ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Vi Thị Thanh Thủy
TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ ỨNG DỤNG CỦA PHỨC
CHẤT LYSINE VỚI MỘT SỐ KIM LOẠI SINH HỌC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Vi Thị Thanh Thủy

Học viên

Vi Thị Thanh Thủy MỤC LỤC
MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN…………………………………………………………
1.1. Vai trò của kim loại sinh học…………………………………………
1.2. Vai trò sinh học của lysine……………………………………………

1.3. Vai trò và ứng dụng của phức chất kim loại – lysine…………………

1.4. Tổng hợp phức chất của kim loại sinh học với amino axit thiết yếu….

CHƯƠNG 2 - THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………
2.1. Thực nghiệm…………………………………………………………………
2.1.1. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm………………………………………
2.1.2. Nghiên cứu sự tạo phức bằng phương pháp chuẩn độ đo pH…………


17
19

19
20
20
22
23
24
25
27
28
29
30
30
34
34

3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian……………………………………………….
3.2.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ các chất tham gia phản ứng………………………

3.3. Phân tích cấu trúc, tính chất của phức chất tổng hợp………………………….
3.3.1. Kết quả phân tích nguyên tố………………………………………
3.3.2. Kết quả phổ khối lượng……………………………………………
3.3.3. Kết quả phổ UV – Vis………………………………………………….
3.3.4. Kết quả phổ hồng ngoại………………………………………………
3.3.5. Kết quả phổ
13
C – NMR………………………………………………
3.3.6. Kết quả phân tích nhiệt…………………………………………………

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
CuLys
2
: [Cu(C
6
H
13
N
2
O
2
)
2
(H
2
O)]
MnLys
2
: [Mn(C
6
H
13
N
2

H
13
N
2
O
2
)
3
]
Cu(Ac)
2
: Cu(CH
3
COO)
2

Zn(Ac)
2
: Zn(CH
3
COO)
2

EDTA: C
10
H
16
N
2
O

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Một số metaloenzim thiết yếu ở động vật………………………
Bảng 1.2. Sự hấp thu các dạng hóa học của khoáng chất vào tế bào niêm
mạc ruột của chuột bạch đực……………………………………………….
Bảng 1.3. Ảnh hưởng của phức chất kim loại – lysine tới bò sữa…………
Bảng 1.4. Ảnh hưởng của sắt – glixin tới lợn nái………………………….
Bảng 3.1. Kết quả chuẩn độ H
2
Lys
+
và các hệ M
n+
: H
2
Lys
+
= 1:2…………
Bảng 3.2. Kết quả chuẩn độ H
2
Lys
+
và hệ M
n+
: H
2
Lys
+
= 1:3……………
Bảng 3.3. Logarit hằng số bền của các phức chất…………………………


46
51
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Cấu hình electron của đồng………………………………………………

Hình 1.2. Cấu hình electron của kẽm……………………………………………

Hình 1.3. Hai dạng đồng phân quang học của lysine………………………………
Hình 1.4. Cấu trúc không gian của L – Lysine ……………………………………

Hình 1.5. Quy trình tổng hợp phức chất [M(Val)
2
(phen)……………………………
Hình 1.6. Công thức cấu tạo của phức chất [M(N-phtalyl)], [M(N-phtalyl)
2
]………
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình tổng hợp phức chất………………………………………

2
và CuLys
2
theo các tỉ lệ Cu(Ac)
2
: HLys khác
nhau………………………………………………………………………………….
Hình 3.7. Phổ MS của ZnLys
2
……………………………………………………….
Hình 3.8. Sơ đồ phân mảnh của ZnLys
2
(H
2
O)
2
………………………………… …
Hình 3.9. Phổ MS của CuLys
2
……………………………………………………….

Hình 3.10. Sơ đồ phân mảnh của CuLys
2
……………………………………………

Hình 3.11. Phổ MS của MnLys
2
……………………………………………………

Hình 3.12. Kết quả phổ UV – Vis………………………………………………

33
34
35
36
36

37
40
40
42
42
43
44
45
47
47
48
49
50
50
Hình 3.20. Cấu trúc phân tử FeLys
3
…………………………………………………
Hình 3.21. Cấu trúc phân tử ZnLys
2
…………………………………………………

