1.2.1. Benzamiđin hai càng
L. Bayer là người đầu tiên trên thế giới tổng hợp thành công benzamiđin hai càng vào năm 1982 [12]. Kể từ đó, có rất nhiều công trình nghiên cứu về benzamiđin hai càng [14], [20-22], [24], [36], [38]. Các phối tử dạng này thường được sử dụng trong quá trình tách chiết kim loại quý [18]. Nhiều phức chất benzamiđin có khả năng kháng nấm, kháng khuẩn cao [16-17].
Để điều chế benzamiđin hai càng, thường phải điều chế benzamiđoyl clorua trước, sau đó cho benzamiđoyl clorua phản ứng với NH3 hay các amin bậc một sẽ thu được benzamiđin hai càng [12], [13]:
Trong dung dịch benzamiđin hai càng tồn tại ở một số dạng tautome nằm cân bằng với nhau, trong đó proton có thể định cư trên các nguyên tử N của khung benzamiđin hay trên nguyên tử S của nhóm thioure:
Tuy nhiên ở trạng thái rắn, khi nghiên cứu cấu trúc đơn tinh thể của benzamiđin người ta thấy rằng nguyên tử H thường liên kết với N(1), trong một số ít trường hợp, nguyên tử H có thể định cư trên nguyên tử N(2) [12]. Sự tồn tại của đồng phân chứa nhóm thiol (-SH) ở trạng thái rắn là chưa được xác nhận.
Benzamiđin hai càng tạo phức chất vòng 6 cạnh bền với hầu hết kim loại chuyển tiếp nhóm VIIIB qua nguyên tử cho là S và N. Phản ứng tạo phức chất thường đi kèm với quá trình tách một proton của khung benzamiđin và phối tử lúc
12
này mang điện tích 1–, điện tích âm này không định cư trên một nguyên tử nào mà được giải tỏa trên năm nguyên tử phi kim của vòng chelat. Điều này làm tăng độ bền của các phức chất tạo thành [18].
Thực nghiệm đã xác định rằng benzamiđin hai càng có xu hướng tạo thành phức chất vuông phẳng ở dạng cis với các ion kim loại M2+ thuộc nhóm VIIIB và kể cả Cu2+. Những tính toán lượng tử cũng cho thấy dạng cis bền hơn dạng trans [13]. Tuy nhiên do ảnh hưởng của hiệu ứng không gian, khi nhóm thế R3 có kích thước lớn thì sự tạo thành phức chất dạng trans lại chiếm ưu thế.
Trong một số trường hợp, đặc biệt là phức chất của Ag+ và Au+ với benzamiđin hai càng, chúng không tạo thành phức chất vòng càng mà chỉ có ion trung tâm chỉ liên
kết với phối tử qua nguyên tử S như những phối tử thioure đơn giản [36].
1.2.2. Benzamiđin ba càng
Phải mất gần 30 năm sau kể từ khi các benzamiđin hai càng đầu tiên được tổng hợp, đến cuối năm 2008 những benzamiđin ba càng đầu tiên dẫn xuất từ 2-aminophenol, 2-(aminometyl)piriđin, axit antranilic, benzoylhiđrazin và thiosemicacbazit mới được công bố bởi nhóm tác giả U. Abram (hình 1.3).
13
Hình 1.3. Benzamiđin ba càng dẫn xuất từ 2-aminophenol (1), 2-(aminometyl)piriđin (2), axit antranilic (3), benzoylhiđrazin (4) và
thiosemicacbazit (5).
