Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM
VŨ THỊ NGỌC THUỶ
TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU PHỨC CHẤT CỦA MỘT SỐ
NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM VỚI L - GLUTAMIN VÀ BƢỚC
ĐẦU THĂM DÒ HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA CHÚNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HOÁ HỌC
THÁI NGUYÊN, NĂM 2011
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ii
LỜI CẢM ƠN
Luận văn được hoàn thành tại Khoa Hóa học – Trường Đại học sư
phạm – Đại học Thái Nguyên.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Lê Hữu Thiềng
người đã giao đề tài, hướng dẫn tận tình, chu đáo và giúp đỡ tôi trong suốt quá
trình thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, khoa Sau Đại học, khoa Hóa
học - Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên, Viện Hóa học – Viện Khoa
học và Công nghệ Việt Nam, phòng Hóa lý - Trường Đại học sư phạm –
Đại học Quốc gia Hà Nội, phòng vi sinh – Trường Đại học Y – Dược – Đại
học Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học
tập và nghiên cứu thực hiện đề tài.
` Xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô trong khoa Hóa học – Đại học
Sư phạm Thái Nguyên và bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên tạo mọi
điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực nghiệm và hoàn thành
luận văn.
Cùng với sự biết ơn sâu sắc tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu
Trường THPT Chợ Đồn, tổ Lý Hóa - Trường THPT Chợ Đồn – Bắc Kạn đã tạo
điều kiện giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận
văn.
Thái Nguyên, tháng 08 năm 2011
Tác giả đề tài
Vũ Thị Ngọc Thủy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
iii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số
liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực, được các đồng
tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công
trình nào khác.
Tác giả
Vũ Thị Ngọc Thủy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
iv
MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan i
Mục lục ii
Danh mục các chữ viết tắt iv
Danh mục các bảng v
Danh mục các hình vi
MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2
1.1. Sơ lược về các nguyên tố đất hiếm 2
1.1.1. Đặc điểm chung 2
1.1.2. Tính chất vật lí của các NTĐH 3
1.1.3 Sơ lược tính chất hoá học của các NTĐH 4
1.1.4.Sơ lược về một số hợp chất chính của các NTĐH 5
1.1.4.1. Oxit của các NTĐH 5
1.1.4.2. Hyđroxit của các NTĐH 6
1.1.4.3. Muối của các NTĐH 6
1.1.5.Tầm quan trọng và trạng thái tự nhiên của các NTĐH 7
1.2. Sơ lược về amino axit 10
1.3. Sơ lược về L- glutamin 11
1.4. Khả năng tạo phức của các NTĐH với các amino axit 14
1.5. Một số kết quả nghiên cứu về hoạt tính sinh học của phức chất các
NTĐH với amino axit 16
1.6. Sơ lược về đối tượng thăm dò hoạt tính sinh học 20
1.6.1. Vi khuẩn Escherichia coli 20
1.6.2. Vi khuẩn Staphylococeus aureus 20
1.6.3. Sơ lược về cây đỗ tương 21
1.7. Một số phương pháp nghiên cứu phức chất 22
1.7.1. Phương pháp đo độ dẫn điện 22
1.7.2. Phương pháp phân tích nhiệt 23
1.7.3. Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại 24
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 26
2.1. Thiết bị và hoá chất 26
2.1.1. Máy móc và dụng cụ 26
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
v
2.1.2. Hoá chất 26
2.1.2.1. Dung dịch DTPA 10
-3
M 27
2.1.2.2. Dung dịch thuốc thử asenazo (III) 0,1% 27
2.1.2.3. Dung dịch đệm axetat (CH
3
COONa + CH
3
COOH), pH = 4,2 27
2.1.2.4. Các dung dịch Ln(NO
3
)
3
10
-2
M (Ln: La, Nd, Sm, Gd) 27
2.2. Tổng hợp phức chất của các NTĐH với L-glutamin 27
2.3. Nghiên cứu phức rắn của NTĐH với L-glutamin 28
2.3.1. Xác định hàm lượng NTĐH (%Ln) trong các phức chất 28
2.3.2. Xác định hàm lượng cacbon (%C), nitơ (%N) trong phức chất 29
2.3.3. Nghiên cứu phức chất bằng phương pháp phân tích nhiệt 29
2.3.4. Nghiên cứu phức chất bằng phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại 32
2.3.5. Nghiên cứu phức chất bằng phương pháp đo độ dẫn điện 35
2.4. Ảnh hưởng của phức chất đến sự phát triển mầm hạt đỗ tương 37
2.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ phức chất H
3
[La(Gln)
3
(NO
3
)
3
].5H
2
O đến sự
phát triển mầm hạt đỗ tương 37
2.4.1.1. Phương pháp thí nghiệm 37
2.4.1.2. Ảnh hưởng của phức chất H
3
[La(Gln)
3
(NO
3
)
3
].5H
2
O đến sự phát triển
mầm hạt đỗ tương 37
2.4.1.3. Ảnh hưởng của phức chất, ion kim loại và phối tử HGln đến sự phát
triển mầm hạt đỗ tương 39
2.5. Ảnh hưởng của phức chất H
3
[La(Gln)
3
(NO
3
)
3
].5H
2
O đến vi khuẩn E.coli
và Sta 40
