Luận văn Tổng hợp, nghiên cứu phức chất của một số nguyên tố đất hiếm nhẹ với l - Histidin và bước đầu thăm dò hoạt tính sinh học của chúng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM ---------------------- PHÙNG ANH DIỆU TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU PHỨC CHẤT CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM NHẸ VỚI L - HISTIDIN VÀ BƢỚC ĐẦU THĂM DÒ HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦACHÚNG Chuyên ngành : Hóa học phân tích Mã số : 60.44.29 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC Hƣớng dẫn khoa học: PGS-TS LÊ HỮU THIỀNG THÁI NGUYÊN - 2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Lê Hữu Thiềng, người thầy đã tận tình chú đáo và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, khoa sau Đại học, khoa Hóa học trường ĐHSP Thái Nguyên. Viện Hóa học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, phòng Vi sinh trường Đại học Y khoa Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài. Xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo khoa Hóa học trường ĐHSP Thái Nguyên và các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực nghiệm. Cùng với sự biết ơn sâu sắc tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường THPT Bình Yên, tổ Lý - Hóa - Sinh trường THPT Bình Yên đã giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn này. Thái Nguyên, tháng 09 năm 2008 Tác giả luận văn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 Chƣơng I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................ 2 1.1. Sơ lược về các NTĐH . .............................................................................. 2 1.1.1. Đặc đặc điểm chung của các NTĐH . ..................................................... 2 1.1.1.1.Cấu hình electron chung của các lantanit. ............................................ 2 1.1.1.2. Tính chất hóa học của NTĐH. ............................................................. 4 1.1.2 Sơ lược về một số hợp chất chính của NTĐH. ........................................ 4 1.1.2.1.Oxit của các NTĐH. ........................................................................ 4 1.1.2.2. Hydroxit của NTĐH ....................................................................... 5 1.1.2.3. Các muối của NTĐH. ..................................................................... 5 1.2. Sơ lược về L- histidin. ................................................................................ 6 1.3. Khả năng tạo phức của NTĐH với các aminoaxit. .................................... 7 1.4. Một số ứng dụng phức chất của NTĐH với các aminoaxit. ...................... 9 1.5. Phương pháp nghiên cứu phức rắn. ......................................................... 12 1.5.1. Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại ................................................... 12 1.5.2. Phương pháp phân tích nhiệt. ................................................................ 13 1.5.3. Phương pháp đo độ dẫn điện ................................................................. 14 1.6. Đối tượng thăm dò hoạt tính sinh học của phức chất. ............................. 14 1.6.1. Sơ lược về cây ngô ................................................................................ 14 1.6.2. Sơ lược về vi khuẩn Escherichia coli và vi khuẩn Staphylococcus aureus .......................................................................... 15 Chƣơng II: THỰC NGHIỆM ...................................................................... 17 2.1. Thiết bị và hóa chất .................................................................................. 17 2.1.1. Máy móc và dụng cụ ............................................................................. 