Tổng hợp và nghiên cứu tính chất phức chất hỗn hợp phối tử benzoat và 1 10 phenantrolin của một số nguyên tố đất hiếm nhẹ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM ĐỖ THỊ TÚ ANH TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT PHỨC CHẤT HỖN HỢP PHỐI TỬ BENZOAT VÀ 1,10- PHENANTROLIN CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM NHẸ LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN - 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM ĐỖ THỊ TÚ ANH TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT PHỨC CHẤT HỖN HỢP PHỐI TỬ BENZOAT VÀ 1,10-PHENANTROLIN CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM NHẸ Ngành: Hóa vơ Mã số: 44 01 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS.NGUYỄN THỊ HIỀN LAN THÁI NGUYÊN - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, số liệu, kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa có cơng bố luận văn khác Thái Nguyên, tháng 07 năm 2020 Tác giả luận văn Đỗ Thị Tú Anh i LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô giáo PGS.TS.Nguyễn Thị Hiền Lan giao luận văn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em suốt trình thực luận văn Em xin trân trọng cảm ơn thầy, cô 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 Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu, đồng nghiệp trường THPT Thanh Nưa huyện Điện Biên, bạn bè gia đình ln giúp đỡ, quan tâm, động viên, chia sẻ tạo điều kiện giúp tơi hồn thành tốt khóa học Thái Nguyên, tháng 07 năm 2020 Tác giả Đỗ Thị Tú Anh ii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục .iii Danh mục chữ viết tắt iv Danh mục bảng biểu v Danh mục hình vi MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Giới thiệu chung nguyên tố đất (NTĐH) khả tạo phức chúng 1.1.1 Đặc điểm chung NTĐH (La, Nd, Sm) 1.1.2 Khả tạo phức NTĐH 1.2 Axit benzoic 1.3 Sơ lược 1,10-phenantrolin 1.4 Phức chất NTĐH với axit cacboxylic 1,10-phenantrolin 1.5 Một số phương pháp nghiên cứu phức chất rắn 10 1.5.1 Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại 10 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 Chƣơng THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 19 2.1 Thiết bị hóa chất 19 2.1.1 Thiết bị 19 2.1.2 Hóa chất 19 2.2 Chuẩn bị hóa chất 19 2.2.1 Dung dịch LnCl3 19 iii 2.2.2 Dung dịch EDTA 10-2M 20 2.2.3 Dung dịch Asenazo III ~ 0,1% 20 2.2.4 Dung dịch đệm axetat có pH ≈ 20 2.3 Tổng hợp phức chất 21 2.4 Phân tích xác định hàm lượng ion đất phức chất 21 2.5 Nghiên cứu phức chất phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại 23 2.6 Nghiên cứu phức chất phương pháp phân tích nhiệt 28 2.7 Nghiên cứu phức chất phương pháp phổ khối lượng 31 2.8 Nghiên cứu khả phát huỳnh quang phức chất 37 KẾT LUẬN 40 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết đầy đủ STT Chữ viết tắt Bez EDTA Etylenđiamintetraaxetic HBez Axit benzoic Ln Nguyên tố lantanit NTĐH Nguyên tố đất Phen Benzoat 1,10-phenantrolin iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số đại lượng đặc trưng