Khóa luận Tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc và thử hoạt tính sinh học của phức Co2+ với 5-Bromosalicylaldehyde thiosemicarbazone

niệm về phức chất [5, 6] Khi các nguyên tố hoá học riêng biệt kết hợp với nhau thì tạo thành các hợp chất đơn giản, hay các hợp chất bậc nhất, ví dụ các oxit (K2O, Al2O3, ZnO,...), các halogenua (BaCl2, KBr, CaF2,...). Những hợp chất đơn giản lại có thể kết hợp với nhau tạo thành hợp chất bậc cao, ví dụ Cu(NH3)4Br2 (CuCl2.4NH3); K3Fe(CN)6 [Fe(CN)3.3KCN]... Gọi chúng là các hợp chất phân tử để nhấn mạnh rằng ở đây không phải là các nguyên tử hay các gốc, mà là các phân tử kết hợp với nhau. Cấu tạo của chúng không được giải thích thỏa đáng trong khuôn khổ của thuyết hóa trị cổ điển. Có một vấn đề đặt ra là trong số các hợp chất phân tử thì hợp chất nào được gọi là hợp chất phức (phức chất). Theo A. Werner, tác giả của thuyết phối trí thì “phức chất là hợp chất phân tử bền trong dung dịch nước, không phân huỷ hoặc chỉ phân huỷ rất ít ra các hợp phần tạo thành hợp chất đó”. Trong lịch sử phát triển của hoá học phức chất đã có nhiều định nghĩa về phức chất của các tác giả khác nhau. Tác giả của các định nghĩa này thường thiên về việc nhấn mạnh tính chất này hay tính chất khác của phức chất, đôi khi dựa trên dấu hiệu về thành phần hoặc về bản chất của lực tạo phức. Sở dĩ chưa có được định nghĩa thật thoả đáng về khái niệm phức chất vì trong nhiều trường hợp không có ranh giới rõ rệt giữa hợp chất đơn giản và phức chất. Một hợp chất, tuỳ thuộc vào điều kiện nhiệt động, khi thì được coi là hợp chất đơn giản, khi thì lại được coi là phức chất. Chẳng hạn, NaCl ở trạng thái hơi gồm các đơn phân tử NaCl, nhưng ở trạng thái tinh thể, thì như phép phân tích cấu trúc bằng tia X đã chỉ rõ, nó là phức chất cao phân tử (NaCl)n, trong đó mỗi ion Na+ được phối trí một cách đối xứng kiểu bát diện bởi 6 ion Cl–, và mỗi ion Cl– được phối trí tương tự bởi 6 ion Na+. Để ít nhiều có thể phân rõ ranh giới tồn tại của phức chất có thể đưa ra định nghĩa sau đây của A. Grinbe: • Phức chất là những hợp chất phân tử xác định, khi kết hợp các hợp phần của chúng lại thì tạo thành các ion phức tạp tích điện dương hay âm, có khả năng tồn tại ở dạng tinh thể cũng như ở trong dung dịch. Trong trường hợp riêng, điện tích của ion phức tạp đó có thể bằng không. • Định nghĩa này tất nhiên cũng chưa thật hoàn hảo vì bao gồm cả các oxiaxit kiểu H2SO4 và các muối sunfat. Điều này không phải là nhược điểm, vì về một số mặt có thể coi các hợp chất này là phức chất. 1.2. Danh pháp [5, 6] Trước Werner, tên của phức chất không được gọi theo một quy tắc nhất định nào. Thường phức chất được gọi theo tên của người tìm ra nó, chẳng hạn như muối Mohr (NH4)2Fe(SO4)2.6H2O, muối Xaide K[PtCl3C2H4]. Một số phức chất khác được gọi tên dựa vào màu đặc trưng của chúng, như muối đỏ tía [Co(NH3)5Cl]Cl2, muối màu vàng [Co(NH3)6]Cl3. Cùng với thuyết phối trí, Werner đã đưa ra cơ sở danh pháp mà đến nay nhiều phức chất được gọi bằng tên do ông đề xuất. Hiệp hội Hóa Lý Thuyết và Thực Hành Quốc Tế (IUPAC) đã công bố danh pháp mới của các phức chất. Qui ước của IUPAC như sau: • Gọi tên phức chất giống như tên gọi của các muối đơn giản, đầu tiên gọi tên cation, sau đó gọi tên anion không kể ion nào trong chúng là ion phức. • Khi gọi tên ion phức, trước tiên gọi tên của phối tử, sau đó gọi tên của nguyên tử (ion) trung tâm. Đối với phức cation và phức trung hòa, gọi tên kim loại, tiếp theo ghi số oxi hóa của ion trung tâm bằng số La mã trong dấu ngoặc đơn. Nếu là phức anion thì thêm đuôi at vào tên kim loại. Các phối tử trong ion phức được gọi tên theo thứ tự và qui ước sau: • Các phối tử anion có đuôi là o theo thứ tự H- (hyđro), O2- (oxo), OH- hyđroxo), các anion đơn giản F- (floro), Cl- (cloro), Br- (bromo), I- (iodo); các anion nhiều nguyên tử CN- (cyano), SO32- (sunfito); các anion hữu cơ theo trật tự bảng chữ cái CH3COO- (acetato), CH3COCNH- (acetamido), • Các phối tử trung hòa và cation: H2O, NH3, các phối tử vô cơ, các phối tử hữu cơ theo trật tự bảng chữ cái. Các phối tử trung hòa gọi tên giống như các phân tử tương ứng, trừ H2O (aqua), NH3 gọi là ammin, CO liên kết trực tiếp với kim loại trung tâm là cacbonyl. • Số lượng phối tử theo tiếng Hi Lạp: mono (thường bỏ), di, tri, tetra, penta, Nếu phối tử là các phân tử hữu cơ phức tạp thì thêm các tiếp đầu ngữ: bis, tris, tetrakis,và tên gọi của phối tử này được ghi trong dấu ngoặc đơn. 1.3. Cấu tạo của phức chất [5, 6] 1.3.1. Tính chất của phức chất Tính chất của phức chất được quyết định bởi 2 yếu tố: Sự sắp xếp không gian các nhóm phối trí quanh ion kim loại, nói cách khác là cấu tạo của phức chất. Tính chất của liên kết hoá học giữa các nhóm phối trí riêng biệt với ion kim loại (độ dài, độ bền của liên kết, mức độ ion hoặc cộng hoá trị của nó). Thông thường, khi thiếu những dữ kiện về bản chất của liên kết hoá học người ta vẫn có thể rút ra được những kết luận đúng về cấu tạo của phức chất. Thật vậy, các thuyết về cấu tạo của phức chất đã có từ rất lâu trước khi xuất hiện các lý thuyết về liên kết hoá học. A. Werner đã đưa khái niệm cấu trúc không gian vào thuyết cấu tạo của phức chất. Để suy luận về cấu trúc không gian của một hợp chất nào đó, tác giả dựa trên việc so sánh số lượng đồng phân mà thực nghiệm có thể thu nhận được từ hợp chất đó khi thực hiện các phản ứng thế phối tử, với số lượng đồng phân có được theo lý thuyết dựa trên các mô hình hình học có tính đối xứng nhất định. Bằng phương pháp thuần tuý hoá học này, Werner đã đưa ra được cấu trúc không gian của nhiều phức chất của dãy Pt(II), Pt(IV), Co(III), Hiện nay cấu trúc của các phức chất kim loại chuyển tiếp d có thể được nghiên cứu theo nhiều cách. Khi có những đơn tinh thể lớn của phức chất thì phương pháp nhiễu xạ tia X sẽ cho ta những thông tin chính xác về dạng hình học, độ dài liên kết, khoảng cách và góc giữa các liên kết. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân có thể được sử dụng để nghiên cứu các phức chất có thời gian tồn tại dài hơn micro giây. Còn những phức chất sống rất ngắn với thời gian sống ngang với những va chạm khuếch tán trong dung dịch có thể được nghiên cứu bằng phương pháp phổ dao động và phổ electron. 