Luận văn thạc sĩ tổng hợp, nghiên cứu phức chất hỗn hợp 2 phối tử benzoat và 2,2 dipyridyl n,n đioxit của một số nguyên tố đất hiếm nặng​

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN THỊ THANH DUNG TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU PHỨC CHẤT HỖN HỢP PHỐI TỬ BENZOAT VÀ 2,2’-DIPYRIDYL-N,N’-DIOXIT CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM NẶNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN – 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN THỊ THANH DUNG TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU PHỨC CHẤT HỖN HỢP PHỐI TỬ BENZOAT VÀ 2,2’-DIPYRIDYL-N,N’-DIOXIT CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM NẶNG Ngành: Hóa vô Mã số: 44 01 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN THỊ HIỀN LAN THÁI NGUYÊN – 2020 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, số liệu, kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa có công bố luận văn khác Thái Nguyên, tháng 08 năm 2020 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thanh Dung Xác nhận giáo viên Xác nhận khoa Hóa học hướng dẫn Khoa học PGS.TS Nguyễn Thị Hiền Lan PGS.TS Nguyễn Thị Hiền Lan i LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến cô giáo - PGS.TS Nguyễn Thị Hiền Lan, người hướng dẫn khoa học giúp đỡ động viên em suốt trình học tập nghiên cứu khoa học để em hồn thành tốt luận văn Em xin trân trọng cảm ơn thầy, giáo mơn Hóa học ứng dụng, khoa Hóa học, phịng Đào tạo, Thư viện Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên, Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu,các đồng nghiệp trường phổ thông DTNT Tỉnh Điện Biên, bạn bè người thân yêu gia đình ln giúp đỡ, quan tâm, động viên, chia sẻ tạo điều kiện giúp tơi hồn thành tốt khóa học Thái Nguyên, tháng 08 năm 2020 Tác giả Nguyễn Thị Thanh Dung ii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục chữ viết tắt .v Danh mục bảng biểu vi Danh mục hình vii MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Giới thiệu chung nguyên tố đất (NTĐH) khả tạo phức chúng 1.1.1 Đặc điểm chung NTĐH .2 1.1.2 Khả tạo phức NTĐH 1.2 Giới thiệu axit benzoic 1.3 Sơ lược 2,2’- dipyridyl-N,N’- dioxit .7 1.4 Tình hình nghiên cứu phức chất cacboxylat 1.5 Một số phương pháp nghiên cứu phức chất rắn .11 1.5.1 Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại 11 1.5.2 Phương pháp phân tích nhiệt 12 1.5.3 Phương pháp phổ khối lượng 14 1.5.4 Phương pháp phổ phát xạ huỳnh quang 16 Chương THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 18 2.1 Thiết bị hóa chất 18 2.1.1 Thiết bị 18 2.1.2 Hóa chất 18 2.2 Chuẩn bị hóa chất .18 2.2.1 Dung dịch LnCl3 18 iii 2.2.2 Dung dịch EDTA 10-2M 19 2.2.3 Dung dịch Asenazo III ~ 0,1% 19 2.2.4 Dung dịch đệm axetat có pH ≈ 19 2.3 Tổng hợp phức chất 20 2.4 Phân tích xác định hàm lượng ion đất phức chất 20 2.5 Nghiên cứu phức chất phương pháp phổ hồng ngoại .22 2.6 Nghiên cứu phức chất phương pháp phân tích nhiệt 27 2.7 Nghiên cứu phức chất phương pháp phổ khối lượng 30 2.8 Nghiên cứu khả phát huỳnh quang phức chất 36 KẾT LUẬN 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 iv STT v Chữ viết tắt Benz Dipy DTPA EDTA HBenz Ln NTĐH DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số đại lượng đặc trưng Dy, Tm, Yb Bảng 1.2 Một số đặc điểm axit benzoic Bảng 2.1 Hàm lượng ion kim loại phức chất 22 Bảng 2.2 