TỔNG QUAN
Axylthioure và phức chất trên cơ sở của axylthioure
Axylthioure hay N,N-điankyl-N’-axylthioure là các hợp chất có cấu tạo tổng quát như trong Hình 1.1 dưới đây.
Hình 1.1 Công thứ c cấu tao tổng quá t của axyl/aroyl-N,N-điankylthioure.
Axylthioure đơn giản đầu tiên được tổng hợp bởi Neucki vào năm 1873 Tuy nhiên, cho đến những năm 1970, axylthioure chỉ được xem là sản phẩm trung gian trong tổng hợp các hợp chất dị vòng Hóa học phối trí của axylthioure đã phát triển mạnh mẽ trong bốn thập kỷ qua, đặc biệt sau khi Beyer và Hoyer công bố nghiên cứu về phức chất của N,N-điankyl-N’-benzoylthioure với kim loại chuyển tiếp.
Trong N,N-điankyl-N’-aroylthioure, nguyên tử H của nhóm amido NH có tính axit yếu, với hằng số phân ly axit pKa(NH) trong môi trường nước-đioxan được xác định nằm trong khoảng từ 7,5 đến 10,9 Tính axit yếu của proton này đóng vai trò quan trọng trong hóa học phối trí của N,N-điankyl-N’-aroylthioure cũng như các axylthioure khác.
N,N-điankyl-N’-axylthioure thường được tổng hợp theo hai phương pháp chính:
Phương pháp của Douglass và Dains [12]: dựa trên phản ứng đơn giản một giai đoạn (“one-pot” reaction) giữa axyl clorua, NH4SCN và các amin bậc hai.
Sơ đồ 1.1 Quy trı̀nh tổng hơp N,N-điankyl-N’-axylthioure theo Douglass và Dains.
Phương pháp của Dixon và Taylor dựa trên phản ứng ngưng tụ giữa clorua axit và các dẫn xuất N,N thế của thiourea, với sự hiện diện của amin bậc ba như trietylamin.
Sơ đồ 1.2 Quy trı̀nh tổng hơp N,N-điankyl-N’-axylthioure theo Dixon và Taylor.
Beyer và cộng sự đã thực hiện nghiên cứu đầu tiên về hóa học phối trí của axylthioure trong phức chất N,N-điankyl-N’-benzoylthioure (HL 1) với một số kim loại chuyển tiếp thuộc dãy thứ nhất và thứ hai Trong các phức này, N,N-điankyl-N’-benzoylthioure tồn tại dưới dạng anion mang điện tích âm, đóng vai trò là phối tử hai càng Liên kết phối trí giữa phối tử và ion kim loại diễn ra thông qua bộ nguyên tử (O,S), với điện tích âm hình thành từ sự tách proton có tính axit yếu của nhóm amido NH.
Hình 1.2 Cơ chế tạo phức tổng quát của N,N-điankyl-N’-axylthioure đơn giản.
Phức chất của benzoylthiourea với các ion kim loại như Cu(II), Ni(II), Pd(II), và Pt(II) thường có cấu trúc cis-[M(L1-S,O)2], trong khi với Fe(III), Co(III), Rh(III), và Ru(III), chúng có dạng fac-[M(L1-S,O)3] Đối với các phức chất của Ag(I) và Au(I), cũng như cấu hình vuông phẳng trans của Pd(II) và Pt(II), benzoylthiourea hoạt động như một phối tử trung hòa, với nguyên tử lưu huỳnh (S) đóng vai trò quan trọng.
Hình 1.3 Cấu trúc một số phức chất của N,N-điankyl-N’-benzoylthioure
Các axylthioure phức tạp có khả năng tạo thành các phức chất với hóa lập thể đa dạng Một trong những phối tử tiêu biểu là aroylbis(thioure) kiểu N,N,N’’,N’’-tetraankyl-N’,N’’’-phthaloylbis(thioure) (H2L2), được mô tả trong Hình 1.4.
