Tổng hợp, nghiên cứu tính chất phức chất axetyl salixylat của một số nguyên tố đất hiếm nặng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN TRƯỜNG GIANG TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT PHỨC CHẤT AXETYL SALIXYLAT CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM NẶNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Thái Nguyên, năm 2019 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN TRƯỜNG GIANG TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT PHỨC CHẤT AXETYL SALIXYLAT CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM NẶNG Ngành: Hóa vơ Mã số: 44 01 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Thị Hiền Lan Thái Nguyên, năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi, số liệu, kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa có cơng bố cơng trình khác Thái Nguyên, tháng 09 năm 2019 Tác giả luận văn Nguyễn Trường Giang i LỜI CẢM ƠN Với lịng thành kính, em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới giáo - PGS TS Nguyễn Thị Hiền Lan - người hướng dẫn khoa học tận tình bảo, giúp đỡ hướng dẫn em suốt trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Em xin trân trọng cảm ơn thầy, giáo mơn Hóa Vơ cơ, Khoa Hóa học, Thư viện, Phịng Đào tạo - Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành bố, mẹ, bạn bè người thân yêu gia đình ln động viên, giúp đỡ tạo điều kiện giúp tơi hồn thành tốt khóa học Thái Nguyên, tháng 09 năm 2019 Tác giả Nguyễn Trường Giang ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT .iv DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC CÁC HÌNH vi MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIÊU 1.1 Giới thiệu chung nguyên tố đất khả tạo phức chúng 1.1.1 Đặc điểm chung nguyên tố đất (NTĐH) 1.1.2 Khả tạo phức nguyên tố đất 1.2 Axit cacboxylic, axit axetylsalixylic, cacboxylat kim loại 1.2.1 Đặc điểm cấu tạo khả tạo phức axit monocacboxylic 1.2.2 Các caboxylat kim loại 10 1.2.3 Tình hình nghiên cứu hợp chất có khả phát quang 11 1.3 Một số phương pháp hóa lí nghiên cứu cacboxylat kim loại .13 1.3.1 Phương pháp phổ hồng ngoại 13 1.3.2 Phương pháp phân tích nhiệt 15 1.3.3 Phương pháp phổ khối lượng 17 1.3.4 Phương pháp phổ huỳnh quang .18 Chương 2: THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 20 2.1 Dụng cụ hoá chất 20 2.1.1 Dụng cụ 20 2.1.2 Hóa chất 20 2.2 Chuẩn bị hoá chất .20 iii 2.2.1 Dung dịch LnCl3 20 2.2.2 Dung dịch NaOH 0,1M 21 2.2.3 Dung dịch EDTA 10-2M 21 2.2.4 Dung dịch Asenazo III ~ 0,1% 21 2.2.5 Dung dịch đệm axetat có pH ≈ 21 2.3 Tổng hợp phức chất 22 2.4 Phân tích hàm lượng ion đất phức chất 22 2.5 Nghiên cứu phức chất phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại 24 2.6 Nghiên cứu phức chất phương pháp phân tích nhiệt 28 2.7 Nghiên cứu phức chất phương pháp phổ khối lượng 32 2.8 Nghiên cứu phức chất phương pháp phổ huỳnh quang 38 KẾT LUẬN 40 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 iv CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT HAcSi : Axit axetylsalixylic Ln : Nguyên tố lantanit NTĐH : Nguyên tố