Tương tự như benzamiđin hai càng, benzamiđin ba càng có thể được điều chế bằng phản ứng giữa benzamiđoyl clorua với các amin hai càng (hoặc nhiều càng hơn). Tuy vậy phản ứng tổng hợp này thường gặp nhiều khó khăn. Rất nhiều amin hai càng phản ứng được với benzamiđoyl clorua nhưng không tạo sản phẩm benzamiđin ba càng mà tạo ra các hợp chất đóng vòng hoặc bị nhựa hóa [37]. Ba yếu tố quan trọng quyết định cho sự thành công của các phản ứng điều chế benzamiđin ba càng là môi trường phản ứng phải thật khan nước, nhiệt độ thực hiện phản ứng phải thấp (nhiệt độ phòng hoặc thấp hơn) và lượng trietylamin cho vào khi thực hiện phản ứng phải rất dư, thường dư 100 - 200% [29-35].
Benzamiđin ba càng là lớp phối tử chỉ mới được nghiên cứu trong một vài năm trở lại đây nên số lượng phối tử và phức chất của chúng rất ít, điểm nổi bậc là một vài chất thuộc lớp phối tử này có hoạt tính sinh học rất cao. Do vậy hóa học của chúng chắc chắn sẽ phát triển mạnh trong thời gian tới.
14
1.2.3. Benzamiđin bốn càng
Cho đến nay, người ta mới biết được cấu trúc của các phức chất Ni(II), Cu(II) với phối tử benzamiđin bốn càng dẫn xuất từ điamin như etylenđiamin, o-phenylenđiamin [11], [26] . Cả hai phức chất này đều là những phức chất vuông phẳng, khi tạo phức phối tử bốn càng tách hai proton nên mang điện tích 2–, nó tạo liên kết với ion kim loại trung tâm qua hai nguyên tử N của phenylenđiamin và hai nguyên tử S của nhóm thioure:
, với M = Ni(II), Cu(II).
1.3. Các phƣơng pháp nghiên cứu
Trong khuôn khổ những nghiên cứu của bản luận văn này, chúng tôi sử dụng các phương pháp sau: phổ hồng ngoại IR, phổ cộng hưởng từ 1
H NMR, phổ khối lượng ESI-MS và phương pháp nhiễu xạ tia X đơn tinh thể.
1.3.1. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại IR
Theo vật lý lượng tử, một phân tử có ba dạng chuyển động cơ bản là: chuyển động của các electron, chuyển động dao động và chuyển động quay của các nguyên tử và nhóm nguyên tử [8]. Để thực hiện các chuyển mức dao động, phân tử phải hấp thụ những bức xạ trong vùng hồng ngoại.
Khi bị chiếu bởi một chùm bức xạ hồng ngoại đa sắc, vật chất thường hấp thụ một phần của vùng sóng này, dẫn đến cường độ chùm tia đi ra I thường nhỏ hơn chùm tia tới Io. Tỷ số I/Io gọi là độ hấp thụ ánh sáng, nếu vẽ đường biểu diễn sự phụ
15
thuộc của độ hấp thụ ánh sáng vào một đại lượng đặc trưng cho bản chất ánh sáng, chẳng hạn số sóng ν(cm-1), ta sẽ thu được một đường cong phức tạp, với những cực đại và cực tiểu. Đường cong này gọi là phổ hấp thụ hồng ngoại của chất nghiên cứu [8].
Những quan sát phổ thực nghiệm của một lượng lớn các hợp chất chứa cùng một số nhóm nguyên tử giống nhau cho thấy rằng các nhóm này đều thể hiện những dải hấp thụ với tần số gần như giống nhau, từ đó người ta thống kê lại các tần số dao động này để làm tài liệu tra cứu. Bằng cách so sánh phổ thực nghiệm với phổ chuẩn của một hợp chất hay bảng thống kê tần số dao động của các nhóm nguyên tử, ta có thể nhận biết sự có mặt hay không của một nhóm chức nào đó ở chất nghiên cứu [8].