Hình 1.4 Cấu tao phối tử N,N,N’’,N’’-tetraankyl-N’,N’’’-phthaloylbis(thioure).
Các phối tử tạo phức chất trung hòa với ion kim loại chuyển tiếp, thường có tỉ lệ phối tử : kim loại là 2:2 hoặc 3:3 Kích thước vòng lớn của phức chất phụ thuộc vào vị trí các nhóm thế trên vòng benzen Cụ thể, các dẫn xuất meta khi phối trí với Co(II), Ni(II), Pt(II) sẽ hình thành vòng lớn chứa hai nguyên tử kim loại.
[M2(m-L2-S,O)2] (M = Co, Ni, Pt) [5, 15, 19, 26, 30, 29], dân xuất para tao với Ni(II),
Cu(II), Pt(II) những phứ c chất kiểu vòng lớn chứa ba nguyên tử kim loại [M 3 (p-L 2 -
Hình 1.5 Cấu trúc phức chất đa nhân kiểu vò ng lớ n trên cơ sở meta- và para- phtaloylbis(thioure).
Khả năng tạo phức của phối tử H2L2 được cải thiện khi thêm nguyên tử vào hợp phần phenylen, tạo ra lỗ trống trung tâm trong phức chất kiểu vòng lớn có khả năng bắt giữ ion kim loại khác Nghiên cứu gần đây đã khẳng định điều này thông qua các kết quả từ các phức chất đa nhân và đa kim loại dựa trên phối tử 2,6-dipicolinoyl bis(N,N-diethylthioure) (H2L3).
Hình 1.6 (a) Cấu tao phối tử 2,6-đipicolinoylbis(N,N-đietylthioure) H 2 L 3 và (b) cấu trúc phức chất ba nhân hai kim loai {Ce(NO 3 )(μ-AcO) 2 Ni 2 (MeOH) 2 (L3-S,O) 2 ]}.
Ứng dụng của axylthioure và phức chất của chúng
N,N-điankyl-N’-aroylthioure được ứng dụng nhiều trong việc tách và tinh chế kim loại quí Một ứng dụng quan trọng khác của N’-aroylthioure và phức chất N’- aroylthioureato kim loại là dựa vào hoạt tính sinh học của chúng Thioure nói chung và
N'-aroylthioureas and their metal complexes are highly effective antibacterial and antifungal agents Specifically, the ligands N,N-butylmethyl-N'-benzoyl thiourea and N,N-ethylisopropyl-N'-benzoyl thiourea, along with several compounds containing Ni(II) and Co(III), exhibit significant inhibition of the growth of Penicillium digitatum and Saccharomyces cerevisiae These compounds present promising potential for the development of new antibiotics Additionally, various other N'-aroylthiourea ligands demonstrate strong antiviral properties and effective cancer cell inhibition.
ĐỐI TƯỢNG, NÔI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu
Luận văn này kế thừa và phát triển nghiên cứu về các phức chất hỗn hợp kim loại với phối tử 2,6-đipicolinoyl bis(N,N-đietylthioure) (H2L3), bằng cách giới thiệu phối tử mới furan-2,5-đicacbonyl bis(N,N-đietylthioure) (H2L) Công thức cấu tạo của phối tử mới được minh họa trong Hình 2.1.
Hình 2.1 Cấu tạo dự kiến của phối tử furan-2,5-đicacbonyl bis(N,N-đietylthioure).
Mục đích, nội dung nghiên cứu
Đề tài tập trung vào việc tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc của các phức chất đa nhân, đa kim loại chuyển tiếp, sử dụng phối tử furan-2,5-đicacbonyl bis(N,N-đietylthioure) Nội dung chính của nghiên cứu bao gồm việc phân tích cấu trúc và tính chất của các phức chất này.