2.5.1.Ảnh hưởng của nồng độ phức chất H
3
[La(Gln)
3
(NO
3
)
3
].5H
2
O đến vi
khuẩn E. coli và Sta 40
2.5.2. So sánh ảnh hưởng của phức chất, phối tử và muối La(NO
3
)
3
đến vi
khuẩn E. coli và Sta 41
KẾT LUẬN 44
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN VĂN 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO 47
PHỤ LỤC 50
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
DTA : Differential thermal analysis
TGA : Thermogravimetry analysis
DTHA : Trietylentetraamin hexaaxetic
DTPA : Dietylentriamin pentaaxetic
EDTA : Etylendiamin tetraaxetic
HGln : Glutamin
Ln
3+
: Ion đất hiếm
NTĐH : Nguyên tố đất hiếm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
vii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Một số đại lượng đặc trưng của các NTĐH nhẹ 4
Bảng 1.2. Một số thông tin về glutamin 13
Bảng 2.1. Kết quả phân tích %Ln, %C, %N của các phức chất 29
Bảng 2.2. Kết quả phân tích giản đồ nhiệt của các phức chất 31
Bảng 2.3. Các tần số hấp thụ chính (cm
-1
) của các hợp chất 34
Bảng 2.4. Độ dẫn điện riêng χ của dung dịch L-glutamin, các dung dịch phức
chất (Ω
-1
.cm
-1
) ở nhiệt độ 30
0
C ± 0,5
0
C 35
Bảng 2.5. Độ dẫn điện mol (µ) của dung dịch L-glutamin và các dung dịch
phức chất (Ω
-1
. cm
2
.mol
-1
) ở 30
0
C ± 0,5
0
C 36
Bảng 2.6. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ phức chất 38
Bảng 2.7. Kết quả so sánh ảnh hưởng của phức H
3
[La(Gln)
3
(NO
3
)
3
].5H
2
O,
HGln và La(NO
3
)
3
đến sự phát triển mầm của hạt đỗ tương 39
Bảng 2.8. Kết quả thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn của phức chất 41
Bảng 2.9. Kết quả thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn của phức chất, phối tử
và muối La(NO
3
)
3
42
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
viii
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Hình thái vi khuẩn E.coli 21
Hình 1.2 Hình thái vi khuẩn Sta 21
Hình 2.1. Giản đồ phân tích nhiệt của H
3
[La(Gln)
3
(NO
3
)
3
].5H
2
O 30
Hình 2.2. Giản đồ phân tích nhiệt của H
3
[Nd(Gln)
3
(NO
3
)
3
].6H
2
O 30
Hình 2.3 Phổ hấp thụ hồng ngoại của L-glutamin 33
Hình 2.4 Phổ hấp thụ hồng ngoại của H
3
[La(Gln)
3
(NO
3
)
3
].5H
2
O 33
Hình2.5. Ảnh hưởng của nồng độ phức chất H
3
[La(Gln)
3
(NO
3
)
3
].5H
2
O đến sự
phát triển mầm hạt đỗ tương 38
Hình 2.6. Ảnh hưởng của phức chất, phối tử và ion kim loại đến sự phát triển
mầm hạt đỗ tương 40
Hình 2.7. Kết quả thử nghiệm kháng khuẩn với vi khuẩn Sta 41
Hình 2.8. Kết quả thử nghiệm kháng khuẩn với vi khuẩn E.coli 41
Hình 2.9. Kết quả thử nghiệm kháng khuẩn với vi khuẩn Sta của phức chất,
muối La(NO
3
)
3
và phối tử 42
Hình 2.10. Kết quả thử nghiệm kháng khuẩn với vi khuẩn E.coli của phức
chất, muối La(NO
3
)
3
và phối tử 42
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1
MỞ ĐẦU
Ngày nay, các nguyên tố đất hiếm (NTĐH) được coi là “nguyên liệu
của thế kỉ”, là vật liệu chiến lược không thể thiếu trong nhiều ngành công
nghiệp mũi nhọn của những quốc gia phát triển như: công nghiệp hạt nhân,
công nghệ thông tin, điện tử, quốc phòng, hàng không vũ trụ, vật liệu siêu
dẫn, siêu nam châm, xúc tác thủy tinh, công nghệ bán dẫn, siêu dẫn, công
nghệ thực phẩm, công nghệ năng lượng xanh…Nhiều công trình nghiên cứu
đã khẳng định rằng các NTĐH khi được sử dụng trong các lĩnh vực như: chăn
nuôi, trồng trọt… đã làm tăng khả năng chịu bệnh, tăng năng suất cây trồng,
vật nuôi và chất lượng nông sản. Như vậy, các NTĐH có vai trò rất quan trọng
trong nền kinh tế, môi trường và công nghệ nên trong giai đoạn hiện nay, nó
được nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm nghiên cứu và sử dụng.
Một trong những hướng nghiên cứu quan trọng về NTĐH là phức chất
của nó với các amino axit. Bởi phức chất của NTĐH với amino axit được ứng
dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghệ sinh học, nông nghiệp, y
dược…; còn với L-glutamin - một trong những amino axit tham gia vào quá
trình tổng hợp protein - phức chất của nó còn ít được quan tâm nghiên cứu.
Dựa trên cơ sở đó, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Tổng hợp, nghiên cứu
phức chất của một số nguyên tố đất hiếm với L-glutamin và bước đầu thăm
dò hoạt tính sinh học của chúng”.
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
Các nguyên tố đất hiếm (NTĐH) bao gồm: scandi (Sc), ytri (Y), lantan
(La) và 14 nguyên tố thuộc họ lantanit (Ln). Họ lantanit gồm: xeri (Ce),
praseođim (Pr), neođim (Nd), prometi (Pm), samari (Sm), europi (Eu),
gađolini (Gd), tecbi (Tb), đysprosi (Dy), honmi (Ho), ecbi (Er), tuli (Tm),
ytecbi (Yb) và (Lutexi (Lu).