đất EDTA : Etylendiamintetraaxetat iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1 Một số thông số vật lý quan trọng Tb, Dy, Ho, Yb Bảng 2.1 Hàm lượng ion kim loại phức chất 24 Bảng 2.2 Các số sóng hấp thụ đặc trưng phổ hấp thụ hồng ngoại phối tử phức chất (cm-1) 27 Bảng 2.3 Kết phân tích nhiệt phức chất 31 Bảng 2.4 Các mảnh ion giả thiết phổ khối lượng phức chất 34 v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 Phổ hấp thụ hồng ngoại axit axetyl salixylic 25 Hình 2.2 Phổ hấp thụ hồng ngoại phức chất Tb(AcSi)3.H2O 25 Hình 2.3 Phổ hấp thụ hồng ngoại phức chất Dy(AcSi)3.H2O 26 Hình 2.4 Phổ hấp thụ hồng ngoại phức chất Ho(AcSi)3.H2O 26 Hình 2.5 Phổ hấp thụ hồng ngoại phức chất Yb(AcSi)3 27 Hình 2.6 Giản đồ phân tích nhiệt phức chất Tb(AcSi)3.H2O 29 Hình 2.7 Giản đồ phân tích nhiệt phức chất Dy(AcSi)3.H2O 29 Hình 2.8 Giản đồ phân tích nhiệt phức chất Ho(AcSi)3.H2O 30 Hình 2.9 Giản đồ phân tích nhiệt phức chất Yb(AcSi)3 30 Hình 2.10 Phổ khối lượng phức chất Tb(AcSi)3.H2O 32 Hình 2.11 Phổ khối lượng phức chất Dy(AcSi)3.H2O .33 Hình 2.12 Phổ khối lượng phức chất Ho(AcSi)3.H2O .33 Hình 2.13 Phổ khối lượng phức chất Yb(AcSi)3 34 Hình 2.14 Phổ huỳnh quang phức chất Tb(AcSi)3.H2O 38 Hình 2.15 Phổ huỳnh quang phức chất Yb(AcSi)3 39 vi MỞ ĐẦU Hóa học phức chất nguyên tố đất lĩnh vực khoa học phát triển mạnh mẽ Sự đa dạng kiểu phối trí (một càng, vịng hai càng, cầu - hai càng, cầu - ba càng) phong phú ứng dụng thực tiễn làm cho phức chất cacboxylat kim loại giữ vị trí đặc biệt hóa học hợp chất phối trí Các cacboxylat kim loại ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác phân tích, tách, làm giàu làm nguyên tố, chất xúc tác tổng hợp hữu cơ, chế tạo vật liệu vật liệu từ, vật liệu siêu dẫn, vật liệu phát huỳnh quang Với mục đích góp phần nghiên cứu vào lĩnh vực cacboxylat kim loại, chúng tơi tiến hành "Tổng hợp, nghiên cứu tính chất phức chất axetyl salixylat số nguyên tố đất nặng" Chúng hy vọng kết thu góp phần nhỏ vào lĩnh vực nghiên cứu phức chất kim loại với axit cacboxylic Hình 2.11 Phổ khối lượng phức chất Dy(AcSi)3.H2O Hình 2.12 Phổ khối lượng phức chất Ho(AcSi)3.H2O 33 Hình 2.13 Phổ khối lượng phức chất Yb(AcSi)3 Bảng 2.4 Các mảnh ion giả thiết phổ khối lượng phức chất Tần suất TTPhức Chấtm∕z (%) Tb(AcSi)3 (M = 699) 34 Tần suất TTPhức Chấtm∕z (%) Dy(AcSi)3 (M = 702) Ho(AcSi)3 (M = 705) 35 TT Trên phổ khối lượng phức chất xuất 03 pic có cường độ tương đối mạnh, pic 04 phức chất tương ứng với công thức cấu tạo giả thiết ion mảnh, điều chứng tỏ thành phần pha 04 phức chất tổng hợp tương tự Trên phổ khối lượng phức chất xuất pic có cường độ mạnh đồng thời có m/z lớn đạt giá trị 698; 701; 704 712 tương ứng với phức chất axetylsalixylat Tb(III), Dy(III), Ho(III) Yb(III) Các giá trị ứng với khối lượng ion phân tử [Ln(AcSi) 3-H+]- (Ln: Tb, Dy, Ho) phức chất Điều chứng tỏ điều kiện ghi phổ, phức chất tồn ở trạng thái monome phân tử bền 36 (Ln: Tb, Dy, Ho, Yb) Trên phổ khối lượng phức chất xuất pic có m/z đạt giá trị 518; 521; 524 532 tương ứng với phức chất axetylsalixylat