Tài liệu Tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc một số phức chất kim loại chuyển tiếp với phối tử dẫn xuất từ curcumin

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGÔ THỊ LIÊN TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC MỘT SỐ PHỨC CHẤT KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VỚI PHỐI TỬ DẪN XUẤT TỪ CURCUMIN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2017 i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGÔ THỊ LIÊN TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC MỘT SỐ PHỨC CHẤT KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VỚI PHỐI TỬ DẪN XUẤT TỪ CURCUMIN Chuyên ngành : Hóa Vô Cơ Mã số : 60440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHẠM CHIẾN THẮNG GS. TS. TRIỆU THỊ NGUYỆT Hà Nội – Năm 2017 ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ................................................................................... 2 1.1 Giới thiê ̣u về curcumin ................................................................................... 2 1.2 Giới thiệu về phức chất curcuminat kim loại .................................................. 4 CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..... 6 2.1 Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................... 6 2.2 Mục đích, nội dung nghiên cứu ...................................................................... 6 2.3 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 7 2.3.1 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) ............................................................ 7 2.3.2 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) ................................... 8 2.3.3 Phương pháp phổ khối lượng (MS) .......................................................... 9 2.3.4 Phương pháp nhiễu xạ tia X đơn tinh thể ................................................ 10 CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM ........................................................................... 14 3.1 Dụng cụ và hóa chất ..................................................................................... 14 3.1.1 Dụng cụ.................................................................................................. 14 3.1.2 Hóa chất ................................................................................................. 14 3.2 Tinh chế curcumin ........................................................................................ 14 3.3 Tổng hợp phố i tử .......................................................................................... 14 3.3.1 Tổng hợp phối tử 4,4’-điaxetylcurcumin (HL1) ...................................... 14 3.3.2 Tổng hợp phối tử 4,4’-đibenzoylcurcumin (HL2) ................................... 15 3.4 Tổng hợp phức chất ...................................................................................... 15 3.4.1 Phức chất với phối tử 4,4’-điaxetylcurcumin .......................................... 15 iii i 3.4.2 Phức chất với phối tử 4,4’-đibenzoylcurcumin ....................................... 16 3.5 Các điều kiện thực nghiệm ........................................................................... 16 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 19 4.1 Nghiên cứu phối tử 4,4’-điaxetylcurcumin (HL1) và 4,4’-đibenzoylcurcumin (HL2) .................................................................................................................. 19 4.2 Nghiên cứu phức chất của 4,4’-điaxetylcurcumin (HL1) và 4,4’đibenzoylcurcumin (HL2) với kim loại chuyển tiếp ............................................ 