Cấu hình electron chung của nguyên tử các NTĐH:
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 = 0 ÷ 14, m chỉ nhận các giá trị là 0 hoặc 1.
Trong các lantanit, electron lần lượt điền vào obitan 4f của lớp thứ 3 từ
ngoài vào, trong khi lớp ngoài cùng có 2 electron (6s
2
) và lớp ngoài thứ hai
của đa số nguyên tố có 8 electron (5s
2
5p
6
).
Dựa vào đặc điểm xây dựng phân lớp 4f mà các NTĐH được chia
thành hai phân nhóm:
Phân nhóm xeri (nhóm đất hiếm nhẹ):
La
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
4f
0
5d
1
4f
2
4f
3
4f
4
4f
5
4f
6
4f
7
4f
7
5d
1
Phân nhóm tecbi (nhóm đất hiếm 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
Ở các NTĐH nhẹ mỗi obitan 4f mới chỉ có 1 elecron, còn ở các
NTĐH nặng thì mỗi obitan 4f được điền thêm electron thứ 2. Từ cấu hình
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3
electron nguyên tử của các NTĐH, ta thấy trừ La, Gd, Lu tất cả nguyên tử
của các nguyên tố còn lại đều không có electron trên obitan 5d. Khi được
kích thích nhẹ , một trong các electron của obitan 4f (thường là một) nhảy
sang obitan 5d, các electron còn lại bị các electron 5s
2
5p
6
chắn với tác dụng
bên ngoài cho nên không ảnh hưởng quan trọng đến tính chất của đa số các
lantanit. Do đó tính chất của các lantanit được quyết định chủ yếu bởi các
electron hóa trị trên các obitan 5d
1
6s
2
và trong các hợp chất chúng thường
thể hiện số oxi hóa bền và đặc trưng là +3.
1.1.2. Tính chất vật lí của các NTĐH
Sự khác nhau trong cấu trúc nguyên tử ở lớp thứ ba từ ngoài vào ít ảnh
hưởng đến tính chất của nguyên tử hoặc ion nên các NTĐH có nhiều tính chất rất
giống nhau, như:
- Kim loại đất hiếm có màu trắng bạc, khi tiếp xúc với không khí tạo
ra các oxit.
- Là những kim loại tương đối mềm, độ cứng tăng theo số hiệu nguyên tử.
- Các NTĐH có độ dẫn điện cao.
- Có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi cao.
Ngoài tính chất đặc biệt giống nhau, các lantanit cũng có một số tính
chất không giống nhau. Từ Ce đến Lu một số tính chất biến đổi đều đặn và
một số tính chất biến đổi tuần hoàn. Sự biến đổi đều đặn các tính chất được
giải thích bằng “sự co lantanit”, đó là sự giảm bán kính nguyên tử của chúng
theo chiều tăng số thứ tự. Sự nén lantanit này ảnh hưởng rất lớn đến sự biến
đổi tính chất của các NTĐH từ La đến Lu. Sự biến đổi tuần hoàn tính chất của
các lantanit được giải thích bằng việc điền eletron vào obitan 4f [10].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
Bán kính nguyên tử và bán kính ion của nguyên tử các nguyên tố là yếu
tố quan trọng nhất để xác định tính chất vật lí như: tỉ khối, nhiệt độ nóng
chảy, nhiệt độ sôi, độ cứng và cấu trúc tinh thể của các lantanit.
Một số tính chất vật lí của các NTĐH nhẹ được thống kê ở bảng 1.1
Bảng 1.1 Một số đại lượng đặc trưng của các NTĐH nhẹ [10]
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 (
0
C)
Tỷ khối
(g/cm
3
)
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
1.1.3 Sơ lược tính chất hoá học của các NTĐH
Các NTĐH nói chung là những kim loại hoạt động, chỉ kém kim loại
kiềm và kiềm thổ. Các nguyên tố nhóm xeri hoạt động mạnh hơn các nguyên tố
nhóm tecbi.
Tính chất hoá học đặc trưng của các NTĐH là tính khử mạnh. Kim loại
dạng tấm bền trong không khí khô, trong không khí ẩm, chúng bị mờ đục
nhanh chóng vì bị phủ một lớp màng cacbonat đất hiếm được tạo nên do tác
dụng với nước và khí cacbonic:
2Ln + 6H
2
O → 2Ln(OH)
3
+ 3H
2
Ln(OH)
3
+ CO
2
→ Ln(OH)CO
3
+ H
2
O
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
Ở 200 – 400
0
C các NTĐH cháy trong không khí tạo oxit và nitrua:
4Ln + 3O
2
→ 2Ln
2
O
3
2Ln + N
2
→ 2LnN
Tác dụng với các halogen ở nhiệt độ không cao, với một số phi kim
khác S, P, C, khi đun nóng:
2Ln + 3X
2
→ 2LnX
3
(X: Halogen, t
0
= 300
0
C)
2Ln + 3S → Ln
2
S
3
( t
o
= 500 – 800
0
C)
Với H
2
O: phản ứng diễn ra chậm ở nhiệt độ thường và nhanh ở nhiệt độ
cao, giải phóng hiđro:
2Ln + 6H
2
O → 2Ln(OH)
3
+ 3H
2
Các NTĐH tác dụng dễ dàng với các axit vô cơ: HCl, H
2
SO
4
,
HNO
3
…(trừ HF, H
3
PO
4
)
2Ln + 6HCl → 2LnCl
3
+ 3H
2
Các NTĐH không tan trong dung dịch kiềm kể cả khi đun nóng, ở nhiệt
độ cao chúng khử được oxit của nhiều kim loại, có khả năng tạo phức với
nhiều loại phối tử [10].