Các số sóng hấp thụ đặc trưng phổ hấp thụ hồng ngoại hợp chất (cm-1) 25 Bảng 2.3 Kết phân tích giản đồ nhiệt phức chất 29 Bảng 2.4 Các mảnh ion giả thiết phổ khối lượng phức chất 31 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 Phổ hấp thụ hồng ngoại axit benzoic 23 Hình 2.2 Phổ hấp thụ hồng ngoại 2,2’-dipyridyl- N,N’-dioxit 23 Hình 2.3 Phổ hấp thụ hồng ngoại phức chất Dy(Benz)3(DipyO2).3H2O .24 Hình 2.4 Phổ hấp thụ hồng ngoại phức chất Tm(Benz) 3(DipyO2).3H2O 24 Hình 2.5 Phổ hấp thụ hồng ngoại phức chất Yb(Benz)3(DipyO2).3H2O .25 Hình 2.6 Giản đồ phân tích nhiệt phức chất Dy(Benz)3(DipyO2).3H2O 27 Hình 2.7 Giản đồ phân tích nhiệt phức chất Tm(Benz)3(DipyO2).3H2O 28 Hình 2.8 Giản đồ phân tích nhiệt phức chất Yb(Benz)3(DipyO2).3H2O 28 Hình 2.9 Phổ khối lượng phức chất Dy(Benz)3(DipyO2).3H2O .30 Hình 2.10 Phổ khối lượng phức chất Tm(Benz)3(DipyO2).3H2O 31 Hình 2.11 Phổ khối lượng phức chất Yb(Benz)3(DipyO2).3H2O 31 Hình 2.12 Phổ huỳnh quang phức chất Dy(Benz)3(DipyO2).3H2O 36 Hình 2.13 Phổ huỳnh quang phức chất Tm(Benz)3(DipyO2).3H2O .37 Hình 2.14 Phổ huỳnh quang phức chất Yb(Benz)3(DipyO2).3H2O 37 vii MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, phức chất nguyên tố đất quan tâm khả phát quang chúng Chúng ứng dụng nhiều lĩnh vực thiết bị quang học, đầu dị phát quang phân tích sinh y, cảm biến phát quang, diot phát quang, vật liệu phát quang nhiều lĩnh vực khác đời sống Các phức chất đất có khả phát quang chuyển lượng từ phối tử đến ion trung tâm Để tăng hiệu phát quang, ion đất phải phối trí trường phối tử phù hợp Benzoat 2,2’-dipyridyl-N,N’-dioxit tạo trường phối tử thích hợp để tổng hợp phức chất có đặc tính Cùng với phát triển mạnh mẽ công nghệ lĩnh vực chế tạo vật liệu hướng nghiên cứu vật liệu phát quang, đặc biệt cacboxylic kim loại có khả phát quang ngày thu hút quan tâm nhà khoa học nước việc tổng hợp, nghiên cứu tính chất khả ứng dụng Với mục đích góp phần nghiên cứu vào lĩnh vực cacboxylat kim loại, tiến hành "Tổng hợp, nghiên cứu phức chất hỗn hợp phối tử benzoat 2,2-dipyridyl-N,N’-đioxit số nguyên tố đất nặng" Chúng hy vọng kết thu góp phần nhỏ vào lĩnh vực nghiên cứu phức chất đất với hỗn hợp phối tử chứa axit cacboxylic Giả thiết ion mảnh tạo trình bắn phá dựa quy luật chung trình phân mảnh cacboxylat đất [21] Trên phổ khối lượng phức chất hỗn hợp phối tử benzoat 2,2’dipyridyl- N,N’-dioxit Dy(III), Tm(III), Yb(III) xuất pic có cường độ mạnh tương ứng với xuất ba ion mảnh pha hơi, điều chứng tỏ pha ba phức chất có thành phần giống Pic thứ có m/z lớn đạt giá trị là: 714,5; 721 725 tương ứng với phức hỗn hợp phối tử Dy(III), Tm(III) Yb(III) Các giá trị ứng với khối lượng mảnh ion phức chất dạng monome [Ln(Bez)3(DipyO2) + H+]+, chúng có công thức cấu tạo chung sau: (Ln: Dy, Tm, Yb) 34 Pic thứ hai có m/z 526,5; 533 537 tương ứng với khối lượng + + mảnh ion monome [Ln(Bez)3+ H ] phức chất hỗn hợp phối tử Dy(III), Tm(III) Dy(III), mảnh ion có cơng thức cấu tạo chung sau: (Ln: Dy, Tm, Yb) Ngoài phổ khối lượng 03 phức chất cịn xuất pic có m/z 189, giá trị quy gán cho có mặt [Dipy + H +]+ phức chất Dy(III), Tm(III), Yb(III) Từ kết phổ khối lượng, kết hợp với kiện phổ hấp thụ hồng ngoại giả thiết phức chất dạng monome, ion đất có số phối trí Trên sở giả thiết công thức cấu tạo phức chất sau: (Ln: Dy, Tm, Yb) 35 2.8 Nghiên cứu khả phát huỳnh quang phức