Tb(III), Dy(III), Ho(III) Yb(III) Các giá trị ứng với khối lượng ion phân tử [Ln(AcSi)2-H+]- (Ln: Tb, Dy, Ho, Yb) phức chất, ion mảnh có cơng thức cấu tạo giả thiết sau: (Ln: Tb, Dy, Ho, Yb) Ngoài phổ khối lượng bốn phức chất xuất pic có m/z 179, giá trị quy gán cho có mặt mảnh ion phối tử bị tách [AcSi]- Từ kết phổ khối lượng, kết hợp với kiện phổ hấp thụ hồng ngoại giả thiết công thức cấu tạo phức chất sau: 37 (Ln: Tb, Dy, Ho, Yb) 2.8 Nghiên cứu phức chất phương pháp phổ huỳnh quang Để nghiên cứu khả phát quang phức chất sử dụng phương pháp phổ phát xạ huỳnh quang Các phép đo tiến hành quang phổ kế huỳnh quang Horiba FL322, thực Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Phổ phát xạ huỳnh quang phức chất đưa từ hình 2.14 ÷ 2.17 Hình 2.14 Phổ huỳnh quang phức chất Tb(AcSi)3.H2O Nghiên cứu khả phát huỳnh quang phức chất thấy rằng, phổ phát xạ huỳnh quang Tb(AcSi) xuất ở vùng từ 400 ÷ 700 nm Khi bị kích thích bởi lượng ở 388 nm, phức chất phát xạ huỳnh quang với bốn cực đại phát xạ hẹp sắc nét liên tiếp ở 545 nm, 586 nm 622 nm 649 nm (hình 3a), cực đại phát xạ màu lục ở 545 nm có cường độ mạnh nhất, tương ứng với chuyển mức lượng 5D4 → 7F5 Hai cực đại phát xạ 38 yếu ở 586 nm 622 nm có màu cam tương ứng với chuyển dời 5D4 → 7F4 (586 nm) 5D4 → 7F3 (622 nm) Dải màu đỏ ở 649 nm có cường độ yếu nhất, tương ứng với chuyển dời 5D4 → 7F4 ion Tb3+ Đây chuyển mức lượng đặc trưng ion Tb3+ bị kích thích [26] Hình 2.15 Phổ huỳnh quang phức chất Yb(AcSi)3 Đối với phức chất Yb(ASA)3, xạ bởi ánh sáng tử ngoại ở 393 nm, xuất năm cực đại phát xạ ở 448 nm, 489 nm, 544 nm, 584 nm 621 nm (hình 3b), đáng ý cực đại phát xạ ở 544 nm có cường độ mạnh nhất, phát xạ thuộc vùng ánh sáng màu lục, tương ứng với chuyển mức lượng 2F5/2→2I7/2 ion Yb3+ [26] Có thể giải thích chế phát xạ huỳnh quang phức chất sau [26]: Khi nhận lượng kích thích, phối tử chuyển từ trạng thái singlet sang trạng thái triplet; trình chuyển lượng từ trạng thái triplet phối tử sang Ln 3+; cuối ion Ln3+ chuyển từ trạng thái kích thích trạng thái phát xạ ánh sáng đặc trưng ion đất Như vậy, ion Tb3+, Yb3+ có khả phát huỳnh quang nhận lượng phù hợp để chuyển lên trạng thái kích thích, sau q trình phục hồi xuống mức lượng thấp mang lại trình phát huỳnh quang Các kết chứng tỏ trường phối tử axetylsalixylat ảnh hưởng cách có hiệu khả phát quang ion đất 39 KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu, rút kết luận sau: Đã tổng hợp 04 phức chất axetylsalixylat Tb(III), Dy(III), Ho(III) Yb(III) chúng có cơng thức phân tử Ln(AcSi) 3.H2O (Ln: Tb, Dy, Ho; AcSi: axetylsalixylat) Yb(AcSi)3 Đã nghiên cứu phức chất phương pháp phân tích thể tích, kết cho thấy độ tin cậy công thức giải thiết; Nghiên cứu phức chất phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại Kết cho thấy mỗi phức chất, ion đất phối trí hai qua nguyên tử oxi COO- ba phối tử axetylsalixylat Đã nghiên cứu phức chất phương pháp phân tích nhiệt, kết cho thấy phức chất ở trạng thái khan, bền nhiệt đưa sơ đồ phân hủy nhiệt chúng Đã nghiên cứu phức chất phương pháp phổ khối lượng