17 2.1.2. Hóa chất................................................................................................. 17 2.1.2.1. Dung dịch DTPA 10-3 M .............................................................. 17 2.1.2.2. Dung dịch thuốc thử asenazo(III) 0,1% ....................................... 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 2.1.2.3. Dung dịch đệm axetat .................................................................. 18 2.1.2.4. Các dung dịch muối Ln(NO3)3 ..................................................... 18 2.1.2.5. Dung dịch đệm amoni ...................................................................... 2.2. Tổng hợp phức chất của các NTĐH với L- histidn ................................. 18 2.3. Nghiên cứu phức rắn của NTĐH với L- histidin ..................................... 19 2.3.1. Xác định hàm lượng (%) NTĐH trong các phức chất .......................... 19 2.3.2. Nghiên cứu phức chất bằng phương pháp phân tích nhiệt ................... 20 2.3.3. Nghiên cứu phức chất bằng phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại ........ 26 2.3.4. Nghiên cứu phức chất bằng phương pháp đo độ dẫn điện .................... 30 2.4. Ảnh hưởng của phức chất đến sự nảy mầm và phát triển mầm của hạt ngô .............................................................................................. 32 2.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ phức chất đến sự nảy mầm và phát triển mầm hạt ngô ...................................................................... 32 2.4.1.1. Phương pháp thí nghiệm .................................................................... 32 2.4.1.2. Ảnh hưởng của phức chất đến sự nảy mầm của hạt ngô ............. 32 2.4.1.3. Ảnh hưởng của phức chất đến sự phát triển mầm của hạt ngô .......... 33 2.4.2. So sánh ảnh hưởng của phức chất, phối tử và ion kim loại đến sự nảy mầm và phát triển mầm của hạt ngô ............................................ 35 2.4.2.1.Ảnh hưởng của phức chất, phối tử và ion kim loại đến sự nảy mầm của hạt ngô ..................................................................................... 35 2.4.2.2. Ảnh hưởng của phức chất, phối tử và ion kim loại đến sự phát triển mầm của hạt ngô ............................................................................. 35 2.5. Ảnh hưởng của phức chất Pr(His)3(NO3).2H2O đến vi khuẩn Escherichia coli và vi khuẩn Staphylococcus aureus ............................. 37 2.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của phức chất đến vi khuẩn Escherichia coli và vi khuẩn Staphylococcus aureus ............................................... 37 Chƣơng III: KẾT LUẬN .............................................................................. 40 Danh mục công trình đã công bố liên quan đến luận văn ............................... 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 42 PHỤ LỤC ........................................................................................................ 44 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DTPA : Dietylentriamin pentaaxetic DTHA : Trietylentetraamin hecxaaxetic EDTA : Etylendiamin tetraaxetic His : Histidin Ln : Lantanit Ln 3+ : Ion lantanit NTĐH : Nguyên tố đất hiếm ĐH : Đất hiếm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của ngành hóa học, hóa học phức chất của các nguyên tố đất hiếm (NTĐH) hay các lantanit (Ln) đã có những đóng góp to lớn và quan trọng cho nhiều ngành khoa học. Phức chất của NTĐH có nhiều ứng dụng trong thực tiễn, nhất là trong lĩnh vực khoa học công nghệ cao. Phức chất của các NTĐH với các aminoaxit là một trong những lĩnh vực được nhiều nhà Khoa học quan tâm. Các aminoaxit là những phối tử có khả năng tạo phức tương đối bền với các ion đất hiếm, nó không chỉ được nghiên cứu cơ bản mà còn được nghiên cứu cả về mặt ứng dụng. Đây là một trong những hướng đi chính của các nhà Khoa học về lĩnh vực phức chất. Phức chất