1.3.2. Dạng hình học của các phức chất Các phức chất của kim loại có cấu trúc rất đa dạng. Phức chất có số phối trí 2 thường gặp ở các kim loại Ag(I), Au(I), Cu(I), Hg(II). Ở các phức chất này có sự phân bố theo dạng đường thẳng giữa ion kim loại và hai phối tử, điển hình trong số chúng là [ClCuCl]–, [H3NAgNH3]+, [ClAuCl]– và [NCHgCN]. Các nguyên tử kim loại nằm trong các cation dạng thẳng như [UO2]2+, [UO2]+, [MoO2]2+, v.v... cũng có số phối trí 2, nhưng các oxocation này tương tác khá mạnh với các phối tử phụ nên số phối trí thực của chúng còn cao hơn. Các phức chất với số phối trí 4 có hai cấu hình hình học: cấu hình tứ diện và cấu hình vuông phẳng. Các phức chất tứ diện thường là thuận lợi hơn, nếu nguyên tử trung tâm có kích thước nhỏ hoặc các phối tử có kích thước lớn (Cl–, Br–, I–, CN–). Phức chất tứ diện đặc trưng cho các nguyên tố s và p không có các cặp electron tự do, chẳng hạn [BeF4]2–, [BF4]–, [BBr4]–, [ZnCl4]2–, [Zn(CN)4]2–, [Cd(CN)4]2– và cho oxoanion của những kim loại ở trạng thái oxi hóa cao, hoặc phức chất halogenua của các ion M2+ thuộc dãy d thứ nhất. Ví dụ: [FeCl4]–, [CoCl4]2–, [CoBr4]2–, [CoI4]2–, [Co(NCS)4]2–, [Co(CO)4]2– v.v... Cấu hình vuông phẳng đặc biệt đặc trưng cho các kim loại Pt(II), Pd(II), Au(III), Rh(I), Ir(I) và thường hay gặp đối với Ni(II) và Cu(II). Còn đối với đa số các ion khác thì sự phối trí này ít gặp. Các phức chất vuông phẳng của Pt(II) và Pd(II) có rất nhiều và tồn tại dưới dạng các đồng phân hình học. Các phức chất với số phối trí 5 tuy gặp thường xuyên hơn các phức chất với số phối trí 3, nhưng vẫn tương đối ít gặp. Hai dạng hình học thường gặp đối với sự phối trí này là hình lưỡng chóp tam phương và hình chóp đáy vuông. Phức chất với số phối trí 6 là thường gặp nhất, có dạng hình học là bát diện. Ví dụ [Co(NH3)6]3+, [Ti(OH2)6]3+, [Mo(CO)6], [Fe(CN)6]4–, [RhCl6]3–. Phức chất với số phối trí lớn hơn 6 thường ít gặp. 1.3.3. Đồng phân lập thể Có nhiều loại đồng phân như: đồng phân hình học, đồng phân quang học, đồng phân hiđrat hóa, đồng phân ion hóa, đồng phân liên kết, đồng phân phối trí. Thường gặp đối với các phức chất là hiện tượng đồng phân hình học và đồng phân quang học. Nhiều đồng phân hình học và đồng phân quang học của các kim loại Co, Pt và Cr đã được Vecne dự đoán, tổng hợp và nghiên cứu để làm cơ sở xác minh thuyết phối trí của mình. 1.3.3.1. Đồng phân hình học Đồng phân hình học là những (phức) chất có cùng công thức phân tử, nhưng khác nhau ở sự phân bố các phối tử quanh ion trung tâm trong cầu nội phức. Hiện tượng đồng phân hình học không được tìm thấy ở các phức chất tứ diện, trừ trường hợp của những phối tử phức tạp, cực kỳ đặc biệt. Ngược lại, trong phức chất vuông phẳng và phức bát diện nhiều kiểu đồng phân hình học đã được tìm thấy và được nghiên cứu kỹ. 1.3.3.2. Đồng phân quang học Hiện tượng đồng phân quang học sinh ra khi phân tử hay ion không có mặt phẳng đối xứng hay tâm đối xứng, nghĩa là phân tử hay ion không thể chồng khít lên ảnh của nó ở trong gương. Hai dạng đồng phân quang học không thể chồng khít lên nhau tương tự như vật với ảnh của vật ở trong gương. Bởi vậy kiểu đồng phân này còn gọi là đồng phân gương. Do có cấu tạo không đối xứng, các đồng phân gương đều hoạt động về mặt quang học: làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực. Các đồng phân quang học của một chất có tính chất lí hóa giống nhau trừ phương làm quay trái hay phải mặt phẳng của ánh sáng phân cực. Hoạt tính quang học của phức chất có thể do các nguyên nhân sau: • Sự bất đối xứng của toàn bộ phân tử phức chất. • Sự bất đối xứng của phối tử. 1.3.3.3. Đồng phân phối trí Hiện tượng đồng phân phối trí sinh ra do sự phối trí khác nhau của loại phối tử quanh hai nguyên tử trung tâm của phức chất gồm có cả cation phức và anion phức. 1.3.3.4. Đồng phân ion hóa Hiện tượng đồng phân ion hóa sinh ra do sự sắp xếp khác nhau của anion trong cầu nội và cầu ngoại của phức chất. 1.3.3.5. Đồng phân liên kết Hiện tượng đồng phân liên kết sinh ra khi phối tử một càng có khả năng phối trí qua hai nguyên tử. 1.3. Các phương pháp nghiên cứu phức chất [5, 6] Các phương pháp nghiên cứu phức chất được chia thành các phương pháp hoá lý và các phương pháp vật lý. Việc phân chia này chỉ mang tính quy ước. Thuộc phương pháp hoá lý có các phương pháp đo tính chất tổng cộng trong hệ nhiều cấu tử: phương pháp đo quang, chiết, trao đổi ion, đo độ dẫn điện v.v Nhờ chúng mà ta thu được các giản đồ “thành phần - tính chất” đối với các dung dịch phức chất. Các giản đồ này cho ta biết thành phần và độ bền của các phức chất, cho phép tính được các đặc trưng nhiệt động học và động học. Phương pháp vật lý gồm các phương pháp đo những tính chất thuộc về những hợp chất riêng biệt. Thoạt đầu người ta sử dụng chúng để nghiên cứu các chất tinh thể, sau đó là nghiên cứu các dung dịch, bằng cách tách ra các thông số thuộc về các phức chất riêng rẽ trong dung dịch nghiên cứu. Những nghiên cứu bằng phương pháp vật lý cho phép thu được những số liệu về thành phần và cấu tạo của cầu nội phức; về đối xứng của các phức chất; về sự phân bố điện tích, kiểu và tính chất của liên kết, cho phép giải mã cấu trúc của các phức chất tinh thể v.v Các phương pháp vật lý gồm các phương pháp nhiễu xạ (nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ electron, nhiễu xạ nơtron), các phương pháp phổ trong một dải rộng các độ dài sóng (từ vùng tử ngoại đến vùng tần số vô tuyến), các phương pháp đo độ cảm từ v.v Các phương pháp phổ với các dải riêng biệt cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu các phức chất trong dung dịch. Đa số các phương pháp vật lý không phá huỷ đối tượng nghiên cứu và không làm thay đổi trạng thái của nó (phương pháp nhiễu xạ, phương pháp phổ). Nhưng có những phương pháp dẫn đến sự phá huỷ mẫu nghiên cứu, ví dụ phương pháp nhiệt và phương pháp nhiệt trọng lượng. Phương pháp này thường được sử dụng khi kết hợp với các phương pháp nhận biết sản phẩm của quá trình phân huỷ. 1.4. Tổng hợp phức chất [5] Tổng hợp các phức chất là một phần quan trọng của hóa học nói chung và của hóa học các hợp chất phối trí nói riêng. Như đã biết, việc điều