1.3.2. Phƣơng pháp phổ cộng hƣởng từ 1H NMR
Hạt nhân nguyên tử gồm các proton và các notron. Số lượng tử spin của proton cũng như của notron đều bằng ½. Tùy thuộc vào việc spin của các hạt nucleon đó có cặp đôi hay không mà spin hạt nhân I của nguyên tử sẽ bằng không hoặc khác không. Nếu spin của tất cả các hạt nucleon đều cặp đôi thì số lượng tử spin hạt nhân I = 0, nếu ở hạt nhân có một spin không cặp đôi thì I = ½, nếu có nhiều spin không cặp đôi thì I 1 [5].
Một hạt nhân có I 0, khi được đặt trong một từ trường ngoài Ho sẽ tách thành (2I + 1) mức năng lượng khác nhau. Mức năng lượng thấp nhất sẽ có mật độ phân bố lớn nhất. Thực nghiệm cho thấy hiệu số giữa các mức năng lượng này bằng năng lượng của các bức xạ điện từ thuộc vùng sóng vô tuyến. Do vậy khi kích thích các hạt nhân bằng bức xạ vô tuyến tương ứng, một số hạt nhân sẽ hấp thụ năng lượng để chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích. Thiết bị NMR sẽ ghi nhận sự hấp thụ này và sau khi xử lý sẽ in ra phổ tương ứng [8].
Sự chênh lệch giữa mức năng lượng ở trạng thái kích thích và cơ bản phụ thuộc vào từ trường tổng tác động lên hạt nhân. Từ trường tổng này bao gồm từ trường ngoài Ho và từ trường phụ (từ trường cảm ứng). Từ trường phụ được gây ra
16
bởi lớp vỏ điện tử xung quanh hạt nhân (sự chắn tại chỗ) và của các electron ở các nguyên tử bên cạnh (sự chắn từ xa). Các hạt nhân nằm trong môi trường có mật độ electron khác nhau sẽ cần các năng lượng khác nhau để đạt trạng thái cộng hưởng [5]. Trong phương pháp NMR truyền thống (phương pháp NMR sóng liên tục), từ trường Ho được giữ cố định, chỉ thay đổi tần số vô tuyến (quét tần số). Các proton không tương đương nhau, sẽ cộng hưởng ở các tần số khác nhau nên cần một thời gian quét sao cho toàn bộ proton lần lượt cộng hưởng.
Phương pháp NMR sử dụng đại lượng “độ dịch chuyển hóa học”, ký hiệu δ, để đặc trưng cho các loại hạt nhân khác nhau. Đối với phổ 1
H NMR, người ta chọn chất chuẩn là tetrametylsilan Si(CH3)4, với quy ước δcủa Si(CH3)4 bằng 0. Những proton cộng hưởng ở mức năng lượng thấp (cộng hưởng ở trường yếu) sẽ có độ dịch chuyển hóa học cao. Các độ chuyển dịch hóa học của proton và các hạt nhân khác trong các “môi trường hóa học” khác nhau được tập hợp thành bảng trong các tài liệu tra cứu. Bằng cách sử dụng nguồn tư liệu này, kết hợp thêm một số tương quan kinh nghiệm khác, ta có thể rút ra nhiều kết luận quan trọng về cấu tạo phân tử.
1.3.3. Phƣơng pháp phổ khối lƣợng ESI-MS
Nguyên tắc chung của phương pháp phổ khối lượng là phá vỡ phân tử trung hòa thành ion phân tử và các ion mảnh có số khối A = m/z (m là khối lượng, z là điện tích ion), sau đó phân tách những ion này theo số khối. Dựa vào phổ khối lượng có thể xác định phân tử khối và cấu tạo phân tử của chất nghiên cứu [5].
Quá trình ion hóa phụ thuộc chủ yếu vào 3 yếu tố: cấu tạo của phân tử, phương pháp bắn phá, năng lượng bắn phá. Có thể thực hiện quá trình này bằng nhiều phương pháp khác nhau như: phương pháp va chạm electron (EI: electron ionization), phương pháp ion hóa phun điện tử (ESI: electrospray ionization), phương pháp ion hóa hóa học (CI: chemical ionization)[3].
