Phức chất của cu(II) với thiosemicacbazon benzanđehit và thiosemicacbazon isatin - Nguyễn Thị Bích Hường

92 Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học - Tập 20, Số 1/2015 PHỨC CHẤT CỦA Cu(II) VỚI THIOSEMICACBAZON BENZANĐEHIT VÀ THIOSEMICACBAZON ISATIN Đến tòa soạn 29 – 9 – 2014 Nguyễn Thị Bích Hƣờng, Khoa Khoa học cơ bản, Học Viện Hậu cần Trịnh Ngọc Châu Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội SUMMARY (COMPLEXES OF Cu(II) WITH THIOSEMICARBAZONE BENZALDEHYDE AND THIOSEMICARBAZONE ISATIN) Complexes of benzaldehyde thiosemicarbazone (HL 1 ), benzaldehyde N(4)- phenyl thiosemicarbazone (HL 2 ), isatin thiosemicarbazone (HL 3 ) and isatin N(4)- methyl thiosemicarbazone (HL 4 ) with copper(II) were synthesized in base medium of NH3. Form of these complexes were Cu(L)2, which L: L 1 , L 2 , L 3 , L 4 . The chemical structures of ligands and their complexes were characterized by elemental analysis, MS, IR, 1 H- NMR and 13 C- NMR spectroscopy. The obtained results showed that the ligands are bidentate, coordinated to the copper(II) over N, S- donor atoms. The test in vitro antibacterial activities of the ligands and their complexes against three of positive bacteria types: Lactobacillus fermentum, Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus and three of negative bacteria types: Salmonella enterica, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa and one type of fungus: Candida albican show that Cu(L 2 )2 againt 3/7 bacteria and fungus type. 1. MỞ ĐẦU Các thiosemicacbazon cũng nhƣ các phức chất của chúng với các kim loại chuyển tiếp đã và đang đƣợc các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc tổng hợp và nghiên cứu [5, 7, 8, 9]. Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc tổng hợp, 93 xác định cấu tạo và thăm dò hoạt tính sinh học cũng nhƣ tìm kiếm thêm các ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khác nhau [8, 10], trong đó ngƣời ta đặc biệt chú ý tới việc tìm hiểu mối quan hệ giữa hoạt tính sinh học và cấu trúc của các phối tử và phức chất [1, 3, 4, 6] nhằm tiến tới tổng hợp các hợp chất loại này có hoạt tịnh sinh học mong muốn. Để đóng góp vào việc nghiên cứu này, trong công trình này chúng tôi đã tổng hợp, nghiên cứu cấu tạo và thăm dò hoạt tính sinh học của thiosemicacbazon benzanđehit, N(4)- phenyl thiosemicacbazon benzanđehit, thiosemicacbazon isatin và N(4)- metyl thiosemicacbazon isatin với Cu(II). 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Tổng hợp phối tử HL1, HL2, HL3 và HL 4 Khuấy đều hỗn hợp gồm 0,01 mol (0,91 g thiosemicacbazit, 1,67 g N(4)- phenyl thiosemicacbazit hay 1,05 g N(4)- metyl thiosemicacbazit) trong 30 ml nƣớc cất đã đƣợc axit hoá bằng dung dịch HCl (pH: 1- 2) và 20 ml dung dịch etanol chứa 0,01 mol (benzanđehit (1,1 ml) hay 1,47 g isatin) trên máy khuấy từ ở nhiệt độ phòng. Từ dung dịch sẽ tách ra kết tủa màu trắng mịn với các thiosemicacbazon benzanđehit và dẫn xuất N(4)- phenyl của nó, màu vàng sẫm với các thiosemicacbazon isatin và dẫn xuất N(4)- metyl của nó, tiếp tục khuấy thêm 2 giờ nữa vẫn ở điều kiện đó. Lọc kết tủa trên phễu lọc đáy thuỷ tinh xốp, rửa bằng nƣớc, hỗn hợp etanol- nƣớc và cuối cùng bằng etanol. Sản phẩm đƣợc làm khô trong bình