1 Tổng hợp phối tử furan-2,5-đicacbonyl bis(N,N-đietylthioure).
2 Nghiên cứu cấu tạo của phối tử bằng phương pháp phổ hồng ngoại và phổ cộng hưởng từ hạt nhân.
3 Tổng hợp phức chất của phối tử furan-2,5-đicacbonyl bis(N,N-đietylthioure) với Fe(III) và một số ion kim loại kiềm như Na + , K + , Rb + , Cs +
4 Nghiên cứu thành phần và cấu trúc phức chất thu được bằng phương pháp phổ hồng ngoại, phổ khối lượng và phương pháp nhiễu xạ tia X đơn tinh thể.
Phương pháp nghiên cứu
2.3.1 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
Phổ hồng ngoại là phương pháp vật lý quan trọng trong nghiên cứu phức chất, giúp xác định định tính sự tạo thành phức chất giữa phối tử và ion trung tâm Phương pháp này cung cấp thông tin về kiểu phối trí và độ bền liên kết giữa kim loại và phối tử, từ đó hỗ trợ trong việc phân tích cấu trúc và tính chất của phức chất.
Khi phân tử hấp thụ năng lượng, nó có thể dẫn đến các thay đổi như quay, dao động và kích thích điện tử, mỗi quá trình này cần một lượng năng lượng và tần số bức xạ điện từ đặc trưng Bức xạ hồng ngoại thường liên quan đến sự kích thích dao động của các nhóm nguyên tử trong phân tử Mỗi liên kết trong phân tử hấp thụ bức xạ với tần số đặc trưng để thay đổi trạng thái dao động, và tần số này phụ thuộc vào bản chất của liên kết cũng như cấu trúc phân tử và các nguyên tử xung quanh.
Có hai kiểu dao động chính của phân tử: dao động hoá trị, làm thay đổi chiều dài liên kết, và dao động biến dạng, làm thay đổi góc liên kết Đối với phân tử gồm n nguyên tử, số dao động chuẩn được xác định là 3n-6 cho phân tử không thẳng hàng và 3n-5 cho phân tử thẳng hàng Để một dao động xuất hiện trong phổ hấp thụ hồng ngoại, năng lượng bức xạ phải trùng với năng lượng dao động, và sự hấp thụ phải đi kèm với sự biến đổi của momen lưỡng cực Momen lưỡng cực càng biến đổi lớn thì cường độ các dải hấp thụ càng mạnh Do đó, các phân tử có yếu tố đối xứng thường có phổ hấp thụ đơn giản hơn so với những phân tử không chứa yếu tố đối xứng.
Khi tạo phức chất, các dải hấp thụ của liên kết trong phối tử thường bị dịch chuyển do quá trình chuyển electron từ phối tử đến obitan trống của ion kim loại, dẫn đến giảm mật độ điện tử trên phân tử phối tử Sự thay đổi này trong các dải hấp thụ cho phép thu thập thông tin về vị trí phối trí, cấu hình hình học và bản chất của liên kết kim loại – phối tử trong phức chất.
2.3.2 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)
Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân là một trong những kỹ thuật hiện đại nhất để xác định cấu trúc của các hợp chất hóa học So với phương pháp phổ hồng ngoại, nó mang lại thông tin chính xác và chi tiết hơn về cấu trúc hóa học.
Nhiều hạt nhân có spin, gọi là spin hạt nhân khác không, khi đặt trong từ trường sẽ tách các trạng thái năng lượng theo cơ học lượng tử Trong trạng thái cơ bản, hạt nhân có năng lượng thấp nhất, nhưng khi được kích thích bởi sóng điện từ có tần số υ, tương tự như tần số sóng radio, hạt nhân sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn nhờ hấp thụ năng lượng Sự hấp thụ này được ghi lại như một vạch phổ gọi là tín hiệu cộng hưởng, với mỗi giá trị υ đặc trưng cho từng loại hạt nhân và môi trường từ xung quanh, bao gồm lớp vỏ electron và hạt nhân lân cận.
