiện số phối trí 3 và các phức chất này rất bền, không bị oxi hóa thành Cu(II) khi để ngoài không khí.

5. Phương pháp tính toán lý thuyết nào đã được sử dụng để so sánh độ bền các dạng cấu trúc trong luận án?
Tác giả đã sử dụng thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) với các bộ hàm và phương pháp B2PLYP-D2 cùng DLPNO-CCSD(T) để tính toán chênh lệch năng lượng tự do Gibbs $\Delta G^\circ = \Delta G^\circ_{\text{bđx}} - \Delta G^\circ_{\text{đx}}$ (kcal/mol), từ đó khẳng định dạng cấu trúc ưu tiên tạo thành trong thực nghiệm.


Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Khuất Thị Thúy Hà đã tổng hợp thành công và xác định cấu trúc toàn diện của 09 phối tử thiosemicacbazon chứa nhân antraxen/pyren cùng 28 phức chất kim loại chuyển tiếp Ni(II), Pd(II), Cu(I), Cu(II), Zn(II). Công trình đã làm sáng tỏ quy luật cấu hình hình học đặc thù (cis/trans, đơn nhân/đa nhân) bị chi phối bởi tương tác $\pi$-$\pi$ nội phân tử và kích thước nhóm thế N(4)-thioamit thông qua nhiễu xạ tia X, phổ $^1H$-NMR và tính toán lượng tử DFT. Các kết quả thực nghiệm về cấu trúc tinh thể và đặc tính quang phổ đã bổ sung có hệ thống dữ liệu khoa học giá trị vào lĩnh vực hóa học phức chất của các phối tử chứa hiđrocacbon đa vòng thơm tại Việt Nam.