30 4.2.1 Nghiên cứu phức chất Fe(III) ................................................................. 30 4.2.2 Nghiên cứu phức chất Co(II), Ni(II) và Cu(II) ........................................ 34 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 42 PHU ̣ LỤC............................................................................................................. 46 iiiv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Kết quả tổng hợp phức chất 4,4’-điaxetylcurcuminat kim loại ................ 16 Bảng 3.2 Tính tan của các phức chất trong một số dung môi ................................. 16 Bảng 3.3 Kết quả tổng hợp phức chất 4,4’-đibenzoylcurcuminat kim loại ............. 17 Bảng 3.4 Tính tan của các phức chất trong một số dung môi ................................. 17 Bảng 4.1 Một số dải hấp thụ đặc trưng trong phổ IR của curcumin và phối tử ....... 21 Bảng 4.2 Quy gán các tín hiệu trên phổ 1H NMR của curcumin, HL1 và HL2......... 24 Bảng 4.3 Quy gán các tín hiệu trên phổ 13C NMR của HL1 và HL2 ........................ 27 Bảng 4.4 Một số độ dài liên kết (Å) và góc liên kết (o) trong phối tử HL1 và HL2 .. 29 Bảng 4.5 Quy gán các tín hiệu trên phổ khối lượng ESI+ của phức chất [Fe(L1)3] .. 31 Bảng 4.6 Các dải hấp thụ đặc trưng trong phổ IR của phức chất [Fe(L1)3] và [Fe(L2)3] so với phối tử......................................................................................................... 32 Bảng 4.7 Một số độ dài liên kết (Å) và góc liên kết (o) trong phức chất [Fe(L1)3] .. 34 Bảng 4.9 Các dải hấp thụ đặc trưng trong phổ IR của phối tử và phức chất ........... 37 Bảng 4.10 Một số độ dài liên kết (Å) và góc liên kết (o) trong các phức chất [M(L1)2(CH3OH)2] (M = Co, Ni) và [Cu(L1)2] . 2CH3OH ...................................... 39 v iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hın ̀ h 1.1 Công thức cấu tạo của curcumin ............................................................... 2 Hı̀nh 1.2 Cân bằng tautome hóa và quá trı̀nh tách proton của curcumin trong dung dich ̣ ......................................................................................................................... 3 Hın ̀ h 1.3 Cấu trúc của curcumin .............................................................................. 3 Hı̀nh 1.4 Liên kết phối trí giữa curcumin và ion kim loại ......................................... 4 Hı̀nh 2.1 Công thức cấu tạo dự kiến của phối tử (a) 4,4’-điaxetylcurcumin (HL1) và (b) 4,4’-đibenzoylcurcumin (HL2) ........................................................................... 6 Hình 2.2 Sơ đồ tổng quát cho việc xác định cấu trúc phân tử bằng phương pháp nhiễu xạ tia X đơn tinh thể .............................................................................................. 12 Hình 4.1 Phổ IR của curcumin ............................................................................... 20 Hình 4.2 Phổ IR của 4,4’-điaxetylcurcumin (HL1) ................................................. 20 2 Hın ̀ h 4.3 Phổ IR của 4,4’-đibenzoylcurcumin (HL ) .............................................. 21 Hı̀nh 4.4 Quy tắc đánh số khung cacbon cho phổ NMR của (a) curcumin, (b) HL1 và (c) HL2 .................................................................................................................. 22 Hình 4.5 Phổ 1H NMR của curcumin ..................................................................... 23 Hình 4.6 Phổ 1H NMR của 4,4’-điaxetylcurcumin (HL1) ....................................... 