chất Để nghiên cứu ảnh hưởng phối tử đến khả phát huỳnh quang phức chất, nghiên cứu phổ huỳnh quang phức chất với lượng kích thích phù hợp 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 huỳnh quang phức Intensity (a.u) chất trình bày hình từ 2.11 ÷ 2.13 Wavelength (nm) Hình 2.12 Phổ huỳnh quang phức chất Dy(Benz)3(DipyO2).3H2O Dy(Benz)3(DipyO2).3H2O Nghiên cứu khả phát huỳnh quang phức chất thấy rằng, phổ phát xạ huỳnh quang xuất vùng từ 400 ÷ 700 nm Khi bị kích thích lượng 350 nm, phức chất phát xạ huỳnh quang với ba cực đại phát xạ hẹp sắc nét liên tiếp 479 nm, 544 nm, 574 nm (hình 2.12), cực đại phát xạ 544 nm có cường độ yếu, cực đại phát xạ 479 nm có cường độ trung bình, cực đại phát xạ 574 có cường độ mạnh Ứng với dải phát xạ xuất ánh sáng rực rỡ miền trông thấy: vùng lục (544 nm; 574 nm) lam chàm (479 nm) Các dải phổ quy gán tương ứng cho chuyển dời 36 F9/2 → 6H15/2 (479), 4F9/2 → 6H13/2 (544 nm), 4F9/2 → 6H11/2 (574 nm) Dy3+ [26] Intensity (a.u) 40000000 35000000 30000000 25000000 20000000 15000000 10000000 5000000 -5000000 400 Hình 2.13 Phổ huỳnh quang phức chất Tm(Benz)3(DipyO2).3H2O H6  1D2 Đối với phức chất Tm(III), kích thích lượng 430 nm, phổ phát xạ huỳnh quang phức chất hỗn hợp phối tử Tm(III) xuất vùng 350÷500 nm với dải phát xạ 454 nm (hình 2.13), dải phát xạ có cường độ mạnh với phát xạ ánh sáng tím Sự phát xạ tương ứng với 3+ chuyển mức lượng Tm [26] 70 Intensity (a.u) 60 50 40 30 20 Hình 2.14 Phổ huỳnh quang phức chất Yb(Benz)3(DipyO2).3H2O 37 Đối với phức chất Yb(III), xạ ánh sáng tử ngoại 325 nm, phức chất phát dải phát xạ nhất, sắc nét có cường độ phát xạ mạnh (hình 2.13), phát xạ thuộc vùng ánh sáng tím 430 nm, phát 2 xạ tương ứng với chuyển mức lượng F5/2→ I7/2 ion Yb 3+ Cơ chế phát xạ huỳnh quang phức chất giải thích sau [25]: Khi nhận lượng kích thích, phối tử chuyển từ trạng thái singlet sang trạng thái triplet; trình chuyển lượng từ trạng 3+ thái triplet phối tử sang Ln ; cuối ion Ln 3+ chuyển từ trạng thái kích thích trạng thái phát xạ ánh sáng đặc trưng ion đất Như vậy, ion Dy3+, Tm3+ Yb3+ có khả phát xạ huỳnh quang nhận lượng kích thích phù hợp để chuyển lên trạng thái kích thích, sau trình phục hồi xuống mức lượng thấp mang lại trình phát huỳnh quang Các kết chứng tỏ trường hỗn hợp phối tử benzoat 2,2’-dipyridyl- N,N’-dioxit ảnh hưởng mạnh đến khả phát quang ion đất 38 KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu rút kết luận sau: Đã tổng hợp 03 phức chất hỗn hợp phối tử benzoat 2,2’ dipyridyl-N,N’ dioxit Dy(III), Tm(III) Yb(III), phức chất có cơng thức phân tử: Ln(Bez)3(DipyO2) 3H2O (Ln: Dy, Tm, Yb) Đã nghiên cứu phức chất phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại, kết xác nhận tạo thành liên kết phối tử ion đất qua hai nguyên tử oxi COO- phối tử benzoat qua hai nguyên tử oxi phối tử 2,2’-dipyridyl-N,N’-dioxit Đã nghiên cứu phức chất phương pháp phân tích nhiệt, kết cho thấy,ba phức chất hỗn hợp phối tử trạng thái tri hydrat; phức chất bền nhiệt đưa sơ đồ phân hủy nhiệt chúng Đã nghiên cứu phức chất phương pháp phổ khối lượng, kết cho thấy, thành phần pha 03 phức chất tương tự Đã đưa công thức cấu tạo giả thiết phức chất, ion đất có số phối trí phức chất phức chất hai càng, có cơng thức cấu tạo sau: (Ln: Dy, Tm, Yb) 39 Đã nghiên cứu khả phát xạ huỳnh quang phức chất phương pháp phổ phát xạ huỳnh quang