của các NTĐH với phối tử là các aminoaxit rất đa dạng và phong phú như: phức chất của NTĐH với L-tryptophan, L-lơxin, L-phenylalanin... Tuy nhiên còn rất ít công trình nghiên cứu về phức chất của một số NTĐH với L-histidin. Với những nhận định trên chúng tôi thực hiện đề tài: "Tổng hợp, nghiên cứu phức chất của một số nguyên tố đất hiếm nhẹ với L-histidin và bước đầu thăm dò hoạt tính sinh học của chúng ". * Mục tiêu đề tài: - Tổng hợp phức rắn của một số nguyên tố đất hiếm nhẹ với L-histidin - Nghiên cứu tính chất của chúng. - Thăm dò hoạt tính sinh học của một số phức chất tổng hợp được. * Nhiệm vụ nghiên cứu: - Tổng hợp phức chất theo tỷ lệ mol Ln3+ : L - histidin = 1: 3 - Xác định thành phần của phức chất - Nghiên cứu cấu trúc của các phức chất đã tổng hợp được - Nghiên cứu hoạt tính sinh học của một số phức chất tổng hợp được trên các đối tượng khác nhau. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 Chƣơng 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Sơ lƣợc về các nguyên tố đất hiếm 1.1.1. Đặc điểm chung của các nguyên tố đất hiếm Các nguyên tố đất hiếm (NTĐH) bao gồm Sc, Y, La và các nguyên tố họ lantanit (Ln). Họ lantanit gồm 14 nguyên tố: từ Ce (số thứ tự nguyên tử 58) đến Lu (số thứ tự nguyên tử 71) trong bảng hệ thống tuần hoàn Menđêleep [11]. 1.1.1.1.Cấu hình electron chung của các lantanit 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f n 5s 2 5p 6 5d m 6s 2 Trong đó: n thay đổi từ 0 đến 14 m chỉ nhận các giá trị là 0 hoặc 1 Dựa vào đặc điểm xây dựng phân lớp 4f, các lantanit được chia thành hai phân nhóm : Phân nhóm xeri (phân nhóm nhẹ ): La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd 4f 0 4f 2 4f 3 4f 4 4f 5 4f 6 4f 7 4f 7 5d 1 Phân nhóm tecbi (phân nhóm nặng): Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 4f 7+2 4f 7+3 4f 7+4 4f 7+5 4f 7+6 4f 7+7 4f 14 5d 1 Qua cấu hình electron của các nguyên tố này ta nhận thấy chúng chỉ khác nhau về số electron ở phân lớp 4f , phân lớp này nằm sâu bên trong nguyên tử hoặc ion nên ít ảnh hưởng tới tính chất của nguyên tử hoặc ion do vậy tính chất hóa học của chúng rất giống nhau, chúng là những kim loại hoạt động tương đương với kim loại kiềm và kiềm thổ. Ở dạng đơn chất là những kim loại sáng màu, các nguyên tố này đều khó nóng chảy, khó sôi và mềm... Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 Các ion của nguyên tố Ln có nhiều mức oxi hoá nhưng mức oxi hóa +3 là bền và đặc trưng nhất. Mức oxi hóa +3 ứng với cấu hình electron hóa trị là [Xe]5d 1 6s 2 . Tuy nhiên một số nguyên tố có số oxi hóa thay đổi. Bán kính ion lantanit giảm dần từ La3+ đến Lu3+. Điều này được giải thích là do các electron điền vào obitan của phân lớp 4f ngày càng nhiều, nên đã chắn lực hút của hạt nhân tới electron nằm ở 2 phân lớp ngoài cùng là 5d 1 6s 2, làm cho bán kính hạt nhân giảm dần khi điện tích hạt nhân nguyên tử tăng. Tuy nhiên, phân lớp 4f nằm sâu bên trong nên bán kính nguyên tử lantanit giảm chậm. Hiện tượng này được gọi là sự co lantanit [8]. Trong phân nhóm nhẹ thì prometi (Pm) là nguyên tố mang tính phóng xạ . Một số đại lượng đặc trưng của NTĐH nhẹ được trình bày ở bảng 1.1. Bảng 1.1. Một số đại lượng đặc trưng của NTĐH nhẹ [8] Nguyên tố (Ln) Số thứ tự nguyên tử Bán kính nguyên tử A 0 Bán kính ion, Ln 3+ A 0 Nhiệt độ nóng chảy, 0 C Nhiệt độ sôi 0C Tỷ khối La 57 1,877 1,061 920 3464 6,16 Ce 58 1,825 1,034 804 3470 6,77 Pr 59 1,828 1,013 935 3017 6,77 Nd 60 1,821 0,995 1024 3210 7,01 Sm 62 1,802 0,964 1072 1670 7,54 Eu 63 2,042 0,950 826 1430 5,24 Gd 64 1,082 0,938 1312 2830 7,89 Trong tự nhiên NTĐH tồn tại dưới dạng các khoáng vật, được phân bố ở một số nước trên thế giới như: Liên Xô cũ, Trung Quốc, Mỹ, Úc, Ấn Độ..., những nước này có tổng trữ lượng oxit đất hiếm tương đối lớn [11]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 Việt Nam có quặng đất hiếm