23 Hı̀nh 4.7 Phổ 1H NMR của 4,4’-đibenzoylcurcumin (HL2) .................................... 24 Hình 4.8 Phổ 13C NMR của 4,4’-điaxetylcurcumin (HL1) ...................................... 25 Hình 4.8 Phổ 13C NMR của 4,4’-điaxetylcurcumin (HL1) ...................................... 26 Hình 4.9 Phổ 13C NMR của 4,4’-đibenzoylcurcumin (HL2) ................................... 26 Hı̀nh 4.10 Cân bằng giữa hai dạng cấu trúc bất đối xứng xeto-enol ....................... 27 1 Hın ̀ h 4.11 Cấu trúc của 4,4’-điaxetylcurcumin (HL )............................................. 28 2 Hın ̀ h 4.12 Cấu trúc của 4,4’-đibenzoylcurcumin (HL ). ......................................... 28 Hình 4.13 Cấu tạo của phối tử (a) HL1 và (b) HL2 ................................................. 29 Hình 4.14 Phổ khối lượng ESI+của phức chất [Fe(L1)3] ......................................... 31 Hình 4.15 Phổ IR của phức chất [Fe(L1)3] ............................................................. 32 Hình 4.16 Phổ IR của phức chất [Fe(L2)3] ............................................................. 32 viiv 1 Hın ̀ h 4.17 Cấu trúc phức chất [Fe(L )3]. ................................................................ 33 Hình 4.18 Phổ IR của phức chất [Co(L1)2] ............................................................. 35 Hình 4.19 Phổ IR của phức chất [Ni(L1)2] ............................................................. 35 Hình 4.20 Phổ IR của phức chất [Cu(L1)2] ............................................................. 35 Hình 4.21 Phổ IR của phức chất [Co(L2)2] ............................................................. 36 Hình 4.22 Phổ IR của phức chất [Ni(L2)2] ............................................................. 36 Hình 4.23 Phổ IR của phức chất [Cu(L2)2] ............................................................. 36 1 Hın ̀ h 4.24 Cấu trúc phức chất [M(L )2(MeOH)2] (M = Co, Ni) .............................. 38 1 Hın ̀ h 4.25 Cấu trúc phức chất [Cu(L )2] . 2CH3OH ................................................ 38 vii v LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Phạm Chiến Thắng và GS. TS. Triệu Thị Nguyệt đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Em cũng xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Hùng Huy đã động viên, khích lệ và tạo điều kiện để em có thể hoàn thành luận văn này. Em xin cảm ơn các thầy cô giáo và các cô chú kĩ thuật viên trong Bộ môn Hóa Vô Cơ đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình làm thực nghiệm. Tôi cũng xin cảm ơn em Phạm Thu Thùy, các anh, chị và các bạn trong phòng phức chất đã giúp đỡ tận tình, đóng góp nhiều ý kiến quí báu để bản luận văn này hoàn thiện hơn. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và người thân đã tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thành tốt luận văn này. Hà Nội, ngày 16 tháng 11 năm 2017 Học viên Ngô Thị Liên viii vi MỞ ĐẦU Hàng ngàn năm qua, củ nghê ̣ (thuô ̣c ho ̣ gừng) đươ ̣c sử du ̣ng ở nhiề u nước nhiê ̣t đới châu Á trong đó có Viê ̣t Nam như một phương thuốc chữa các bệnh về dạ dày và gan. Củ nghê ̣ cũng đươ ̣c dùng để chữa lành các vết loét do những tính chất kháng khuẩn cơ bản của nó. Bên ca ̣nh đó, bô ̣t nghê ̣là mô ̣t chấ t ta ̣o màu tự nhiên dùng phổ biế n cho thức ăn hoă ̣c chấ t nhuô ̣m. Trong những năm gần đây, việc tổng hợp, nghiên cứu cucumin, tinh chấ t tách chiế t đươ ̣c từ củ nghê,̣ ngày càng thu hút nhiều nhà khoa học trên thế giới do những ứng du ̣ng tiề m năng trong điề u tri ̣ ung thư và mô ̣t số