hút ẩm đến khối lƣợng không đổi. 2.2. Tổng hợp các phức chất M(L)2 Hoà tan 0,002 mol HL (0,358 g HL 1 , 0,51 g HL 2 0,88 g HL 3 hay 0,94 g HL 4 ) trong 30 ml etanol nóng rồi đổ từ từ vào 5 ml dung dịch muối CuCl2 0,2 M đã đƣợc điều chỉnh bằng NH3 đặc (pH: 9 - 10) đến khi tạo hoàn toàn phức amoniacat. Vừa đổ vừa khuấy đều hỗn hợp trên máy khuấy từ ở nhiệt độ phòng cho tới khi thấy xuất hiện kết tủa màu đen khuấy tiếp 2 giờ nữa ở nhiệt độ phòng. Lọc, rửa kết tủa trên phễu lọc đáy thuỷ tinh xốp bằng nƣớc, hỗn hợp etanol - nƣớc và cuối cùng bằng etanol. Làm khô chất rắn thu đƣợc trong bình hút ẩm đến khối lƣợng không đổi trƣớc khi tiến hành các nghiên cứu tiếp theo. Kết quả phân tích hàm lƣợng kim loại trong các phức chất lần lƣợt nhƣ sau: Cu(L 1 )2 - CuC16H16N6S2: TN- 14,79%, LT:- 15,04%); Cu(L 2 )2- CuC28H24N6S2: TT- 10,67%, LT- 11,03%); Cu(L 3 )2- CuC18H14N8O2S2: TN- 12,51%, LT- 12,75%; Cu(L 4 )2- C20H18N8O2S2Cu: TN - 11,18%, LT - 11,85%) 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu cấu tạo của các phối tử bằng phổ cộng hƣởng từ hạt nhân 1 H và 13 C Phổ cộng hƣởng từ hạt nhân 1H và 13C của phối tử HL4 đƣợc đƣa ra trên hình 1 và 2. 94 Hình 1. Phổ 1H- NMR của phối tử HL4 Hình 2. Phổ 13C- NMR của phối tử HL4 Tín hiệu cộng hƣởng của proton nhóm N (1) H2 trong thiosemicacbazit và dẫn xuất thế N(4) của nó ở khoảng 4 ppm và tín hiệu cộng hƣởng của cacbon nhóm C = O trong benzanđehit ở khoảng 192 ppm, trong isatin khoảng 184 ppm đều không xuất hiện trên phổ 1H và 13C- NMR của các phối tử. Điều này cho thấy phản ứng ngƣng tụ của nhóm N(1)H2 và C = O đã xảy ra hoàn toàn giữa các thiosemicacbazit và hợp chất cacbonyl để tạo thành thiosemicacbazon với liên kết C = N. Thật vậy, trên phổ 13C- NMR của các phối tử HL1, HL2, HL3 và HL4 đều có tín hiệu cộng hƣởng của nguyên tử cacbon nhóm C = N tƣơng ứng ở 142,21; 142,85; 143,23 và 142,19 ppm. Trên phổ cộng hƣởng từ hạt nhân 13C của hai phối tử HL3, HL4 vẫn thấy xuất hiện tín hiệu cộng hƣởng của cacbon nhóm C 2‟ = O lần lƣợt ở 163,50 và 162,57 ppm. Sự xuất hiện của tín hiệu cộng hƣởng này là bằng chứng cho thấy phản ứng ngƣng tự giữa isatin với các thiosemicacbazit không xảy ra ở vị trí này. Trên phổ 1H- NMR của các phối tử HL1, HL 2 , HL 3 và HL 4 , tín hiệu singlet, tích phân 1 ở 11,41; 11,81; 12,47 và 12,59 ppm đƣợc gán cho proton nhóm N(2)H, nghĩa là cả 4 phối tử đều tồn tại ở dạng thion ở trạng thái tự do, trong điều kiện ghi phổ. Mặt khác, trên phổ 1H- NMR của các phối tử HL1, HL2, HL3 và HL4 cũng thấy xuất hiện các tín hiệu cộng hƣởng của cacbon C = S ở vùng trƣờng thấp lần lƣợt là 177,98; 176,00; 179,65 và 177,66 ppm. Nhƣ vậy, có thể thấy ở điều kiện ghi phổ, phối tử tự do tồn tại ở dạng thion. Tín hiệu singlet của hai proton N(4)H2 của các phối tử HL1 và HL3 cộng hƣởng lần lƣợt ở 8,18; 7,97 và 9,02; 8,66 ppm trong phổ 1H- NMR. Trong phổ 1H - NMR của phối tử HL2, tín hiệu của 1 proton nhóm N (4)H cũng xuất hiện với pic singlet ở 10,10 ppm nhƣng trong phổ 1 H - NMR của phối tử HL4, tín hiệu của 1 proton nhóm N (4) H lại xuất hiện với pic doublet ở 9,24 ppm với hằng số tách là 4,5 Hz do ảnh hƣởng của hiđro nhóm CH3 đính vào N (4) . Các tín hiệu cộng hƣởng của các proton khác hay cacbon trong vòng thơm, cacbon nhóm C = S đều xuất hiện đầy đủ trên phổ của các phối tử và đƣợc liệt kê đầy đủ trên bảng 1. 