Hình 3.22. Cấu trúc phân tử CuLys
2
……………………………………………

MỞ ĐẦU
Những năm gần đây, trong lĩnh vực hóa sinh thường có nhiều bài viết đề cập tới
tầm quan trọng của các ion kim loại đối với sinh vật. Nghiên cứu mới nhất về vấn đề
này là tập trung vào quá trình tổng hợp và phân loại các hợp chất sinh học có chứa ion
kim loại do ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực y dược, dinh dưỡng và khoa học
nông nghiệp [25-26, 28-29].
Trong phạm vi đề tài nghiên cứu này, chúng tôi làm nổi bật ứng dụng của hợp
chất kim loại sinh học với amino axit thiết yếu là lysine, nhằm cung cấp các khoáng
chất cần thiết, bổ sung vào thức ăn cho gia súc, gia cầm. Các khoáng chất thiết yếu
đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng, hỗ trợ sự phát triển của các
mô tế bào và tham gia vào việc điều tiết các quá trình của cơ thể.
Do cơ thể động vật rất khó hấp thu các dạng khoáng vô cơ và các sản phẩm từ
tự nhiên thì lại có hàm lượng dinh dưỡng thấp. Trong khi đó dạng phức chất hữu cơ lại
được cơ thể hấp thu dễ dàng. Kết hợp với khả năng tạo phức tốt của amino axit (lysine)
với kim loại chuyển tiếp, chúng tôi hi vọng tạo ra các phức chất của lysine với các kim
loại sinh học, nhằm tạo ra các khoáng chất an toàn về mặt sinh học áp dụng trong lĩnh
vực chăn nuôi.
Ở Việt Nam, hiện nay gần như chưa sản xuất được các sản phẩm thức ăn bổ
sung kim loại và amino axit dạng phức chất mà phải nhập khẩu từ nước ngoài với giá
thành cao và không chủ động được nguồn sản phẩm.
Với các lý do trên, đề tài: “Tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc và ứng dụng của
phức chất Lysine với một số kim loại sinh học” được lựa chọn với mục đích:
 Nghiên cứu sự tạo phức bằng phương pháp chuẩn độ đo pH, tính hằng số bền của
các phức chất.
 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng (thời gian, nhiệt độ, tỷ lệ các chất phản ứng) đến
quá trình tổng hợp phức chất. 2


Trong các điều kiện tự nhiên, trên trái đất có khoảng 90 nguyên tố hóa học được
tìm thấy ở những hàm lượng khác nhau, nhưng trong thành phần của các hệ sinh học
phổ biến thì chỉ thấy có 18 nguyên tố tham gia và trong đó có 10 nguyên tố là kim loại
(chúng được gọi là kim loại của sự sống hay kim loại sinh học). Theo quan điểm của
hóa vô cơ hiện đại, kim loại sinh học được chia thành 2 nhóm: nhóm các nguyên tố
không chuyển tiếp (Na, K, Ca, Mg, Zn) và nhóm các nguyên tố chuyển tiếp (Mn, Fe,
Co, Cu, Mo). Trong phạm vi đề tài nghiên cứu này, sẽ tập trung nghiên cứu 4 kim loại
sinh học phổ biến là sắt, đồng, mangan và kẽm.
* Vai trò sinh học của sắt [5-6, 8]
Sắt có số thứ tự 26, thuộc nhóm VIIIB, chu kỳ 4 trong bảng tuần hoàn các
nguyên tố hóa học. Cấu hình electron của sắt là: [Ar]3d
6
4s
2
, nó thể hiện các mức oxi
hóa từ -2 đến +6, trong đó các mức oxi hóa đặc trưng nhất là +2 và +3 (hai mức oxi
hóa này có thể chuyển hóa qua lại tùy theo môi trường). Trong thiên nhiên sắt có 4
đồng vị bền là:
54
Fe,
56
Fe,
57
Fe và
58
Fe, trong đó
56
Fe chiếm 91,68%.
Sắt là một trong những nguyên tố phổ biến nhất của vỏ trái đất (đứng hàng thứ
tư sau O, Si và Al) và có vai trò sinh học rất lớn thông qua các phức chất sinh học quan


Tuy hàm lượng của đồng trong cơ thể sinh vật rất nhỏ, khoảng 10
-4
%, nhưng có
vai trò vô cùng quan trọng đối với sự sống. Cho đến nay người ta đã xác định được 25
loại protein và enzim chứa đồng. Chúng có mặt trong các cơ thể sống dưới các dạng
khác nhau và có vai trò rất khác nhau. Đồng đóng vai trò quan trọng trong tổng hợp sắc
tố da, mắt, tóc, tham gia vào quá trình hình thành xương và tổng hợp các tế bào máu.
Đồng cũng tạo thành một nhóm các protein có khả năng hấp thụ thuận nghịch oxi
giống hemoglobin và mioglobin. Đại diện nhóm này có thể kể đến hemoxianin. Protein
này được tìm thấy ở một số loài nhuyễn thể, có phân tử khối vào khoảng 4.000.000
đvC. Dạng chưa hấp thụ oxi của hemoxianin không màu chứng tỏ đồng ở trạng thái oxi
hóa +1, sau khi hấp thụ oxi nó có màu xanh chàm, chứng tỏ đồng ở mức oxi hóa +2. 5