Các phức chất hỗn hợp phối tử Dy3+, Tm3+, Yb3+ phát quang mạnh kích thích bước sóng thích hợp Khả phát quang phức chất tâm phát quang ion đất Ln3+ nhận lượng từ nguồn kích thích chịu ảnh hưởng lớn trường phối tử 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO I Tiếng Việt Nguyễn Hữu Đĩnh, Trần Thị Đà (1999), Ứng dụng số phương pháp phổ nghiên cứu cấu trúc phân tử, NXB Giáo Dục, Hà Nội Nguyễn Hữu Đĩnh, Đỗ Đình Rãng (2003), Hóa học hữu cơ, Tập 2, NXB Giáo Dục, Hà Nội Vũ Đăng Độ, Triệu Thị Nguyệt (2008), Hóa học vơ cơ, Quyển (Các ngun 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 hỗn hợp phối tử Salixylat 2,2-bipyridin", Tạp chí Phân tích Hóa, Lý Sinh học, T.21 số 4, tr 04-05 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 Nguyễn Thị Hiền Lan, Nguyễn Thị Huyền Tú (2017), “Tổng hợp nghiên cứu tính chất phức chất phức chất hỗn 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 10 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 41 11 Hồng Nhâm (2002), Hóa học vơ cơ, tập 3, NXB Giáo Dục, Hà Nội 12 Hồ Viết Quý (1999), Các phương pháp phân tích quang học hố học, Đại học Quốc Gia 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 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 17 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 18 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 19 Linyan Yang, Yanping Zhang, Liwei Hu, Yunhe Zong, Ruili Zhao, TianmingJin, WenGu, (2018), “Synthesis, characterization and cell imaging properties of rare earth compounds based on hydroxamate ligand”, Journal of Rare Earth, Vol 36(4), pp 418-423 42 20 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 21 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 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 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 24 Wilkinson S G., Gillard R D., McCleverty J A (1987), Comprehensive Coordination Chemistry, Vol 2, Pergamon Press, Oxford New York - Beijing - Frankfurt - Sydney - Tokyo- Toronto, pp 435-440 25 Yasuchika Hasegawa, Yuji Wada, Shozo Yanagida (2004), ''Strategies for the design of luminesent lanthanide (III) complexes and their photonic applications”, Journal of photochemistry and Photobiology, Vol.5, pp 183-202 26 Zhu Desheng, Congkai Wang, FengJiang, (2018), “White lightemitting Ba0.05Sr0.95WO4: Tm3+Dy3+ phosphors”, Journal of Rare Earth, Vol 36(4), pp 346-352 27 Zhao Na, Shu-Ping Wang, Rui-Xia Ma, et al, (2008), ''Synthesis, crystal structure and properties of two ternary rare earth complexes with aromatic acid and 1,10- phenanthroline'', Journal of Alloys and Compounds, Vol 463, pp 338- 342 43 ... THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN THỊ THANH DUNG TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU PHỨC CHẤT HỖN HỢP PHỐI TỬ BENZOAT VÀ 2, 2’ -DIPYRIDYL- N,N? ??-DIOXIT CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM NẶNG Ngành: Hóa vơ Mã số: ... việc tổng hợp, nghiên cứu tính chất khả ứng dụng Với mục đích góp phần nghiên cứu vào lĩnh vực cacboxylat kim loại, tiến hành "Tổng hợp, nghiên cứu phức chất hỗn hợp phối tử benzoat 2, 2 -dipyridyl- N,N? ?? -đioxit. .. thấy phức chất tổng hợp có khả phát xạ huỳnh quang kích thích bước sóng 325 nm Tuy nhiên Việt Nam, nghiên cứu phức chất hỗn hợp phối tử benzoat 2, 2 -dipyridyl- N,N? ?? -đioxit số nguyên tố đất nặng cịn