95 Bảng 1. Các tín hiệu cộng hưởng trên phổ 1H, 13C- NMR của phối tử Qui kết Vị trí, ppm HL 1 HL 2 HL 3 HL 4 N (2) H 11,41 (s, 1) - 11,81 (s, 1) - 12,47 (s,1) - 12,59 (s,1) - N (4) H C = S 8,18; 7,97 (s, 1) 177,98 10,10 (s, 1) 176,00 9,02; 8,66(s,1) 179,65 9,24 (d,1); 4,5 177,66 HC = N 8,05 (s, 1) 142,21 8,17 (s, 1) 142,85 - 143,23 - 142,19 Ho (I) C v ò n g th ơ m 7,79; 7,79 (d, 2); 5,0 134,14; 128,59; 127,24; 129,76 7,91; 7,90 (d, 2); 8,0; 6,0 139,03; 127,99; 125,80; 129,98; 133,97; 127,58; 125,27; 128,59 - 163,50; 143,23; 132,93; 132,12; 123,23; 121,82; 185,20; 111,90 - 162,57; 131,52; 120,62; 131,06; 119,95; 122,28; 111,06 Ho (II) - 7,58 (d, 2); 8,0 - - Hp (I) 7,403 (chập, 3) 7,43 (chập, 3) - - Hm (I) - - Hm (II) - 7,37 (t, 2); 8,0; 8,0 - - Hp (II) - 7,21(t, 1); 7,5; 7,5 - - N 3‟ H - - 11,18 (s,1) 11,20 (s,1) H (H – C 5‟ ) - - 7,65 (d,1); 7,5 7,63 (d,1); 7,5 96 H (H – C 6‟ ) - - 7,08 (t,1); 8,0; 7,0 - H (H – C 7‟ ) - - 6,92 (d,1); 8,0 6,93 (d,1); 8,0 H (H – C 8‟ ) - - 7,35 (dd,1); 7,5; 1,0 7,35 (ddd,1); 15,5; 8,0; 0,5 CH3 - - - - 3,08 (d,3); 4,5 31,30 3.2. Nghiên cứu phức chất bằng phƣơng pháp phổ khối lƣợng Phổ khối lƣợng của phức chất Cu(L2)2 đƣợc đƣa ra trên hình 3. Trên phổ MS của tất cả các phức chất Cu(L 1 )2, Cu(L 2 )2, Cu(L 3 )2 và Cu(L 4 )2, đều xuất hiện một pic với tỉ số m/z lần lƣợt là 420, 572, 502 và 530 tƣơng ứng bằng khối lƣợng phân tử của các phức chất cộng thêm 1 đơn vị. Nhƣ vậy, đây là các pic ion phân tử tƣơng ứng do các phức chất bị proton hóa ([M+H]+). Điều này chứng tỏ công thức phân tử dự kiến của các phức chất đƣa ra là hoàn toàn đúng, các phức chất đều là đơn nhân. Kết quả tính toán cƣờng độ tƣơng đối của các pic đồng vị trong cụm pic ion phân tử nêu trên bằng mềm “Isotope distribution caculator” trên trang Web http: //www.sisweb.com/mstools/isotope (lý thuyết) và kết quả thu đƣợc trên phổ MS (thực tế) là khá phù hợp (biểu đồ 1). Bằng chứng khẳng định một lần nữa công thức phân tử của các phức chất là: Cu(L 1 )2: CuC16H16N6S2, Cu(L 2 )2: CuC28H24N6S2, Cu(L 3 )2: CuC18H14N8O2S2 và Cu(L 4 )2: CuC20H18N8O2S2. Hình 3. Phổ khối lượng của phức chất Cu(L 4 )2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Cƣờng độ 529 530 531 532 533 534 535 m/z Lý thuyết Thực tế Biểu đồ 3. So sánh cường độ tương đối của pic đồng vị giữa lý thuyết và thực nghiêm với phức chất Cu(L4)2 97 3.3. Nghiên cứu cấu tạo của các phối tử và phức chất bằng phổ hấp thụ hồng ngoại Dải hấp thụ đặc trƣng cho nhóm C = O trong vùng 1650 - 1860 cm -1 không thấy xuất hiện trên phổ IR của các phối tử là bằng chứng cho thấy phản ứng ngƣng tụ đã xảy ra hoàn toàn giữa thiosemicacbazit (N(4)- phenyl thiosemicacbazit, N(4)- metyl thiosemicacbazit) và benzanđehit hay isatin. Dải hấp thụ đặc trƣng cho dao động của nhóm S – H (vùng từ 2550 - 2600 cm -1) [2, 9] cũng không thấy xuất hiện trên phổ của hai phối tử do ở trạng thái rắn các phối tử tồn tại dạng thion. Dạng thion Dạng thiol Tạo phức Sự mất đi hay thay đổi dải dao động hóa trị đặc trƣng cho nhóm NH trong vùng trên 3000 cm -1 và sự xuất hiện dải dao động hóa trị đặc trƣng cho nhóm N (2) = C ở khoảng từ 1580 - 1600 cm-1 là bằng chứng