1.1.4. . Sơ lƣợc về một số hợp chất chính của các NTĐH
1.1.4.1. Oxit của các NTĐH
Oxit của những nguyên tố này là những chất rắn vô định hình hay ở
dạng tinh thể, có màu gần giống như màu của ion Ln
3+
trong dung dịch và
cũng biến đổi màu theo qui luật biến đổi tuần hoàn, rất bền nên trong thực tế
thường thu các nguyên tố này dưới dạng oxit Ln
2
O
3
.
Ln
2
O
3
là oxit bazơ điển hình, không tan trong nước nhưng tác dụng với
nước nóng (trừ La
2
O
3
không cần đun nóng) tạo thành hiđroxit và có tích số
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
tan nhỏ. Tác dụng với các axit vô cơ như: HCl, H
2
SO
4
, HNO
3
…, tác dụng với
các muối amoni theo phản ứng:
Ln
2
O
3
+ 6NH
4
Cl → 2LnCl
3
+ 6NH
3
+ 3H
2
O.
Ln
2
O
3
được điều chế bằng cách nung nóng các hyđroxit hoặc các muối
của các NTĐH [10].
1.1.4.2. Hyđroxit của các NTĐH
Hyđroxit của NTĐH là những 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 amoni, không tan trong nước và trong dung dịch
kiềm dư. Ln(OH)
3
không bền, ở nhiệt độ cao phân huỷ thành các oxit Ln
2
O
3
.
2Ln(OH)
3
→ Ln
2
O
3
+ 3H
2
O
Tích số tan của các hyđroxit đất hiếm rất nhỏ và giảm dần từ La(OH)
3
đến Lu(OH)
3
tương ứng 1,0.10
-19
đến 2,5.10
-24
. Độ bền nhiệt của chúng giảm
dần từ Ce đến Lu [10].
1.1.4.3. Muối của các NTĐH
* Muối clorua LnCl
3
: 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 Ln
2
O
3
với dung dịch HCl; ngoài ra còn
được điều chế bằng tác dụng của CCl
4
với Ln
2
O
3
ở nhiệt độ 400 – 600
0
C hoặc
của Cl
2
với hỗn hợp Ln
2
O
3
và than. Các phản ứng:
2Ln
2
O
3
+ 3CCl
4
→ 4LnCl
3
+ 3CO
2
Ln
2
O
3
+ 3C + 3Cl
2
→ 2LnCl
3
+ 3CO
* Muối nitrat Ln(NO
3
)
3
: Dễ tan trong nước, độ tan giảm từ La(NO
3
)
3
đến Lu(NO
3
)
3
, 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 các kim loại kiềm
hoặc amoni theo kiểu Ln(NO
3
)
3
.2MNO
3
(M là amoni hoặc kim loại kiềm);
Ln(NO
3
)
3
không bền, ở nhiệt độ khoảng 700 – 800
0
C bị phân huỷ thành oxit:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7
4Ln(NO
3
)
3
→ 2Ln
2
O
3
+ 12NO
2
+ 3O
2
.
Muối nitrat của NTĐH được điều chế bằng cách hoà tan oxit, hiđroxit
hay cacbonat của các NTĐH trong dung dịch HNO
3
.
* Muối sunfat Ln
2
(SO
4
)
3
: Tan nhiều trong nước lạnh và cũng có khả
năng tạo thành sunfat kép với muối sunfat kim loại kiềm hay amoni theo kiểu
Ln
2
(SO
4
)
3
.3Na
2
SO
4
.12H
2
O. Muối Ln
2
(SO
4
)
3
được điều chế bằng cách hoà tan
oxit, hiđroxit hay cacbonat của NTĐH trong dung dịch H
2
SO
4
loãng.
Ngoài các muối trên còn có một số muối khác như: muối florua, muối
cacbonat, muối photphat, muối oxalat…, các muối này đều không tan. Chẳng
hạn như muối Ln
2
(C
2
O
4
)
3
có độ tan trong nước rất nhỏ, khi kết tinh trong
nước cũng ngậm nước [10].
1.1.5.Tầm quan trọng và trạng thái tự nhiên của các NTĐH
Theo kết luận của các nhà khoa học, đất hiếm ngày càng trở nên quan
trọng và không thể thiếu trong việc phát triển các sản phẩm công nghệ tiên
tiến. Các kim loại này có thể được coi như vũ khí kinh tế của thế kỉ XXI [19].
Đất hiếm là khoáng sản chiến lược có giá trị đặc biệt không thể thay thế và
đóng vai trò rất quan trọng trong các lĩnh vực: điện tử, kĩ thuật nguyên tử,
chế tạo máy, công nghiệp hoá chất, công nghiệp hạt nhân, công nghệ thông
tin, quốc phòng, hàng không vũ trụ đến lĩnh vực luyện kim và cả chăn nuôi,
trồng trọt. Các nhà phân tích nói rằng không có những kim loại này, nhiều
nền kinh tế hiện đại sẽ ngừng vận hành [5], [19]. Kim loại đất hiếm không chỉ
có vai trò ngày càng lớn và tối cần thiết đối với các ngành công nghiệp mũi
nhọn tại các quốc gia phát triển mà nó còn là nguyên liệu quan trọng đối với
việc phát triển các dạng năng lượng không gây ô nhiễm môi trường.