chế những phức chất đầu tiên và nghiên cứu về chúng đã dẫn đến sự phát triển những khái niệm và lý thuyết quan trọng trong hóa học của các phức chất. Khi sử dụng một phản ứng nào đó để tổng hợp phức chất thì điều kiện cần là phản ứng đó phải có khả năng tiến hành về mặt nhiệt động học. Khi đó biến thiên thế đẳng áp - đẳng nhiệt (năng lượng tự do Gibbs) ΔG phải âm, nghĩa là hằng số cân bằng phải lớn hơn đơn vị: ΔG = –RTlnK + RTSnilnai Ở đây K là hằng số cân bằng, ni là hệ số hợp thức, ai là hoạt độ của chất thứ i trong hệ. Khi tất cả các chất đều ở trạng thái chuẩn (ai = 1) thì ΔG = ΔGo = –RTlnK. Từ phương trình, ta thấy rằng có thể chọn điều kiện tổng hợp bằng cách thay đổi nồng độ của các chất, cũng như thay đổi điều kiện áp suất và nhiệt độ là những điều kiện quyết định hằng số cân bằng. Từ đó ta có các phương pháp để tổng hợp phức chất như sau: • Tổng hợp các phức chất dựa vào phản ứng oxi hoá - khử. • Phản ứng của các phối tử phối trí. • Tổng hợp các cacbonyl kim loại và hợp chất cơ kim. • Tổng hợp ở nhiệt độ cao. • Tổng hợp các phức chất dựa vào phản ứng thế. Trong tất cả các phương pháp tổng hợp các phức chất ta đều cần phải tinh chế sản phẩm, thu sản phẩm đồng nhất và phân tích nó. Việc chọn phương pháp tổng hợp phụ thuộc vào hệ nghiên cứu và không phải tất cả các phương pháp đều có thể được sử dụng để tổng hợp các phức chất. Cần phải tìm được phản ứng cho hiệu suất tổng hợp cao. Tiếp theo là tìm phương pháp thích hợp để tách được sản phẩm ra khỏi hỗn hợp phản ứng. Thông thường người ta sử dụng phương pháp kết tinh: • Làm bay hơi dung môi và làm lạnh hỗn hợp phản ứng đậm đặc bằng nước đá và muối. Có thể phải thêm một vài tinh thể nhỏ của hợp chất để tạo mầm hoặc khuấy nhẹ để gây ra sự kết tinh. • Thêm từ từ dung môi trộn lẫn với dung môi của hỗn hợp phản ứng, nhưng không hòa tan hợp chất, để làm kết tủa sản phẩm từ hỗn hợp dung môi (cũng có thể sử dụng thêm các biện pháp như cách ở trên). • Nếu phức chất điều chế là anion (hoặc cation) thì có thể tách nó bằng cách thêm cation (hoặc anion) thích hợp để tạo thành hợp chất ít tan. • Đối với các phức chất có chứa liên kết kim loại-cacbon, ví dụ các phức chất cơ kim, cacbonyl kim loại v.v thì để tách chúng ngoài các phương pháp trên còn có thể tinh chế chúng bằng cách thăng hoa, chưng cất hoặc sắc ký. CHƯƠNG 2 ĐẠI CƯƠNG VỀ COBAN VÀ 5-BSAT 2.1. Đại cương về coban 2.1.1. Một số tính chất của nguyên tố coban [7] Bảng 2.1. Một số tính chất của nguyên tố coban Tổng quát Tính chất vật lý Tên, Ký hiệu, Số hiệu coban, Co, 27 Trạng thái rắn Phân loại kim loại chuyển tiếp Điểm nóng chảy 1.768 K (2.723 °F) Nhóm, chu kỳ, khối 9, 4, d Điểm sôi 3.200 K (5.301 °F) Khối lượng riêng 8.900 kg/m³ Nhiệt bay hơi 377 kJ/mol Bề ngoài màu trắng xám Nhiệt nóng chảy 16,06 kJ/mol Tính chất nguyên tử Thông tin khác Khối lượng nguyên tử 58,933195(5) đ.v.C Độ âm điện 1,88 (thang Pauling) Bán kính nguyên tử 135 pm Nhiệt dung riêng 421 J/(kgK) Bán kính cộng hoá trị 126 pm Độ dẫn điện (Hg = 1) 10 Cấu hình electron [Ar]3d74s2 Độ dẫn nhiệt 100 W/(mK) Coban là kim loại có ánh kim, có màu trắng xám, có từ tính mạnh, khá cứng và giòn. Trong thiên nhiên, coban có duy nhất một đồng vị bền là 59Co. Đồng vị nhân tạo 56Co, 57Co, 58Co có chu kì bán rã ngắn, 60Co phóng xạ γ với chu kì bán rã khoảng 5 năm. Coban có 2 dạng thù hình, dạng α có cấu trúc lục phương bền ở nhiệt độ nhỏ hơn 417 oC, dạng β có cấu trúc lập phương tâm diện bền ở nhiệt độ lớn hơn 417 oC. Trạng thái oxi hóa phổ biến của coban là +2 và +3, rất ít hợp chất trong đó coban có hóa trị +1 tồn tại. Trong thiên thạch có chứa nhiều coban, khoảng 0,5%. Tuy nhiên, coban là nguyên tố ít phổ biến trong vỏ trái đất, chỉ chiếm khoảng 0,001%. Các khoáng vật của coban thường lẫn trong khoáng vật của đồng, kẽm và sắt. 2.1.2. Tính chất hóa học của coban [7] 2.1.2.1. Tính chất của kim loại coban Coban là kim loại hoạt động trung bình, hoạt tính của nó thấp hơn Fe nhưng cao hơn Ni. Coban không phản ứng trực tiếp với hiđro, nhưng ở trạng thái bột nhỏ và ở nhiệt độ cao thì hấp thụ hiđro với lượng khá lớn. Ở 1200 0C, 100 g Co hấp thụ được 5,46 cm3 hiđro. Các hợp chất với hiđro như CoH, CoH2 được điều chế bằng phương pháp gián tiếp. Ở điều kiện thường, coban bền với không khí và nước. Ở nhiệt độ cao, coban bị oxi hóa tạo Co3O4: 3Co + 2O2 → Co3O4 Coban tác dụng trực tiếp với các halogen tạo muối ứng với số oxi hóa +2. Nhưng với flo, coban tạo hỗn hợp (CoF2 + CoF3). Khi nung hỗn hợp gồm S và Co tạo ra sunfua: Co + S → CoS Selen và telu cũng phản ứng trực tiếp với coban tạo ra CoSe, CoSe2, CoTe, CoTe2. Coban không phản ứng trực tiếp với nitơ. Hợp chất của coban với nitơ ít bền: Co2N, Co3N, Co2N3. Hợp chất với cacbon của coban Co3C và Co2C được điều chế bằng phương pháp gián tiếp. Ví dụ nung Co bột với CO: 3Co + 2CO → Co3C + CO2 Coban tạo các hợp chất Co3Si, Co2Si, CoSi, CoSi2 trực tiếp từ các nguyên tố.Khi nung coban với bột B vô định hình trong ống thạch anh hàn kín, tạo ra các hợp chất Co3B, Co2B, CoB, CoB2. Trong dãy điện thế , Co đứng trước Sn nên tan trong dung dịch axit, giải phóng H2. Coban phản ứng với H2SO4 đặc nóng tạo SO2. Coban tan trong HNO3 loãng và bị thụ động hóa bởi HNO3 đặc, nguội. 2.1.2.2. Tính chất và khả năng tạo phức của ion Co2+ Co2+ có cấu hình electron: 1s22s22p63s23p63d7. Dung dịch Co2+ có màu hồng nhạt, có phản ứng axit yếu, pH của dung dịch Co2+ 0,01M bằng 6,6. Khi kiềm hóa dung dịch Co2+ lúc đầu có kết tủa muối bazơ và sau đó là Co(OH)2 (lgKs = -14,2) màu hồng bị oxi hóa trong không khí thành Co(OH)3 màu nâu, ít tan hơn nhiều (lgKs = -40,5). Co2+ có bán kính bé (0,72 Å) nên tạo phức với nhiều phối tử vô cơ, hữu cơ; tạo phức ít bền với axetat, sunfat, thiosunfat; các phức tương đối bền với amoniac, oxalat, xitrat, pirophotphat; các phức khá bền với xianua, EDTA, trietylentetramin, etylenđiamin Co2+ chủ yếu tạo phức tứ diện có số phối trí 4 và phức bát diện có số phối trí 6. Những ion phức tứ diện [CoCl4]2-, [CoBr4]2-, [CoI4]2-, [Co(OH)4]2-, [Co(SCN)4]2-, không tùy thuộc vào lực trường của phối tử đều có spin cao vì có cấu hình electron (Π *d ) 4 (σ *d ) 3. Những ion phức bát diện có spin cao như [Co(H2O)6]2+, [Co(NH3)6]2+, [CoF6]2+ có cấu hình electron (Π *d ) 5 (σ *d ) 2. Những ion phức bát diện có spin thấp như [Co(CN)6]2+ có cấu hình electron (Π *d ) 6 (σ *d ) 1, cấu hình electron đó không đặc trưng cho Co(II), dễ mất đi một electron ở obitan σ *d có năng lượng cao tạo thành cấu hình bền (Π *d ) 6 của ion phức bát diện có spin thấp của Co(III). Phức chất tứ diện của Co(II) thường có màu xanh lam, còn phức chất bát diện thường có màu đỏ-hồng. 2.1.3. Ứng dụng Hơn ¾ lượng coban được sản xuất dùng để chế tạo thép và hợp kim đặc biệt. Những hợp kim của coban có từ tính, bền nhiệt và bền hóa học, có vai trò quan trọng đối với khoa học và công nghệ. Hợp kim rất bền hóa học là Vitalium chứa 65% Co, 25% Cr, 3% Ni và 4% Mo được dùng làm vật liệu chế tạo những chi tiết của động cơ phản lực và tuôcbin khí vì nó chịu được tác dụng của các khí gây ăn mòn ở 10000C. Hợp kim siêu Stelit (35-55% Co, 20-35% Cr, 9-15% W, 4-15% Fe, 2% C) cứng gần bằng kim cương được dùng làm dụng cụ cắt gọt và hàn kim loại vì ở nhiệt độ cao nó không bị oxi hóa. Hợp kim Anico (24% Co, 50% Fe, 14% Ni, 9% Al, 3% Cu) là một trong những hợp kim quan trọng của coban được dùng làm nam châm mạnh. Gần đây hợp kim Samari-coban được dùng làm nền của nam châm vĩnh cửu có công suất vượt hàng chục lần công suất nam châm với nền là sắt. Trong y học, coban là thành phần quan trọng của vitamin B12, là loại vitamin thúc đẩy sự tạo thành hồng huyết cầu, chống bệnh thiếu máu. Đồng vị 60Co được dùng để chiếu xạ những khối u ác tính và trong công nghiệp dùng để phát hiện vết rạn và vết rỗ trong kĩ thuật đúc kim loại. 2.2. Đại cương về 5-bromosalicylaldehyde thiosemicarbazone 2.2.1. Danh pháp Công thức phân tử: C8H8BrN3OS. Danh pháp: • Tên hệ thống: 2-(5-bromo-2-hydroxybenzylidene)hydrazinecarbothioamide. Có đồng phân E, Z: Br HO N H N NH2 S Br OH N H N NH2 S (Z)-2-(5-bromo-2- hydroxybenzylidene)hydrazinecarbothioamide (E)-2-(5-bromo-2- hydroxybenzylidene)hydrazinecarbothioamide • Tên gọi gộp từ hai chất tạo thành là 5-bromosalicylaldehyde (5-bromo-2- hydroxybenzaldehyde) và thiosemicarbazide: 5-bromosalicylaldehyde thiosemicarbazone (5-BSAT). 2.2.2. Tính chất và ứng dụng của 5-BSAT [10] 5-bromosalicylaldehyde thiosemicarbazone là chất rắn màu vàng nhạt, tan ít trong nước và ethanol, tan rất tốt trong DMF, 1,4-dioxane tạo ra một dung dịch màu vàng chanh, và nó không hòa tan trong các chất hữu cơ thông thường và nhanh chóng phân hủy trong dung dịch axit. 5-BSAT có đồng phân E-Z, trong đó đồng phân E bền hơn. 5-BSAT (dạng thion) có thể chuyển sang chuyển thiol theo cân bằng: Br OH N H N NH2 S Br OH N N NH2 SH Cấu trúc hóa học của 5-BSAT xác định từ phổ cộng hưởng từ hạt nhân như sau: 1H- NMR (d6-DMSO): δ6,78 (d,1H), 7,42 (dd,1H), 8,144 (s,1H), 8,26 (s,1H), 10,16 (s,1H), 11,36 (s, 1H). Phổ khối lượng cho MS 297 (M+Na), công thức phân tử C8H8BrN3OS. 5-BSAT tạo được phức chất với nhiều ion kim loại nặng như Zn2+, Co2+, Cu2+, Cd2+, Fe2+ .nên 5-BSAT là một thuốc thử được sử dụng nhiều trong phân tích trắc quang. Khi tạo phức, 5-BSAT thường là phối tử 2 càng hoặc 3 càng. Một số kiểu phối trí của 5-BSAT với ion kim loại chuyển tiếp như sau: Br OH N H N NH2 S M Br OH N N NH2 S M Br O H N N NH2 S M Br O H N H N NH2 S M Br O N N N H2 S M Br O N H N NH2 S M Vào năm 2002, nhóm các nhà nghiên cứu G.Ramanjaneyulu, P.Raveendra Reddy, V.Krishna Reddy and T.Sreenivasulu Reddy, khoa hóa trường đại học Sri Krishnadevaraya, Ấn độ đã sử dụng phản ứng tạo phức của Fe2+ với 5-BSAT kết hợp phương pháp quang phổ và phổ đạo hàm để xác định lượng vết Fe2+ trong lá nho, máu người và viên nén vitamin tổng hợp . Năm 2003, nhóm các nhà nghiên cứu này tiếp tục sử dụng phản ứng tạo phức của Co2+ với 5-BSAT kết hợp phương pháp quang phổ và phổ đạo hàm để xác định lượng vết Co2+ trong hợp kim thép siêu bền. Đến năm 2008, nhóm các nhà nghiên cứu trên mở rộng nghiên cứu sử dụng phản ứng tạo phức của Cu2+ với 5-BSAT kết hợp phương pháp quang phổ và phổ đạo hàm để xác định lượng vết Cu2+ trong lá nho và hợp kim nhôm. Trong đó 5-BSAT phản ứng tạo phức màu xanh lục nhạt với ion Cu2+ và phức màu nâu với Co2+ trong dung môi DMF. Ở Việt Nam, phó giáo sư-tiến sĩ Dương Tuấn Quang, khoa hóa trường Đại học sư phạm Huế đã có nhiều nghiên cứu về cấu trúc hợp chất của họ thiosemicarbazone và ứng dụng của nó: • Dương Tuấn Quang, Vũ Đăng Độ, Chu Đình Kính (2005), “Phổ hấp thụ electron của một số phức chất thiosemicacbazonat của platin(II)”, Tạp chí Hoá học, T.43, Số 3, Tr. 322-325. • Nguyễn Thị Phương Chi, Dương Tuấn Quang, Nguyễn Hoài Nam (2004), “Nghiên cứu tổng hợp, hoạt tính sinh học của một số phức chất các kim loại chuyển tiếp với thiosemicarbazone”, TC Y học thực hành, Số 10, Tr. 11-13. • Duong Tuan Quang, Chu Dinh Kinh, Vu Dang Do, Bui Thu Hoai (2001), “Structural investigation of Pt(II) complex of Salicylaldehyde thiosemicarbazones and its biological activity”, Journal of Chemistry, Vol. 39, No. 4, P. 118-121, 2001. • Nguyen Huu Tri, Duong Tuan Quang (2008), “Complexes of acetylacetone 4- methyl-4-3- phenyl thiosemicarbazone: Structural investigation on the basis of spectral methods”, Journal of Chemistry, Vol.46 (2A), P. 471 - 475. Những năm gần đây, 5-BSAT bắt đầu được sử dụng trong phân tích trắc quang, ứng dụng vào xác định đồng thời nhiều ion kim loại chuyển tiếp trong nước thải, giúp đánh giá mức độ ô nhiễm nước: • Khóa luận tốt nghiệp 2006-2011, Sinh viên Phạm Đình Thượng, ĐH Sư Phạm TP.HCM, nghiên cứu đề tài “XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI Cu2+ VÀ Co2+ TRONG NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRẮC QUANG KẾT HỢP VỚI THUẬT TOÁN THÊM CHUẨN ĐIỂM H”. • Khóa luận tốt nghiệp 2007-2011, Sinh viên Nguyễn Trần Quỳnh Phương, ĐH Sư Phạm TP.HCM, nghiên cứu đề tài “XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI Ni2+ VÀ Zn2+ TRONG NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRẮC QUANG KẾT HỢP VỚI THUẬT TOÁN THÊM CHUẨN ĐIỂM H”. Tuy nhiên, việc nghiên cứu theo phương pháp trắc quang chỉ giúp ta xác định khả năng tạo phức trong dung dịch, tỉ lệ ion kim loại và phối tử; chưa xác định được thành phần phức, công thức phân tử, công thức cấu tạo Tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc các phức rắn của 5-BSAT với các ion kim loại chuyển tiếp, cũng như ứng dụng của các phức đó trong lĩnh vực y học, sinh học là một hướng nghiên cứu mới. 2.2.3. Một số ứng dụng của thiosemicarbazone [4] Một số thiosemicarbazone được sử dụng làm chất ức chế quá trình ăn mòn kim loại. Offiong O.E đã nghiên cứu tác dụng chống ăn mòn kim loại của 4-methyl thiosemicarbazone, 4-phenylthiosemicarbazone với 2-acetylpyridine đối với thép nhẹ (98% Fe). Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả ức chế cực đại của chất đầu là 74,59% còn chất sau đạt 80,67%. Nói chung, sự ức chế ăn mòn tăng lên theo nồng độ các thiosemicarbazone. Ngoài khả năng tạo phức tốt, các thiosemicarbazide và thiosemicarbazone còn có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực phân tích cũng như xác định hàm lượng của nhiều kim loại khác nhau. R.Murthy đã sử dụng thiosemicarbazone o-hydroxy acetophenone trong việc xác định làm lượng Pd bằng phương pháp trắc quang. Với phương pháp này có thể xác định hàm lượng Pd trong khoảng nồng độ 0,042-10,6 g/l. Phương pháp trắc quang cũng được sử dụng để xác định hàm lượng của Cu(II) và Ni(II) trong dầu ăn và trong dầu của một số loại hạt dựa vào khả năng tạo phức của chúng với 1-phenyl-1,2-propandion-2-oximethiosemicarbazone. Bên cạnh đó, Sivadasan Chettian và các cộng sự đã tổng hợp những chất xúc tác gồm phức chất của thiosemicarbazone với một số kim loại chuyển tiếp trên nền polystyrene. Đây là những chất xúc tác dị thể được sử dụng trong phản ứng tạo nhựa epoxy từ cyclohexene và styrene. Các phức chất của Pd với thiosemicarbazone cũng có thể làm xúc tác khá tốt cho phản ứng nối mạch anken. Ngoài các ứng dụng nêu trên, người ta còn đặc biệt quan tâm tới hoạt tính sinh học của các thiosemicarbazone và phức chất của chúng. Hiện nay người ta có xu hướng nghiên cứu các phức chất trên cơ sở thiosemicarbazone với mong muốn tìm kiến được hợp chất có hoạt tính sinh học cao, ít độc hại để sử dụng trong y dược. Hoạt tính sinh học của các thiosemicarbazone được phát hiện đầu tiên bởi Domagk. Khi nghiên cứu các hợp chất thiosemicarbazone ông đã nhận thấy một số các hợp chất thiosemicarbazone có hoạt tính kháng khuẩn. Sau phát hiện của Domagk, hàng loạt các công trình nghiên cứu khác cũng đưa ra kết quả nghiên cứu của mình về hoạt tính sinh học của thiosemicarbazide, thiosemicarbazone cũng như phức chất của chúng. Thiosemicarbazone của monoguanylhydrazone có khả năng diệt khuẩn gam dương Phức chất của thiosemicarbazide với các muối clorua của mangan, niken, coban đặc biệt là kẽm được dùng làm thuốc chống thương hàn, kiết lị, các bệnh đường ruột và diệt nấm. Phức chất của Cu(II) với thiosemicarbazide có khả năng ức chế sự phát triển của tế bào ung thư. Ở Việt Nam, các hướng nghiên cứu gần đây cũng tập trung nhiều vào việc thử hoạt tính sinh học của các thiosemicarbazone và phức chất của chúng với kim loại chuyển tiếp như Cu, Mo, Ni, Các phức chất của Pt(II) với 4-phenylthiosemicarbazone isatin, thiosemicarbazone furaldehyde có khả năng ức chế sự phát triển của tế bào ung thư gan, ung thư màng tim, ung thư màng tử cung; phức chất của Pt(II) với 4-methyl thiosemicarbazone isatin, 4- methylthiosemicarbazone furaldehyde đều có khả năng ức chế tế bào ung thư màng tim và ung thư biểu mô ở người. Đặc biệt là tổng hợp và nghiên cứu hoạt tính sinh học của phức chất giữa Co(II), Ni(II), Cu(II) với các thiosemicarbazone trong đó phần đóng góp của hợp chất carbonyl có nguồn gốc tự nhiên. Trong số các phối tử và phức chất nghiên cứu hoạt tính sinh học thì phức của Cu(II) với các phối tử thiosemicarbazone xitronelal và thiosemicarbazone mentone đều có khả năng ức chế trên cả hai dòng tế bào ung thư gan và phổi. PHẦN THỰC NGHIỆM CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ THỬ HOẠT TÍNH SINH HỌC 5-BSAT, PHỨC Co(II)-5-BSAT 3.1. Tổng hợp 5-BSAT, phức Co(II)-5-BSAT 3.1.1. Hóa chất và dụng cụ Hóa chất: • Co(NO3)2.6H2O. • 5-bromosalicylaldehyde, thiosemicarbazide. • Dimethylformamide (DMF), ethanol, methanol, diethyl ether, 1,4-dioxane. • Nước cất 2 lần. Dụng cụ: • Bình cầu 100 ml, cốc thủy tinh 100 ml. • Máy khuấy từ, sinh hàn, bộ lọc chân không. 3.1.2. Tổng hợp 5-BSAT Cho 2,0000 g 5–bromosalicylaldehyde vào bình cầu 100 ml, thêm 75 ml ethanol và đá bọt. Lắp sinh hàn đun đến khi tan hoàn toàn. Sau đó, thêm vào 0,9068 g thiosemicarbazide. Tiếp tục đun trên bếp điện trong vòng 6 giờ. Hỗn hợp sau phản ứng để nguội, lọc lấy phần rắn. Để khô phần rắn, sau đó lọc nóng bằng 1,4-dioxane và ethanol (tỉ lệ 1:1). Dung dịch thu được để kết tinh trong 2 ngày. Lọc sau đó kết tinh lại lần 2 để thu sản phẩm. Phương trình phản ứng: Br OH CHO H2N H N NH2 S + Br OH N H N NH2 S + H2O Cơ chế: OH H O Br H2N H N NH2 S OH H2 N O Br N H S NH2 OH H N OH Br N H S NH2 -H2O OH N Br N H S NH2 3.1.3. Tổng hợp Co(II)-5-BSAT Cho 0,2742 g 5-BSAT vào bình cầu 100 ml, thêm 25 ml methanol. Cho tiếp 0,1455 g Co(NO3)2.6H2O đã hòa tan trong 15 ml nước cất vào bình cầu, lắp sinh hàn, khuấy liên tục bằng máy khuấy từ và đun nóng ở nhiệt độ 50-55 oC. Sau 60 phút, cho hỗn hợp sau phản ứng vào cốc 100 ml, để kết tinh trong 1 ngày. Lọc lấy phần rắn, rửa bằng 5 ml dung môi ethanol-ether (1:1). Để khô, thu sản phẩm sau 2 ngày. 3.2. Nghiên cứu cấu trúc 3.2.1. Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ các chất được đo trên máy Gallenkamp, tại phòng Thực hành Hóa Đại cương, khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh. 3.2.2. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) Phổ XRD của phức chất được đo tại Phòng nhiễu xạ tia X, Viện Vật lý thành phố Hồ Chí Minh. 3.2.3. Phổ khối lượng (MS) Phổ MS của phức chất được đo tại Phòng thí nghiệm Phân tích trung tâm, trường Đại học Khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh. 3.2.4. Phổ hồng ngoại (IR) Phổ IR của các hợp chất đã tổng hợp được đo trên máy FTIR-8400S SHIMADZU dưới dạng viên nén KBr, tại khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh. 3.2.5. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H-NMR) Phổ 1H- NMR của các chất đã tổng hợp được đo trên máy Bruker AC 500MHz trong dung môi DMSO, tại phòng cộng hưởng từ hạt nhân,Viện Hóa học-Viện khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội. 3.3. Thử hoạt tính sinh học Thử hoạt tính sinh học của các chất đã tổng hợp tại Phòng thí nghiệm Vi sinh –Sinh hóa, khoa Sinh học trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh. 3.3.1. Hóa chất và dụng cụ- thiết bị Hóa chất: • Agar, NaCl, pepton, cao thịt. • Dimethylformamide (DMF). • Phức rắn Co(II)-5-BSAT. • Cồn 70o, 96o. • Nước cất. Dụng cụ- thiết bị: • Bình tam giác 250 ml; cốc thủy tinh 50 ml, 100 ml, 250 ml. • Ống nghiệm, đĩa petri. • Pipet 1 ml, 2 ml, 5 ml; pipet man 10 μl- 100 μl, 20 μl- 200 μl. • Đầu típ 100 μl. • Ống đục lỗ, que cấy, que gắp, que trang, đũa thủy tinh, bông không thấm nước. • Cân phân tích, bếp điện, nồi hấp tiệt trùng, tủ sấy, tủ cấy vi sinh, tủ lạnh. 3.3.2. Phương pháp nghiên cứu Chuẩn bị dung dịch nghiên cứu: • Dung dịch 5-BSAT 1%, 2% trong DMF. • Dung dịch Co(II)-5-BSAT 1%, 2% trong DMF. • Mẫu trắng đối chứng (DMF). • Chuẩn bị vi khuẩn: Escherichia Coli. Cách tiến hành: Rửa đĩa petri, sấy khô ở 60 oC trong 30 phút. Gói đĩa petri trong giấy báo, sấy vô trùng ở 180 oC trong 30 phút. Nấu môi trường: 1 lít dung dịch dùng cho 60 đĩa petri gồm có: 20 g Agar, 5 g cao thịt, 5 g pepton, 5 g NaCl hòa tan trong 1 lít nước cất. Nấu trên bếp điện đến khi hòa tan hoàn toàn, chú ý không để dung dịch sôi. Cho 1 lít dung dịch môi trường vào 5 bình tam giác, đậy kín bằng bông không thấm nước, bịt kín phần miệng bằng giấy báo. Hấp vô trùng 30 phút trong tủ hấp ở nhiệt độ 121 oC, áp suất 1,15 kgf/cm2 (1 kgf/cm2 = 0,967841105 atm). Đổ môi trường vào đĩa petri (thực hiện trong tủ cấy), sau 15 phút gói đĩa petri bằng giấy báo. Để môi trường đông cứng trong 24 giờ. Hấp dụng cụ trong nồi hấp tiệt trùng ở nhiệt độ 121 oC, áp suất 1,15 kgf/cm2 trong 30 phút: • 2 ống nghiệm, mỗi ống chứa 9 ml nước cất, nút bằng bông gòn, gói bằng giấy báo. • 1 cốc 250 ml và 1 cốc 100 ml, bịt kín miệng bằng giấy bạc, gói bằng giấy báo. • 8 đầu típ vàng, 1 mũi mác, gói trong giấy báo. Sấy vô trùng các dụng cụ trong tủ sấy ở nhiệt độ 180 oC trong 30 phút (các dụng cụ đều được gói kín trong giấy báo): 2 que trang tam giác, 2 que cấy tròn, cây đục lỗ. Tiến hành cấy vi khuẩn và cho chất cần thử hoạt tính sinh học vào lỗ thạch môi trường: • Dung môi: 3 đĩa • Dung dịch 5-BSAT 1%, 2%: mỗi nồng độ 3 đĩa • Dung dịch Co(II)-5-BSAT 1%, 2%: mỗi nồng độ 3 đĩa Gói đĩa petri trong giấy báo, ủ lạnh ở nhiệt độ 4-10 oC trong 4 giờ. Lấy các chồng đĩa petri ra và để trong tủ ở nhiệt độ phòng. Sau 12 giờ tiến hành chụp hình và đo đường kính vòng kháng khuẩn. Có nhiều thang đo để đánh giá khả năng kháng khuẩn của một hợp chất hóa học, nên ta không có thang đánh giá tuyệt đối. Sau đây là thang đánh giá được một số nhà nghiên cứu sử dụng: Bảng 3.1. Đường kính tiêu chuẩn cho vi khuẩn E.coli (mm) [16] Mức độ kháng Không kháng Yếu Trung bình Mạnh Đường kính 0 ≤ 14 15-19 ≥ 20 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ 4.1. Tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc 5-BSAT Sản phẩm thu được ở trạng thái rắn, màu vàng nhạt. Hình 4.1. Trạng thái, màu sắc của 5-BSAT • mLT = 2,7275 g • mTT = 1,4540 g • H = 53,31 % Nhiệt độ nóng chảy: 240-242 oC. Dung môi hòa tan: DMF, DMSO, 1,4-dioxane. 4.1.2. Phổ IR Quan sát vùng 1740-1650 cm-1 ta không thấy xuất hiện dải hấp thụ của nhóm C=O của 5-bromosalicylaldehyde, chứng tỏ phản ứng điều chế 5-BSAT đã xảy ra. Br OH N H N NH2 S13 4 6 2 5 7 8 9 10 11 Trên phổ IR xuất hiện dải hấp thụ sắc nhọn ở tần số 3454 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm OH. Dải hấp thụ đặc trưng cho dao động hóa trị bất đối xứng và đối xứng của NH2 ở tần số 3250 cm-1 và 2922 cm-1 [15]. Dao động hóa trị của NH (NH-CS, thioamit) có dải hấp thụ ở tần số 3161 cm-1. Trên phổ không thấy xuất hiện dải hấp thụ ở vùng 2800-2500 cm-1 của SH chứng tỏ 5-BSAT tồn tại ở dạng thion trong điều kiện đo phổ, xuất hiện vân vân hấp thụ đặc trưng cho dao động hóa trị C=S ở 1261 cm-1[3, tr80], vân hấp thụ C=S thioamit có tần số cao và cường độ mạnh. Một số hấp thụ đặc trưng khác như: dao động hóa trị của nhóm C=C thơm ở 1612 cm-1, dao động biến dạng của nhóm NH2 cũng nằm ở vùng này, nên có thể bị che bởi dao động hóa trị của C=C thơm. Vân hấp thụ mạnh ở 1545 cm-1 là của dao động hóa trị C7=N8 (C=N liên hợp vòng thơm, chuyển về tần số thấp). Dao động biến dạng của N9H có vân hấp thụ mạnh ở 1475 cm-1. Dao động hóa trị N-N có vân hấp thụ ở 1352 cm-1. Dao động hóa trị của C-O có vân hấp thụ ở tần số 1118 cm-1. 4.1.3. Phổ 1H-NMR Về cường độ các tín hiệu trên phổ 1H-NMR cho thấy có 7 tín hiệu với cường độ tương đối 1:1:1:1:2:1:1, phù hợp cấu trúc của 5-BSAT. δ = 6,8165 ppm, 1H, doublet, tín hiệu này là của proton H2, sự tách tín hiệu là do tương tác spin của H3 với H2 (3J = 8,5 Hz). Tín hiệu này xuất hiện ở trường mạnh là do proton H2 nằm ở vị trí ortho của nhóm OH (+R, đẩy điện tử). δ = 7,3235 ppm, 1H, doublet-doublet, tín hiệu này là của proton H3, sự tách tín hiệu là do tương tác spin-spin của H2 với H3 (3J= 9 Hz) và H5 với H3 (4J=2,5 Hz). δ = 8,1370 ppm, 2H, tín hiệu này là của 2 proton H11 (Ha, Hb). Nếu cho rằng đây là tín hiệu của proton H5 (4J= 6 Hz) thì không phù hợp, vì sự tách tín hiệu của H5 chỉ có thể nhận giá trị 4J khoảng 1-3 Hz (tương tác với H3). Ta hãy xét đến sự cộng hưởng của NH2 với nhóm C=S để giải thích cho sự tách tín hiệu của 2 proton này. Ở nhiệt độ thấp, C-N không thuần túy là nối đơn mà có một phần nối đôi do sự cộng hưởng, cản trở sự quay của Ha và Hb xung quanh nối đơn này, hệ quả là Ha và Hb khác nhau về mặt từ tính. Vì vậy xuất hiện 2 tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học khác nhau. H N N S H N N S H H H H a b a b δ = 8,1920 ppm, 1H, singlet, tín hiệu này là của proton H5. Ở đây ta mong đợi có sự tách tín hiệu do tương tác spin-spin của H3 với H5 với 4J khoảng 1-3 Hz. Nhưng tín hiệu trên phổ là singlet, có thể là do máy đo không ghi nhận được. δ = 8,2890 ppm, 1H, singlet, tín hiệu này là của proton H7, tín hiệu nằm ở trường yếu do có sự cộng hưởng của nhóm C7=N8 với vòng thơm. δ = 10,2320 ppm, 1H, singlet, tín hiệu này là của proton H9, sở dĩ proton này nằm ở trường yếu hơn so với bình thường là do