Cơ thể thiếu đồng sẽ dẫn đến phá vỡ sự trao đổi sắt giữa huyết tương và hồng
cầu, do đó gây ra bệnh thiếu máu. Sự thiếu đồng cũng dẫn đến chứng bạc tóc. Nhu cầu
về đồng của cơ thể khoảng 2 – 3 mg/ ngày. Đối với những cơ thể thiếu đồng có thể bổ
sung các thực phẩm giàu đồng như gan, lòng đỏ trứng, sữa chua, quả hồ đào, bánh mì
đen…
* Vai trò sinh học của mangan [5-6]
Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, mangan là nguyên tố kim loại có
số thứ tự 25, thuộc nhóm VIIB, chu kỳ 4. Mangan có cấu hình electron [Ar]3d
5
4s
2
, nó
thể hiện các mức oxi hóa phong phú từ -3 đến +7, trong đó mức oxi hóa +2 là bền

10
mà kẽm thể hiệ
n m
bền là:
64
Zn,
66
Zn,
67
Zn,
68

Hì
Cùng với sắt và đ
ồng,
sự sống. Kẽm giữ vai tr
ò quan tr
axit nucleic. Đ
ến nay ng
dehiđrogenaza, andolaza, peptitdaza, cacboxipeptid
trung tâm ho
ạt động của các enzim,
những cấu trúc đặc tr
ưng c
kẽm thường liên k
ết với các nguy
Trong cơ thể, k
ẽm tập trung ở bắp thịt, gan, dịch dạ d
biếng ăn, chậm lớn, x
ương r

kẽm là m
ột trong ba kim loại quan trọng
ò quan tr
ọng trong quá trình trao đ
ổi chất, tổng hợp protein v
ến nay ng
ười ta đã xác định được 300 enzim ch
ứa kẽm gồm các ancol
dehiđrogenaza, andolaza, peptitdaza, cacboxipeptidaza, proteaza…
ạt động của các enzim,
kẽm còn đóng vai trò quan tr
ọng trong việc tạo ra
ưng c
ủa các protein và m
ạch xoắn của các phân tử AND, trong đó
ết với các nguy
ên tử S của cystein và N của histid
in
ẽm tập trung ở bắp thịt, gan, dịch dạ d
ày
. Khi thi
ương r
òn, tóc mọc chậm. Nhu cầu về k
ẽm phụ thuộc v
ẽm h
àng ngày đối với trẻ con là 5 – 10
mg, ngư
40 mg th
ậm chí là 50 mg. Các thức ăn gi
àu k

ời lớn 12 – 15 mg,
àu k
ẽm phổ biến như: 7

Bảng 1.1. Một số metaloenzim thiết yếu ở động vật [17]
Kim loại Enzim Vai trò
Sắt
Ferredoxin
Catalaza
Xitocrom
Succinat
Đehyđrogenaza
Methemoglobin
Hemoglobin
Chất khử, vận chuyển (e)
Thúc đẩy sự phân hủy H
2
O
2
Vận chuyển (e)
Chuyển hóa cacbon hydrat
Vận chuyển O
2



Mangan
Superoxide dismutase
Pyruvate cacboxylaza
Cạnh tranh với các peoxit tự do
Chuyển hóa pyruvate

1.2. Vai trò sinh học của lysine [9, 31]
Lysine là một α – amino axit thiết yếu đối với sự sinh trưởng và phát triển bình
thường của cơ thể người và động vật. Tuy nhiên, nó không tự được tổng hợp trong cơ
thể mà được bổ sung từ ngoài vào thông qua thức ăn. Công thức phân t
ử
nhiệt độ phân hủy 200
–
NH
2
-(CH
2
)
4
-CH(NH
2
)-
COOH,
Lysine, trong đó cơ thể
sinh v