Ngoài ra đất hiếm còn có vai trò quan trọng trong lĩnh vực nông
nghiệp. Kết quả phân tích cho thấy: trong đất trồng thường chứa từ 0,0015 –
0,0020% Ln
2
O
3
(Các NTĐH tồn tại trong tự nhiên dưới dạng các oxit đất
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8
hiếm Ln
2
O
3
). Trong quá trình sinh trưởng, cây trồng có hấp thụ đất hiếm từ
đất nhằm đáp ứng cho nhu cầu sinh trưởng, phát triển bình thường của nó.
Việc nghiên cứu và sử dụng đất hiếm như một loại phân bón vi lượng trong
sản xuất nông nghiệp đã làm tăng khả năng phát triển bộ rễ, tăng khả năng
chịu hạn, kháng sâu bệnh, khả năng hấp thụ dinh dưỡng với mục tiêu tăng
năng suất và chất lượng nông sản.
Theo số liệu thống kê các kết quả sử dụng phân bón vi lượng đất hiếm
trên thế giới cho thấy: Bón 150 – 525 g/ha cho lúa mì ở giai đoạn ngâm ủ hạt
và khi có 3 - 4 lá làm tăng năng suất 187,5 - 262,5 kg/ha (5 - 15%); Với cây
lúa, nếu bón 150-450 g/ha (0,01%) lúc gieo hoặc nhổ mạ sẽ làm tăng năng
suất 300 – 600 kg/ha (4-12%); Với cây bắp cải, bón 750-1500 g/ha vào giai
đoạn cây có 5 - 8 lá sẽ làm tăng năng suất 7500 kg/ha (15%)…[8].
Ở Việt Nam, các NTĐH đã được đưa vào phân bón vi lượng phục vụ
cho nông nghiệp và đã thu được nhiều kết quả khả quan. Trong những năm
gần đây, phân bón vi lượng đất hiếm được sử dụng rộng rãi trên nhiều loại
cây trồng như cây công nghiệp (cà phê, chè ), cây ăn quả (vải thiều, cam,
quýt, dâu tây…),cây lương thực (lúa, ngô…), rau màu, thực phẩm (các loại
rau ăn quả, ăn lá, ăn củ, đậu đỗ…), hoa, cây cảnh, cỏ chăn nuôi [8].
Khi sử dụng phân bón vi lượng đất hiếm tại các vùng trồng chè lớn như
Tuyên Quang, Yên Bái, Phú Thọ, Thái Nguyên… không chỉ làm tăng năng
suất chè từ 15 – 30%, tỉ lệ chè loại A tăng 33% mà chất lượng của sản phẩm
cũng được nâng lên rõ rệt như: tăng hương vị chè, giảm độ đắng…; với cây
dâu tằm năng suất tăng 43%, chất lượng tốt, tằm ăn khoẻ, năng suất kén tăng
2 kg/1 vòng trứng…[8].
Trong tự nhiên người ta có thể tìm thấy các NTĐH trong các lớp trầm
tích, các mỏ quặng tồn tại dưới dạng các oxit đất hiếm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9
Các mỏ đất hiếm tồn tại ở khắp nơi trên thế giới, cục Địa chất Mỹ nhận
định tổng trữ lượng đất hiếm trên toàn cầu lên tới 99 triệu tấn, trong đó Trung
Quốc 27 triệu tấn chiếm 30,6% và là nước xuất khẩu hơn 97% đất hiếm cho
các nước công nghiệp lớn; Mỹ có 13 triệu tấn chiếm 14,7%, Úc 5,2 triệu tấn
chiếm 5,91%, Ấn Độ 1,1 triệu tấn chiếm 1,25%, các nước Liên Xô cũ 19%,
các nước khác 22%. [1], [19], [20].
Các nhà khoa học Mỹ cho rằng tài nguyên đất hiếm thế giới còn khá
lớn. Theo tạp chí Mining Journal, một trữ lượng lớn đất hiếm vừa được phát
hiện tại Liên bang Nga, tại Canada cũng đã phát hiện các mỏ đất hiếm với trữ
lượng lớn, hay tại Trung Quốc cũng phát hiện thêm một trữ lượng lớn đất
hiếm tại tỉnh Hồ Bắc, miền trung của nước này. Hiện nay, các nhà khoa học
Nhật Bản vừa mới tìm thấy trữ lượng đất hiếm lớn (khoảng 100 tỷ tấn) dưới đáy
Thái Bình Dương [7].
Tại Việt Nam, quặng đất hiếm khá phong phú, nguồn đất hiếm ở Việt
Nam đã được phát hiện và khảo sát hàng chục năm trước trong nền đá cổ ở
miền Bắc và theo dự báo, Việt Nam có tài nguyên đất hiếm trên 17 triệu tấn
với trữ lượng gần 1 triệu tấn và được xem là nước có tiềm năng về đất hiếm.
Kết quả khảo sát cho thấy, tại Việt Nam đất hiếm có nhiều ở Bắc Nậm Xe,
Nam Nâm Xe, Đông Pao (Lai Châu), Mường Hum (Lào Cai), Yên Phú (Yên
Bái), ngoài ra còn có trong sa khoáng dưới dạng cát đen phân bố dọc theo ven
biển các tỉnh miền Trung (từ Hà Tĩnh đến Bình Định) [10], [19].
