Thiết kế và tổng hợp một số sensor huỳnh quang để xác định Hg(II) (tt)

MỞ ĐẦU Ô nhiễm kim loại nặng mối quan tâm lớn, không cộng đồng khoa học, đặc biệt nhà hóa học, sinh học, bảo vệ môi trường, mà cộng đồng dân cư nói chung Trong số đó, thủy ngân chất ô nhiễm nguy hiểm phổ biến, phát thải thông qua hoạt động tự nhiên hoạt động người Một số vi sinh vật sản xuất metyl thủy ngân-một chất độc thần kinh mạnh, từ dạng tồn khác thủy ngân, gây vấn đề sức khỏe nghiêm trọng cách phá hoại hệ thống thần kinh trung ương tuyến nội tiết, dẫn đến rối loạn nhận thức vận động Nhiều đường lây lan thủy ngân thông qua không khí, nước, thực phẩm đem lại mối quan ngại lớn tồn môi trường, sau tích lũy chất độc thể thông qua chuỗi thức ăn Vì phân tích hàm lượng thủy ngân nguồn nước vấn đề quan tâm hàng đầu nhà khoa học Một số phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử, quang phổ phát xạ nguyên tử plasma ghép nối cảm ứng, cảm biến điện hóa,…có thể phát ion Hg2+ giới hạn thấp Tuy nhiên, phương pháp đòi hỏi thiết bị đắt tiền thao tác nhiều thời gian Trong đó, phương pháp huỳnh quang cho phép thực phép phân tích tương đối dễ dàng, tốn nhạy Ngoài ra, tính chất quang lý fluorophore dễ dàng điều chỉnh nhiều cách chuyển điện tích, chuyển electron, chuyển lượng,…Do đó, sensor huỳnh quang thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học Chae Czarnik lần đưa khái niệm chemodosimeter chemosensor; năm 1992 ông nhóm nghiên cứu báo cáo chemodosimeter phát Cu2+ dựa phản ứng mở vòng rhodamine B Sau thời gian đầu phát triển chậm từ năm 2005 đến nay, công trình nghiên cứu sensor huỳnh quang ngày tăng Ở Việt Nam, sensor huỳnh quang Dương Tuấn Quang nghiên cứu từ năm 2007 Nhóm nghiên cứu ông công bố chemosensor phát ion Fe 3+, F-, Cs+ Cu2+ dựa calix[4]arene; chemosensor chứa vòng 1,2,3-triazole phát Al 3+ chemosensor phát Hg2+ từ dẫn xuất rhodamine Cho đến nay, việc tổng hợp sensor huỳnh quang dựa chất phát huỳnh quang khác như: dẫn xuất rhodamine, dansyl, fluorescein, calixarene… Trong dẫn xuất rhodamine, fluorescein sử dụng nhiều, có hệ số hấp thụ cao, phát xạ huỳnh quang vùng khả kiến hiệu suất lượng tử huỳnh quang lớn Hiện nay, chưa có sensor huỳnh quang sử dụng dẫn xuất rhodamine, fluorescein nghiên cứu mặt lý thuyết tính toán định hướng cho việc thiết kế, tổng hợp để phát Hg2+ dựa phản ứng đặc trưng Hg 2+ nhằm tăng độ nhạy, độ chọn lọc giảm chi phí tổng hợp sensor Với thực trạng trên, mong muốn thiết kế sensor huỳnh quang phân tử có độ nhạy độ chọn lọc cao việc ứng dụng xác định ion Hg2+, chọn đề tài: “Thiết kế tổng hợp số sensor huỳnh quang để xác định Hg(II)” CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan nghiên cứu sensor huỳnh quang 1.1.1 Tình hình nghiên cứu sensor huỳnh quang 1.1.2 Nguyên tắc hoạt động sensor huỳnh quang 1.1.3 Cấu tạo sensor huỳnh quang 1.1.4 Nguyên tắc thiết kế sensor huỳnh quang 1.2 Nguồn ô nhiễm, độc tính, phương pháp phát Hg(II) 1.3 Sensor huỳnh quang phát Hg 2+ dựa vào trình mở vòng spirolactam dẫn xuất rhodamine 1.4 Sensor huỳnh quang phát Hg 2+ dựa vào trình mở vòng spirolactam dẫn xuất fluorescein 1.5 Tổng quan ứng dụng hóa học tính toán nghiên cứu sensor huỳnh quang 1.5.1 Ứng dụng hóa học tính toán nghiên cứu cấu trúc thuộc