bê ̣nh như như Alzheimer, Parkinson, bênh ̣ phổ i, bênh ̣ tim ma ̣ch, tiể u đường, tăng cholesterol máu… Phức chấ t kim loa ̣i của curcumin và dẫn xuấ t cũng là đố i tươ ̣ng nghiên cứu đươ ̣c quan tâm đă ̣c biê ̣t do sự tăng cường hoa ̣t tı́nh sinh ho ̣c và đô ̣c tın ́ h ức chấ t tế bào ung thư so với phố i tử hữu cơ và các tın ́ h chấ t hóa lý vươ ̣t trô ̣i mà phố i tử hữu cơ không có đươ ̣c. Mă ̣c dù là đố i tươ ̣ng nghiên cứu với nhiề u ứng du ̣ng tiề m năng trong thực tiễn, hiêṇ nay ở Viê ̣t Nam, phức chấ t kim loa ̣i của curcumin và dẫn xuấ t vẫn chưa đươ ̣c quan tâm đúng mức. Vı̀ lý do này, chúng tôi lựa chọn hướng nghiên cứu: “Tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc một số phức chất kim loại chuyển tiếp với phối tử dẫn xuất từ curcumin” Hi vọng rằng các kết quả thu được trong luận văn này sẽ đóng góp phần nhỏ vào lĩnh vực nghiên cứu phức chất của curcumin với kim loại chuyển tiếp. 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiêụ về curcumin Curcumin hay (1E,6E)-1,7-bis(4-hyđroxy-3-metoxyphenyl)hepta-1,6-đien3,5-đion là hợp chất hữu cơ có công thức cấ u ta ̣o như trong Hın ̀ h 1.1 dưới đây. Hı̀nh 1.1 Công thức cấu tạo của curcumin. Curcumin đươ ̣c biế t đế n là thành phần chính trong ho ̣ hơ ̣p chấ t hữu cơ đươ ̣c chiế t tách từ củ nghệ. Curcumin tồ n ta ̣i ở dạng bột màu vàng với điểm nóng chảy 183°C, hầu như không tan trong nước, tan tốt trong dung môi phân cư ̣c như DMSO, metanol, etanol, axetonitrin, điclometan, clorofom, etylaxetat …[15]. Curcumin được phân lâ ̣p lần đầu tiên vào năm 1815 bởi Vogel và Pelletie [29], và phải hơn mô ̣t thế kı̉ sau đó, cấ u ta ̣o của hơ ̣p chấ t này lầ n đầ u tiên đươ ̣c mô tả bởi Lampe và Milobedesk vào năm 1910 [10]. Năm 1918, Lampe và cô ̣ng sư ̣ đã tổ ng hơ ̣p thành công curcumin từ cacbometoxy feruloyl clorua và etyl axetoaxetat [8]. Quy trình tổng hợp đơn giản hơn với hiê ̣u suấ t cao hơn, sử du ̣ng axetyl axeton, B2O3, anđehit thơm thế , triankyl borat và n-butylamin, đươ ̣c công bố bởi Pabon [12]. Hiêṇ nay, đây là hai phương pháp chın ́ h trong tổ ng hơ ̣p các chấ t thuô ̣c ho ̣ curcumin (curcuminoit). Do thành phầ n cấ u ta ̣o có chứa hơ ̣p phầ n β-đixeton, curcumin có thể tồ n ta ̣i ở hai da ̣ng tautome β-đixeton 1a và xeto-enol 1b trong cân bằ ng tautome hóa (Hın ̀ h 1.2). Cân bằ ng tautome hóa phu ̣ thuô ̣c vào đô ̣ phân cực của dung môi và pH của môi trường. Trong dung môi không phân cực, da ̣ng xeto-enol 1b đươ ̣c bề n hóa bởi liên kế t hiđro nô ̣i phân tử là da ̣ng tồ n ta ̣i chın ́ h. Da ̣ng β-đixeton 1a chiế m ưu thế trong dung môi phân cực [3]. Sư ̣ phu ̣ thuô ̣c của cấ u trúc vào pH của môi trường thể hiêṇ bản chấ t axit Brönsted yế u của curcumin. Các giá tri pK ̣ a cho ba quá trı̀nh tách proton 2 ứng với ba proton linh đô ̣ng của phân tử (mô ̣t proton enol và hai proton phenol) đươ ̣c đưa ra dựa trên nghiên cứu sử du ̣ng phổ cô ̣ng hưởng từ ha ̣t nhân và phổ hấ p thu ̣ electron (Hı̀nh 1.2) [15]. Hı̀nh 1.2 Cân bằng tautome hóa và quá trı̀nh tách proton của curcumin trong dung di ̣ch [15]. Cấ u trúc tinh thể của curcumin đã đươ ̣c xác đinh ̣ bằ ng phương pháp nhiễu xa ̣ tia X trên đơn tinh thể [11, 13, 18-19, 26]. Kế t quả đã chı̉ ra rằ ng: ở tra ̣ng thái rắ n, curcumin tồ n ta ̣i ở da ̣ng xeto-enol 1b với liên kế t hiđro nô ̣i phân tử (Hı̀nh 1.3). Hı̀nh 1.3 Cấu trúc của curcumin [13]. Các đường đứt nét biểu diễn các liên kết hiđro nội phân tử. 3 Cho đến những năm 1970, các nghiên cứu trên curcumin chủ yế u tâ ̣p trung vào cấu trúc hóa học, tổng hợp toàn phầ n, mô ̣t số tın ́ h chấ t sinh