Việt Nam đã nghiên cứu và sử dụng đất hiếm trong các lĩnh vực nông
nghiệp, chế tạo nam châm vĩnh cửu, biến tính thép, hợp kim gang, thuỷ tinh,
bột màu, chất xúc tác trong xử lí khí thải ô tô… nhưng hiện nay vẫn dừng lại
ở qui mô phòng thí nghiệm và bán công nghiệp [20].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10
1.2. Sơ lƣợc về amino axit
Amino axit hay axit amin là những hợp chất hữu cơ tạp chức mà trong
phân tử có chứa cả nhóm chức amin (nhóm amino –NH
2
) và nhóm chức axit
(nhóm cacboxyl –COOH).
Công thức tổng quát: (H
2
N)
n
R(COOH)
m
, n,m ≥ 1.
R là gốc hiđrocacbon hoá trị (n + m).
Tất cả các amino axit tự nhiên đều thuộc loại α – amino axit (nhóm chức
amin –NH
2
gắn vào C thứ hai hay C
α
), ngoài các nhóm –NH
2
, -COOH trong
các amino axit tự nhiên còn chứa các nhóm chức khác như: -OH, HS-, -CO-…
Có khoảng 20 amino axit cần để tạo protein cho cơ thể, trong đó có 12 loại
có thể tạo ra trong cơ thể, 8 loại amino axit cần phải cung cấp từ thực phẩm. Tám
loại amino axit cần thiết đó là: isolơxin, lơxin, lysin, methionin, phenylalanin,
valin, threonin và tryptophan [12]. Hai amino axit cần thiết cho sự tăng trưởng cho
trẻ con mà cơ thể trẻ con chưa tự tổng hợp được, đó là arginin và histidin.
Tình chất vật lí:
Mặc dầu amino axit có chứa đồng thời trong phân tử nhóm –NH
2
và
nhóm -COOH nhưng nhiều tính chất vật lí và hoá học không phù hợp với
công thức cấu trúc này. Khác hẳn với amin và axit cacboxylic, amino axit là
những chất kết tinh không bay hơi, nóng chảy kèm theo sự phân huỷ ở nhiệt
độ tương đối cao. Chúng không tan trong các dung môi không phân cực như
benzen, ete… nhưng lại tan trong nước. Phân tử amino axit có độ phân cực
cao, lực hút tĩnh điện giữa các phân tử lớn. Dung dịch amino axit có tính chất
của dung dịch các chất có momen lưỡng cực cao, các hằng số về độ bazơ và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11
độ axit đối với nhóm –NH
2
và nhóm -COOH đặc biệt nhỏ. Những tính chất
trên rất phù hợp với cấu trúc ion lưỡng cực trong dung dịch:
Trừ glyxin, các amino axit đều là những chất hoạt động quang học, các
amino axit tự nhiên đều có cấu hình L- giống như L-glixeranđehit [12]
Tính chất hoá học: Ngoài các tính chất của các nhóm amino và nhóm
cacboxyl, các amino axit còn thể hiện tính chất của cả phân tử, trong đó đặc
biệt có phản ứng tạo phức của chúng: Các α – amino axit phản ứng với một số
ion kim loại nặng cho hợp chất phức khó tan và rất bền, không bị phân huỷ bởi
NaOH, có màu đặc trưng. Các β – amino axit cũng tạo phức tương tự nhưng kém
bền hơn, các γ và δ- amino axit không tạo thành những hợp chất như vậy [12].
1.3. Sơ lƣợc về L- glutamin
Glutamin là chất bột kết tinh, màu trắng, không mùi, không vị, tan
trong nước. Glutamin là một amino axit bán cần thiết vì có những lúc nó
không thể được sản xuất bởi cơ thể. Khi cơ thể bị các tình huống căng thẳng
như trao đổi chất, chấn thương bao gồm phẫu thuật, nhiễm trùng huyết, ung
thư và bỏng thì glutamin trở thành một amino axit thiết yếu.
Glutamin là amit của axit glutamic và cũng là một trong 20 axit amin
được mã hóa bởi mã di truyền chuẩn tồn tại ở hai dạng D - glutamin và L -
glutamin, trong đó dạng L- có biểu hiện hoạt tính sinh học cao hơn nên được
nghiên cứu nhiều. L-glutamin tham gia vào quá trình tổng hợp protein của
não, là tiền chất tạo GABA (axit g - aminobytyric), chất trung gian dẫn truyền
thần kinh ức chế vỏ não, L-glutamin cần thiết cho hoạt động của chu trình
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
12
krep (nguồn năng lượng tế bào), L-glutamin tham gia vào chu trình urê có vai
trò rất quan trọng trong chuyển hóa amoniac độc hại trong cơ thể. Ngoài ra L-
glutamin còn có tác dụng phục hồi chức năng tế bào não, ức chế những kích
thích quá mức và duy trì những chức năng bình thường khác của não bộ.
Glutamin là một axit amin tự do có nhiều nhất trong cơ thể, chiếm đến
60% các axit amin tự do trong tế bào cơ bắp. Glutamin có kết cấu độc đáo:
chứa 2 chuỗi nitơ (19% nitơ). Điều này làm glutamin trở thành chất vận
chuyển chính đưa nitơ vào tế bào cơ bắp (tới 35%). Với chức năng cung cấp
nitrogen, glutamin là chất tiền thân cho tổng hợp purines, pyrimidines, đường
amin và glutathione kháng oxi hoá, do đó nó rất cần cho sự tăng sinh tế bào
[26]. Ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy glutamin là một cơ chất thiết
yếu, nguồn năng lượng cho các hoạt động chuyển hoá và chức năng của nhiều
hệ thống cơ quan, kể cả duy trì khối cơ bắp, giữ gìn sự toàn vẹn của ống tiêu
hoá, cân bằng kiềm toan và nâng cao hoạt tính của hệ miễn dịch.