, khối lượ
ng phân t
–
300
o
C và tan tốt trong nước. Công thứ
c c
COOH,
với hai dạng đồng phân quang họ
c D
sinh v
ật sống chỉ hấp thụ được lysine dạ
ng L.D – Lysine L – Lysine
Hình 1.3
. Hai dạng đồng phân quang học của l
ysine
Hình
1.4. Cấu trúc không gian của L – Lysine

ò s
ống còn trong tổng hợp protein l
à chìa khóa trong s
enzim, hoocmon và các kháng th
ể giúp cơ thể tăng cư
ờng sức đề kháng, chống bệnh
ệt ngăn cản sự phát triển của vi khuẩn gây bệ
nh rộp miệ


9

gan và phổi. Đặc biệt đối với động vật còn non và trẻ em khi bị thiếu lysine sẽ xảy ra
hiện tượng chậm lớn, trí tuệ kém phát triển.
Lysine là một amino axit cần thiết và đòi hỏi phải luôn có sẵn trong thức ăn để
đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của cơ thể. Nhu cầu tối thiểu về lysine đối với trẻ em là
103 mg/ kg, nữ trưởng thành là 0,50 g/ ngày và 0,8 g/ ngày đối với nam trưởng thành.
Đối với động vật việc bổ sung lysine vào thức ăn là rất cần thiết. Các thực phẩm giàu
lysine là: thịt, cá, sữa, lòng đỏ trứng, lạc, đậu tương, bột đậu nành…
1.3. Vai trò và ứng dụng của phức chất kim loại – lysine [17-18, 20].
Bảng tuần hoàn Mendeleev chứa ít nhất 104 nguyên tố hóa học thì có tới 81
nguyên tố được coi là thành phần tạo nên các khoáng chất. Trong đó, 17 nguyên tố
được cho là khoáng chất thiết yếu đối với sự sống của động vật (Fe, Mn, Cu, Zn, P,
Mg…). Nhóm các khoáng chất thực hiện ba chức năng chính sau:
- Giữ vai trò trong sự phát triển và duy trì các mô cứng và mềm trong cơ thể.
- Quy định quá trình sinh lý và sinh học của động vật. Khoáng chất thiết yếu
giữ vai trò như chất xúc tác trong hệ thống enzim và hoocmon.
- Tham gia vào quá trình tạo năng lượng, đóng vai trò như một yếu tố cần thiết
trong các phản ứng enzim, biến đổi thức ăn thành các chất chuyển hóa khác,
giải phóng năng lượng để sử dụng cho các hoạt động của cơ thể.
Lượng khoáng chất quá nhiều hay quá ít đều có hại tới cơ thể động vật, việc
cung cấp các khoáng chất “an toàn” về mặt sinh học là hoàn toàn cần thiết. Có nhiều
yếu tố ảnh hưởng đến tính sinh học của khoáng, trong phạm vi nghiên cứu này chúng
tôi chỉ đề cập tới yếu tố ảnh hưởng duy nhất là: “các dạng hóa học của khoáng chất”.
Một nhóm nghiên cứu [17] đã làm các thí nghiệm trên phân đoạn ruột của giống
chuột bạch đực để so sánh khả năng hấp thu giữa phức amino axit với dạng vô cơ của
kim loại, kết quả được thể hiện trên bảng 1.2.
Kim loại
Các dạng hóa học của kim loại
Phức chất Muối sunfat Muối cacbonat Oxit
Cu 35 8 6 11
Mn 94 36 51 23
Fe 298 78 82 61
Zn 191 84 87 66 11

Holstein Friesian trong một trang trại chăn nuôi bò sữa thương mại được xếp thành hai
nhóm. Nhóm I (cung cấp thức ăn thường xuyên), nhóm II (cung cấp thức ăn thường
xuyên + 360 mg kẽm – lysine + 200 mg mangan – lysine + 125 mg đồng – lysine).
Nghiên cứu trên được thực hiện trong 35 ngày trước khi bò đẻ. Kết quả thí nghiệm
được trình bày trong bảng 1.3.
Bảng 1.3. Ảnh hưởng của phức chất kim loại - lysine tới bò sữa
Các kết quả trong bảng 1.3 chỉ ra rằng: những con bò có khẩu phần ăn được bổ
sung thêm các phức chất kim loại – lysine cho sản lượng sữa tăng 5,4%, tỷ lệ mang
thai tăng 6,1%, trường hợp niêm vú giảm 20% đồng thời hàm lượng kim loại được hấp
thu cũng cao hơn so với những con bò mà khẩu phần ăn của chúng không được bổ
sung phức chất kim loại – lysine.
Tác giả [18] nghiên cứu sự ảnh hưởng của sắt – glixin tới lợn nái: chọn ngẫu
nhiên 40 con lợn nái và chia đều thành 2 nhóm. Nhóm A (cung cấp thức ăn thường