hóa và hoạt tính chống oxi hóa. Sau công trın ̀ h của Aggarwal và cô ̣ng sư ̣ [23] về khả năng chố ng ung thư của curcumin, ho ̣ hơ ̣p chấ t này thu hút đươ ̣c sư ̣ quan tâm của nhiề u nhà khoa ho ̣c trên thế giới. Các nghiên cứu chuyên sâu còn cho thấ y tiề m năng sử du ̣ng curcumin trong điề u tri ̣ mô ̣t số bê ̣nh như Alzheimer, Parkinson, bê ̣nh phổ i, bênh ̣ tim mạch, tiể u đường, tăng cholesterol máu… 1.2 Giới thiệu về phức chất curcuminat kim loại Curcumin ta ̣o thành phức chấ t bề n với nhiề u ion kim loa ̣i. Trong các phức chấ t này, curcumin đóng vai trò phối tử hai càng mang mô ̣t điê ̣n tı́ch âm với bô ̣ nguyên tử cho O, O của hơ ̣p phầ n β-đixeton (Hın ̀ h 1.4). Hı̀nh 1.4 Liên kết phối trí giữa curcumin và ion kim loại Tuy phức chất của các kim loại chuyển tiếp với curcumin đã được quan tâm và nghiên cứu từ lâu, nhưng số lươ ̣ng công trı̀nh tâ ̣p trung vào nghiên cứu cấ u trúc của các hơ ̣p chấ t này còn rấ t ha ̣n chế . Mô ̣t trong những nguyên nhân có le ̃ là do đô ̣ tan thấ p của curcuminat kim loa ̣i [15]. Cho tới nay các công bố về cấ u trúc của curcuminat kim loa ̣i chủ yế u tâ ̣p trung vào phức chấ t hỗn hơ ̣p phố i tử [1, 6-7, 20-21] hoă ̣c phức chấ t với dẫn xuấ t 4,4’-ankoxy của curcumin [30-31]. Hiê ̣n nay, các nghiên cứu về phức chấ t kim loa ̣i của curcumin đề u hướng tới khả năng ứng dụng phức chấ t sản phẩ m trong các lĩnh vực y dược, hóa sinh. Mô ̣t số nghiên cứu cho thấ y rằ ng: phức chất kim loại với curcumin có hoa ̣t tı́nh sinh ho ̣c và 4 đô ̣c tıń h tế bào cao hơn curcumin. Cu ̣ thể như: phức chất hỗn hơ ̣p curcumin và 4,4’bipyriđin với Zn2+ hiệu quả hơn curcumin trong ức chế tế bào ung thư [17, 16]. Phức chất curcumin-terpyridyl La3+ có quang đô ̣c tı́nh (photocytotoxicity) cao với dòng tế bào Hela [7]. Phức chất curcumin-bipyriđin với Pd2+ ức chế sự phát triển của tế bào ung thư tiền liệt tuyến ở người [28]. Mô ̣t trong ứng du ̣ng khác trong y ho ̣c cũng đang đươ ̣c quan tâm là khả năng phát huỳnh quang của các phức chất kim loại chuyển tiếp với curcumin ứng du ̣ng trong viê ̣c xác định vị trí tế bào bi ̣ bê ̣nh. Các phức chất đấ t hiếm curcumin và dẫn xuấ t của 1,10-phenantrolin hấp thụ hai photon ở trong khoảng bước sóng từ 700 đến 800 nm và có thể được sử dụng cho việc chụp ảnh dòng tế bào ung thư vú MCF-7 [25]. Phức chất [Re(CO)3(cucumin)H2O] với khả năng phát huỳnh quang và ái lực với các mảnh β-amyloi, là tác nhân tiềm năng trong việc chu ̣p chiế u mô của các bệnh nhân Alzheimer [27]. 5 CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu Như đã nêu ở phầ n Tổ ng quan, mă ̣c dù có rấ t nhiề u nghiên cứu liên quan tới phức chấ t kim loa ̣i chuyể n tiế p của curcumin nhưng cấ u trúc của các hơ ̣p chấ t này hầ u như chưa đươ ̣c nghiên cứu. Hạn chế này do đô ̣ tan thấ p của các phức chấ t, bắt nguồn từ viê ̣c nhóm OHphenol của curcumin tách proton, tham gia phố i trı́ với ion kim loa ̣i và ta ̣o nên các phức chất ở dạng polime. Do đó, trong nghiên cứu này nhóm OHphenol của curcumin đươ ̣c ‘khóa’ bằ ng cách este hóa với anhyđrit axetic hoặc benzoyl clorua. Sản phẩ m 4,4’-điaxetylcurcumin (Hı̀nh 2.1 a) và 4,4’đibenzoylcurcumin (Hình 2.1 b) đươ ̣c sử du ̣ng làm phố i tử cho các phản ứng ta ̣o phức tiế p theo với mô ̣t số ion kim loa ̣i chuyể n tiế p daỹ thứ nhấ t như Fe3+, Co2+, Ni2+ và Cu2+. (a) (b) Hı̀nh 2.1 Công thức cấu tạo dự kiến của phối tử (a) 4,4’-điaxetylcurcumin (HL 1) và (b) 4,4’-đibenzoylcurcumin (HL2). 