Glutamin được tìm thấy trong thức ăn tự nhiên như: thịt bò, cá, gà, các
sản phẩm từ sữa, trong hạt đậu dưới dạng axit glutamic và theo tài liệu [2]
trong lá bắp cải xanh cũng rất giàu glutamin – một chất kháng viêm thiên
nhiên. Glutamin chủ yếu được sử dụng để có được hiệu năng tối đa trong
ruột non, tuy nhiên nó cũng thường được tìm thấy ở cơ, da và các cơ quan
như gan và thận.
Một số thông tin về glutamin được giới thiệu trong bảng 1.2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13
Bảng 1.2. Một số thông tin về glutamin
Công thức phân tử
C
5
H
10
N
2
O
3
.
Công thức cấu tạo
Tên quốc tế
axit 2-amino-4-cacbamoyl butanoic
Tên viết tắt, kí hiệu
HGln
Khối lƣợng mol phân tử (g/mol)
146,15
Nhiệt độ phân huỷ (
0
C)
185
Độ tan (g/100g H
2
O)
3,6
Điểm đẳng điện, pI
5,7
pK
1
2,17
pK
2
9,13
Trong dung dịch L-glutamin tồn tại dưới dạng ion lưỡng cực:
Glutamin được xem là một axit amin không thiết yếu nhưng nó lại nằm
trong nhóm “các dưỡng chất miễn dịch” rất cần khi cơ thể đứng trước những
nguy cơ bị nhiễm trùng nghiêm trọng. Glutamin ngăn chặn sự phân hủy mô
giúp các tế bào sản sinh ra các khối cơ cần thiết để tạo mô mới, giúp duy trì
tính toàn vẹn của ruột và chức năng miễn dịch của ruột.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
14
Cùng với các axit amin khác và peptit glutamin còn có tác dụng thúc đẩy
quá trình sinh tổng hợp, trao đổi chất, nâng cao sức chống chịu sâu bệnh, khả
năng chịu hạn, giảm rụng trái và nâng cao khả năng thụ phấn trên một số loại
cây trồng. Thông qua các phản ứng trao đổi glutamin và axit glutamic thể hiện
chức năng sinh lý như là loại đạm hữu cơ dự trữ để tạo thành các axit amin khác
và protein[16].
1.4. Khả năng tạo phức của các NTĐH với các amino axit
So với các nguyên tố họ d, khả năng tạo phức của các NTĐH kém hơn,
đó là do các electron f bị chắn mạnh bởi các electron ở lớp ngoài cùng và do
các ion Ln
3+
có kích thước lớn làm giảm lực hút tĩnh điện giữa chúng với các
phối tử. Vì vậy khả năng tạo phức của các NTĐH chỉ tương đương các kim
loại kiềm thổ, liên kết trong phức chất chủ yếu là liên kết ion. Khả năng tạo
phức của các NTĐH nhìn chung tăng theo chiều tăng của điện tích hạt nhân,
do bán kính nguyên tử giảm dần nên lực hút tĩnh điện giữa các ion đất hiếm
với phối tử mạnh dần lên.
Người ta nhận thấy rằng các phức chất của NTĐH với các phối tử vô
cơ (NH
3
, CN
-
, Cl
-
, NO
3
-
,…) có dung lượng phối trí thấp, điện tích nhỏ đều
kém bền, trong dung dịch loãng phân li hoàn toàn, trong dung dịch đặc chúng
kết tinh ở dạng muối kép [10].
Với các phối tử hữu cơ, đặc biệt là với phối tử có dung lượng phối trí
và điện tích âm lớn như axit xitric, axit tatric, amino axit, poliaxetic,… thì
các ion đất hiếm có thể tạo với chúng những phức chất rất bền. Điều đó được
giải thích như sau: một là các phức chất chelat của các phối tử đa càng được
làm bền bởi các hiệu ứng có bản chất entropi (quá trình tạo phức vòng càng
làm tăng entropi), hai là liên kết giữa ion đất hiếm và phối tử mang bản chất
ion. Vì vậy điện tích âm của phối tử càng lớn tương tác tĩnh điện của nó với
ion kim loại trung tâm càng mạnh và do đó phức chất tạo thành càng bền.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
15
Đặc thù sự tạo phức của các NTĐH là số phối trí cao và thay đổi.
Ngoài số phối trí thường gặp là 6, hiện nay nhiều tài liệu đã chỉ ra ion Ln
3+
còn có thể có số phối trí là 7, 8, 9, 10, 11 thậm chí là 12.
Một trong những hợp chất hữu cơ tạo được phức bền với NTĐH là các
amino axit, bởi trong phân tử các amino axit có hai loại nhóm chức: nhóm-
COOH và nhóm -NH
2
nên chúng có khả năng tạo phức bền với nhiều ion
kim loại, trong đó có các ion đất hiếm.
Có nhiều quan điểm khác nhau về sự tạo phức giữa NTĐH với amino axit:
Theo tác giả L.A. Tsugaep thì trong phức chất của kim loại với amino
axit, liên kết tạo thành đồng thời bởi nhóm -COOH và nhóm -NH
2
. 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 như 3, 4, 5, 6 cạnh… Độ bền của
phức chất phụ thuộc vào số cạnh, trong đó vòng 5, 6 cạnh là bền nhất [15].
E.O.Zeviagisep cho rằng sự tạo phức vòng không xảy ra trong môi
trường axit hoặc trung tính mà chỉ xảy ra khi kiềm hoá dung dịch [9]. Tuy
nhiên khi kiềm hoá đến pH > 9 thì phức chất bị phân huỷ do tạo thành kết
tủa hiđroxit đất hiếm [15].