chúng cũng tốt hơn so với nhóm lợn nái có khẩu phần ăn không được bổ sung sắt –
glixin (nhóm A).
Lĩnh vực nghiên cứu những ứng dụng của các phức chất amino axit thiết yếu
với kim loại để bổ sung vào sữa, thức ăn cho con người và động vật còn được công bố
bởi các nhóm nghiên cứu của tác giả E.J. Underwood [15], nhóm nghiên cứu của các
tác giả [16, 17, 19, 21, 27]…
Việc sử dụng các phức chất của kim loại với các amino axit thiết yếu như chất
phụ gia bổ sung vào thức ăn trong chăn nuôi, đem lại năng suất cao, nhiều lợi ích kinh
tế. Do đó lĩnh vực tổng hợp các loại phức chất này ngày càng được quan tâm và phát
triển hơn.
1.4. Tổng hợp phức chất của các kim loại sinh học với amino axit thiết yếu [6, 7,
17] 13

Mangan, đồng và sắt là các nguyên tố kim loại chuyển tiếp nhóm d, do sự có
mặt của lớp vỏ electron chưa đầy đủ nên các nguyên tố này có khả năng tạo thành phức
chất. Thành phần và hình dạng của phân tử phức chất phụ thuộc vào nhiều yếu tố: bản
chất ion trung tâm, bản chất phối tử, điều kiện phản ứng như nhiệt độ, pH dung dịch…
- Mn
2+
có khả năng tạo thành phức chất với hầu hết các phối tử thông thường
nhưng hằng số bền của các phức chất đó thường nhỏ hơn so với hằng số bền của các
phức chất các kim loại hóa trị II khác (Fe, Co, Ni) vì rằng: ion Mn
2+
có bán kính lớn
nhất so với các ion cùng điện tích của các kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất đồng thời
năng lượng làm bền bởi trường tinh thể bằng không. Hơn nữa Mn
2+

2+
là
một chất tạo phức mạnh, với số phối trí thay đổi từ 3 đến 8, trong đó các số phối trí 4
và 6 là phổ biến nhất.
- Fe(III) với cấu hình [Ar]3d
5
có khả năng tạo thành phức chất với hầu hết các
phối tử. Dạng hình học phổ biến nhất là các phức chất bát diện: [FeF
6
]
3-
, [Fe(C
2
O
4
)
3
]
3-
,
[Fe(CN)
6
]
3-
…Mặc dù có cấu hình electron giống Mn(II) nhưng màu sắc các phức chất
của Fe(III) đậm hơn hẳn, tức là các phức chất của Fe(III) hấp thụ mạnh ánh sáng
trong vùng khả kiến. Hiện tượng này được giải thích bằng phổ chuyển điện tích. Ion
Fe
3+
có mật độ điện tích lớn hơn so với ion Mn

3
)
4
]
2+
… cũng do cấu hình bền
3d
10
, nên các phức chất của ion Zn
2+
đều không có màu. Đó là do mỗi obitan d đã
được điền đủ hai electron nên không có sự chuyển dời electron giữa các obitan 3d có
phân mức năng lượng khác nhau. Cũng giống như ion Cu
2+
, ion Zn
2+
có khả năng tạo
các phức chất vòng càng 5 cạnh bền với các phối tử α – amino axit.
Trong dung dịch L – Lysine tồn tại ở dạng ion lưỡng cực:

Anion H
2
NCHRCOO
-
(R = NH
2
-(CH
2
)
4

Trọng Uyển [10], đã tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc phức chất của các nguyên tố đất 16

hiếm với một số amino axit. Nhóm nghiên cứu của PGS. Trần Thị Đà và GS. Nguyễn
Hữu Đĩnh tại Khoa Hóa Học, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội đã nghiên cứu tổng
hợp, xác định cấu trúc, tính chất và ứng dụng của các nguyên tố kim loại chuyển tiếp
với các phối tử hữu cơ như hợp chất dị vòng oxadiazole, triazole, thiazoline, indole,
quinolin và hợp chất đồng vòng có trong tinh dầu thực vật, các amino axit, các gốc axit
hữu cơ…Tuy nhiên, các nghiên cứu về tổng hợp và ứng dụng của các phức chất amino
axit thiết yếu với các kim loại sinh học chưa thấy công bố trước đây.