Dựa trên phổ cộng hưởng từ hạt nhân có thể thu được các thông tin:
- Độ dịch chuyển hóa học đặc trưng cho môi trường xung quanh hạt nhân từ.
- Hằng số tương tác spin-spin.
- Cường độ tín hiệu (tỉ lệ với số hạt nhân từ).
Bằng cách xác định sự dịch chuyển tín hiệu cộng hưởng của nhóm chức chứa proton trước và sau phản ứng, có thể chứng minh liệu nhóm chức đó đã tham gia liên kết hay không Để chứng minh quá trình tạo phức và xác định cấu trúc của phức chất, cần qui kết chính xác các pic trên phổ cộng hưởng từ hạt nhân, đồng thời so sánh rõ ràng tín hiệu phổ của phức chất với phối tử tự do.
2.3.3 Phương pháp phổ khối lượng (MS)
Phương pháp phổ khối lượng dựa trên nguyên tắc chuyển đổi chất nghiên cứu thành các ion phân tử hoặc ion phân mảnh, với khả năng tạo ra ion có điện tích +1, +2 và -1, trong đó ion +1 có xác suất cao nhất Các ion này có khối lượng m và điện tích z, và tỉ số m/z được gọi là số khối Nhờ vào thiết bị đặc biệt, các ion có cùng tỉ số m/z sẽ đến detector cùng một lúc, trong khi các ion có tỉ số m/z khác nhau sẽ đến ở các thời điểm khác nhau Qua đó, detector có thể xác định hàm lượng I của các mảnh ion, từ đó xây dựng đồ thị I và m/z, tạo thành phổ khối lượng.
Dựa vào phổ khối lượng, ta có thể thu thập thông tin quan trọng như khối lượng các phân tử, các mảnh phân tử và tỉ lệ các pic đồng vị Việc khai thác triệt để những thông tin này sẽ giúp xác định chính xác cấu trúc phân tử.
Pic đồng vị là hợp chất phức được hình thành từ các nguyên tố có nhiều đồng vị khác nhau Các cụm pic đồng vị đặc trưng cho sự hiện diện của kim loại trung tâm và phối tử Cường độ của các pic đồng vị trong cụm tương ứng với xác suất xuất hiện của các dạng đồng vị Việc xác định tỷ lệ các pic trong cụm pic đồng vị giúp tăng độ tin cậy trong việc phân tích và nhận diện các hợp chất này.
Sơ đồ phân mảnh là công cụ quan trọng giúp dự đoán cấu trúc phân tử dựa trên các mảnh phân tử từ khối phổ Hiện tại, nghiên cứu về phân mảnh khối phổ của phức chất vẫn còn hạn chế Để phá vỡ phân tử thành các mảnh nhỏ, có thể áp dụng một số phương pháp như EI (Electron Ionization) và FAB (Fast Atomic Bombardment) Phương pháp EI sử dụng chùm electron để bắn phá, nhưng thường làm phân tử vỡ vụn do năng lượng cao Ngược lại, phương pháp FAB đã khắc phục nhược điểm này bằng cách cho phép tái kết hợp trong quá trình bắn phá.
Hiện nay, phương pháp khối phổ mới ESI (Electrospray Ionization) đang được áp dụng tại Việt Nam Khác với các phương pháp trước, ESI sử dụng dạng bụi lỏng để bắn phá mẫu Quy trình ESI bao gồm bốn bước cơ bản.
+ Bước 1: Ion hóa mẫu trong dung dịch Bước này thực hiện sự chuyển đổi pH để tạo ra sự ion hóa trong dung dịch mẫu.
Bước 2: Phun mù là quá trình điều chỉnh áp suất phun dung dịch mẫu dựa trên hai yếu tố chính là sức căng bề mặt và độ nhớt của dung môi hòa tan mẫu.