Theo Vickery, khi tách các NTĐH nhờ các tác nhân tạo phức là các
amino axit thì trong số các amino axit khảo sát: histidin, glyxin, xystein,…
chỉ có histidin và glyxin mới tạo nên các phức bền với các NTĐH trong các
dung dịch trung tính hay amoniac, trong đó khả năng tạo phức của histidin
nhỏ hơn glyxin [15].
Đối với các amino axit 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 nhóm này mang điện tích âm như glutamic thì
chúng có thể tham gia tạo liên kết để tạo phức đa nhân bền.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
16
Nhiều tác giả đã tổng hợp được phức rắn của các NTĐH với các amino
axit. Một số tác giả ở Ấn Độ đã tổng hợp được phức rắn của lantan nitrat
và axetat với lơxin, tác giả Csoeregh I (Thuỵ Điển) đã tổng hợp được phức
rắn của honmi với axit L-aspactic [15]; tác giả [25] đã tổng hợp được phức
rắn của lantan với lơxin; Celia R, Carubelli và các cộng sự [22] đã tổng
hợp được phức rắn của một số NTĐH (Eu, Tb) với L-phenylalanin và L-
tryptophan, các phức thu được có thành phần Eu(L-phe)
3
(ClO
4
)
3
.4H
2
O và
Tb(L-phe)
3
(ClO
4
)
3
.2H
2
O.
Gần đây một số tác giả Trung Quốc: Yangli [28], Yang Zupei và các
cộng sự [29] đã tổng hợp, nghiên cứu tính chất và thăm dò các hoạt tính kháng
khuẩn của một số phức chất của NTĐH với L-histidin. Tác giả [6] đã tổng hợp
được phức rắn của neođim với L-glutamic và thử nghiệm làm phân bón vi
lượng cho cây vừng. Các tác giả [17] đã tổng hợp được phức rắn của tecbi với
L-tryptophan, phức chất thu được có thành phần H
3
[Tb(Trp)
3
(NO
3
)
3
].3H
2
O.
1.5. Một số kết quả nghiên cứu về hoạt tính sinh học của phức chất các
NTĐH với amino axit
Hoạt tính sinh học của các phức chất nói chung được phát hiện từ đầu
thế kỉ XIX. Phức chất của các amino axit được ứng dụng nhiều trong nông
nghiệp và y học. Trong nông nghiệp, phân bón có thành phần phức vòng của
các kim loại chuyển tiếp và NTĐH cho hiệu quả cao hơn nhiều so với các loại
phân vô cơ, hữu cơ truyền thống, vì chúng có đặc tính: dễ hấp thụ, bền ở
khoảng pH rộng, không bị các vi khuẩn phá huỷ trong thời gian dài, có thể
loại được các tác nhân gây độc hại cho con người, gia súc và môi trường như
các kim loại nặng, ion NO
3
-
… Mặt khác, chúng bổ sung các nguyên tố cần
thiết cho cây, mà các nguyên tố này trong đất ngày càng nghèo đi do quá trình
photphat hoá, sunfat hoá, trôi rửa.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
17
Trên thế giới, ở nhiều nước như Anh, Mỹ, Liên Xô cũ đã sử dụng phức
chất dạng vòng càng của các kim loại sinh học vào ngành trồng trọt, nhằm
làm tăng năng suất mùa màng, chống bệnh vàng lá, rụng quả xanh…
Tại Trung Quốc, một số công trình sử dụng đất hiếm cho trồng trọt đã
chỉ rõ phân vi lượng của NTĐH có ảnh hưởng rõ rệt tới hơn 20 loại cây trồng,
năng suất và chất lượng của cây trồng được nâng cao. Các NTĐH không
những ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của rễ và lá mà còn kích thích
quá trình nảy mầm và đâm chồi của cây trồng [15].
Các phức chất của các NTĐH và với các phối tử: Dietylentriamin
pentaaxetic (DTPA), Trietylentetraamin hexaaxetic (DTHA), Etylendiamin
tetraaxetic (EDTA), đặc biệt là phức đơn nhân của DTPA bền không bị thuỷ
phân ở pH cao, được sử dụng có hiệu quả cho ngành công nghiệp hoá học
phục vụ sản xuất nông nghiệp ở các nước thuộc Liên Xô cũ [15].
Phức chất của các NTĐH với amino axit đã được ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực khác nhau như: công nghệ sinh học, nông nghiệp, y dược [21], [22].
Các kết quả nghiên cứu khẳng định phức chất của các NTĐH với amino axit
dùng làm chất xúc tác AND, ARN [27], có hoạt tính thuốc [29].
Phức hỗn hợp của nhiều amino axit với các NTĐH bón cho cây trồng
đã làm tăng độ màu mỡ của đất, làm tăng sản lượng cây trồng như lúa mỳ
tăng 11,7%; chè tăng 21,53%.
Phức chất của axit aspactic với các NTĐH hóa trị III và kẽm có tính chất
làm giảm hàm lượng đường trong máu và nước tiểu; phức lantanaspactat có tác
dụng ức chế sự phát triển của tế bào ung thư Sarcoma ở chuột đồng với liều
lượng 2,5 mg La
3+
tiêm trong 6 ngày; sự truyền tải theo máu các nguyên tố vi
lượng Ce, Pr, Nd dưới dạng đồng vị phóng xạ vào các cơ quan và các mô của
cơ thể có liên quan đến phức chất của chúng với các amino axit như: glixin, axit
aspactic, axit glutamic, phenylalanin, lơxin…[15].