cho thấy sự thiol đã xảy ra khi phối tử chuyển vào phức chất. Sự chuyển dịch về số sóng thấp hơn của dải dao động hóa trị đặc trƣng cho nhóm CS, CN, CNN và NN là bằng chứng cho thấy phức chất đƣợc hình thành do sự phối trí của ion kim loại với nguyên tử S và N (1) . Dải dao động hóa trị của nhóm CS xuất hiện ở 870 cm-1 trong phối tử HL 1 và chuyển về số sóng thấp hơn ở 755 cm -1 trong phức chất Cu(L1)2. Dải dao động hóa trị của nhóm CS xuất hiện ở 941 cm-1 trong phối tử HL2 và chuyển về số sóng thấp hơn ở 756 cm-1 trong phức chất Cu(L2)2. Dải dao động hóa trị của nhóm CS xuất hiện ở 860 cm-1 trong phối tử HL3 và chuyển về số sóng thấp hơn ở 749 cm-1 trong phức chất Cu(L3)2. Dải dao động hóa trị của nhóm CS xuất hiện ở 836 cm-1 trong phối tử HL4 và chuyển về số sóng thấp hơn ở 745 cm-1 trong phức chất Cu(L4)2. Dải dao động hóa trị của nhóm CNN xuất hiện ở 1467, 1443, 1469, 1477 cm -1 lần lƣợt trong hai phối tử HL1, HL2, HL3, HL4 và bị giảm về 1431, 1314, 1458, 1453 cm-1 lần lƣợt trong phổ IR của các phức chất Cu(L1)2, Cu(L 2 )2, Cu(L 3 )2, Cu(L 4 )2. Các dữ kiện trên đây cho phép giả thiết rằng trong các phức với Cu(II), cả bốn phối tử HL1, HL2, HL3, HL4 đều là phối tử hai càng, liên kết phối trí đƣợc thực hiện qua các nguyên tử S và N(1) nhƣ mô hình dƣới đây: R, R‘ thuộc phần khung của benzanđehit hoặc isatin R‘‘: H, CH3, C6H5 Từ tất cả các phân tích trên, chúng tôi giả thiết công thức cấu tạo của phức chất nhƣ sau: 98 R, R‘ thuộc phần khung của benzanđehit hoặc isatin, R‘‘: H, CH3, C6H5 3.4. Kết quả thử hoạt tính sinh học của phối tử và các phức chất Trong công trình này chúng tôi đã sử dụng phƣơng pháp pha loãng đa nồng độ, đây là phƣơng pháp thử nhằm đánh giá mức độ kháng vi sinh vật kiểm định và nấm mạnh hay yếu của các mẫu thử thông qua giá trị IC50 (50% inhibitor concentration - nồng độ ức chế 50%) trên 3 dòng vi khuẩn Gram (+): Lactobacillus fermentum, Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus, 3 dòng vi khuẩn Gram (-): Salmonella enterica, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa và 1 dòng nấm là: Candida albican. Các mẫu thử gồm 04 mẫu phối tử và 04 mẫu phức chất Cu(L1)2, Cu(L 2 )2 , Cu(L 3 )2 và Cu(L 4 )2 . Kết quả thử cho thấy mẫu phức Cu(L2)2 thể hiện hoạt tính đối với vi khuẩn Gram (+): Lactobacillus fermentum, Bacillus subtilis và Staphylococcus aureus với giá trị IC50 tƣơng ứng là 5,47; 23,17 và 26,32 µg/ml. Kết quả này có thể cung cấp một số dữ kiện thực nghiệm cho lĩnh vực nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu tạo và hoạt tính sinh học của các hợp chất trên cơ sở thiosemicacbazon. 4. KẾT LUẬN Đã tổng hợp đƣợc bốn phối tử là thiosemicacbazon benzanđehit (HL1) và N(4)- phenyl thiosemicacbazon benzanđehit (HL2), thiosemicacbazon isatin (HL 3 ) và N(4) - metyl thiosemicacbazon isatin (HL 4 ) và bốn phức chất của chúng với Cu(II). Các phức chất có công thức phân tử tƣơng ứng là: Cu(L)2 (L: L 1 , L 2 , L 3 , L 4 ). Ở trạng thái tự do các phối tử đều tồn tại ở dạng thion và bị thiol hóa khi tạo phức chất, phối tử là hai càng với các nguyên tử cho là S và N(1). Kết quả nghiên cứu hoạt tính sinh học của các phối tử và phức chất cho thấy phức chất Cu(L2)2 kháng đƣợc 3/7 dòng khuẩn và nấm đem thử. Công trình này được hoàn thành nhờ sự tài trợ kinh phí của đề tài QG 12. 