La, Nd, Sm Bảng 1.2 Một số đặc điểm axit benzoic Bảng 2.1 Hàm lượng ion kim loại phức chất 23 Bảng 2.2 Các số sóng hấp thụ đặc trưng phổ hấp thụ hồng ngoại hợp chất (cm-1) 26 Bảng 2.3 Kết phân tích giản đồ nhiệt phức chất 30 Bảng 2.4 Các mảnh ion giả thiết phổ khối lượng phức chất 33 v DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Phổ hấp thụ hồng ngoại axit benzoic 24 Hình 2.2 Phổ hấp thụ hồng ngoại 1,10-phenantroin 24 Hình 2.3 Phổ hấp thụ hồng ngoại phức chất La(Benz)3Phen.2H2O 25 Hình 2.4 Phổ hấp thụ hồng ngoại phức chất Nd(Benz)3Phen.2H2O 25 Hình 2.5 Phổ hấp thụ hồng ngoại phức chất Sm(Benz)3Phen.2H2O 26 Hình 2.6 Giản đồ phân tích nhiệt phức chất La(Benz)3Phen.2H2O 28 Hình 2.7 Giản đồ phân tích nhiệt phức chất Nd(Benz)3Phen.2H2O 29 Hình 2.8 Giản đồ phân tích nhiệt phức chất Sm(Benz)3Phen.2H2O 29 Hình 2.9 Phổ khối lượng phức chất La(Benz)3Phen.2H2O 31 Hình 2.10 Phổ khối lượng phức chất Nd(Benz)3Phen.2H2O 32 Hình 2.11 Phổ khối lượng phức chất Sm(Benz)3Phen.2H2O 32 Hình 2.12 Phổ phát xạ huỳnh quang phức chất Nd(Benz)3Phen.2H2O 37 Hình 2.12 Phổ phát xạ huỳnh quang phức chất Sm(Benz)3Phen.2H2O 38 vi MỞ ĐẦU Hóa học phức chất lĩnh vực quan trọng hóa học đại, phức chất nhiều nhà khoa học giới quan tâm nghiên cứu Đặc biệt phức chất cacboxylat kim loại với 1,10-phenantrolin năm gần phát triển mạnh mẽ, phong phú số lượng, đa dạng cấu trúc có tiềm ứng dụng lớn khoa học vật liệu, khoa học môi trường, nông nghiệp, y học, công nghệ sinh học tế bào, đánh dấu huỳnh quang sinh y Số cơng trình nghiên cứu phức chất cacboxylat kim loại có nhiều, nhiên phức hỗn hợp phối tử benzoat 1,10-phenantrolin cịn hạn chế Trên sở đó, chúng tơi tiến hành: “Tổng hợp, nghiên cứu tính chất phức chất hỗn hợp phối tử benzoat 1,10 - phenantrolin số nguyên tố đất nhẹ” Chúng tơi hy vọng kết thu góp phần nhỏ vào lĩnh vực nghiên cứu phức chất hỗn hợp phối tử nguyên tố đất 7580 1 0 0 L n ( B e z ) ( P h e n ).2 H O      L n ( B ez ) ( P h en )      L n 2O C C (Ln: La, Nd, Sm) 2.7 Nghiên cứu phức chất phƣơng pháp phổ khối lƣợng Công thức phân tử công thức cấu tạo giả thiết độ bền ion mảnh phức chất xác định phương pháp phổ khối lượng Phổ khối lượng ghi máy LC/MS – Xevo TQMS, hãng Water (Mỹ), nguồn ion: ESI, nhiệt độ khí làm khơ 3250C, phức chất hịa tan dung mơi etanol, áp suất khí phun: 30 psi, thực Viện Hóa học, Viện Hàn Lâm KH CN Việt Nam Phổ khối lượng phức chất đưa hình từ 2.9 ÷ 2.11 Các mảnh ion giả thiết phức chất trình bày bảng 2.4 Hình 2.9 Phổ khối lượng phức chất La(Benz)3Phen.2H2O 31 Hình 2.10 Phổ khối lượng phức chất Nd(Benz)3Phen.2H2O Hình 2.11 Phổ khối lượng phức chất Sm(Benz)3Phen.2H2O 32 Bảng 2.4 Các mảnh ion giả thiết phổ khối lƣợng phức chất Tần STT Phức chất Mảnh ion m/z suất (%) La(Benz)3Phen (M = 682) 683 29 503 71 181 100 33 Nd(Benz)3Phen (M = 687) Sm(Benz)3Phen (M = 693) 688 100 508 45 181 81 694 100 34 514 72 181 63 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 1,10phenantrolin La(III), Nd(III), Sm(III) xuất pic có cường độ mạnh tương ứng với mảnh ion