Bước 3 trong quy trình là khử dung môi, trong giai đoạn này, việc sử dụng nhiệt độ bay hơi của dung môi là rất quan trọng để cung cấp khí khô và nóng, giúp quá trình bay hơi diễn ra hiệu quả.
Bước 4 trong quy trình là tách ion ra khỏi dung dịch Ion tách ra có thể là phân tử mẫu liên kết với H+, Na+, K+, hoặc NH4+, tùy thuộc vào sự hiện diện của chúng trong dung dịch, hoặc cũng có thể là ion mẫu khi mất một proton.
2.3.4 Phương pháp nhiễu xạ tia X đơn tinh thể
THỰC NGHIỆM
Dụng cụ và hóa chất
- Cốc thủy tinh chiụ nhiêṭ dung tı́ch 50ml, 100ml
- Các ống nghiệm và lọ thủy tinh
- Bình cầu có nhánh 250ml
- Phê u lo c thủ y tinh xốp
- Tủ sấy, bı̀nh hút ẩm
- Bếp điện và máy khuấy tư
- Máy lọc hút chân không
- Dung môi: THF khô, metanol, điclometan, DMF, toluen
- Muối của kim loại kiềm: NaCl, KCl, RbCl, CsCl
- Muối của kim loại chuyển tiếp: Fe(NO 3 )3.9H2O
Tổng hợp phối tử furan-2,5-đicacbonyl bis( N,N-đietylthioure), H 2 L
Các phối tử N,N-điankyl-N’-axylthioure thường được tổng hợp qua phản ứng một giai đoạn của Douglass và Dains, nhưng phương pháp này thường cho hiệu suất thấp trong việc điều chế các aroylthioure đa Vì vậy, trong luận văn này, phối tử được điều chế theo phương pháp của Dixon và Taylor.
3.2.1 Tổng hợp clorua củ a axit 2,5-furanđicacboxylic Đun hồi lưu hỗn hơp axit furan-2,5-đicacboxylic axit (1,01 g) và SOCl 2 (10ml) trong 10h tại 800C Sau đó khi SOCl2 dư đươc loa i bỏ dưới áp suất thấp thu đươc sản phẩm ở daṇ g chất rắn màu trắng Sản phẩm này đươc sử duṇ g trưc tiếp cho bước tổng hơp tiêṕ theo.
Sơ đồ 2.1 Quy trı̀nh tổng hơp clorua của axit 2,5-furanđicacboxylic.
3.2.2 Tổng hợp phối tử furan-2,5-đicacbonyl bis( N,N -đietylthioure), H 2 L
Phối tử được tổng hợp theo phản ứng ngưng tụ giữa N,N-đietylthioure và clorua axit trong THF khan theo quy trình sau:
Sơ đồ 2.2 Quy trı̀nh tổng hợp phối tử furan-2,5-đicacbonyl bis(N,N-đietylthioure), H 2 L.
Hòa tan 2,05 g N,N-đietylthioure trong 30ml THF khô và 5ml trietylamin khô, sau đó nhỏ giọt clorua axit vào dung dịch Khuấy và đun nóng hỗn hợp ở 70-80°C trong 2 giờ, rồi để nguội về nhiệt độ phòng Lọc bỏ trietylamoni clorua và làm bay hơi THF dưới áp suất thấp, thu được hợp chất rắn màu vàng nâu Rửa kỹ hợp chất rắn bằng metanol dư để loại bỏ tạp chất, cuối cùng thu được phối tử dạng rắn màu trắng với hiệu suất 21% (0.57 g).