khá phong phú, tổng trữ lượng trên 10 triệu tấn tập trung ở một số vùng như: Phong thổ (Lai Châu), Nậm Xe (Cao Bằng) và ở vùng sa khoáng ven biển miền Trung (Hà Tĩnh) [11] 1.1.1.2. Tính chất hoá học của các NTĐH Các NTĐH nói chung là những kim loại hoạt động, chỉ kém kim loại kiềm và kiểm thổ. Các nguyên tố phân nhóm xeri hoạt động mạnh hơn các nguyên tố phân nhóm tecbi. Tính chất hoá học đặc trưng của các NTĐH là tính khử mạnh. Trong không khí ẩm, nó bị mờ đục nhanh chóng vì bị phủ màng cacbonat đất hiếm. Các màng này được tạo nên do tác dụng của các NTĐH với nước và khí cacbonic. Tác dụng với các halogen ở nhiệt độ thường và một số phi kim khác khi đun nóng. Tác dụng chậm với nước nguội, nhanh với nước nóng và giải phóng khí hiđro. Tác dụng với các axit vô cơ như HCl, HNO3, H2SO4..., tùy từng loại axit mà mức độ tác dụng khác nhau, trừ HF, H3PO4. Các NTĐH không tan trong dung dịch kiềm kể cả khi đun nóng, ở nhiệt độ cao nó khử được oxit của nhiều kim loại, có khả năng tạo phức với nhiều loại phối tử [8]. 1.1.2. Sơ lược về một số hợp chất chính của NTĐH 1.1.2.1. Oxit của các NTĐH (Ln2O3) Oxit của các nguyên tố này là những chất rắn vô định hình hay ở dạng tinh thể, có màu gần giống như màu Ln3+ trong dung dịch và cũng biến đổi màu theo quy luật biến đổi tuần hoàn, rất bền nên trong thực tế thường thu các nguyên tố này dưới dạng Ln2O3. Ln2O3 là oxit bazơ điển hình không tan trong nước nhưng tác dụng với nước tạo thành hidroxit và có tích số tan nhỏ, tác dụng với các axit vô cơ như: HCl, H2SO4, HNO3…, tác dụng với muối amoni theo phản ứng: Ln2O3 + 6 NH4Cl 2 LnCl3 + 6 NH3 + 3 H2O Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 Ln2O3 được điều chế bằng cách nung nóng các hydroxit hoặc các muối của các NTĐH [8] 1.1.2.2. Hydroxit của NTĐH [Ln(OH)3] Là những chất kết tủa ít tan trong nước, trong nước thể hiện tính bazơ yếu, độ bazơ giảm dần từ La(OH)3 đến Lu(OH)3 , tan được trong các axit vô cơ và muối amôni, không tan trong nước và trong dung dịch kiềm dư. Ln(OH)3 không bền, ở nhiệt độ cao phân hủy tạo thành Ln2O3. 2Ln(OH)3    C01000900 Ln2O3 + 3H2O Tích số tan của các hydroxit đất hiếm rất nhỏ: 3)(OHLa T = 1,0.10 -19 ; 3)(OHLu T = 2,5.10 -24 . Độ bền nhiệt của chúng giảm dần từ Ce đến Lu [8]. 1.1.2.3. Các muối của NTĐH • Muối clorua LnCl3: Là muối ở dạng tinh thể có cấu tạo ion, khi kết tinh từ dung dịch tạo thành muối ngậm nước. Các muối này được điều chế từ các nguyên tố hoặc bằng tác dụng của Ln2O3 với dung dịch HCl; ngoài ra còn được điều chế bằng tác dụng của CCl4 với Ln2O3 ở nhiệt độ 400 - 600 0C hoặc của Cl2 với hỗn hợp Ln2O3 và than. Các phản ứng: 2 Ln2O3 + 3 CCl4 = 4 LnCl3 + 3 CO2 Ln2O3 + 3 C + 3 Cl2 = 2 LnCl3 + 3 CO • Muối nitrat Ln(NO3)3 : Dễ tan trong nước, độ tan giảm từ La đến Lu, khi kết tinh từ dung dịch thì chúng thường ngậm nước. Những muối này có khả năng tạo thành muối kép với các nitrat của kim loại kiềm hoặc amoni theo kiểu Ln(NO3)3. 2MNO3 (M là amoni hoặc kim loại kiềm); Ln(NO3)3 không bền, ở nhiệt độ khoảng 7000C - 8000C bị phân huỷ tạo thành oxit. 4 Ln(NO3)3 2 Ln2O3 + 12 NO2 + 3 O2 Ln(NO3)3 được điều chế bằng cách hòa tan oxit, hidroxit hay cacbonat của các NTĐH trong dung dịch HNO3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 • Muối sunfat Ln2(SO4)3 : Tan nhiều trong nước lạnh và cũng có khả năng tạo thành sunfat kép với muối sunfat kim loại kiềm hay amoni, ví dụ như muối kép 2M2SO4. Ln2(SO4)3. nH2O. Trong đó: M là những kim loại kiềm, n = 8  12 Muối Ln2(SO4)3 được điều chế bằng cách hoà tan oxit, hidroxit hay cacbonat của NTĐH trong dung dịch H2SO4 loãng. Ngoài ra còn một số muối khác như: muối florua, muối cacbonat, muối phôtphat, muối oxalat…, các muối này đều không tan. Chẳng hạn như muối Ln2(C2O4)3 có độ tan trong nước rất nhỏ, khi kết tinh cũng ngậm nước [8]. 