có sự cộng hưởng của NH với C7=N8 và C=S. δ = 11,4030 ppm, 1H, singlet, đây là tín hiệu của H nhóm OH. Độ dịch chuyển hóa học của proton OH phenol thường từ 4,5 – 10 ppm, nhưng ở đây có sự cộng hưởng của nhóm C=N (-R, rút điện tử) với vòng thơm, nên proton nhóm OH giảm chắn, chuyển về trường yếu. 4.2. Tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc Co(II)-5-BSAT Hình 4.5. Trạng thái, màu sắc của Co(II)-5-BSAT Phức Co(II)-5-BSAT tồn tại ở trạng thái rắn, rất mịn, màu nâu đất. Nhiệt độ nóng chảy: phức Co(II)-5-BSAT không có nhiệt độ nóng chảy xác định do có mức độ tinh thể hóa thấp, có thể xem như phức Co(II)-5-BSAT là chất rắn vô định hình. Điều này được chứng minh khi đo phổ XRD, các đường nền gồ ghề, có nhiều vân nhỏ, bề ngang của vân rộng, chứng tỏ hạt rất nhỏ. Dung môi hòa tan: 1,4-dioxane, DMF, DMSO. Hình 4.6. Phổ XRD của Co(II)-5-BSAT 4.2.1. Phổ MS Phân tử khối của 5-BSAT là 274, nguyên tử khối của Coban là 59. Dựa vào phổ MS ta xác định được phân tử khối của sản phẩm là 605. Như vậy ta khẳng định phản ứng tạo phức đã xảy ra, phức Co(II)-5-BSAT là phức đơn nhân, tạo phức tỉ lệ 1:2, khi tạo phức mỗi phân tử 5-BSAT tách ra một ion H+. Kết quả này phù hợp với các tài liệu nghiên cứu sự tạo phức Co(II)-5-BSAT theo phương pháp trắc quang[10, tr.62]. Hình 4.7. Phổ MS của Co(II)-5-BSAT 4.2.2. Phổ IR Khi xem xét phổ IR của phức Co(II)-5-BSAT, ta chú ý ở những vị trí có khả năng xảy ra phối trí với ion kim loại, đó là NH2, C=S, N8, OH. Trên phổ không thấy dải hấp thụ sắc nhọn đặc trưng cho dao động hóa trị của OH ở tần số 3454 cm-1, dải hấp thụ của dao động hóa trị C-O ở 1060 cm-1 biến mất. Chứng tỏ H trong OH bị cắt đứt và O tạo liên kết phối trí với ion kim loại. Sự xuất hiện dải hấp thụ ở tần số 3551 cm-1 và 3458 cm-1- tách thành nhiều đỉnh là dao động hóa trị đối xứng và bất đối xứng của nhóm OH nước kết tinh, ngoài ra còn có dao động biến dạng của HOH ở 1631 cm- 1 [3, tr70]. Dải hấp thụ đặc trưng cho động hóa trị của nhóm NH2, NH ở tần số 3232cm-1 và 3095 cm-1 (ở phổ IR 5-BSAT là 3250 cm-1 và 3161 cm-1). Do đó ta có thể khẳng định NH2 không tham gia tạo liên kết phối trí với ion kim loại. Ngoài ra có sự giảm tần số các vân hấp thụ của C7=N8 từ 1545 cm-1 về 1510 cm-1, N9H từ 1475 cm-1 về 1458 cm-1, N-N từ 1352 cm-1 về 1321 cm-1. Như vậy N8 đã tạo liên kết cho nhận với ion kim loại, mật độ electron ở N8 giảm, làm yếu liên kết C7=N8 và N-N, dẫn đến giảm tần số của vân hấp thụ [3, tr.89-90]. Dao động hóa trị của nhóm C=S ở tần số 1261 cm-1 chuyển về 1138 cm-1 do tạo liên kết phối trí với ion kim loại. Vùng 900-700 cm-1 không xuất hiện dao động hóa trị của liên kết đơn C-S giúp ta loại trừ khả năng trong quá trình tạo phức 5-BSAT chuyển từ dạng thion sang thiol và cắt đứt H để tạo liên kết với ion kim loại. Vân hấp thụ của dao động hóa trị Co-S xuất hiện ở tần xuất 480 cm-1. Như vậy, khi tạo phức với Co(II), 5-BSAT là phối tử 3 càng; liên kết với Co(II) qua O, N8 và S. Dao động của liên kết Co với N, O thường xuất hiện ở tần số nhỏ hơn 400 cm-1 nên ở đây ta không quy kết. Từ các dữ kiện trên ta có thể dự đoán cấu trúc của phức Co(II)-5-BSAT như sau: Br O N H N NH2 S Br O N N H H2N S Co 1 4 2 11 3 6 10 5 7 8 9 4.2.3. Phổ 1H-NMR Trên phổ 1H-NMR của phức Co(II)-5-SBAT cho thấy có tín hiệu của 4 loại proton, có cường độ tương đối 1 : 1 : 1 : 1 ở vùng 6,4-8,2 ppm. Tương tự như ở phổ 1H-NMR của 5- BSAT ta dễ dàng quy kết 4 tín hiệu đó: • δ = 6,4810 ppm, doublet, 3J = 9 Hz, tương tác spin-spin ortho (H3 với H2), tín hiệu này ứng với proton H2 trong 5-BSAT. • δ = 7,0215 ppm, doublet-doublet, 3J = 9 Hz, 4J = 2,5 Hz , tương tác spin-spin ortho và meta, tín hiệu này là của proton H3. • δ = 7,4460 ppm, doublet, 4J = 3 Hz, tín hiệu này là của proton H5. • δ = 8,1410 ppm, singlet, tín hiệu này là của proton H7. Khi nghiên cứu phổ IR của Co(II)-5-BSAT ta đã khẳng định NH2, NH không tham gia tạo phức, nhưng ở đây không thấy xuất hiện tín hiệu trên phổ 1H-NMR. Ta có thể giải thích như sau: • Khi tham gia tạo phức, cấu trúc của phối tử thay đổi, mật độ electron trên các nguyên tử thay đổi. • Các proton gắn với dị tố N có độ dịch chuyển hóa học rất dễ thay đổi tùy thuộc vào nồng độ, dung môi, nhiệt độ, lẫn tạp chất,tín hiệu thường rất rộng và yếu, có thể không xuất hiện trên phổ hoặc lẫn với tín hiệu của proton khác [8, tr.99]. Bảng 4.1. Độ dịch chuyển hóa học proton vòng thơm 5-BSAT, Co(II)-5-BSAT Proton Vị trí so với O(H) Vị trí so với C7=N8 δ1 (5- BSAT) δ2 (Co(II)- 5-BSAT) Δδ= δ1- δ2 H2 ortho meta 6,8165 ppm 6,4810 ppm 0,3355 H3 meta para 7,3235 ppm 7,0215 ppm 0,3020 H5 meta ortho 8,1920 ppm 7,4460 ppm 0,7460 Ta hãy xét đến sự thay đổi độ dịch chuyển hóa học của các proton vòng thơm sau khi tạo phức. Nhóm C7=N8 gây hiệu ứng -R làm cho độ dịch chuyển hóa học các proton trong vòng thơm chuyển về trường yếu. Ở đây N8 tạo phối trí với ion kim loại nên hiệu ứng –R sẽ tăng, tức là độ dịch chuyển hóa học của các proton phải chuyển về trường yếu hơn. Nhưng độ dịch chuyển hóa học của 3 proton vòng thơm đều chuyển về trường mạnh với Δδ khá lớn. Điều đó cho thấy -OH khi tham gia tạo phức đã cắt đứt H tạo ion -O-, làm tăng hiệu ứng +R, làm cho các proton vòng thơm giảm chắn mạnh, độ dịch chuyển hóa học đều chuyển về trường mạnh. Ta xem xét đến dạng hình học của phức chất. Mạch chính của phối tử từ C1 đến N9 đều nằm trên một mặt phẳng do sự lai hóa sp2 của C, N ở các nối đôi tiếp cách nhau qua một nối đơn. Vì thế liên kết phối trí O-Co và N→Co phải nằm trên một mặt phẳng, giả sử là vị trí (1) và (2) . Nhóm C=S tuy không bị ràng buộc trên mặt phẳng đó nhưng số lượng liên kết không đủ để S chiếm vị trí đỉnh (5) của bát diện, do đó S chỉ có thể chiếm vị trí số (3), tức là cả 3 phối trí đều nằm trên một mặt phẳng. Như vậy, phức Co(II)-5-BSAT có cấu trúc bát diện bất đối xứng (hình 4.11). Đó cũng là cơ sở để giải thích cho màu sắc đậm của phức [5]. O Co S S O N HN H2N N NH NH2 Br Br 5 Co 3 1 4 2 6 Nhận xét: • Phổ XRD: đường nền gồ ghề, có nhiều vân nhỏ, bề ngang của vân rộng, chứng tỏ hạt rất nhỏ, cho thấy mức độ tinh thể hóa của phức thấp. • Phổ MS: xác định phân tử khối 605, tỉ lệ tạo phức 1:2, công thức phân tử [Co(C8H7BrN3OS)2], mỗi phối tử mất 1 H+. • Phổ IR: tần số dải hấp thụ của OH biến mất, của C7=N8 và N-N giảm, của C=S giảm; cho thấy phối tử đứt H+ ở nhóm OH và tạo phối trí tại O, N8 và S; 5-BSAT là phối tử 3 càng và ở dạng anion. • Phổ 1H-NMR: độ dịch chuyển hóa học của các proton vòng thơm đều chuyển về trường mạnh, cho thấy OH cắt đứt H+ và O- tạo liên kết phối trí với Co(II). 