phức chất tách q trình bắn phá, điều chứng tỏ ba phức chất có thành phần tương tự Pic thứ có cường độ mạnh, có m/z lớn đạt giá trị là: 683; 688 694 tương ứng với phức hỗn hợp phối tử La(III), Nd(III) Sm(III) Các giá trị ứng với khối lượng mảnh ion phân tử phức chất dạng monome [Ln(Benz)3Phen + H+]+, chúng có cơng thức cấu tạo sau: (Ln: La, Nd, Sm) 35 Pic thứ hai có m/z 503; 508 514 tương ứng với khối lượng mảnh ion monome [Ln(Bez)3 + H+]+ phức chất, phần lại sau tách phối tử Phen khỏi phân tử monome phức chất, ion mảnh bền điều kiện ghi phổ, có cơng thức cấu tạo sau: (Ln: La, Nd, Sm) Ngoài phổ cịn xuất pic có m/z 181, giá trị quy gán cho có mặt ion mảnh [Phen + H+]- phức chất Từ kết phổ khối lượng, kết hợp với kiện phổ hấp thụ hồng ngoại giả thiết phức chất dạng đime, ion đất có số phối trí Trên sở giả thiết công thức cấu tạo phức chất sau: (Ln: La, Nd, Sm) 36 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 chất trình bày hình từ 2.12 ÷ 2.13 3500000 393 Nd-(Benz+Phen) exc = 355 nm 3000000 Intensity (a.u) 2500000 2000000 1500000 1000000 500000 350 400 450 500 550 600 650 Wavelength (nm) Hình 2.12 Phổ phát xạ huỳnh quang phức chất Nd(Benz)3Phen.2H2O Đối với phức chất hỗn hợp phối tử Nd(III), kích thích lượng 355 nm, phổ phát xạ huỳnh quang phức chất Nd(III) xuất vùng 350÷450 nm với cực đại phát xạ 393 nm, cực đại có cường độ mạnh với phát xạ ánh sáng tím Sự phát xạ tương ứng với chuyển dời 4F3/2 – 4I9/2 ion Nd3+ [27] 37 Sm-(Benz+Phen) exc = 480 nm 596 3000000 645 2500000 Intensity (a.u) 562 2000000 1500000 1000000 500000 702 450 500 550 600 650 700 750 Wavelength (nm) Hình 2.12 Phổ phát xạ huỳnh quang phức chất Sm(Benz)3Phen.2H2O Dưới kích thích lượng 480 nm, phức chất hỗn hợp phối tử Sm(III) phát xạ huỳnh quang mạnh vùng 450 ÷ 750 nm với bốn dải phát xạ rực rỡ 562 nm, 596 nm, 645 nm 702 nm Các dải phát xạ tương ứng với xuất ánh sáng vùng lục (562 nm), vùng cam (596 nm) vùng đỏ (645 nm, 702 nm) Các dải phát xạ quy gán tương ứng cho chuyển dời 4G5/2 – 6H5/2 (562 nm), 4G5/2 – 6H7/2 (596 nm), 4G5/2 – 6H9/2 (645 nm), 4G5/2 – H11/2 (702 nm) ion Sm3+ [27] Trong số năm dải phát xạ cực đại phát xạ ánh sáng màu cam 596 nm màu đỏ 645 nm có cường độ mạnh Kết phổ phát xạ huỳnh quang hai phức chất cho thấy, hai phức chất có khả phát quang mạnh, phổ huỳnh quang phức chất gồm dải phát xạ hẹp, sắc nét ứng với phát xạ ánh sáng với màu sắc rực rỡ vùng ánh sáng trông thấy với cường độ mạnh yếu khác Có thể giải thích chế phát huỳnh quang phức chất sau: 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 38 sang ion Ln3+, cuối ion Ln3+ chuyển từ trạng thái kích thích trạng thái phát xạ ánh sáng đặc trưng ion đất Các kết chứng tỏ trường hỗn hợp phối tử benzoat 1,10 phenantrolin ảnh hưởng cách có hiệu khả phát quang ion đất Hai phức chất nhận lượng từ hai nguồn kích thích có bước sóng khác nhau: 355 nm với Nd3+; 480 nm với Sm3 chúng chịu ảnh hưởng lớn trường phối tử 39 KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu, rút kết luận sau: Đã tổng hợp 03 phức