1.2. Sơ lược về L-histidin Histidin (tên quốc tế:  - amino -  - imidazol propionic) là một trong 20 aminoaxit có trong protein. Histidin tồn tại ở 2 dạng D-histidin và L-histidin. Trong đó dạng L-histidin có biểu hiện hoạt tính sinh học nên thường được nghiên cứu nhiều hơn. Công thức phân tử: C6H9O2N3 Khối lượng mol phân tử: 155,16 g Công thức cấu tạo: HC = C - CH2 - CH - COOH | | | HN N NH2 CH + Trong môi trường axit có cân bằng sau +H3N CH COO - CH2 + H+N NH +H3N CH COOH CH2 N NH Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 + Trong môi trường kiềm có cân bằng sau +H3N CH COO - CH2 + OH -N NH H2N CH COO - CH2 N NH + H2O L-histidin ở dạng tấm nhỏ, có màu trắng, không tan trong ete, ít tan trong rượu, nhưng tan tốt trong nước nóng tạo môi trường bazơ yếu, là chất hoạt động quang học, trong dung dịch nồng độ 3,2% thì góc quay cực ở 200C là [  ] 20 D = -39,2 0 C. Histidin là một aminoaxit cần thiết cho con người, đặc biệt ở trẻ em. Nó cần thiết cho sự phát triển và điều chỉnh các mô; là thành phần của chất bảo vệ cho các tế bào thần kinh. Hơn nữa, nó còn cần thiết cho sự sản sinh cả hồng cầu lẫn bạch cầu, loại bỏ những kim loại nặng khỏi cơ thể, giúp cơ thể tránh khỏi những nguy hiểm gây ra bởi bức xạ. Histidin được tìm thấy trong các loại hoa quả như chuối, nho; có trong thịt, có trong sữa và các sản phẩm có chứa sữa. Ngoài ra nó còn có trong tất cả các loại rau xanh nhưng với lượng ít hơn [1][15]. 1.3. Khả năng tạo phức của NTĐH với các aminoaxit Khả năng tạo phức của các NTĐH nói chung kém hơn so với các nguyên tố họ d. Do các electron 4f bị chắn mạnh bởi các electron lớp ngoài cùng ( 5d1 6s2 ) và do ion Ln3+ có kích thước lớn làm giảm lực hút tĩnh điện giữa ion Ln3+ với các phối tử. Vì vậy khả năng tạo phức của các nguyên tố này chỉ tương đương các kim loại kiềm thổ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 Giống với ion Ca2+, các ion Ln3+ có thể tạo phức với những phối tử vô cơ như NH3, CN - , NO 3  , SO 2 4  ... Những phức này rất không bền, trong dung dịch loãng phân li hoàn toàn, trong dung dịch đặc chúng kết tinh ở dạng muối kép [8]. Với các phối tử hữu cơ và đặc biệt là với phối tử có dung lượng phối trí lớn, điện tích âm lớn như axit xitric, axit tactric..., thì các ion Ln3+ có thể tạo những phức chất rất bền. Đặc thù sự tạo phức của các NTĐH là số phối trí cao và thay đổi. Trước đây người ta cho rằng số phối trí đặc trưng của các nguyên tố này là 6. Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu chứng minh được rằng số phối trí 6 không phải là đặc trưng nhất mà có thể là 7, 8, 9, 10, 11 thậm chí là 12. Một trong những hợp chất hữu cơ tạo được phức bền với Ln3+ là aminoaxit. Có nhiều quan điểm khác nhau về sự tạo phức này. Theo tác giả L.A.Tsugaep thì trong phức chất của kim loại với các aminoaxit, liên kết tạo thành đồng thời bởi nhóm cacboxyl và nhóm amino. Tuỳ theo sự sắp xếp tương hỗ của các nhóm này mà phức chất tạo thành là hợp chất vòng (hợp chất chelat) có số cạnh khác nhau: 3, 4, 5, 6... cạnh. Độ bền của phức chất phụ thuộc vào số cạnh, trong đó phức chất có cấu tạo vòng 5, 6 cạnh là bền nhất [11]. Theo E.O.Zeviagisep, phức vòng của aminoaxit với NTĐH không tồn tại trong môi trường axit và trung tính mà nó chỉ tồn tại trong môi trường kiềm. Tuy nhiên, ở pH cao xảy ra sự phân huỷ phức tạo thành các hydroxit đất hiếm [11]. Đối với các aminoaxit có nhóm chức ở mạch nhánh, nếu nhóm chức này mang điện tích dương, ví dụ như acginat thì độ bền của phức giảm đi chút ít do sự đẩy tĩnh điện. Nếu các nhóm này mang điện tích âm như glutamic thì chúng có thể tham gia tạo liên kết để tạo phức phức đa nhân bền. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 Khi sử dụng các aminoaxit làm các tác nhân tạo phức để tách các NTĐH ra khỏi nhau, Vickery R.C nhận thấy rằng chỉ có glixin và histidin là có khả năng tạo phức chất với NTĐH trong các dung dịch trung tính hay a