04, ĐHQG Hà Nội TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Abdou Saad El-Tabl, Moshira Mohamed Abd El-wahed, Ahmed Mahmoud Salah Mahmoud Rezk, (2013), “Cytotoxic behavior and spectroscopic characterization of metal complexes of ethylacetoacetate bis(thiosemicarbazone) ligand”, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 117, pp. 772 - 788. 99 2. Ana Popović-Bijelić, Christian R. Kowol, Maria E.S. Lind, Jinghui Luo, Fahmi Himo, Éva A. Enyedy, Vladimir B. Arion, Astrid Gräslund, (2011), “Ribonucleotide reductase inhibition by metal complexes of Triapine (3- aminopyridine-2-carboxaldehyde thiosemicarbazone): A combined experimental and theoretical study”, Journal of Inorganic Biochemistry, 105(11), pp. 1422 - 1431. 3. Aishakhanam H. Pathan, Raghavendra P. Bakale, Ganesh N. Naik, Christopher S. Frampton, Kalagouda B. Gudasi, (2012), “Synthesis, crystal structure, redox behavior and comprehensive studies on DNA binding and cleavage properties of transition metal complexes of a fluoro substituted thiosemicarbazone derived from ethyl pyruvate”, Polyhedron, 34 (1), pp. 149 - 156. 4. David G. Calatayud, Elena López- Torres, Jonathan R. Dilworth, M. Antonia Mendiola, (2012), “Complexes of group 12 metals containing a hybrid thiosemicarbazone-pyridylhydrazone ligand”, Inorganica Chimica Acta, 381, pp. 150 - 161. 5. Nimai Ch. Mishra, Bipin B. mohapatra, S. Guru, (1979), “Complexes of Co(II), Ni(II), Cu(II) and Zn(II) with ethyl acetoacetate semicarbazone and thiosemicarbazone”, Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry, 41 (3), pp. 408 - 410. 6. M. Aljahdali, Ahmed A. EL-Sherif, (2013), “Synthesis, characterization, molecular modeling and biological activity of mixed ligand complexes of Cu(II), Ni(II) and Co(II) based on 1,10- phenanthroline and novel thiosemicarbazone”, Inorganica Chimica Acta, 407, pp. 58 - 68. 7. Ming Xue Li, Chun Ling Chen, Dong Zhang, Jing Yang Niu, Bian Sheng Ji, (2010), “Mn(II), Co(II) and Zn(II) complexes with heterocyclic substituted thiosemicarbazones: Synthesis, characterization, X-ray crystal structures and antitumor comparison”, European Journal of Medicinal Chemistry, 45 (7), pp. 3169 - 3177. 8. Panampilly Bindu, Maliyeckal R. Prathapachandra Kurup (1999), “EPR cyclic voltammetric and biological activities of copper(II) complexes of salicylaldehyde N(4)- substituted thiosemicarbazone and heterocyclic bases”, Polyhedron, 18, pp. 321 - 331. 9. Sumita Naskar, Subhendu Naskar, Heike Mayer-Figge, William S. Sheldrick, Montserrat Corbella, Javier Tercero, Shyamal Kumar, (2012), “Study of copper(II) complexes of two diacetyl monooxime thiosemicarbazones: X-ray crystal structure and magneto-structural correlation of [Cu(dmoTSCH)Cl]2·H2O (dmoTSCH = monoanion of diacetyl monooxime thiosemicarbazone)”, Polyhedron, 35 (1), pp. 77 - 86. 10. Varinder Kaur, Jatinder Singh Aulakh, Ashok Kumar Malik, (2007), “A new approach for simultaneous determination of Co(II), Ni(II), Cu(II) and Pd(II) using 2-thiophenaldehyde-3- thiosemicarbazone as reagent by solid phase microextraction-high performance liquid chromatography”, Analytica Chimica Acta, 603 (1), pp. 44 - 50.