tính electron chất 1.5.2 Ứng dụng hóa học tính toán nghiên cứu phản ứng CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 MỤC TIÊU - Thu sensor (chemosensor, chemodosimeter) phát Hg 2+ dựa phản ứng mở vòng spirolactam dẫn xuất rhodamine - Thu chemodosimeter phát Hg 2+ dựa phản ứng mở vòng lactam dẫn xuất fluorescein 2.2 NỘI DUNG - Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng ứng dụng chemodosimeter RT dựa dẫn xuất rhodamine, kết hợp phản ứng đặc trưng Hg 2+ với receptor NIPTC để phát chọn lọc Hg2+ - Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng ứng dụng chemosensor RS dựa dẫn xuất rhodamine, kết hợp phản ứng đặc trưng Hg 2+ với receptor DASA để phát chọn lọc Hg2+ - Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng ứng dụng chemodosimeter FS dựa dẫn xuất fluorescein, kết hợp phản ứng đặc trưng Hg2+ với receptor BTC để phát chọn lọc Hg2+ 2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.3.1 Phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết - Việc xác định cấu trúc hình học bền, lượng điểm đơn thực phương pháp DFT B3LYP/LanL2DZ, sử dụng phần mềm Gaussian 03 - Các thông số lượng tương tác hiệu chỉnh ZPE gồm biến thiên entanpy biến thiên lượng tự Gibbs phản ứng tính toán dựa khác biệt tổng lượng sản phẩm tổng lượng chất tham gia - Tính toán trạng thái kích thích yếu tố phụ thuộc thời gian thực phương pháp TD-DFT cùng mức lý thuyết - Các phân tích AIM NBO tiến hành cùng mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ 2.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - Đặc trưng cấu trúc chất khẳng định phổ 1H NMR, phổ khối MS - Đặc tính, ứng dụng sensor thực phương pháp phổ huỳnh quang phổ hấp thụ phân tử 2.3.3 Phương pháp khác: Thống kê CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng ứng dụng chemodosimeter huỳnh quang phát chọn lọc Hg2+ dựa đóng-mở vòng spirolactam dẫn xuất Rhodamine 3.1.1 Nghiên cứu lý thuyết thiết kế, tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sensor huỳnh quang RT 3.1.1.1 Khảo sát phương pháp tính toán Các công bố sensor huỳnh quang mà fluorophore rhodamine thường tính toán với hàm sở 6-311++G(d,p), điều phù hợp kết tính toán với liệu thực nghiệm công bố trước cấu trúc rhodmine-6G theo phân tích nhiễu xạ XRD đơn tinh thể Để mở rộng việc chọn hàm cho việc tính toán nhằm giảm thời tính toán cho kết tin cậy, chọn hàm sở LanL2dz Kết so sánh độ dài liên kết, góc liên kết Rhd với hai hàm 6-311++G(d,p) LanL2DZ, cho thấy sử dụng hàm LanL2DZ thay cho hàm 6-311++G(d,p) 3.1.1.2 Khảo sát lý thuyết thiết kế tổng hợp chemodosimeter RT Để thiết kế cấu trúc phù hợp cho chemodosimeter dựa phản ứng đóng, mở vòng spirolactam dẫn xuất rhodamine, chọn fluorophore, spacer receptor tương ứng rhodamine 6G, ethylenediamine 4-nitrophenyl isothiocyanate Để dự đoán khả phản ứng hóa học tổng hợp RT có xảy mặt nhiệt động hay không, tính toán lượng entanpy lượng tự Gibbs Kết tính toán thông số nhiệt động thực B3LYP/LanL2dz cho thấy ∆G < ∆H < nên xét mặt nhiệt động phản ứng tổng hợp chemodosimeter RT có khả xảy tỏa nhiệt Kết phân tích AIM phân tử RT vòng spirolactam Với phân tử RG, vòng spirolactam bị phá vỡ (C10⋅⋅⋅C22⋅⋅⋅C21⋅⋅⋅C20⋅⋅⋅N19) thay vào hình thành vòng 1,3,4oxadiazole (N19⋅⋅⋅C32⋅⋅⋅C33⋅⋅⋅N34⋅⋅⋅C35) 3.1.1.3 Nghiên cứu lý thuyết đặc tính quang lý chemodosimeter RT a Cấu trúc phân tử chemodosimeter RT Tính chất quang lý chất phụ thuộc nhiều vào cấu trúc phân tử, việc nghiên cứu cấu trúc phân tử chemodosimeter RT cần thiết Kết tính toán cho thấy độ dài liên kết, góc liên kết, góc nhị diện Rhd, NPITC phân tử RT trạng thái tự ban đầu không thay đổi; vòng benzen thứ xanthene tồn hệ liên hợp π linh động; vòng benzen thứ hai xanthene tồn hệ liên hợp π không linh động b Phân tích phổ UV-Vis chemodosimeter RT Phổ UV-Vis Rhd, RT RG xác định phương pháp TD-DFT B3LYP/LanL2DZ cho thấy chất có dải hấp thụ cực đại bước sóng 473,3, 543,6 476,6 nm Sự phân bố electron HOMO, LUMO Rhd RG tập trung tiểu phần xanthene Với RT, phân bố electron HOMO tập trung tiểu phần xanthene, LUMO phân bố tập trung chủ yếu tiểu phần NIPTC Kết đưa đến kỳ vọng đặc tính quang lý RG tương tự Rhd Vì vậy, chemodosimeter RT dự kiến thiết kế hoạt động theo kiểu OFFON c Phân tích đặc tính huỳnh quang chemodosimeter RT Tính chất huỳnh quang chất phụ thuộc nhiều vào mức độ liên hợp π chuyển lượng hệ Bảng 3.6 Năng lượng kích thích, cường độ dao động MO có liên quan đến trình kích thích RT RG B3LYP/LanL2DZ Chất Bước MO E (eV) λ (nm) F CIC 163→16 2,13 581,79 0,0003 0,7065 chuyển RT S0→S1 S0→S2 162→164 2,28 543,63 0,0003 0,7064 S0→S3 160→16 2,52 492,60 0,0002 0,6106 RG S0→S1 159→160 1,79 691,58 0,0009 0,7060 S0→S2 155→161 2,60 476,55 0,5727 0,12553 159→161 2,60 476,55 0,5727 0,5797 159→162 2,69 460,23 0,0102 0,7018 S0→S3 Để hiểu rõ tính chất huỳnh quang sensor, tiến hành phân tích NBO, kết hợp với phương pháp TD-DFT cho sensor trước sau phản ứng với chất phân tích Số liệu bảng 3.6 hình 3.11 cho thấy, trạng thái kích thích (S 0→S1) RT bước sóng 581,8 nm ứng với bước chuyển MO163→MO164 không dẫn tới huỳnh quang Nguyên nhân MO163 thuộc fluorophore MO164 thuộc receptor, khoảng cách chúng lớn bước chuyển không dẫn tới phát huỳnh quang, điều tương tự sensor dựa chế FRET Các trạng thái kích thích (S 0→S2, S0→S3) ứng với bước chuyển MO162→MO164 MO160→MO164 Do có MO fluorophore với mức lượng nằm MO bước chuyển, nên xảy trình PET từ fluorophore đến receptor, bước chuyển không dẫn tới huỳnh quang RT Mặt khác, bước chuyển RT (S0→S1, S0→S2, S0→S3) có cường độ dao động nhỏ (f < 0,01 ), chứng tỏ xen phủ MO ban đầu cuối bước nhảy, nên bước chuyển không dẫn tới huỳnh quang Hình 3.11 Giản đồ lượng MO biên fluorophore tự do, receptor tự chemodosimeter RT Hình 3.12 Giản đồ lượng MO biên fluorophore tự do, receptor tự RG Số liệu bảng 3.6 hình 3.12 cho thấy, trạng thái kích thích (S0→S1) RG bước sóng 691,58 nm ứng với bước chuyển MO159→MO160, MO159, MO160 fluorophore Do bước chuyển có cường độ dao động nhỏ (f = 0,0009), nên trình hồi phục trạng thái không phát huỳnh quang Trạng thái kích thích thứ hai (S0→S2) có hai bước chuyển tương ứng MO155→MO161 MO159→MO161; bước chuyển MO155→MO161, có MO fluorophore nằm MO bước chuyển, nên xảy trình PET từ fluorophore đến receptor, bước chuyển không dẫn tới huỳnh quang; với bước chuyển MO159→MO161, có cường độ dao động lớn (f = 0,5727) MO receptor nằm MO bước chuyển, nên không xảy trình PET từ receptor đến fluorophore, bước chuyển dẫn tới huỳnh quang RG Để rõ tính chất huỳnh quang RT, RG, tiến hành phân tích NBO Kết phân tích NBO tính toán cho hai chất mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ cho thấy, phân tử RT có hai hệ liên hợp π bị gián đoạn tiểu phần xanthene fluorophore, nên RT không phát huỳnh quang Trong phân tử RG có phá vỡ cấu trúc vòng spirolactam, tạo hệ liên hợp π kéo dài suốt fluorophore, dẫn đến phát huỳnh quang RG 3.