Tổng hợp phức chất
3.3.1 Tổng hợp phức chất Fe(III)
Hòa tan 40,4 mg Fe(NO3)3.9H20 trong 1 ml metanol và 0,5 ml nước, tạo ra dung dịch màu vàng Sau khi thêm 57,6 mg phối tử, dung dịch chuyển sang màu đen Khuấy và đun nóng hỗn hợp ở 60 độ C trong 30 phút, sau đó thêm 0,3 ml trietylamin, khiến kết tủa màu đen xuất hiện ngay lập tức Hỗn hợp tiếp tục được khuấy và đun thêm 3 giờ Sau khi làm nguội về nhiệt độ phòng, kết tủa được lọc, rửa bằng metanol và làm khô trong chân không.
Hiêu suất: 14,3 % (9 mg). Đơn tinh thể thu được bằng cách cho bay hơi chậm dung dịch của phức chất trong DMF.
3.3.2 Tổng hợp phức chất hỗn hợp kim loại chứa Fe 3+ và ion kim loại kiềm M + (M
Hòa tan Fe(NO3)3.9H2O (40,4 mg; 0,1 mmol) và 0,05 mmol MCl (M = Na, K,
Trong một thí nghiệm, 1ml metanol và 0,5ml nước tạo ra một dung dịch có màu vàng Sau khi thêm 57,6 mg (0,15 mmol) phối tử, dung dịch chuyển sang màu đen Hỗn hợp này sau đó được khuấy và đun nóng để quan sát phản ứng.
Trước khi thêm 0,3 ml triethylamine và n-Bu4NPF6 (27,6 mg; 0,15 mmol) vào dung dịch, nhiệt độ được duy trì ở 60 độ C trong 30 phút, dẫn đến sự hình thành kết tủa màu đen ngay lập tức Hỗn hợp phản ứng được khuấy và đun thêm trong 3 giờ Sau khi làm nguội về nhiệt độ phòng, kết tủa được lọc, rửa bằng methanol và làm khô trong chân không Hiệu suất thu được là 23,5% (M=Na), 47,2% (M=K), 49,7% (M=Rb) và 46,9% (M=Cs) Đơn tinh thể được tạo ra bằng cách bay hơi chậm dung dịch của phức chất trong hỗn hợp CH2Cl2/metanol/toluen.
Các điều kiện thực nghiệm
Phổ hồng ngoại được ghi trên máy IR Affinity – 1S Shimadzu trong vùng
400 – 4000 cm -1 tại Bộ môn Vô cơ, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đaị hoc Quốc gia Hà Nôị Mẫu được ép viên rắn với KBr.
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của hydro-1 (1H) và carbon-13 (13C) được thu thập trên máy Bruker-500MHz ở nhiệt độ 300K, sử dụng dung môi CDCl3 tại Viện Hóa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Phổ khối lượng ESI phân giải cao được đo trên máy Aligent 6210 ESI – TOF tai
Viện Hóa học và Hóa sinh, Đại học Tự do Berlin, CHLB Đức, đã tiến hành phân tích mẫu dưới điều kiện cụ thể: tốc độ dòng dung môi 4 μL/phút, thế phun 4 kV và áp suất dòng khí khô 15 psi Phổ khối lượng ESI được đo bằng máy LQT Orbitrap XL tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.
Dữ liệu nhiễu xạ tia X đơn tinh thể của phối tử và phức chất được thu thập trên máy nhiễu xạ tia X Bruker D8 Quest tại Bộ môn Vô cơ, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, sử dụng đối âm cực Mo với bước sóng K α (λ = 0,71073 Å) Quá trình xử lý số liệu và hiệu chỉnh sự hấp thụ tia X bởi đơn tinh thể được thực hiện bằng phần mềm chuẩn của máy đo Cấu trúc tinh thể được tính toán và tối ưu hóa bằng phần mềm SHELXS-97, trong khi vị trí các nguyên tử hydro được xác định theo các thông số lý tưởng và tính toán bằng phần mềm SHELXL Cuối cùng, cấu trúc tinh thể được biểu diễn bằng phần mềm Olex2-1.2 và cấu trúc dạng gelipsoid được thể hiện bằng phần mềm ORTEP3.