2.2 Mục đích, nội dung nghiên cứu Với mục đích hướng vào việc tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc phức chất kim loại chuyển tiếp với dẫn xuất của curcumin, cụ thể là 4,4’-điaxetylcurcumin và 4,4’đibenzoylcurcumin, đề tài gồm những nội dung chính sau: 1. Tổng hợp hai phố i tử 4,4’-điaxetylcurcumin (HL1) và 4,4’-đibenzoylcurcumin (HL2). 6 2. Xác đinh ̣ thành phầ n phân tử và cấ u trúc của phố i tử bằng phương pháp phổ hồng ngoại, phổ cộng hưởng từ hạt nhân và đă ̣c biê ̣t là phương pháp nhiễu xạ tia X đơn tinh thể. 3. Tổng hợp phức chất của phối tử 4,4’-điaxetylcurcumin (HL1) và 4,4’đibenzoylcurcumin (HL2) với một số́ ion kim loại chuyển tiếp daỹ thứ nhấ t như Fe3+, Co2+, Ni2+ và Cu2+. 4. Nghiên cứu thành phần và cấu trúc phức chất thu được bằng phương pháp phổ hồng ngoại, phổ khối lượng và phương pháp nhiễu xạ tia X đơn tinh thể. 2.3 Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) Phổ hồng ngoại là một trong những phương pháp vật lý phổ biến dùng để nghiên cứu phức chất. Việc khai thác các dữ kiện thu được từ phổ hồng ngoại có thể cung cấp nhiều thông tin cho phép xác định một cách định tính sự tạo thành phức chất giữa phối tử và ion trung tâm. Ngoài ra, phương pháp này còn cho phép xác định kiểu phối trí và độ bền liên kết của kim loại – phối tử. Khi phân tử vật chất hấp thụ năng lượng điện tử có thể dẫn đến các quá trình thay đổi trong phân tử như quá trình quay, dao động, kích thích điện tử... Mỗi quá trình như vậy đều đòi hỏi một năng lượng nhất định đặc trưng cho nó, có nghĩa là đòi hỏi một bức xạ điện từ có tần số đặc trưng để kích thích. Trong đó, bức xạ hồng ngoại đặc trưng cho sự kích thích quá trình dao động của các nhóm nguyên tử trong phân tử. Mỗi một liên kết trong phân tử đều hấp thụ một bức xạ có tần số đặc trưng để thay đổi trạng thái dao động của mình, tần số đặc trưng này không những phụ thuộc vào bản chất liên kết mà còn phụ thuộc rất nhiều vào cấu tạo phân tử và các nguyên tử, nhóm nguyên tử xung quanh. Có hai kiểu dao động chính của phân tử là dao động hoá trị (làm thay đổi chiều dài liên kết nhưng không thay đổi góc liên kết) và dao động biến dạng (làm thay đổi góc liên kết còn độ dài liên kết không thay đổi). Đối với những phân tử gồm n nguyên tử, người ta xác định là phải có 3n-6 (đối với phân tử không thẳng hàng) và 3n-5 (đối 7 với phân tử thẳng hàng) dao động chuẩn. Sự xuất hiện của một dao động trong phổ hấp thụ hồng ngoại cần phải thoả mãn các điều kiện của quy tắc lọc lựa: năng lượng của bức xạ phải trùng với năng lượng của dao động và sự hấp thụ của năng lượng phải đi kèm với sự biến đổi của momen lưỡng cực của phân tử. Sự biến đổi momen lưỡng cực càng lớn thì cường độ của các dải hấp thụ càng lớn. Vì vậy, những phân tử có các yếu tố đối xứng thường cho phổ đơn giản hơn những phân tử không chứa yếu tố đối xứng. Khi tạo thành phức chất, các dải hấp thụ đặc trưng của các liên kết trong phối tử thường bị dịch chuyển so với vị trí của nó trong phổ của phối tử tự do vì quá trình tạo phức là quá trình chuyển electron từ phối tử đến các obitan trống của ion kim loại để tạo liên kết phối trí nên làm giảm mật độ điện tử trên phân tử phối tử. Từ sự thay đổi của các dải hấp thụ đặc trưng khi chuyển từ phổ của phối tử tự do sang phổ của phức chất có thể thu được các dữ kiện về vị trí phối trí, dạng hình học, cũng như bản chất của liên kết kim loại – phối tử trong phức chất. 2.3.2 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân là một trong những phương pháp hiện đại nhất nhằm xác định cấu trúc của các hợp chất hóa học. So với phương pháp phổ hồng ngoại, phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân cung cấp những thông tin chính