Kết cho thấy pha phức chất tương tự nhau, gồm ion mảnh monome Trong phức chất axetylsalixylat, Ln(III) có số phối trí 6, cơng thức cấu tạo giả định phân tử phức chất có dạng sau: (Ln: Tb, Dy, Ho, Yb) Đã nghiên cứu phức chất phương pháp phổ huỳnh quang, kết cho thấy phức chất axetylsalixylat Tb(III) Yb(III) có khả phát quang kích thích lượng phù hợp 40 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ Nguyễn Thị Hiền Lan, Nguyễn Trường Giang, 2019, “Tổng hợp, tính chất khả phát quang phức chất axetylsalixylat Tb(III), Yb(III), Tạp chí Phân tích Hóa, Lý Sinh học, T 24, Số 2, Tr 121-125 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO I Tiếng Việt Nguyễn Hoa Du (2001), Tổng hợp nghiên cứu tính chất phức hỗn hợp tạo thành hệ ion đất (III)-đibenzoylmetan- bazơ hữu khả ứng dụng chúng, Luận án Tiến sĩ hóa học, Đại học Quốc Gia Hà Nội Nguyễn Hữu Đĩnh, Đỡ Đình Rãng (2003), Hóa học hữu cơ, Tập 2, NXB Giáo Dục, Hà Nội Nguyễn Hữu Đĩnh, Trần Thị Đà (1999), Ứng dụng số phương pháp phổ nghiên cứu cấu trúc phân tử, NXB Giáo Dục, Hà Nội Vũ Đăng Độ, Triệu Thị Nguyệt (2008), Hóa học vô cơ, Quyển (Các nguyên tố d f), NXBGD Lê Chí Kiên (2007), Hóa học phức chất, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội, Hà Nội Nguyễn Thị Hiền Lan (2009), Tổng hợp cacboxylat số NTĐH có khả thăng hoa nghiên cứu tính chất, khả ứng dụng chúng, Luận án Tiến sĩ hóa học, Đại học Quốc Gia Hà Nội Nguyễn Thị Hiền Lan (2016), "Tổng hợp nghiên cứu khả phát quang phức chất Nd(III), Sm(III) với hỡn hợp phối tử Salixylat 2,2-bipyridin", Tạp chí Phân tích Hóa, Lý Sinh học, T.21 số 4, tr 0405 Nguyễn Thị Hiền Lan, Nguyễn Quỳnh Giang (2014), “Tổng hợp nghiên cứu tính chất phức chất số nguyên tố đất nặng với axit 2Phenoxybenzoic”, Tạp chí Phân tích Hóa, Lý Sinh học, T.19, số 4, tr 63-69 Nguyễn Thị Hiền Lan, Nguyễn Thị Hoài Thu (2016) , “Tổng hợp nghiên cứu khả phát quang phức chất 2-Thiophenaxetat số nguyên tố đất nặng”, Tạp chí Phân tích Hóa, Lý Sinh học, T.21, số 1/2016 10 Nguyễn Thị Hiền Lan, Nguyễn Thị Huyền Tú (2017), “Tổng hợp nghiên cứu tính chất phức chất phức chất hỡn hợp phối tử salixylat ophenantrolin Nd(III), Sm(III), Eu(III), Gd(III)”, Tạp chí Phân tích Hóa, Lý Sinh học, số 3, tr 137-142 42 11 Nguyễn Thị Hiền Lan, Phạm Thị Hồng Vân (2014), “Tổng hợp nghiên cứu khả phát quang phức chất picolinat số nguyên tố đất hiếm”, Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học, T.19, tr 5862 12 Hoàng Nhâm (2002), Hóa học vô cơ, tập 3, NXB Giáo Dục, Hà Nội 13 Lê Hữu Thiềng (2013), Giáo trình nguyên tố đất hiếm, NXB Giáo Dục 14 Nguyễn Đình Triệu (2001), Các phương pháp phân tích vật lý hóa học, Tập tập 2, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 15 Nguyễn Trọng Uyển (1979), Giáo trình chuyên đề nguyên tố đất hiếm, Trường Đại học Tổng hợp Hà Nội II Tiếng Anh 16 A Fernandes, J Jaud, J Dexpert-Ghys, C Brouca-Cabrarrecq (2003) “Study of new lanthannide complexes of 2,6-pyridinedicarboxylate: synthesis, cryscal structure of Ln(Hdipic)(dipic) with Ln = Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb luminescence properties of Eu(Hdipic)(dipic)”, Polyhedron, Vol 20, pp 2385 – 2391 17 Alena S Kalyakina, Valentina V Utochnikova, Elena Yu Sokolova, Andrey A Vashchenko, Leonid S Lepnev, Rik Van Deun, Alexander L Trigub, Yan V Zubavichus, Michael Hoffmann, Susan Mühl, Natalia P Kuzmina (2016), “OLED thin film fabrication from poorly soluble terbium o-phenoxybenzoate through soluble mixed-ligand complexes”, Organic Electronics, Vol 28, pp 319-329 18 Cooper, James L (Longview, TX, US) (1987), Recovery of rhodium and cobalt low pressure oxo catalyst, U S Pat 390 473 19 Desheng Zhu, Congkai Wang, FengJiang, (2018), “White lightemitting Ba0.05Sr0.95WO4: Tm3+Dy3+ phosphors”, Journal of Rare Earth, Vol 36(4), pp 346-352 20 Guo-Jian Duan, Ying Yang , Tong-Huan Liu, Ya-Ping Gao (2008), “Synthesis, characterization of the luminescent lanthanide complexes with (Z)-4-(4-methoxyphenoxy)-4-oxobut-2-enoic acid”, Spectrochimica Acta Part A, Vol 69, pp 427-43 43 Kunlei Zhang, Yufeng Chen, Xiaoqing Wang, Li Wang, 2019, “Structure 21 and red emissions of Eu3+-doped hydrocalumite prepared in ethanol/water media”, Journal of Rare Earths, Volume 37, Issue 1, Pages 45-51 22 M.B.S Botelhoa, T.B de Queiroza, H Eckerta, A.S.S de Camargoa (2016), “Efficient luminescent materials based on the incorporation of a Eu(III)tris-(bipyridine-carboxylate) complex in mesoporous hybrid silicate hosts”, Journal of Luminescence Part 2, Vol 170, pp 619-626 23 Paula C R Soares-Santos, Helena I S Nogueira, et al (2006), ''Lanthanide complexes of 2-hydroxynicotinic acid: synthesis, luminnescence properties and the crystal structures of [Ln(HnicO)2(-HnicO)(H2O)] nH2O (Ln = Tb, Eu)'', Polyhedron, Vol 22, pp 3529-3539 24 Ponnuchamy Pichaimani, Kong Mun Lo, Kuppanagounder P Elango (2015), “Synthesis, crystal structures, luminescence properties and catalytic application of lanthanide (III) piperidine dithiocarbamate complexes”, Polyhedron, vol 93, pp 8-16 25 Ramon R.F Fonseca, Rafael D.L Gaspar, Ivo M Raimundo Jr, Priscilla P Luz, (2019), “Photoluminescent Tb3+-based metal-organic framework as a sensor for detection of methanol in ethanol fuel ”, Journal of Rare Earths, Vol.37 (3), pp 225-231 26 Yasuchika Hasegawa, Yuji Wada, Shozo Yanagida, “Strategies for the design of luminesent lanthanide (III) complexes and their photonic applications”, Journal of photochemistry and Photobiology, 2004, Vol.5, pp 183-202 44 ...ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN TRƯỜNG GIANG TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT PHỨC CHẤT AXETYL SALIXYLAT CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM NẶNG Ngành: Hóa vơ Mã số: 44 01 13 LUẬN... "Tổng hợp, nghiên cứu tính chất phức chất axetyl salixylat số nguyên tố đất nặng" Chúng hy vọng kết thu góp phần nhỏ vào lĩnh vực nghiên cứu phức chất kim loại với axit cacboxylic Chương TỔNG QUAN... 1.1 Bảng 1.1 Một số thông số vật lý quan trọng Tb, Dy, Ho, Yb Số NTĐH thứ tư (Ln) nguyên tư Tb 65 Dy 66 Ho 67 Yb 70 1.1.2 Khả tạo phức nguyên tố đất Khả tạo phức nguyên tố đất nguyên tố họ d có