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng ứng dụng chemodosimeter RT 3.1.2.1 Thực nghiệm tổng hợp chemodosimeter RT Tổng hợp N-(rhodamine-6G)lactam-ethylenediamine (Rhd-E): lấy 1,44 gam rhodamine-6G 2,0 mL ethylenediamine trộn lẫn 50 mL ethanol tuyệt đối, đun hồi lưu huỳnh quang dung dịch hỗn hợp biến (kiểm tra đèn UV) Sau phản ứng làm lạnh đến nhiệt độ phòng, lọc thu kết tủa, rửa kết tủa ethanol nhiều lần Các sản phẩm thô tinh chế kết tinh lại acetonitrile để có sản phẩm mong muốn (1,03 gam chất rắn màu trắng) hiệu suất 75,1% Cấu trúc RT khẳng định phổ 1H-NMR (CDCl3) TOF-MS Tổng hợp RT: Lấy 456 mg N-(rhodamine-6G)lactam- ethylenediamine 270 mg 4-nitrophenyl isothiocyanate trộn lẫn với 40 mL acetonitrile Dung dịch phản ứng đun hồi lưu giờ, có sục khí nitơ khuấy thêm nhiệt độ phòng, thu kết tủa màu vàng Lọc kết tủa, rửa với acetonitrile nhiều lần làm khô MgSO Sau tiếp tục tinh chế cột silica gel Khi ta thu RT (335mg, hiệu suất 52,6%) chất rắn màu vàng Cấu trúc RT khẳng định phổ 1H-NMR (CDCl3) TOF-MS 3.1.2.2 Khảo sát thực nghiệm ứng dụng chemodosimeter RT a Khảo sát phổ UV-Vis phổ huỳnh quang chemodosimeter RT với Hg2+ Phổ chuẩn độ huỳnh quang dung dịch RT (10 µM) Hg2+ cho thấy tăng dần nồng độ Hg2+ từ đến 30 µM, cường độ huỳnh quang dung dịch tăng dần Kết cho thấy dùng RT để xác định Hg2+ b Khảo sát phản ứng chemodosimeter RT với Hg2+ Việc xác định hệ số tỉ lượng phản ứng RT Hg2+ thực phương pháp hệ đồng phân tử gam Kết cho thấy RT phản ứng với Hg2+ theo tỉ lệ 1:1, điều dự đoán từ thiết kế ban đầu Để xem xét tính thuận nghịch phản ứng RT với Hg2+, thí nghiệm khác tiến hành cách thêm EDTA vào dung dịch sau phản ứng Hg2+ RT, với nồng độ gấp lần nồng độ Hg 2+ Kết không thấy thay đổi tín hiệu huỳnh quang Vì phản ứng RT với Hg2+ bất thuận nghịch RT hoạt động chemodosimeter huỳnh quang c Khảo sát ảnh hưởng ion kim loại cạnh tranh Hình 3.16 cho thấy diện ion kim loại khác 2+ Zn , Cu2+, Cd2+, Pb2+, Ag+, Fe2+, Cr3+, Co3+, Ni2+, Ca2+, Mg2+, K+ Na+ với nồng độ gấp lần so với RT không làm thay đổi phổ hấp thụ UV-Vis phổ huỳnh quang RT Sự diện ion nồng độ không ảnh hưởng đến phản ứng Hg 2+ với RT Thí nghiệm cho thấy RT phát chọn lọc Hg 2+ diện ion kim loại kể d Khảo sát thời gian phản ứng Hg2+ với chemodosimeter RT Thực nghiệm cho thấy phản ứng Hg2+ với RT xảy nhanh, sau thêm Hg2+ khoảng phút cường độ huỳnh quang dung dịch RT 10 không thay đổi Thời gian phản ứng RT với Hg2+ nhanh nhiều so với sensor huỳnh quang công bố e Khảo sát sử dụng chemodosimeter RT phát định lượng Hg 2+ Mối quan hệ nồng độ Hg 2+ với cường độ huỳnh quang dung dịch RT-Hg2+ khảo sát Kết cho thấy, khoảng nồng độ Hg2+ từ 0,1 đến 25µM, cường độ huỳnh quang tuyến tính với nồng độ Hg 2+, thể qua phương trình: I560 = (-5,80 ± 2,86) + (1,32 ± 0,17) × [Hg 2+], với tbảng (0,95;12)=2,17; R=0,9982 (N=14, P