xác và cụ thể hơn. Nhiều hạt nhân có spin – gọi là spin hạt nhân khác không. Theo cơ học lượng tử, khi đặt các hạt nhân này trong từ trường sẽ có sự tách các trạng thái năng lượng. Khi không có năng lượng kích thích, hạt nhân ở trạng thái cơ bản – có năng lượng thấp nhất. Khi được kích thích bởi sóng điện từ có tần số υ (cỡ tần số sóng radio), hạt nhân chuyển lên mức năng lượng cao nhờ hấp thụ năng lượng. Sự hấp thụ năng lượng được ghi lại như một vạch phổ được gọi là một tín hiệu cộng hưởng. Mỗi giá trị υ đặc trưng cho mỗi loại hạt nhân và môi trường từ (lớp vỏ electron, hạt nhân lân cận…) xung quanh nó. Dựa trên phổ cộng hưởng từ hạt nhân có thể thu được các thông tin: - Độ dịch chuyển hóa học đặc trưng cho môi trường xung quanh hạt nhân từ. 8 - Hằng số tương tác spin-spin. - Cường độ tín hiệu (tỉ lệ với số hạt nhân từ). Bằng cách xác định sự dịch chuyển tín hiệu cộng hưởng của nhóm chức chứa proton trước và sau phản ứng có thể chứng minh nhóm chức đó đã tham gia liên kết hay không. Để chứng minh quá trình tạo phức xảy ra cũng như việc xác định cấu trúc của phức chất trước hết phải qui kết chính xác các pic trên phổ cộng hưởng từ hạt nhân, đồng thời có sự so sánh rõ ràng tín hiệu phổ của phức chất và phối tử tự do. 2.3.3 Phương pháp phổ khối lượng (MS) Nguyên tắc chung của phương pháp phổ khối lượng là sử dụng các phương pháp khác nhau để chuyển chất nghiên cứu thành các ion phân tử hoặc ion phân mảnh, tạo ra các ion phân tử có điện tích +1, +2, và -1 nhưng xác suất tạo ra ion điện tích +1 là lớn nhất. Các ion có khối lượng m và điện tích z. Tỉ số m/z được gọi là số khối. Nhờ một thiết bị đặc biệt, các ion có cùng tỉ số m/z sẽ đến detectơ của máy ở cùng một thời điểm. Các ion có tỉ số m/z khác nhau sẽ đến detectơ ở các thời điểm khác nhau. Do đó detectơ có thể xác định được hàm lượng I của các mảnh ion. Từ đó dựng lên đồ thị giữa I và m/z, khi đó đồ thị được gọi là phổ khối lượng. Dựa vào phổ khối lượng có thể thu được các thông tin: khối lượng các phân tử, các mảnh phân tử, tỉ lệ các pic đồng vị. Khai thác triệt để các thông tin này có thể góp phần lớn trong việc xác định được chính xác cấu trúc phân tử. + Pic đồng vị: Hợp chất phức thường được cấu tạo từ các nguyên tố có nhiều đồng vị khác nhau. Điểm nổi bật trong các hợp chất phối trí là các cụm pic đồng vị đặc trưng cho sự có mặt của các kim loại trung tâm và phối tử. Cường độ các pic đồng vị trong cụm tỉ lệ với xác suất có mặt của các dạng đồng vị. Việc xác định được tỉ lệ các pic trong cụm pic đồng vị cho phép qui kết được cụm pic đó với độ tin cậy cao. + Sơ đồ phân mảnh: Dựa trên các mảnh phân tử nhận được từ khối phổ có thể đưa ra những dự đoán về sơ đồ phân mảnh của phân tử chất nghiên cứu. Hiện nay, có rất ít công trình công bố về sự phân mảnh khối phổ của phức chất. 9 Để phá vỡ phân tử thành các phân tử nhỏ cần sử dụng một số phương pháp như: phương pháp EI (Electron Ionzation), phương pháp FAB (Fast Atomic Bombardment). Trong phương pháp EI, phân tử bị bắn phá trực tiếp bằng chùm electron, do năng lượng bắn phá lớn, các phân tử thường bị vỡ vụn khi tiếp xúc với chùm electron. Phương pháp FAB đã khắc phục được nhược điểm này, do trong quá trình bắn phá còn xảy ra cả quá trình tái kết hợp. Hiện nay, trong nước có một phương pháp khối phổ mới đó là phương pháp ESI (Electronspray Ionzation). Khác với phương pháp trước, phương pháp ESI bắn phá mẫu ở dạng bụi lỏng. Phương pháp ESI gồm bốn bước cơ bản sau: + Bước 1: Ion hóa mẫu trong dung dịch. Bước này thực hiện sự chuyển đổi pH để tạo ra sự ion hóa trong dung dịch mẫu. + Bước 2: Phun mù. Dựa trên hai tác động là sức căng bề mặt và độ nhớt của dung môi hòa tan mẫu để điều chỉnh áp suất phun dung dịch mẫu. + Bước 3: Khử dung môi. Giai đoạn này, phụ thuộc vào nhiệt bay hơi của dung môi để cung cấp khí khô và nóng cho phù hợp sự bay hơi của dung môi. + Bước 4: Tách ion ra khỏi dung dịch. Ion được tách ra có thể là một phân tử mẫu liên kết với H+ hay Na+, K+, NH4+, nếu chúng có mặt trong dung dịch hoặc có thể là một ion mẫu khi mất đi một proton. 