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

TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ ỨNG DỤNG CỦA PHỨC
CHẤT LYSINE VỚI MỘT SỐ KIM LOẠI SINH HỌC

Chuyên ngành: Hóa vô cơ
Mã số: 60440113

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS HUỲNH ĐĂNG CHÍNH



3

1.2.

Vai trò sinh học của lysine……………………………………………..

7

1.3.

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

9

1.4.

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

12

CHƯƠNG 2 - THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………

17

2.1.

Thực nghiệm…………………………………………………………………...

17

2.2.2. Phương pháp phổ UV – Vis……………………………………………

22

2.2.3. Phương pháp phân tích nguyên tố………………………………….......

23

2.2.4. Phương pháp phổ khối lượng…………………………………………..

24

2.2.5. Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại………………………………….

25

2.2.6. Phương pháp phổ 13C – NMR………………………………………….

27

2.2.7. Phương pháp phân tích nhiệt……………………………………….......

28

2.2.8. Phương pháp mô phỏng Gaussian………………………………….......

29

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………………….......



37

Phân tích cấu trúc, tính chất của phức chất tổng hợp………………………….

38

3.3.1. Kết quả phân tích nguyên tố………………………………………........

38

3.3.2. Kết quả phổ khối lượng…………………………………………….......

39

3.3.3. Kết quả phổ UV – Vis………………………………………………….

43

3.3.4. Kết quả phổ hồng ngoại………………………………………………...

44

3.3.5. Kết quả phổ 13C – NMR………………………………………………..

46

3.3.6. Kết quả phân tích nhiệt…………………………………………………

48

Cu(Ac)2: Cu(CH3COO)2
Zn(Ac)2: Zn(CH3COO)2
EDTA: C10H16N2O8
ET – OO: C20H12N3NaO7S
NMR: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân
HLys: L – Lysine monohydrochloride
MS: Phổ khối lượng
IR: Phổ hồng ngoại
UV – Vis: Phổ tử ngoại – khả kiến


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Một số metaloenzim thiết yếu ở động vật………………………

7

Bảng 1.2. Sự hấp thu các dạng hóa học của khoáng chất vào tế bào niêm
mạc ruột của chuột bạch đực……………………………………………….

10

Bảng 1.3. Ảnh hưởng của phức chất kim loại – lysine tới bò sữa…………

11

Bảng 1.4. Ảnh hưởng của sắt – glixin tới lợn nái………………………….

12


ZnLys2……………………………………………………………………….

46

Bảng 3.8. Kết quả phân tích giản đồ nhiệt của các phức chất………………

51


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

4

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

6

Hình 1.3. Hai dạng đồng phân quang học của lysine………………………………..

8

Hình 1.4. Cấu trúc không gian của L – Lysine ……………………………………...

8

Hình 1.5. Quy trình tổng hợp phức chất [M(Val)2(phen)……………………………

15


36

Hình 3.6. Phổ UV–Vis của Cu(Ac)2 và CuLys2 theo các tỉ lệ Cu(Ac)2 : HLys khác
nhau………………………………………………………………………………….

37

Hình 3.7. Phổ MS của ZnLys2……………………………………………………….

40

Hình 3.8. Sơ đồ phân mảnh của ZnLys2(H2O)2………………………………… …..

40

Hình 3.9. Phổ MS của CuLys2……………………………………………………….

42

Hình 3.10. Sơ đồ phân mảnh của CuLys2……………………………………………

42

Hình 3.11. Phổ MS của MnLys2……………………………………………………..

43

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

44

Hình 3.20. Cấu trúc phân tử FeLys3…………………………………………………

53

Hình 3.21. Cấu trúc phân tử ZnLys2…………………………………………………

53

Hình 3.22. Cấu trúc phân tử CuLys2…………………………………………….......

54

Hình 3.23. Cấu trúc phân tử MnLys2………………………………………………..

54

Hình 3.24. Phổ UV–Vis của CuLys2 trong môi trường mô phỏng dịch dạ dày……..

54

Hình 3.25. Phổ UV–Vis của CuLys2 trong môi trường mô phỏng dịch ruột………..

55


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

 Mở đầu
 Chương 1 – Tổng quan
 Chương 2 – Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu
 Chương 3 – Kết quả và thảo luận
 Kết luận

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

Vai trò của kim loại sinh học [5]
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]3d64s2, 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: 54Fe, 56Fe, 57Fe và 58Fe, trong đó 56Fe 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


4


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]3d54s2, nó
thể hiện các mức oxi hóa phong phú từ -3 đến +7, trong đó mức oxi hóa +2 là bền
nhất. Dạng bề ngoài mangan giống sắt nhưng cứng và khó nóng chảy hơn.
Mangan rất quan trọng đối với sự sống, đóng vai trò là chất hoạt hóa một số
enzim xúc tác quá trình tạo thành clorophin (chất diệp lục), tạo máu và sản xuất những
kháng thể nâng cao sức đề kháng. Đối với cây trồng, có nhiều bằng chứng chứng tỏ Mn
tham gia vào hệ quang hợp II (PSII) với chức năng oxi hóa nước để giải phóng oxi và
tham gia vào quá trình đồng hóa nitơ của thực vật. Không những thế, các quá trình tổng
hợp các vitamin B, C, hemoglobin, protein đều cần có sự góp mặt của mangan. Một số
enzim chứa mangan như arginaza, cholinestenaza, photphoglucomutaza….có nhiệm vụ
kiểm soát các quá trình tương ứng như quá trình phân tách amino axit, quá trình đông
máu hay trao đổi cacbohiđrat.
Mangan thuộc nguyên tố vi lượng, hàm lượng mangan trong cơ thể thực vật
khoảng 10-3% và 10-5% trong cơ thể động vật. Nhu cầu của người bình thường về
mangan là khoảng 0,2 – 0,3 mg/ ngày/ kg trọng lượng. Mangan trong cơ thể tập trung
chủ yếu trong các mô xương, gan, thận, dịch dạ dày, đặc biệt là trong ti lạp thể của tế
bào. Nguồn thực phẩm giàu mangan có thể kể đến là chè, củ cải đỏ, cà rốt, khoai tây,
hạt tiêu, gan động vật…
* Vai trò sinh học của kẽm [5-6, 11, 30]