4.3. Thử hoạt tính sinh học Kết quả thử hoạt tính sinh học với nồng độ dung dịch 1% và 2% trong dung môi DMF cho thấy 5-BSAT và phức Co(II)-5-BSAT đều có khả năng kháng vi khuẩn E. Coli. Tuy nhiên, so với phối tử thì phức Co(II)-5-BSAT có khả năng kháng vi khuẩn E. Coli kém hơn. Hình 4.12. Vòng kháng khuẩn của dung dịch 5-BSAT (1%, 2%) Hình 4.13. Vòng kháng khuẩn của dung dịch Co(II)-5-BSAT (1%, 2%) Bảng 4.2. Khả năng kháng vi khuẩn E.Coli của 5-BSAT, Co(II)-5-BSAT Hợp chất 5-BSAT Co(II)-5-BSAT Nồng độ 1% 2% 1% 2% D 33 35 30 29 d 12 D-d 21 23 18 17 Khả năng kháng khuẩn Mạnh Mạnh Trung bình Trung bình Trong đó: D- đường kính vòng kháng của dung dịch (mm). d- đường kính vòng kháng của dung môi (DMF) + đường kính lỗ (mm). 4.4. Tóm tắt kết quả Bảng 4.3. Một số tính chất của 5-BSAT, Co(II)-5-BSAT Hợp chất 5-BSAT Co(II)-5-BSAT Phân tử khối 274 605 Công thức phân tử C8H8BrN3OS [Co(C8H7BrN3OS)2] Công thức cấu tạo Br OH N H N NH2 S13 4 6 2 5 7 8 9 10 11 Br O N H N NH2 S Br O N N H H2N S Co 1 4 2 11 3 6 10 5 7 8 9 Trạng thái Rắn Rắn, vô định hình Màu sắc Vàng nhạt Nâu đất Nhiệt độ nóng chảy 240-242 oC - Dung môi hòa tan 1,4-dioxane, DMF, DMSO 1,4-dioxane, DMF, DMSO Khả năng kháng vi khuẩn E.Coli Mạnh Trung bình Bảng 4.4. Tần số các dải hấp thụ trên phổ IR của 5-BSAT, Co(II)-5-BSAT (KBr, cm-1) Nhóm liên kết 5-BSAT Co(II)-5-BSAT NH2, NH 3250, 3161 3232, 3095 OH 3454 - C=N 1545 1510 N-H 1475 1458 N-N 1352 1321 C=S 1261 1138 Co-S - 480 Bảng 4.5. Tín hiệu proton trên phổ 1H-NMR của 5-BSAT, Co(II)-5-BSAT (500 MHz, DMSO-d6, ppm) Proton 5-BSAT Co(II)-5-BSAT H1 11,4030 (s) - H2 6,8165 (d) 6,4810 (d) H3 7,3235 (dd) 7,0215 (dd) H5 8,1920 (s) 7,4460 (d) H7 8,2890 (s) 8,1410 (s) H9 10,2320 (s) (*) H11 (Ha, Hb) 8,1370 (s, s) (*) (*) có proton nhưng không thấy tín hiệu trên phổ. KẾT LUẬN 1. Đã tổng hợp được hợp chất 5-bromosalicylaldehyde thiosemicarbazone (5-BSAT) từ 5-bromosalicylaldehyde và thiosemicarbazide. Kết quả phân tích phổ IR, phổ 1H-NMR phù hợp với các nghiên cứu về 5-BSAT [15, 16]. 2. Đã tổng hợp được phức rắn Co(II)-5-BSAT. Kết quả nghiên cứu phân tích phổ XRD, phổ MS, phổ IR, phổ 1H-NMR cho thấy: • Phức chất tồn tại ở trạng thái rắn, vô định hình, màu nâu đất, ít tan trong nước; tan trong DMF, DMSO, 1,4-dioxane. • Phức chất có thành phần ứng với công thức phân tử [Co(C8H7BrN3OS)2]. Phức Co(II)-5-BSAT là phức đơn nhân, bền trong điều kiện ghi phổ. • 5-BSAT là phối tử 3 càng và ở dạng anion, liên kết với Co(II) qua O, N8 và S; phức chất có cấu trúc bát diện bất đối xứng. 3. Bước đầu thử hoạt tính sinh học của 5-BSAT và Co(II)-5-BSAT; thử hoạt tính kháng vi khuẩn E. Coli cho thấy 5-BSAT kháng mạnh, Co(II)-5-BSAT kháng trung bình. ĐỀ XUẤT 1. Tiếp tục nghiên cứu các điều kiện tối ưu để tổng hợp phức Co(II)-5-BSAT: pH, dung môi, nhiệt độ, thời gian phản ứng. 2. Thử hoạt tính sinh học của 5-BSAT, Co(II)-5-BSAT trên nhiều chủng vi khuẩn khác, tìm hiểu cơ chế hoạt tính sinh học, đóng góp dữ liệu thực nghiệm cho lĩnh vực nghiên cứu mối quan hệ cấu tạo - hoạt tính sinh của các hợp chất thiosemicarbazone và phức chất của nó. 3. Nghiên cứu các ứng dụng của 5-BSAT, Co(II)-5-BSAT trong các lĩnh vực hóa phân tích, y học, sinh học, TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Nguyễn Thị Phương Chi, Dương Tuấn Quang (2007), Tổng hợp và đặc trưng phổ của phức Co(III) với 4-metyl-4-3-phenyl thiosemicacbazon axetylaxeton, Tạp chí Hoá học, T. 45 (6A), Tr. 245 – 249. 2. Nguyễn Tiến Công (2009), Một số phương pháp phổ nghiên cứu cấu trúc phân tử, Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh. 3. Nguyễn Hữu Đĩnh, Trần Thị Đà (1999), Ứng dụng một số phương pháp phổ nghiên cứu cấu trúc phân tử, Nhà xuất bản Giáo dục. 4. Trần Thu Hương (2011), Nghiên cứu tổng hợp, cấu tạo của một số phức chất Pd(II) với dẫn xuất của thiosemicacbazon, Luận văn Thạc sĩ, trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội. 5. Lê Chí Kiên (2006), Hóa học phức chất, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội. 6. Phan Bá Ngân (2002), Giáo trình Hóa học phức chất, Trường Đại học Đà Lạt. 7. Hoàng Nhâm (2003), Hóa học các nguyên tố, Tập II, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội. 8. Nguyễn Kim Phi Phụng (2005), Phổ NMR, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh. 9. Dương Tuấn Quang (2008), Xác định cấu trúc các phức Co(III) với 4 phenylthiosemicacbazon isatin, Tạp chí Hoá học, T. 46 (5), Tr. 588 – 592. 10. Phạm Đình Thượng (2011), Xác định đồng thời Cu2+ và Co2+ trong nước thải bằng phương pháp trắc quang kết hợp với thuật toán thêm chuẩn điểm H, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh. Tiếng Anh 11. J.S.Casas, M.S. Garcia-Tasende, J.Sordo (2000), Main group metal complexes of semicarbazones and thiosemicarbazones, Coordination Chemistry Reviews, 209, 197– 261. 12. Z.F.Dawood and M.W.Ibrahim (2006), Preparation and characterization of Some Cobalt (II) Complexes Containing Mixed Ligands (Salicylaldehyde Thiosemicarbazone and Carboxylic Acids), National Journal of Chemistry, 21. 13. Hasnah Osman, Afsheen Arshad, Chan Kit Lam and Mark C Bagley (2012), Microwave-assisted synthesis and antioxidant properties of hydrazinyl thiazolyl coumarin derivatives, Osman et al. Chemistry Central Journal. 14. G.Ramanjaneyulu, P.Raveendra Reddy, V.Krishna Reddy and T.Sreenivasulu Reddy (2008), Direct and Derivative Spectrophotometric Determination of Copper(II) with 5-Bromosalicylaldehyde Thiosemicarbazone, The Open Analytical Chemistry Journal , 2, 78-82. 15. Sebastien Floquet, Marie-Laure Boillot, Eric Riviere, Francois Varret, Kamel Boukheddaden, Denis Morineau and Philippe Negrier (2003), Spin transition with a large thermal hysteresis near room temperature in a water solvate of an iron(III) thiosemicarbazone complexy, New J.Chem , 27, 341-348. 16.