2.3.4 Phương pháp nhiễu xạ tia X đơn tinh thể Khi chiếu tia X đi qua một đơn tinh thể của một chất cần nghiên cứu, tia X bị nhiễu xạ và tách thành nhiều tia X thứ cấp. Nếu đặt một phim chụp (hay một detectơ) phía sau tinh thể, ta có thể ghi lại hình ảnh của các tia nhiễu xạ là những nốt sáng. Hai thông tin thu được từ vết nhiễu xạ là vị trí và cường độ của tia nhiễu xạ. Từ những thông tin này, bằng những tính toán toán học ta có thể xác định vị trí của từng nguyên tử có trong một ô mạng cơ sở và từ đó xây dựng được cấu trúc phân tử của chất cần nghiên cứu. Vị trí của các vết nhiễu xạ được giải thích bằng mô hình phản xạ của Bragg. Trong đó, ảnh nhiễu xạ là kết quả của sự giao thoa các tia X phản xạ trên các họ mặt 10 phẳng nút hkl. Mối liên hệ giữa vị trí của các vết nhiễu xạ và cấu trúc tinh thể, hay cụ thể hơn là các thông số mạng của tinh thể được thể hiện qua phương trình Bragg: 2dhkl.sinθ = λ trong đó: dhkl là khoảng cách giữa hai mặt liên tiếp trong họ mặt phẳng hkl. θ là góc nhiễu xạ Bragg. λ là bước sóng của tia X. Cường độ của vết nhiễu xạ từ họ mặt phẳng hkl được biễu diễn thông qua thừa số cấu trúc F(hkl) và tỉ lệ thuận với bình phương biên độ hàm sóng tổ hợp từ các sóng nhiễu xạ tại các nguyên tử trong ô mạng cơ sở. Trong trường hợp tổng quát, nếu ta có N nguyên tử trong ô mạng cơ sở, nguyên tử thứ j chiếm vị trí (xj, yj, zj). Biên độ hàm sóng tổ hợp được tính theo công thức: F(hkl) = A(hkl) 2 +B(hkl) 2 N A(hkl) =  f j .cos2π(hx j +ky j +lz j ) với j=1 N B(hkl) =  f j .sin2π(hx j +ky j +lz j ) j=1 Trong đó fj là thừa số nhiễu xạ nguyên tử có giá trị phụ thuộc vào số electron xung quanh hạt nhân hay nói cách khác phụ thuộc vào điện tích hạt nhân. Các nguyên tố khác nhau sẽ có thừa số fj khác nhau. Nói cách khác, nếu ta biết được bản chất của từng nguyên tử (loại nguyên tử C, N hay Fe...) và vị trí của chúng trong ô mạng cơ sở, ta sẽ tính toán được thừa số cấu trúc F(hkl) cho mọi vết nhiễu xạ. Cấu trúc phân tử của một chất chính là “mô hình” cho các giá trị F(hkl) c tính toán phù hợp nhất với các giá trị F(hkl) o xác định bằng thực nghiệm. Giá trị F(hkl) o tỉ lệ với căn bậc hai của cường độ ảnh nhiễu xạ đo được trên phim chụp. Quy trình chung của phương pháp nhiễu xạ tia X trên đơn tinh thể được đưa ra trong Hình 2.2. 11 Hình 2.2 Sơ đồ tổng quát cho việc xác định cấu trúc phân tử bằng phương pháp nhiễu xạ tia X đơn tinh thể Để đánh giá độ sai lệch giữa cấu trúc lí thuyết tính toán được với số liệu thực nghiệm người ta sử dụng các phương pháp thống kê. Dộ sai lệch R1 được tính bằng công thức:  F -F R= F o 1 c hkl o hkl trong đó: Fo là cường độ ảnh nhiễu xạ thực nghiệm Fc là cường độ ảnh nhiễu xạ tính tự cấu trúc đã xác định Đối với các phân tử nhỏ (dưới 100 nguyên tử) giá trị độ sai lệch R1 được chấp nhận trong khoảng dưới 10%. Vì rất nhiều chất, từ đơn giản như kim loại đến phức tạp như phân tử sinh học, đều có thể tạo thành đơn tinh thể nên phương pháp nhiễu xạ tia X đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của nhiều ngành khoa học như hóa học, sinh học, dược học… 12