trung tâm hoạt
ạt động của các enzim, kẽm còn đóng vai trò quan trọng
ọng trong việc tạo ra
những cấu trúc đặc trưng
ưng của
c các protein và mạch
ạch xoắn của các phân tử AND, trong đó
kẽm thường liên kết
ết với các nguyên
nguy tử S của cystein và N của histidin
in.
Trong cơ thể, kẽm
ẽm tập trung ở bắp thịt, gan, dịch dạ dày....
d
. Khi thi
thiếu kẽm trẻ con sẽ
biếng ăn, chậm lớn, xương
ương ròn,
r
tóc mọc chậm. Nhu cầu về kẽm
ẽm phụ thuộc vvào lứa tuổi
và giới tính, lượng kẽm
ẽm hàng
h
ngày đối với trẻ con là 5 – 10 mg, ngư
người lớn 12 – 15 mg,
phụ nữ mang thai 20 – 40 mg thậm
th
chí là 50 mg. Các thức ăn giàu
àu kkẽm phổ biến như:


Đehyđrogenaza

Vận chuyển O2

Methemoglobin
Hemoglobin

Đồng

Xitocrom oxiđaza

Vận chuyển O2

Lysyl oxiđaza

Oxi hóa lysine

Ceruloplasmin

Liên kết với Fe

Superoxide dismutalaza Cạnh tranh với các peoxit tự do

Kẽm

Mangan

1.2.



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.

7


Công thức phân tử
ử của lysine là C6H14N2O2, khối lượng
ng phân ttử 146,188g/mol,
nhiệt độ phân hủy 200 – 300oC và tan tốt trong nước. Công thứcc ccấu tạo của lysine:
NH2-(CH2)4-CH(NH2)-COOH,
COOH, với hai dạng đồng phân quang họcc D – Lysine và L –
Lysine, trong đó cơ thể sinh vật
v sống chỉ hấp thụ được lysine dạng
ng L.

D – Lysine

L – Lysine

Hình 1.3.
1.3 Hai dạng đồng phân quang học của lysine
ysine

Hình 1.4. Cấu trúc không gian của L – Lysine
Lysine giữ vai trò
ò sống
s
còn trong tổng hợp protein làà chìa khóa trong ssản xuất

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.

9


51

23

Fe

298

78

82

61

Zn

191

84

87

66

Các số liệu trên cho thấy: phức chất amino axit được hấp thu vào niêm mạc ruột
tốt hơn là các cation kim loại từ dạng muối vô cơ và thí nghiệm trên còn chứng minh
rằng:
- Các nguyên tố khoáng ở dạng muối vô cơ trong quá trình tiêu hoá thường phân
giải thành các ion tự do, các ion này có thể kết hợp với những phân tử khác trong khẩu


17,5

Trường hợp niêm vú (%)

29,9

23,8

Tỷ lệ mang thai (%)

82

87

Hàm lượng kẽm (mg/kg)

36

41

Hàm lượng đồng (mg/kg)

88

181

Hàm lượng mangan (mg/kg)

5,3


Số lợn con sinh ra

214

220

Số lợn con sinh ra còn sống

185

201

Trọng lượng trung bình lợn sơ sinh (kg)

1,29

1,34

Số lợn con cai sữa

165

186

877,80

1086,24

5,32

- Mn2+ 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 Mn2+ 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 Mn2+ với cấu hình d5 khá
bền vững làm cho nó không có dạng phối trí nào đặc biệt chiếm ưu thế trong phức chất
của Mn(II), các phức chất có thể là tứ diện ([MnBr4]2-), vuông phẳng
([Mn(phtaloxyanin)], bát diện ([Mn(H2O)6], lưỡng chóp tam giác… trong đó phức chất
bát diện có phần phổ biến hơn.
- Cu2+ có cấu hình electron là [Ar]3d9 là trường hợp thể hiện rõ nhất hiệu ứng
Jahn – Teller khi bị đặt vào trường phối tử bát diện hay tứ diện, dẫn tới các phức chất
tạo thành không có tính đối xứng cao. Cu(II) tạo thành phức chất với nhiều amin khác
nhau, các phức chất này có màu xanh đậm hơn phức chất aqua. Phổ hấp thụ electron
của chúng có cực đại chuyển dịch về phía sóng ngắn hơn so với [Cu(H2O)6]2+. Cu2+ 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]3d5 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: [FeF6]3-, [Fe(C2O4)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
Fe3+ có mật độ điện tích lớn hơn so với ion Mn2+, ion Fe3+ phân cực các phối tử mạnh
hơn, do đó các dải chuyển điện tích trong phổ hấp thụ electron có cường độ lớn hơn.

13


Zn2+ có khả năng tạo nhiều phức chất, tuy nhiên khả năng tạo phức của nó kém
hơn đồng. Zn2+ với cấu hình electron d10 với năng lượng bền hóa bởi trường phối tử
bằng không, do đó nó không ưu tiên một dạng hóa lập thể nào. Nói chung kẽm có các

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

15


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.

16