ESI là phương pháp ion hóa phổ biến dùng cho nghiên cứu phức chất và phù hợp với các hợp chất kém bay hơi. Phương pháp này có đặc điểm là quá trình ion hóa xảy ra êm dịu. Trong kỹ thuật ESI, các ion dương tạo thành có thể gắn thêm
17
một proton và các ion âm tạo thành có thể mất bớt một proton, do vậy ion dương [M + H]+ có khối lượng lớn hơn khối lượng phân tử một đơn vị và ion âm [M – H]- có khối lượng nhỏ hơn khối lượng phân tử một đơn vị [43]. Trong nhiều trường hợp các ion dương được tạo thành do kết hợp với các cation có sẵn trong dung dịch như Na+
, K+, NH+4 tạo nên các ion dương [M + Na]+, [M + K]+, [M + NH4]+. Đối với phức chất chứa các phối tử mang điện tích âm linh động như các halogenua X-, ion dương [M – X]+ có thể tạo thành khi các phối tử này bị tách ra khỏi phân tử.
1.3.4. Phƣơng 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 detector) 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 ảnh nhiễu xạ này 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 trong không gian ba chiều của chất cần nghiên cứu [28].
Vị trí của các ảnh 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 phẳng nút hkl. Mối liên hệ giữa vị trí của các ảnh 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 phẳng cạnh nhau trong họ mặt hkl, phụ thuộc vào các thông số mạng.
θ là góc nhiễu xạ Bragg, được xác định dựa vào vị trí của các ảnh nhiễu xạ. λ là bước sóng của tia X, phụ thuộc vào kim loại dùng làm đối âm cực.
18
Như vậy từ vị trí các nốt ảnh nhiễu xạ, ta có thể xác định được các thông số mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu.
Cường độ của ảnh nhiễu xạ từ họ mặt phẳng hkl được biễu diễn thông qua thừa số cấu trúc F(hkl). Thừa số F(hkl) tỉ lệ thuận với căn bậc hai của bình phương biên độ hàm sóng được 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) thì thừa số cấu trúc F(hkl) và biên độ hàm sóng tổ hợp được tính theo công thức:
Thừa số cấu trúc: 2 2 (hkl) (hkl) (hkl) F = A +B Biên độ hàm sóng tổ hợp: N (hkl) j j j j j=1 A =f .cos2π(hx +ky +lz ) N (hkl) j j j j j=1 B =f .sin2π(hx +ky +lz )
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 nhiễu xạ fj khác nhau.
Như vậy nếu biết được bản chất của từng nguyên tử (biết fj) và vị trí của chúng trong ô mạng cơ sở (xj, yj, zj), ta sẽ tính được thừa số cấu trúc F(hkl) ccho mọi ảnh nhiễu xạ. Cấu trúc phân tử của một chất chính là “mô hình” cho các giá trị
(hkl) c
F tính toán phù hợp nhất với các giá trị F(hkl) oxác định bằng thực nghiệm.
Để đánh giá độ chính xác giữa cấu trúc tính bằng lí thuyết tính toán với số liệu thực nghiệm người ta sử dụng các phương pháp thống kê. Trong đó, độ sai lệch R1 được tính bằng công thức [28]: (hkl)o (hkl)c hkl 1 (hkl) o hkl F - F R = F
19
Đối với các phân tử nhỏ (dưới 100 nguyên tử) giá trị độ sai lệch R1 được chấp nhận trong khoảng dưới 10%.
1.3.5. Thử hoạt tính sinh học
Thử hoạt tính kháng sinh: Các chủng vi sinh vật và nấm thường được sử dụng để kiểm định là:
Staphylococcus aureus: là cầu khuẩn gram (+), gây mủ các vết thương, gây
viêm họng.