chất hỗn hợp phối tử benzoat 1,10phenantrolin La(III), Nd(III), Sm(III), phức chất có cơng thức phân tử: Ln(Bez)3Phen.2H2O (Ln: La, Nd, Sm) Đã nghiên cứu phức chất phương pháp phân tích thể tích, kết xác nhận phần trăm ion đất phức chất phù hợp với công thức giả thiết; kết phổ hồng ngoại xác nhận tạo thành liên kết phối tử ion đất qua hai nguyên tử oxi COO- phối tử benzoat qua hai nguyên tử nitơ phối tử 1,10-phenantrolin Đã nghiên cứu phức chất phương pháp phân tích nhiệt, kết cho thấy, ba phức chất hỗn hợp phối tử trạng thái 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, pha phức chất có mặt loại ion mảnh có tần suất lớn Đã đưa công thức cấu tạo giả thiết monome phức chất, ion đất có số phối trí phức chất phức chất hai càng, có công thức cấu tạo sau: (Ln: La, Nd, Sm) 40 Đã nghiên cứu phức chất phương pháp phổ phát xạ huỳnh quang 02 phức chất hỗn hợp phối tử phát quang mạnh kích thích số 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 41 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ Nguyễn Thị Hiền Lan, Đỗ Thị Tú Anh, Phạm Hồng Chuyên, 2020 “Tổng hợp tính chất phức hỗn hợp phối tử benzoat 1,10-phenantrolin số ngun tố đất nhẹ”, Tạp chí Phân tích Hóa, Lý Sinh học, T 25, Số 1, Tr 1-6 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO I Tiếng Việt Hoàng Quang Bắc, Nguyễn Vũ, Nguyễn Đức Văn, Phạm Đức Roãn (2012), “Ảnh hưởng dung môi thủy nhiệt đến hình thành pha tinh thể hạt nano huỳnh quang chuyển đổi ngược NaYF4 : Er3+, Yb3+”, Tạp chí Hóa học, T.50 (5B), tr 314-318 Trần Thị Đà, Nguyễn Hữu Đĩnh (2007), Phức chất - Phương pháp tổng hợp nghiên cứu cấu trúc, NXB Khoa học Kĩ thuật Hà Nội Lưu Minh Đại, Nguyễn Thành Anh (2012), “Tổng hợp nghiên cứu phức chất số nguyên tố đất với axit lactic”, Tạp chí Hóa học, T.50(5B), tr 62-66 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), NXB Giáo dục Lê Chí Kiên (2007), Hóa học phức chất, NXB ĐHQGHN, 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, Nguyễn Thị Lan Anh (2017), “Tổng hợp, nghiên cứu tính chất phức chất hỗn hợp phối tử 2-hyđroxynicotinat o- phenantrolin số ngun tố đất nặng”, Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học, T.22(4), tr 7-13 Nguyễn Thị Hiền Lan, Phạm Thị Nhung (2016), “Tổng hợp, nghiên cứu tính chất phức chất 2-phenoxybenzoat của) Tb(III), Yb(III) phức chất hỗn hợp chúng với o-phenantrolin”, Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học, tr.21(1), tr 112-119 43 10 Nguyễn Thị Hiền Lan, Nguyễn Thị Hoài Thu (2016), “Tổng hợp, nghiên cứu tính chất phức chất 2-thiophenaxetat số nguyên tố đất nặng”, Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học, tr.22, tr 7-13 11 Hồng Nhâm (2001), Hóa học vơ tập 3, Nxb Giáo dục 12.Hồ Viết Quý (1999), Các phương pháp phân tích quang học hố học, Đại học Quốc Gia Hà Nội 13 Nguyễn Đình Triệu (2001), Các phương pháp phân tích vật lý hóa học, Tập tập 2, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 14 Nguyễn Trọng Uyển (1979), Giáo trình chuyên đề nguyên tố đất hiếm, Trường Đại học Tổng hợp Hà