Bacillus subtilis: là trực khuẩn gram (+), nó tạo ra enzym amilaza xúc tác
cho phản ứng thuỷ phân các liên kết α-1,4-glucozit của các polysaccarit như tinh bột, glycogen.
Lactobacillus fermentum: vi khuẩn gram (+), là loại vi khuẩn đường ruột có
ích, thường có mặt trong hệ tiêu hóa của người và động vật.
Salmonella enterica: vi khuẩn gram (–), gây bệnh thương hàn.
Escherichia coli: vi khuẩn gram (–), có thể gây một số bệnh về đường tiêu
hóa như tiêu chảy, viêm dạ dày, viêm đại tràng, viêm ruột.
Pseudomonas aeruginosa: là trực khuẩn mủ xanh, gram (–), gây nhiễm trùng
huyết, nhiễm trùng ở da và niêm mạc.
Nấm Candida albicans: thường gây bệnh tưa lưỡi ở trẻ em và các bệnh phụ
khoa.
Thử hoạt tính độc tế bào: Các dòng tế bào thường được sử dụng làm mẫu thử là:
KB (Human epidermoid carcinoma): ung thư biểu mô.
HepG2 (Hepatocellular carcinoma): ung thư gan.
LU (Human lung carcinoma): ung thư phổi.
20
CHƢƠNG 2 - THỰC NGHIỆM 2.1. Dụng cụ và hóa chất
2.1.1. Dụng cụ
Bình cầu hai cổ (50 ml, 500 ml, 750 ml), phễu nhỏ giọt (100 ml), công tơ hút nhựa, nút nhám các loại, nhiệt kế 150o
C, sinh hàn, bẫy dầu, đũa thủy tinh, máy khuấy từ gia nhiệt, cân phân tích, phễu lọc thủy tinh đáy xốp, cốc thủy tinh (1000 ml), cốc chịu nhiệt (500 ml), máy lọc hút chân không, bình hút ẩm, hệ thống cất quay làm khô dung môi, tủ sấy, tủ hốt.
2.1.2. Hóa chất
Benzoyl clorua (C6H5-CO-Cl), KSCN, Ni(CH3COO)2.2H2O, [PdCl2(CH3CN)2], Na, P2O5, NaOH, Đietylamin (C2H5)2NH, Trietylamin (C2H5)3N, NiCl2.6H2O, CuCl2.2H2O, thionyl clorua SOCl2, chỉ thị benzophenon (C6H5)2CO.
Mopholin (morpholine) :
2-(aminometyl)piriđin: (2-picolylamin)
Dung môi: nước cất, axeton, metanol, đietyl ete, điclometan, cacbon tetraclorua, tetrahiđrofuran (THF).
2.1.3. Chuẩn bị hóa chất
KSCNđược sấy khô trong tủ sấy ở 80oC cho đến khi khối lượng không đổi. Các dung môi dùng cho phản ứng được làm khô trong hệ thống làm khô dung môi. Axeton và cacbon tetraclorua được làm khô bằng P2O5. Trietylamin và THF được làm khô bằng Na, có sử dụng chất chỉ thị benzophenon (khi đã khan nước, chỉ thị từ không màu sẽ chuyển sang màu xanh).
21
2.2. Tổng hợp phối tử
2.2.1. Tổng hợp hai dẫn xuất của benzoylthioure
E: R1 = R2 = Etyl
M: NR1R2 = Mopholin
Sơ đồ tổng hợp:
Lắp hệ thống phản ứng gồm bình cầu hai cổ 500 ml, một cổ lắp sinh hàn có gắn bẫy dầu, một cổ lắp phễu nhỏ giọt 100 ml. Cho 58 ml benzoyl clorua (dbenzoyl clorua = 1,21 g/ml, ~ 0,5 mol) vào phễu nhỏ giọt, cho thêm khoảng 20 ml
axeton khô, rồi nhỏ từ từ vào bình cầu hai cổ chứa 53 g KSCN sấy khô (~ 0,55 mol)