Nội 15 Nguyễn Đức Vượng, Nguyễn Đình Luyện, Nguyễn Mậu Thành (2012), “ Tổng hợp nghiên cứu tính chất huỳnh quang phức chất 1,10phenantrolin tecbi(III)nitrat “, Tạp chí Hóa học, 50 (1), tr.101 – 104 16 Nguyễn Đức Vượng, Nguyễn Mậu Thành (2013), “Tổng hợp, xác định cấu trúc tính chất huỳnh quang phức chất 1,10-phenantrolin, homi(III)nitrat“, Tạp chí Hóa học, 51(3AB), tr.339 – 343 II Tiếng Anh 17 Desheng Zhu, Congkai Wang, FengJiang (2018),“White light-emitting Ba0.05Sr0.95WO4:Tm3+ Dy3+ phosphors”, Journal of Rare Earths,Vol 36 (4), pp 346-352 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 427-431 19 He Qizhuang, Yang Jing, Min Hui, Li Hexing (2006), “Studies on the spectra and antibacterial properties of rare earth dinuclear complexes with Lphenylalanin and o-phenanthroline” Materials letters, Vol 60, pp 317 – 320 44 20 Jérôme Lhoste, Natacha Henry, Thierry Loiseau, Francis Abraham (2011), "Molecular assemblies of trichloride neodymium and europium complexes chelated by 1,10-phenanthroline", Journal of Polyhedron, Vol 30, pp 1289-1294 21 Kotova O V., Eliseeva S V., Lobodin V V., Lebedev A T., Kuzmina N P (2008), ''Direct laser desorption/ionization mass spectrometry characterization of some aromantic lathanide carboxylates", Journal of Alloys and Compound, Vol 451, pp 410-413 22 Liming Zhang, Bin Li, Shumei Yue, et al (2008), “A terbium (III) complex with triphenylalamime-functionalized ligand for organic electroluminescent device”, Journal of luminescence, Vol 128, , pp 620-624 23 Lippy F Marques, Alexandre Cuin, Gustavo S.G de Carvalho, Molíria V dos Santos, Sidney J.L Ribeiro, Flávia C Machado (2016), “Energy transfer process in highly photoluminescent binuclear hydrocinnamate of europium, terbium and gadolinium containing 1,10-phenanthroline as ancillary ligand”, Inorganica Chimica Acta, Vol 441, pp 67-77 24 Na Zhao, 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 25 NoSoung Myoung, Gyeong Bok Jung, (2020), “Effects of annealing temperature and Nd concentration on structural and photoluminescence properties of Nd3+-doped Y2O3-SiO2 powders”, Journal of Rare Earths, https://doi.org/10.1016/j.jre.2020.06.014 26 Ponnuchamy Pitchaimani, 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 27 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 45 ... THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM ĐỖ THỊ TÚ ANH TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT PHỨC CHẤT HỖN HỢP PHỐI TỬ BENZOAT VÀ 1, 10- PHENANTROLIN CỦA MỘT SỐ NGUN TỐ ĐẤT HIẾM NHẸ Ngành: Hóa vơ Mã số: 44 01 13... benzoat 1, 10 - phenantrolin số nguyên tố đất nhẹ? ?? Chúng hy vọng kết thu góp phần nhỏ vào lĩnh vực nghiên cứu phức chất hỗn hợp phối tử nguyên tố đất Chƣơng TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. 1 Giới thiệu chung nguyên. .. phức chất cacboxylat kim loại có nhiều, nhiên phức hỗn hợp phối tử benzoat 1, 10- phenantrolin hạn chế Trên sở đó, chúng tơi tiến hành: ? ?Tổng hợp, nghiên cứu tính chất phức chất hỗn hợp phối tử benzoat